DE3220323C2 - Einrichtung zum Überführen von Flüssiggas - Google Patents

Abstract

Eine Einrichtung zum Überführen von verflüssigtem Gas weist einen Umlaufkanal zum Umpumpen des verflüssigten Gases auf, das in eine stopfbuchslose Pumpe eingesaugt wird, und zwar zurück in den geschlossenen Tank, sowie eine Einrichtung zum Ändern der Drehzahl des die Pumpe antreibenden Motors durch geeignete Maßnahmen, wie etwa eine Polumschaltung, Y- ΔUmschaltung, Frequenzregelung, Primärspannungsregelung od.dgl. Beim Betrieb wird die Pumpe mit hoher Drehzahl während der Überführung des verflüssigten Gases aus dem Tank zu Behältern od.dgl. angetrieben, während in dem Zeitraum, in welchem die Überführung des Gases nicht erforderlich ist, die Pumpe ständig bei einer niedrigen Drehzahl betrieben wird, während sie das verflüssigte Gas durch den Umlaufkanal umpumpt, wobei das Verdampfen des verflüssigten Gases in der Pumpe verhindert ist, um einen glatten und sicheren intermittierenden Betrieb der Pumpe sicherzustellen, sowie auch eine verlängerte Lebensdauer der Lagerung. Der Betrieb der Pumpe bei niedriger Drehzahl spart beträchtlich elektrischen Strom in dem Zeitraum, in welchem keine Überführung von verflüssigtem Gas erforderlich ist, so daß die Gesamtwirtschaftlichkeit der Einrichtung merklich verbessert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Überführen von Flüssiggas aus einem geschlossenen Tank in einen Behälter, wobei in einer den Tank mit dem Behälter verbindenden Fülleitung vor dem Behälter ein Absperrventil und stromauf von diesem eine von einem Elektromotor angetriebene Pumpe angeordnet sind, und eine erste Umwälzleitung zur Rückführung von durch die Pumpe angesaugtem Flüssiggas vor deren Auslaßöffnung in den Tank durch eine Umgehungsleitung vorhanden ist.

Eine Einrichtung der obenangegebenen Gattung ist durch die US-PS 32 82 305 bekanntgeworden. Bei dieser Einrichtung wird Flüssiggas aus einem Tank in aufeinanderfolgenden zeitlich beabstandeten Stufen dem Behälter zugeführt, während in den Pausen zwischen den Füllstufen der Behälter periodisch von Druck entlastet wird, wobei diese Entlastung automatisch unter Verwendung einer vom Druck im Behälter gesteuerten Ventilanordnung durchgeführt wird. Ein zwischen dem stromauf vom Behälter liegenden Absperrventil und dem Behälter selbst abzweigender Kanal, der zum Tank zurückführt, dient nicht dem Umpumpen von Flüssiggas, sondern nur der Druckentlastung, denn dieser Kanal ist gegen den Tank hin durch ein weiteres Ventil abgesperrt, wenn das Flüssiggas in den Behälter eingeführt wird, und ist durch das stromauf des Behälters befindliche Absperrventil zur Pumpe hin abgesperrt bzw. zwischen dem Behälter und Tank offen, wenn keine Förderung vom Tank zum Behälter erfolgt, d. h. in den Pausen zwischen den Füllstufen.
Für die bei der Einrichtung nach der US-PS 32 82 305 verwendete Pumpe ist aus verschiedenen Gründen davon auszugehen, daß es sich um eine Verdränger- oder Kolbenpumpe handelt Zum einen unterliegt bei einer Kolbenpumpe das in der Pumpe verdampfte Flüssiggas

ίο einer Selbstansaugung, so daß bei der Wieden.-afnahme des Pumpbetriebs keine Probleme in der Förderung von Flüssiggas auftreten. Zum anderen braucht bei der bekannten Einrichtung die Pumpe während des Entlastungsvorgangs nicht zu arbeiten, d. h. die Pumpe muß auch nach dem Beenden des Füllvorgangs für den Behälter nicht fortlaufend arbeiten, und deshalb ist davon auszugehen, daß die Pumpe eine Kolbenpumpe ist. Schließlich kann bei der bekannten Einrichtung die Pumpe ununterbrochen arbeiten, das aber nur im Hinblick auf die kurzen Pausen und nicht im Hinblick auf mögliche Störungen im Betrieb, z. B. durch Kavitation, und zu diesem Zweck ist eine Umgehungsleitung mit einem Druckentlastungsventil vorgesehen, um den Förderdruck bei geschlossenem, behälterseitig stromaufwärtigen Absperrventil, d. h. also in der Entlastungsstufe für den Behälter, zu entlasten, denn bei einer Kolbenpumpe steigt bei geschlossenem Absperrventil der Förderdruck ganz beirsrkenswert an, und diesem Druck müßten die Pumpe sowie das Absperrventil standhalten.

