DE2903731C2 - Einrichtung zur Überwachung eines tiefkalten flüssigen Mediums - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung eines tiefkalten, flüssigen Mediums in einer Förderleitung, einem Tank, oder einem Behälter, mit einem mehrere Ummantelungen aufweisenden, erwärmbaren Temperaturfühler, durch den bei Kontakt mit dem Medium ein Schaltvorgang und/oder ein Signal auslösbar ist

Derartige Überwachungseinrichtungen dienen dazu, das Niveau eines sich in einem Behälter befindlichen flüssigen Mediums zu überwachen.

Es sind zahlreiche Anwtndungivalle bekannt, in denen eine Überwachung des Rusrigkeitsiiiveaus bzw. des augenblicklichen Inhalts des Behäk-Ts von Wichtigkeit ist Die zur Bestimmung des Behälterinhaltes verwendeten Meßsysteme basieren in der Regel auf der Proportionalität zwischen Flüssigkeitshöhe und statischem Druck der im Behälter befindlichen Flüssigkeit. Auf diese Art werden, z. B. in Luftzerlegungsanlagen, die in Kondensatoren und Säulen anfallenden Mengen an verflüssigten Produkten kontinuierlich kontrolliert und zwischen bestimmten Grenzwerten gehalten. Bet der Speicherung der verflüssigten Medien in vakuumisolierten Großraumspeichertanks, sowie bei der Abfüllung kleinerer Speicherbehälter, wird auch auf diese Weise das Niveau ständig angezeigt.

Da ein Ausfall der zur kontinuierlichen Messung des Behälterinhaltes verwendeten Vorrichtung nicht auszuschließen ist, werden Überwachungsinstrumente einge- setzt, die eine Über- bzw. Unterschreitung eines bestimmten Grenzwertes anzeigen.

Aus der Vielzahl der bekannten Vorrichtungen, die eine Überwachung des Flüssigkeitsniveaus durchführen, gibt es beispielsweise einfache Schwimmerschalter, die von der Flüssigkeitsoberfläche getragen werden und beim Erreichen eines bestimmten Flüssigkeitsniveaus im Tank ο. dgl. auf kapazitive, induktive oder andere Weise ein Signal erzeugen.

Abgesehen von den nicht auszuschließenden Störungen durch mechanische Schäden, Verschmutzungen usw., deren Behebung innerhalb eines geschlossenen vakuumisolierten Behälters äußerst umständlich ist, besteht die Hauptproblematik solcher Überwachungsgeräte in der Übertragung des Meldesignals durch die Isolierung bzw. den evakuierten Raum des Behälters.

Aus der Zeitschrift »Industrie-Anzeiger« vom 15. SeDtember 1976. Seiten !305 bis 1306, ist eine Einrichtung der eingangs genannten Gattung bekannt. Diese besteht aus einem Niveaustandgeber, der aus einem glasgekapselten Kaltleiter besteht, der in einer Stahlkapsel luftdicht eingeschlossen ist Der Kaltleiter aus halbleitender ferroelektrischer Keramik besitzt einen sehr hohen Temperaturkoeifizienten. Er wird mittels elektrischer Energie auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt Kommt der Nivesugeber mit der Flüssigkeit in Berührung, ändert sich die Wärmeabfuhr und damit die Temperatur und der Widerstand des Kaltleiters. Dies wird zur Abgabe eines Signals ausgenutzt

Dieser Niveaustandsgeber ist für tiefkalte, flüssige Medien ungeeignet, da die vollständige Ummantelung «ine Verzögerung der Signalabgabe bedingt was besonders bei kleinen Behältern und Förderleitungen nachteilig ist Wegen der gekapselten Bauweise ist auch der Energiebedarf verhältnismäßig hoch, da dieser gleichbedeutend mit einer äußerst unerwünschten Wärmezufuhr in das tiefkalte Medium ist

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Überwachung eines tiefkalten, flüssigen Mediums unter Verwendung eines erwärmbaren Temperaturfühlers zu verbessern, bei der die Wärmeabgabe an das tiefkalte Medium auf ein Minimum beschränkt und die Schaltverzögerung nicht zu groß ist Darüber hinaus soll die Einrichtung einfach im Aufbau sein und ohne Schwierigkeiten in vakuumisolierte Behälter eingebaut werden können.

