DE2724477C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Fördern von Flüssigkeit aus einem Behälter durch eine in die Flüssigkeit eintauchende Rohrleitung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Fördern von Flüssigkeit aus einem Behälter durch eine in die Flüssigkeit eintauchende Rohrleitung

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DE2724477C3
DE2724477C3 DE2724477A DE2724477A DE2724477C3 DE 2724477 C3 DE2724477 C3 DE 2724477C3 DE 2724477 A DE2724477 A DE 2724477A DE 2724477 A DE2724477 A DE 2724477A DE 2724477 C3 DE2724477 C3 DE 2724477C3
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Description

Es gibt Geräte, beispielsweise Thermokameras, bei denen zur Gewährleistung einer einwandfreien Arbeit gewisse Teile tiefgekühlt werden müssen. Zu diesem Tiefkühlen wird häufig flüssiger Stickstoff verwendet, der in regelmäßigen Abständen in bei diesen Geräten vorgesehene Verdampfungsgefäße nachgefüllt werden muß, welche mit den zu kühlenden Teilen der Geräte verbunden sind. Da für dieses Verdampfungsgefäße meist nur ein begrenzter Raum zur Verfugung steht, muß ihre Größe verhältnismäßig klein gehalten werden, weshalb ihr Inhalt meist schon nach einsprechend kurzer Zeit, beispielsweise bei normaler Außentemperatur schon nach etwa 2'/j h, vollkommen verdampft ist. Wenn die Geräte über eine längere Zeit arbeiten müssen und insbesondere über einen langen Zeitraum ständig betriebsbereit sein müssen, müssen die Verdampfungsgefäße auch während der Arbeit der Geräte nachgefüllt werden, wobei es natürlich vorteilhaft ist, wenn dieses Nachfüllen selbsttätig von einem Vorratsbehälter her erfolgen kann.
ι ο Bisher erfolgte die Förderung des flüssigen Stickstoffs aus einem im übrigen geschlossenen Vorratsbehälter häufig dadurch, daß eine in die Flüssigkeit eingetauchte Heizspule erhitzt wurde, woraufhin sich aus der um die Spule herum verdampfenden Flüssigkeit ein Gas bildet, welches im Vorratsbehälter über der Flüssigkeitsoberfläche zu einem entsprechenden Druckanstieg führte. Dieser auf die Flüssigkeitsoberfläche wirkende erhöhte Druck drückte dann Flüssigkeit durch eine in sie ausmündende Rohrleitung, die andererseits in ein Verdampfungsgefäß Führte. Dieses bekannte Verfahren läßt sich in der Praxis jedoch nicht mit ausreichender Genauigkeit durchführen. Abgesehen davon, daß es verhältnismäßig lange dauert, bis die Flüssigkeit zu verdampfen beginnt, wirkt sich auch die Bildung von Dampfblasen in der Flüssigkeit störend auf deren Überführung aus. Überdies ist es auch nicht möglich, die Flüssigkeitsverdampfung schnell genu^ zu unterbrechen und schließlich ist dieses Verfahren auch mit einem beträchtlichen Energieverbrauch verbunden.