Da nun aber zur Druckentlastung bei geschlossenem Absperrventil die Umgehungsleitung mit dem Druckentlastungsventii vorgesehen sind, ist auch aus diesem Grund davon auszugehen, daß die Pumpe eine Kolbenpumpe ist.

Nun werden jedoch stopfbuchslose Pumpen, die Spaltrohrmotoren bzw. gekapselte oder naßlaufende Motoren verwenden, für Einrichtungen zum Überführen von verflüssigtem Gas aus einem geschlossenen Tank zu einem Behälter bevorzugt verwendet, weil die stopfbuchslosen Pumpen leicht zuywimenzubauen und im Vergleich mit Pumpen, die mechanische Wellenabdichtungen aufweisen, völlig frei von Leckageproblemen sind. Stopfbuchslose Pumpen sind auch im Vergleich mit Pumpen, die Öltauchmotoren verwenden, von Vorteil, weil das Isolieröl und Einrichtungen zum Zuführen des Isolieröls nicht erforderlich sind und die Handhabung einfach ist. Aus diesen Gründen finden die stopfbuchslosen Pumpen verbreitete Verwendung.
Das Flüssiggas wird aber in stopfbuchslosen Pumpen durch die Wärme erhitzt, die durch die Pumpen- und Motoryerluste erzeugt wird. Solange Flüssiggas in der Pumpe nicht stagniert, sondern stetig durch die Pumpe während derem Betrieb strömt, so daß die Wärmemenge, die pro Volumeneinheit des Flüssiggases aufgenommen wird, so klein ist, daß das Gas in der Pumpe niemals übermäßig erwärmt wird, treten dadurch Probleme nicht auf. In dem Fall allerdings, wenn die Überführung des Flüssiggases mit Unterbrechungen bei häufigem Start und Stillstand der Pumpe vorgenommen wird, wie

z. B. bei einer Flüssiggas-Treibstoffstation, wird das Flüssiggas in der Pumpe verdampft, so daß die störungsfreie Überführung des Gases behindert wird. Wird nämlich die Pumpe nach Beendigung der Überführung des Gases angehalten, kommt das Flüssiggas in der Pumpe zum Stillstand und wird durch die Restwärme erwärmt, so daß die Wärmemenge, die pro Volumeneinheit des Flüssiggases aufgenommen wird, drastisch erhöht wird. Demzufolge wird das Gas übermäßig erwärmt und

rasch verdampft wobei der Dampf mit der Zeit in den geschlossenen Tank durch die Pumpansaugleitung und in den oberen Teil der Pumpdruckleitung entweicht, so daß dann die Pumpe selbst mit dem Flüssiggas gefüllt ist. Wenn die Pumpe gestartet wird, ohne den Dampf aus der Pumpe zu entfernen, dann tritt eine Kavitation auf, wodurch die Pumpe mit einer hohen Geräusch entwicklung leerläuft und die Überführung des Flüssiggases scheitert Demzufolge kann die Pumpe nicht ihre volle Funktionsfähigkeit entfalten, so daß die Lager aufgrund der unvollständigen Schmierung rasch abgenutzt werden, was zu Störungen führt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer gattungsgemäßen Einrichtung zu gewährleisten, daß nach Stillstand einer stopfbuchslosen Pumpe, die dem Füllvorgang des Behälters dient, das Flüssiggas nicht in der Pumpe sowie im Motor stehenbleibt und dann durch die Restwärme verdampft wird, so daß eine Kavitation, die zu Schwierigkeiten im erneuten Pumpenanlauf und auch in kurzer Zeit zu Schaden an den Lagern der Pumpe führt unterbunden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Pumpe eine stopfbuchslose Zentrifugalpumpe ist die ganz oder teilweise eine zweite Umwälzleitung zur Rückführung von durch die Pumpe angesaugtem Flüssiggas in den Tank durch das Innere des Pumpenmotors bildet und daß eine Motorsteuerung zur Änderung der Drehzahl des Pumpenmotors vorgesehen ist die bei geöffnetem Fülleitungs-Absperrventil den Motor mit hoher Drehzahl und bei geschlossenem Fülleitungs-Absperrventil den Motor mit niedriger Drehzahl antreibt

Durch die zweite Umwälzleitung wird eine ständige Strömung von Flüssiggas durch die Pumpe aufrechterhalten, auch wenn kein Füllvorgang stattfindet und der Motor arbeitet hierbei aus Gründen der Wirtschaftlichkeit in den Füllpausen, die sich durchaus über längere Zeiträume erstrecken können, nur mit einer verringerten Drehzahl.