Bei einer Einrichtung zur Überwachung eines tiefkalten, flüssigen Mediums in einer Förderleitung, einem Tank oder einem Behälter, mit einem mehrere Ummantelungen aufweisenden, erwärmbaren Temperaturfühler, durch den bei Kontakt mit dem Medium ein Schaltvorgang und/oder ein Signal auslösbar ist, wird dies gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Ummantelung des Temperaturfühlers und des Wärmegebers aus einem gut wärmeleitenden Metallkörper und einem wärmeisolierenden zylindrischen Gehäuse, welches an seiner Stirnseite offen ist, besteht

Nach einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind im Bereich der Verbindungsstelle von Temperaturfühler und Wärmegeber Radialbohrungen im zylindrischen Gehäuse vorgesehen.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der weiteren Erläuterung. In dieser Zeichnung sind dargestellt, in

F i g. 1 eine schematische Anordnung der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung in einem Tank;

Fi g. 2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit A aus F i g. 1;

Fig.3 die schematische Anordnung der Überwachungseinrichtung in bezug auf eine Förderleitung und

Fig.4 die Überwachungseinrichtung gemäß Fig.3 im vergrößerten Maßstab.

In den F i g. 1 und 2 ist die Überwachungseinrichtung 10 in einem ersten Anwendungsfall dargestellt. Wie ersichtlich, ist diese Einrichtung in einen Behälter oder Tank 12 eingebaut, in dem ein verflüssigtes tiefkaltes Medium 14 gespeichert ist.

Die Zu- bzw. Abführung des Mediums 14 in bzw. aus dem Behälter 12 erfolgt über Leitungen 16,18.

Die Überwachungseinrichtung 10 durchdringt, wie aus F i g. 2 ersichtlich, den zwischen Innenbehälter 12a und Außenbeiiälter 126gebildeten Vakuumraum 12c.

Zu diesem Zweck sind in die Wandung des Innen- und des Außenbehälters \2a bzw. 12ft .Stutzen 20, 22

eingeschweißt, die gasdicht mittels eines Wellschlauches 24 miteinander verbunden sind. Durch die enge Wellung des dünnwandigen Wellschlauches wird eine eventuelle Wärmezufuhr aus der Umgebung auf ein Minimum reduziert.

Der in F i g. 2 innere Stutzen 20 dient weiterhin zur Aufnahme der eigentlichen Überwachungseinrichtung. Der Stutzen 20 dient zur Aufnahme und Halterung eines aus Keramik gefertigten Gehäuses 26, welches zylinderförmig gestaltet und an seinen beiden Stirnseiten offen ist Der obere Bereich des Gehäuses 26 dient zur Aufnahme eines Wärmegebers 28, z. B. einer Heizpatrone, die Ober eine Stromleitung 30 mit einer Stromquelle 32 verbunden ist Das Gehäuse 26 kann selbstverständlich aber auch aus Kunststoff gefertigt werden. Der Wärmegeber 28 ist von einem Metallkörper 34 aus gut wärmeleitendem Material, wie z. B. Kupfer oder Aluminium, umgeben. Dadurch ist gewährleistet, daß die vom Wärmegeber 28 erzeugte Wärmeleistung konstant und ungehindert auf den Metallkörper 34 übertragen werden kann.

Dieser Metallkörper 34 ist, wie F i g. 2 zeigt, yon dem keramischen Gehäuse 26 umgeben. Dieses Gehäuse dient zur Isolierung des Metallkörpers 34, so daß die vom Wärmegeber 28 erzeugte Wärme praktisch ausschließlich an eine an dem unteren Ende des Metallkörpers34 vorhandene Spitze abgegehen wird.

Diese Spitze dient zur Aufnahme eines Temperaturfühlers 36, der über eine Steuerleitung 38 mit der Schaltvorrichtung 40 verbunden ist.

Im keramischen Gehäuse 26, und zwar im Bereich der Verbindungsstelle von Temperaturfühler 36 und Wärmegeber 28, sind Radialbohrungen 42 vorgesehen, die einen noch später zu erläuternden Zweck dienen.