Zum Fördern kryogener Flüssigkeiten aus einem Behälter sind auch schon zwei weitere, der Gattung des Patentanspruchs 1 entsprechende Verfahren bekanntgeworden, bei denen erst durch eine Rohrleitung aus dem Behälter herausgeförderte Flüssigkeit verdampft
ii und daraufhin als Gas in den Behälter über die Oberfläche der Flüssigkeit zurückgeführt wird, um dort den Druckanstieg zu bewirken. Im einen Falle taucht gemäß der DEOS, 23 29 053 in die Flüssigkeit unabhängig von der Förderrohrleitung eine weitere
*o Rohrleitung ein, die außeriralb dv.j Behälters zu einem Verdampfer führt, wonach das durch die Verdampfung der Flüssigkeit gebildete Gas durch eine Vakuumpumpe von oben her in den Behälter zurückgeführt wird, während im anderen Falle gemäß der US-PS 34 40 829
♦5 die Förderrohrleitung selbst außerhalb des Gefäßes in einem waagere hten Leitungsteil eine untere becherförmige Erweiterung aufweist, oberhalb der aus der Förderrohrleitung eine Zweigleitung von oben her in den Behälter zurückführt. Der durch die Erweiterung gebildete Becher ist von außen her bis über die Siedetemperatur der Flüssigkeit hinaus beheizbar, so daß die durch die Verdampfung gebildeten Gasblasen in die Zweigleitung nach oben entweichen. In der Förderrohrleitung befindet sich zwischen dem Behälter
">"> und dem Becher ein nach dem Becher hin öffnendes Rückschlagventil, während sich ein gleiches, nach dem Behälter hin öffnendes Rückschlagventil in der genannten Zweigleitung befindet, womit ein unmittelbares Zurückströmen von Gas in der Förderrohrleitung ausgeschlossen wird. Wenn bei diesen Verfahren auch die Möglichkeit gegeben ist, den jeweils im Verdampfer befindlichen, nur kleinen Flüssigkeitsanteil schnell zu verdampfen und die Verdampfung auch schnell wieder zu unterbrechen, so ist doch nicht nur nachteilig, daß
6^ auch hier noch eine unerwünschte lange Zeit vergeht, bis über die nur kleinen, jeweils verdampften Flüssigkeitsanteile der gewünschte Druckanstieg herbeigeführt wird, sondern auch, daß die Drucksteieerune nur durch
ein ständiges Verdampfen von weiterer Flüssigkeit möglich ist, was zumindest bei Flüssigkeiten mit über der Raumtemperatur liegendem Siedepunkt die zusätzliche Zufuhr entsprechender Verdampfungsenergie erfordert
Der Erfindung liegt, ausgehend von der Gattung des Patentanspruchs t, die Autgabe zugrunde, den Druckaufbau im Behälter noch schneller zu bewirken und dabei zugleich den dafür benötigten Energieverbrauch zu senken.
Die gestellte Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs t wiedergegebene Lehre gelöst
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Druckerhöhung über der Flüssigkeit durch das bereits gasförmig vorhandene, oberhalb der Flüssigkeit befindliche Medium durch dessen Ansaugung zur Heizzone und anschließende Rückführung zur Oberfläche der im Behälter befindlichen Flüssigkeit eingeleitet und durch eine anschließende wiederholte Führung desselben Mediums in einem Kreislauf fortgesetzt, wobei durch das zunehmend erhitzte Medium von der Oberfläche der Flüssigkeit jeweils Flüssigkeitsanteile verdampft und daraufhin ebenfalls in diesem Kreislauf mitgeführt und weiter erhitzt werden. Dadurch, daß schon zur ersten Druckerhöhung lediglich ein bereits gasförmig vorhandenes Medium erhitzt zu werden braucht, ergibt sich bereits gegenüber den eingangs genannten bekannten Verfahren ein geringerer Energieverbrauch, der auch dadurch noch weiter gesenkt wird, daß dasselbe, bereits gasförmige Medium im Verlaufe der Kreislaufführung weiter erhitzt wird, so daß auch zu der hierdurch erreichten weiteren Druck steigerung keine Verdampfungswärme aufgewendet zu werden braucht. Abgesehen davon, daß durch dieses Verfahren in der zu fördernden Flüssigkeit auch keine Dampfblasen entstehen können, ergibt sich durch die Kreislaufführung des Gases auch eine gegenüber allen vorbekannten Verfahren beschleunigte Druckerhöhung und damit beschleunigte Förderung von Flüssigkeit in die Förderrohrleitung. Sofern es sich bei der zu fördernden Flüssigkeit um im Behälter befindlichen flüssigen Stickstoff handelt kann das Erhitzen dei Gases allein schon dadurch erfolgen, daß das über der Flüssigkeitsoberfläche befindliche und abgesaugte Stickstoffgas in einem oberen, die Heizzone bildenden Teil des Behälters an einer der Raumtemperatur ausgesetzten und damit weit über der Siedetemperatur des Stickstoffs liegenden Wandfläche vorbeigeführt wird. Da die Siedetemperatur von Stickstoff bei annähernd —196°C liegt, kann eine das Sieden des Stickstoffs zuverlässig bewirkende Temperaturdifterenz an der genannten Wandfläthe schon bei verhältnismäßig niedrigen Außentemperaturen, beispielsweise bei — 50°C. gewährleistet werden. Da das Gas in einem Kreislauf »trömt, dehnt sich der bereits in Gasform vorhandene Stickstoff aus, wodurch der vom Gas her auf die Oberfläche der Flüssigkeit ausgeübte Druck entsprechend steigt. Natürlich ist diese Drucksteigerung nur möglich, wenn der Behälter im übrigen dicht nach außen abgeschlossen ist.