Der Erfindungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Teils einer Einrichtung zur Überführung von Flüssiggas in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung;

F i g. 2 einen vergrößerten Längsschnitt durch eine, stopfbuchslose Pumpe für die Einrichtung von F i g. 1;

Fig.3 ein Schema einer elektrischen Schaltung für die stopfbuchslose Pumpe von F i g. 1;

F i g. 4 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Überführung von Flüssiggas in einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Im Fall einer stopfbuchslosen Tauchpumpe, die in einem Tank 2 enthalten ist, wie in F i g. 1 und 2 gezeigt ist, treten die folgenden Probleme zusätzlich zu den obenerwähnten Problemen auf. Wenn der Flüssigkeitsspiegel im Tank 2 unter die Höhe des Lagers 10a oder des Lagers 106 oder des Lagers 11 absinkt, dann können die Lager 10a, 106 oder 11 bei Stillstand der Pumpe nicht in das Flüssiggas 5 eintauchen. Deswegen muß das jeweilige Lager 10a, 106 oder 11 während eines Zeitraums von mehreren Sekunden vom Anlauf der Pumpe 4 bis zum erneuten Umpumpen des Flüssiggases 5 zum Lager 10a, 106 oder 11 ohne Schmierung arbeiten, so daß ein Verschleiß des Lagers außergewöhnlich rasch eintritt. Um den sicheren Betrieb der Pumpe zu gewährleisten, ist es deshalb notwendig, eiwe periodische Demontage zur Inspektion schon frühzeitig vorzunehmen.

Die Demontage der Pumpe 4 mit gekapseltem Flüssigkeits-Tauchmotor ist sehr mühsam, zeitraubend und teuer, weil die Pumpe 4 nicht ausgebaut werden kann, ohne das Flüssiggas 5 aus dem Tank 2 vollständig zu entfernen, und ferner ist eine Prüfung des Tanks 2 auf Dichtheit erforderlich, wenn er einmal gegenüber der Umgebung geöffnet war.

Um diese Probleme zu vermeiden, kann man die Pumpe 4 (F i g. 1 und F i g. 4) kontinuierlich betreiben, selbst wenn die Überführung von Flüssiggas 5 zum Behälter nicht erforderlich ist, so daß das Ventil 7 geschlossen gehalten wird. Hierbei wird das Flüssiggas 5 in die Pumpe 4 aus dem Tank 2 gesaugt und in den Tank 2 durch die Füll- oder Druckleitung 1 und die Umgehungsleitung 3 zurückgeführt um eine ständige Strömung des Flüssiggases durch die Pumpe aufrechtzuerhalten und somit eine Verdampfung des Flüssiggases 5 in der Pumpe 4 zu vermeiden. Diese Vorgehensweise ist jedoch von Nachteil, weil die Betriebskosten sehr hoch sind, da die Pumpe selbst in der Zeit ständig läuft in der eine Überführung von Flüssiggas nicht erforderlich ist Dieser Mangel wird durch die Erfindüi^ beseitigt

Die in das Flüssiggas 5 eintauchende Puaipe 4 (F i g. 1 und 2) weist eine Ansaugöffnung 12 sowie eine Austrittsöffnung 13 auf, von der die Fülleitung 1 zu dem stromauf des Behälters 6 liegenden Absperrventil 7 führt an r'essen Austritt der Behälter 6 über eine Kupplung 14 angeschlossen ist. In der von der Fülleitung 1 abzweigenden Umgehungsleitung 3 ist ein Regelventil

15 angeordnet.

Die Pumpe 4 weist einen mehrstufigen Pumpensatz

16 auf, über dem sich der gekapselte Motor 18 befindet, wobei zwischen diesem und dem Pumpensatz eine untere Fluidkammer 17 liegt. Der Motor 18 hat einen im Pumpengehäuse 20 konzentrisch angeordneten Mantel 19, der mit Abstand zur Innenwand des Pumpengehäuses 20 angeordnet ist so daß ein Auslaßkanal 21 gebildet wird, weicher an seinem oberen Ende mit der Fülieitung 1 und an seinem unteren Ende mit der Druckseite der Pumpenkammer 22c der Endstufe des mehrstufigen Pumpensatzes 16, dem die Pumpenkammern 22a, 226 und 22czugeordnet sind, verbunden ist.

Ein am Mantel 19 befestigter Stator 23 und ein in dessen Innerem befindlicher Rotor 24 sind vollständig von einer Statorbüchse 25 und einer Rotorbüchse 26 umschlossen, welche aus unmagnetischen\dünnem Metallmaterial hergestellt sind. Der Rotor 24 ist auf eine Rotorwelle 27 gepaßt, die drehbar durch die an der Ober- und Unterseite des Rotors 24 vorgesehenen Radiallager 10a, 106 sowie durch ein an der unteren Fluidkammer 17 angeordnetes Schublager U abgestützt ist. Die Rotorwelle 27 ragt in die Pumpenkammern 22a, 226 und 22c hinein und ist mit in den Pumpenkammern angeordneten Schaufelrädern 28a. 286 und 28c verbunden.