Über eine in der Zuführleitung 16 angeordnete Förderpumpe 44 wird das tiefkalte, verflüssigte Medium 14 in den Behälter 12 gepumpt. Oberhalb des Flüssigkeitsniveaus ist ein durch die Verdampfung dieser Flüssigkeit sich bildendes Gas vorhanden. Gleichzeitig ^:sl auch über die Stromquelle 32 die Überwachungseinrichtung 10 eingeschaltet, d. h. der Wärmegeber 28 entwickelt Wärme, die durch die Wandung des Metallkörpers 34 an dessen unisolierte Spitze, in der sich der Temperaturfühler 36 befindet, geleitet wird. Dabei verhindert das zylindrische Gehäuse 2G eine freie Konvektioi· des Gases und bewirkt einen Temperaturanstieg des Metallkörpers 34.

Wenn nun im Verlaufe der Füllung des Behälters 12 das Flüssigkeitsniveau, beispielsweise bis zu seiner in F i g. 1 durch das Dreieck gekennzeichneten Marke ansteigt, gelangt dabei der Metallkörper 34 in Kontakt mit dem tiefkalten Medium 14, so daß durch die latente Wärme dieses Metallkörpers die vom Wärmegeber 28 entwickelte Wärme sofort auf die tiefkalte Flüssigkeit übertragen wird. Durch diese »Abschreckung« des Metallkörpers durch das tiefkalte Medium, erfolgt eine sofortige Senkung der Temperatur, welche vom Temperaturfühler 36 angezeigt wird. Da beim Anstieg des Mediums innerhalb des Behälters der Flüssigkeitsspiegel auch in den Innenraum des zylindrischen Gehäuses 26 gelangt, wird dabei das sich dort befindliche Gas aus den Radialbohrungen 42 nach der Seite hin ausgeblasen.

Die vom Temperaturfühler 36 erfaßte Senkung der Temperatur kann optisch und/oder akustisch angezeigt werden, so daß dadurch die Bedienungskräfte entsprechende Maßnahmen eir.lr-len können. Im Ausführungsbeispiel wird durch den Temperaturfühler 36 über dessen Steuerleitung 38 die Schaltvorrichtung 40 betätigt, durch die ihrerseits über eine weitere Steuerleitung 46 die Förderpumpe 44 abgeschaltet wird. Dadurch wird die Förderung des kryogenen Mediums 14 unterbrochen, und das Flüssigkeitsniveau im Behälter 12 bleibt in dem erwünschten Maße konstant

Wenn das Flüssigkeitsniveau sinkt, z. B. durch Entnahme kryogener Flüssigkeit wird die bisher in das Flüssigkeitsbad eingetauchte Überwachungseinrichtung ίο 10 wieder frei, so daß dadurch durch den Wärmegeber 28 wieder der Metallkörper 34 auf die eingestellte Temperatur erwärmt werden kann, durch die dann bei entsprechender Erfassung durch den Temperaturfühler 36 über die Schaltvorrichtung 40 erneut — gegebenenfalls nach einer vorbestimmbaren zeitlichen Verzögerung — die Förderpumpe 44 wieder eingeschaltet werden kann, so daß wieder Flüssigkeit in den Behälter gepumpt werden kann.

Die vom Wärmegeber 28 zugeführten Wärmemengen sind vernachlässigbar klein (z. B. ?—5 Watt), so daß die vom eingetauchten Temperaturfühler 36 angezeigte Temperatur praktisch der Siedetemperatur des Mediums entspricht.

In den F i g. 3 und 4 ist ein zweiter Anwendungsfall

der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung 10 dargestellt Wie ersichtlich, ist an einer Förderleitung 48, durch weiche verflüssigtes Medium in Pfeilrichtung transportiert wird, ein Zylinder 50 angeordnet

Bedingt durch die Minderung des flüssigen Durchsatzes des Mediums, aufgrund der Druckverluste, wird die Entstehung eines Zweiphasensystems (gasförmig/flüssige Phase) durch Verdampfung der Flüssigkeit bewirkt. Die während der Flüssigkeitsförderung in der Leitung 48 anfallenden Gasmengen gelangen dabei auch aufgrund ihres geringeren spezifischen Gewichtes in den auf der oberen Seite der Leitung angeordneten Zylinder 50. In diesem Zylinder 50 ist die Überwachungseinrichtung 10, vgl. hierzu Fig.4, angeordnet, deren Aufbau- und Funktionsweise an dieser Stelle nicht noch einmal erläutert werden muß. Über ein Halterohr 52, h dessen Innern sich die Stromleitung 30 und die Steuerleitung 38 befinden, ist die Überwachungseinrichtung 10 von einem Gewindestutzen 54 aufgenommen. Dieser Gewindestutzen ist seinerseits in einen Abzweig 56 am oberen Ende des Zylinders 50 gasdicht eingeschraubt.