Die Erfindung umfaßt auch eine zum Durchführen des vorgenannten Verfahrens dienende Vorrichtung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 3, während eine bevorzugte Vorrichtung zum Ansaugen und Zurückdrücken des Gases aus dem bzw. in der Behälter in Patentanspruch 4 gekennzeichnet ist.
In der Zeichnung a-.l die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigt
Fig. 1 eine Sehen-adarstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einer in Form eines Blockschaltbildes dargestellten elektronischen Antriebsschaltung;
F i g. 2 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung nebst elektronischer Antriebsschaltung,
F i g. 3 eine entsprechende Ausschnittdarstellung
to eines gegenüber F i g. 2 weiterhin abgewandelten Teiles des Vorratsbehälters.
Der in F i g. 1 dargestellte, in seinem unteren Teil nach außen wärmeisolierte Behälter 1 ist in seinem isolierten Teil halb mit flüssigem Stickstoff 2 gefüllt Ein oberer Raum 3 des Behälters 1 weist nach außen nichtisolierte Wände auf und kann z. B. mittels einer nicht dargestellten Schraubverbindung auf einen üblichen, nach außen thermisch isolierten behälter für flüssigen Stickstoff aufgeschraubt sein.
2<j Wie a.is F i g. 1 weiterhin ersichtlich ist, taucht in die Flüssigkeit ein vom oberen Rat ; 3 senkrecht nach unten ragendes, unten perforiertes i\or r 4 ein, v<obei die Perforation entlang dem ganzen wärmeisolierten unteren Teil des Behälters 1 angeordnet ist. Nahe der oberen Ausmündung des Rohres 4 ist ein Ventilator 5 angeordnet, der von einem über dem Behälter 1 befindlichen Motor 6 her antreibbar ist. Beim Betrieb des Ventilators 5 wird kaltes, über der Oberfläche 12 des flüssigen Stickstoff.; 2 befindliches Gas entlang den voll
jo ausgezogen dargestellten Pfeilen dur^h das Rohr 4 nach oben abgesaugt ur d dort in der in F i g. 1 durch in Doppellinien dargestellte Pfeile sichtbaren Weise nach den Seitenwänden des oberen Raumes 3 des Behälters 1 hin gefördert, wo es von der Umgebungstemperatur her aufgeheizt wird. Das aufgeheizte Gas wird durch die Wirkung des Ventilators 5 weiterhin außerhalb des Rohres 4 wieder nach unten zur Oberfläche 12 des Stickstoffs 2 hin gefördert, wodurch die Oberfläche 12 auf eine über der Siedetemperatur lies Siickstoffs liegende Temperatur aufgeheizt wird und entsprechend verdampft.
Der Behälter 1 weist in den Seitenwänden des oberen Raumes 3 gemäß F i g. 1 zwei Ventile 7 und 8 auf. von denen das Ventil 7 ein Überdruck-Sicherheitsventil und das Ventil 8 ein regelbares Ventil ist. welches während der Flüssigkeitsförderung geschlossen ist und nach beendeter Flüssigkeitsförderung wieder geöffnet wird. Außerdem ragt in den Behälter 1 durch die Wandung von dessen oberem Raum 3 eine Rohrleitung 9 hinein, die sich neben dem Rohr 4 bis in den flüssigen Stickstoff 2 hinein erstreckt und dort nahe dem Boden des Behälters 1 ausmündet. Die Rohrleitung 9 führt andererseits von oben her in ein Verdampfungsgefäß 10. in dessen oberem Teil sich ein Pegelanzeiger 11 befindet, der in nachstehend noch erläuterter Weise ein Signal aussendet wenn die im Verdampfu>-.gsgetäß 10 befindliche Flüssigkeit einen entsprechenden oberen Pegel erreicht hat.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Während normalerweise durch das geöffnete Ventil 8 verdampfter Stickstoff nach außen entweicht, wird dieses Ventil zum Füllen des Verdampfjngsgefäßes 10 mit Stickstoff geschlossen und der Motor 6 zum Antrieb des Ventilators 5 eingeschaltet. Dadurch wird über der Oberfläche 12 des flüssigen Stickstoffes 2 befindliches kaltes Gas durch das Rohr 4 nach oben gesaugt und entlang den Seitenwänden des oberen Raumes 3 des
Behälters I nach unten zurückgedrückt. Durch die von der äußeren Atmosphäre her aufgeheizten Seitenwände des oberen Raumes 3 wird das Gas entsprechend stark erhitzt, so daß es nach seiner Rückförderung nach unten die Oberfläche 12 des Stickstoffs 2 über dessen Siedetemperatur erhitzt, woraufhin nunmehr eine vergrößerte Menge von Stickstoffgas durch das Rohr 4 zu einem nächsten Kreislauf hochgesaugt wird. Der durch die zunehmende Erhitzung des im Kreislauf geführten Gases und die zunehmende Verdampfung von Stickstoff erhöhte Druck auf die Oberfläche 12 des flüssigen Stickstoffs führt daraufhin zu einer entsprechenden Förderung flüssigen Stickstoffs durch die Rohrleitung 9 nach dem Verdampfungsgefäß 10 hin.
Die beschriebene Anwendungsform des Verfahrens zum Verdampfen flüssigen Stickstoffs bietet zugleich den besonderen Vorteil, daß zu dieser Verdampfung keine besondere Energie benötigt wird, weil hierzu in einfacher Weise die Umgebungstemperatur ausgenutzt iuorrlon l/onn
Der Motor 6 treibt den Ventilator 5 so lange an, bis ein im Verdampfungsgefäß 10 befindlicher Pegelanzeiger 11 die volle Auffüllung des Verdampfungsgefäßes 10 anzeigt. Durch automatische Regelung wird erreicht, daß der Ventilator 5 stehenbleibt und das Ventil 8 geöffnet wird. Durch die Entlüftung des Behälters I sinkt der darin zuvor vorhandene Druck ab und die Flüssigkeitsförderung durch die Rohrleitung 9 hört sofort auf.
Nach Ablauf eines vorherbestimmten Zeitraumes, der bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel zur erneuten Füllung des Verdampfungsgefäßes IO in einer iR-Kamera z. B. I Vj Stunden beträgt, wird einerseits der Ventilator 5 über den Motor 6 in Gang gesetzt und das Ventil 8 geschlossen, woraufhin erneut flüssiger Stickstoff 2 aus dem Behälter 1 durch die Rohrleitung 9 in das Verdampfungsgefäß 10 gefördert wird.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung zum Nachfüllen eines Verdampfungsgefäßes 10 für eine IR-Kamera ist der Ventilator 5' im oberen Bereich des oberen Raumes 3 des Behälters 1 zu dessen senkrechter Achse seitlich versetzt angeordnet, während für die Zirkulation des über dem flüssigen Stickstoff 2 befindlichen Gases kein Rohr 4 benötigt wird. Statt dessen erstreckt sich aus einer etwa mittleren Höhe des oberen Raumes 3 eine Trennwand 30 bis in einen gegenüber dem unteren Behälterquerschnitt verengten Halsteil 25 des Behälters 1, so daß der im oberen Raum 3 auf einer Seite der Trennwand befindliche Ventilator 5' das an den Wänden des Raumes 3 aufgeheizte Gas auf dieser Seite der Trennwand nach unten drückt, während das kalte Gas auf der anderen Seite der Trennwand 30 nach oben gesaugt wird.
Bei dem in F i g. 3 dargestellten, gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel abgewandelten Ausführungsbeispiel ist der Ventilator 5' ebenfalls seitlich zur senkrechten Mittelachse des Behälters 1 versetzt angeordnet und arbeitet — wi<: auch der Ventilator 5' gemäß F i g. 2 — gerade umgekehrt wie der Ventilator 5 des ersten Ausführungsbeispieles, so daß ein hier das Rohr 4 des ersten Ausführungsbeispieles ersetzendes Rohr 32 nicht als zur Hochförderung von Gas dienendes Saugrohr, sondern als Druckrohr ausgebildet ist, durch welches das zuvor an den Wänden des oberen Raumes 3 des Behälters I erhitzte Gas durch dessen Halsteil 25 wieder nach unten über die Oberfläche 12 (vgl. Fig. I) der Flüssigkeit zurückgedrückt wird. Da das Rohr 32 ebenfalls exzentrisch zur senkrechten Mittelachse des Behälters 1 angeordnet ist. zirkuliert das durch dieses Rohr 32 nach unten gedrückte warme Gas über der Oberfläche 12 und kann damit eine intensive Verdampfür.g von dieser Oberfische '.2 her bewirken. Da: zweckmäßig aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellte Rohr 32 endet unten im übrigen unmittelbar oberhalb des höchstzulässigen Flüssigkeitsstandes. Wenn der Flüssigkeitsspiegel jedoch diesen höchsten zulässigen Stand überschreiten sollte, dann wird die oberhalb des vorgesehenen höchsten Flüssigkeitsstandes befindliche Flüssigkeit durch das durch das Rohr 32 nach unten gedrückte warme Gas schnell verdampft: die Flüssig'.:it entweicht durch das Ventil T nach außen in die Rohrleitung 26 hinein. Im übrigen arbeitet die in F i g. 3 dargestellte abgewandelte Vorrichtung genauso wie die in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung.