Der Abzweig 56 hat einen solchen Durchmesser, daß zwischen seiner Wandung und dem Halterohr 52 ein Ringraum 58 noch vorhanden ist, durch den der so Zylinderinnenraum mit einer Nebenleitung 60 verbunden ist, wie dies V i g. 3 veranschaulicht. Zwischen Abzweig 56 und Nebenleitung 60 ist noch ein Absperrventil 62 angeordnet, das über seine Steuerleituug 46 mit der Schaltvorrichtung 40 in Verbindung steht. Diese Nebenleitung 60 führt beispielsweise zu einem nicht dargestellten Behälter, aus dem das Medium abgefördert wird.

Wie erwähnt, gelangen die während der Flüssigkeitsförderung in der Fc-derleitung 48 anfallenden Gasmengen in den Zylinder 50. Solange die Überwachungseinrichtung 1Ö innerhalb dieses Zylinders 50 von dem Gas umgeben ist, liegt die vom Tempera'urfühler 36 angezeigte Temperatur oberhalb der Gastemperatur. In dieser Situation bleibt das Absperrvcniil 62 geöffnet, da f>5 der in der Schaltvo richtung 40 (in diesem FmIIc ein Temperaturregler) eingestellte Sollwert der Siedetemperatur der Flüssigkeit entspricht. Wenn nun der Öffnungsqiierschnitt des Absperrventils 62 einen Gas-

(liirchsatz erlaubt, der größer ist als der in der Zweiphasenströmung enthaltene Gasanteil, so gelangt Flüssigkeit in den Zylinder 50 und steigt in diesem somit an. Durch den Anstieg dieser Flüssigkeit und der daraus resultierenden Berührung mit der Überwachungseinrichtung, sinkt die Temperatur des Metallkörpers 34 bis auf die Siedetemperatur des Mediums ab. Dieses Absinken wird über den Temperaturfühler 36 der Schaltvorrichtung (Temperaturregler) mitgeteilt, wodurch das Absperrventil 62 geschlossen wird. Ks strömt somit kein Gas mehr über die Nebenleitung 60 in den Behälter zurück. Durch die nun erneute Gasansammlung im Zylinder 50 wird dadurch die Flüssigkeit nach unten in die Förderleitung 48 zurückgedrängt. Dadurch kommt wieder die Überwachungseinrichtung 10 außer Kontakt mit dem tiefkalten Medium, worauf ein Anstieg der Temperatur des Metallkörpers 34 über die Siedetemperatur hinaus erfolgt, jedoch nicht sofort, sondern mit einer Verzögerung, die von der Wärmeleistung des Wärmegebers 28 und der Masse des Metallkörpers 34 abhängt. Durch diese Temperaturerhöhung wird erneut über die Schaltvorrichtung 40 das Absperrventil 62 geöffnet und es kann das sich ansammelnde Gas wieder über die Nebenleitung 60 abströmen. Diese Gasentlastung aus unter Druck siehenden Leitungen (48) kann somit ohne weitere Maßnahmen durch Einstellung des Sollwertes des Temperaturreglers (= Schaltvorrichtung 40) auf die dem Druck entsprechende Siedetemperatur erfolgen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 Patentansprüche:

1, Einrichtung zur Überwachung eines tiefkalten, flüssigen Mediums in einer Förderleitung, einem Tank oder einem Behälter, mit einem mehrere Ummantelungen aufweisenden, erwärmbaren Temperaturfühler, durch den bei Kontakt mit dem Medium ein Schaltvorgang und/oder ein Signal auslösbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung des Temperaturfühlers (36) und des Wärmegebers (28) aus einem gut wärmeleitenden Metallkörper (34) und einem wärmeisolierenden, zylindrischen Gehäuse (26), welches an seiner Stirnseite offen ist, besteht.

2. Einrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Verbindungsstelle von Temperaturfühler (36) und Wärmegeber (28) Radialbohrungen (42) im Gehäuse (26) vorgesehen sind.