Um im oberen Raum 3 des Behälters 1 eine möglichst große Wärmeaustauschfläche zu erhalten, kann die Wandung dieses Teiles gewellt oder auch innen und/oder äußern mit Rippen versehen sein. Der Ventilator 5 bzw. 5' kann zur Gewährleistung einer möglichst gleichmäßigen Förderung durch die Rohrleitung 9 und zur Vermeidung eines zu großen Druckanstieges im Behälter 1 mehrere Geschwindigkeitsstufen aufweisen. Dabei kann die Drehzahl des Motors 6 bzw. 6' beispielsweise über einen im oberen Raum 3 des Behälters 1 angeordneten Druckfühler oder über einen in der Rohrleitung 9 vorgesehenen Strömungsmesser gesteuert werden.
Wenn die beschriebene Vorrichtung auch vorzugsweise zur Förderung von Flüssigkeiten vorgesehen ist. die tiefgekühlt sind, so kann sie doch auch vorteilhaft zur Förderung irgendwelcher anderen Flüssigkeiten verwendet werden. In diesem Falle ist es dann gegebenenfalls erforderlich, daß die Wände des oberen Raumes 3 des Behälters 1 von außen her beheizt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Fördern von Flüssigkeit aus einem Behälter durch eine in die Flüssigkeit eintauchende Rohrleitung, bei dem die Förderung durch eine unter Wärmeeinwirkung hervorgerufene Verdampfung von Anteilen der im geschlossenen Behälter befindlichen Flüssigkeit und eine entsprechende Volumenvergrößerung und Druckerhöhung des über der Flüssigkeit befindlichen gasförmigen Mediums bewirkt wird, wobei ein Teil des Inhalts des Behälters durch einen gegenüber der Oberfläche kleineren Querschnittsbereich zu einer über dem Behälter befindlichen Heizzone verbracht wird, dort bis auf eine über der Siedetemperatur der Flüssigkeit liegende Temperatur erhitzt und in Gasform durch einen vom Hinförderungsbereich zur Heizzone getrennten Bereich der Oberfläche der im Behälter befindlichen Flüssigkeit zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Heizzone (3) das über der Oberfläche (12) der Flüssigkeit (2) im Behälter (1) befindliche gasförmige Medium gesaugt und nach seiner Erhitzung zur Oberfläche (12) zurückgeführt und daraufhin mehrmals in einem gleichsinnigen Kreislauf jeweils gemeinsam mit von ihm aus der Flüssigkeit (2) verdampften Flüssigkeitsanteilen erneut der Heizzone (3) zugeführt, dort wiederum erhitzt und zur Oberfläche (12) zurückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizzone (3) zur Beendigung der Flüssigkeil'förderung entlüftet wird.
3. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Fördern von Flüssigkeit aus einem Behälter durch eine in die Flüssigkeit eintauchende Rohrleitung, und mit einer Heizzüge, die aus einem im Behälter oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordneten beheizbaren Raum besteht, dadurch gekennzeichnet, daß im Behälter und im beheizbaren Raum zu einem Ventilator (5; 5') führende Leiteinrichtungen (4; 30; 32) zum Ansaugen von über der Oberfläche (12) der Flüssigkeit befindlichem Gas zum beheizbaren Raum (3) und zum Rückführen des Gases auf die Oberfläche (12) vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ansaugen und Zurückdrücken des Gases aus einem im beheizbaren Raum (3) angeordneten Ventilator (5 bzw. 5') besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) im beheizbaren Raum (3) ein absperrbares Entlüftungsventil (8) aufweist.
DE2724477A 1976-06-01 1977-05-31 Verfahren und Vorrichtung zum Fördern von Flüssigkeit aus einem Behälter durch eine in die Flüssigkeit eintauchende Rohrleitung Expired DE2724477C3 (de)

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