Eint obere Fluidkammer 29 ist an der Oberseite des Radiallagers 10a vorgesehen und umgibt das obere F.nde der Rotorwelle 27. Die obere Fluidkammer 29 ist zur Außenseite der Pumpe 4, d. h. in den Tank 2 hinein durch eine öffnung 30a offen. Die untere Fluidkammer 17 steht mit dem Ausiaßkanal 21 durch eine öffnung 306 in Verbindung.

Der Stator 23 des Motors 18 ist mit einer Spulenwicklung 31 versehen (F i g. 3). die zu einer 2/4-Po!umschaltung eingerichtet ist. Die Spulenwicklung 31 ist mit einer dreiphasigen Stromzuführung RST über eine Motorsteuerung 32 verbunden, die aus Relais R 1, Ä2und R3 besteht. Das Relais R 1 weist Kontakte Ria, Rib auf. während die Relais R 2 und R 3 Kontakte R 2a bzw.

R 3a aufweisen. Die Anordnung ist derart getroffen, daß der Motor 18 mit zwei Polen arbeitet, wenn das Absperrventil 7 offen ist, und zwar durch die Wirkung eines mit dem Ventil 7 gekoppelten Schalters 33. während bei geschlossenem Ventil 7 der Motor 18 mit vier Polen arbeitet.

Die Einrichtung zum Überführen von Flüssiggas gemäß dieser Ausführungsform führt Flüssiggas vom Tank 2 dem Behälter 6 zu. und zwar durch die Ansaugöffnung 12, die Pumpenkammern 22a, 226 und 22c, den Auslaßkanal 21, die Fülleitung 1 und das Absperrventil 7. Ferner hat die Einrichtung eine erste Umwälzleitung 35 zum Umpumpen des Gases aus dem und in den Tank 2. und zwar durch die Ansaugöffnung 12. die Pumpenkammern 22a, 226 und 22c, den Auslaßkanal 21, die Druck- und Fülleitung 1 und die Umgehungsleitung 3. Die Einrichtung weist des weiteren eine zweite Umwälzleitung 36 zum Umpumpen des Flüssiggases aus dem und in den Tank 2 auf, und zwar durch die Ansaugoffnung 12, die Püir.pcnkamrncrn 22s. 22b und 22c. die öffnung 3Oi), die untere Fluidkammer 17, das Lager 10ή, den Spalt zwischen den Büchsen 25 und 26, das Lager 10a, die obere Fluidkammer 29 und die öffnung 30a.

Die Einrichtung gemäß dieser Ausführungsform arbeitet in der folgenden Weise:

Der Motor 18 wird ständig mit Strom aus einer Stromquelle RST durch die Motorsteuerung 32 versorgt. Wenn das Absperrventil 7 offen und der Behälter 6 an die Kupplung 14 angeschlossen ist. dann wird der mit dem Ventil 7 gekoppelte Schalter 33 geschlossen, so daß die Relais R 1. R 2 und R 3 der Motorsteuerung 32 betätigt werden, um auf den zweipoligen Betrieb umzuschalten, so daß die Pumpe mit hoher Drehzahl arbeitet. Demzufolge wird das Flüssiggas 5 aus dem Tank 2 durch die Ansaugöffnung 12 der Pumpe angesaugt und, wenn es durch die Pumpenkammern 22a. 226 und 22c hindurchströmt, unter Druck gesetzt sowie aus der Pumpenkammer 22c gefördert. Das Gas wird dann durch den Auslaßkanal 21 in die Fülleitung 1 gedruckt, während es wirksam den Stator 23 des Motors 18 kühlt, und wird an den Behälter 6 durch das Ventil 7 und die Kupplung 14 überführt. Ein Teil des in der Fülleitung 1 strömenden Flüssiggases 5 wird durch die Umgehungsleitung 3 und über das Regulierventil 15. d.h. durch die erste Umwälzleitung 35. umgepumpt; das Gas durchläuft somit einen ersten Strömungsweg.

Zur gleichen Zeit wird ein Teil des durch den Auslaßkanal 21 strömenden Gases in die untere Fluidkammer 17 durch die öffnung 306 eingeleitet, um das Schublager 11 und das untere Radiallager 106 zu schmieren. Dieser Teil des Gases wird in den Motor 18 geleitet, strömt durch den Spalt ί wischen der Statorbüchse 25 und der Rotorbüchse 26. um den Stator 23 und den Rotor 24 wirksam zu kühlen, und strömt weiter in die obere Fluidkammer 29 durch das obere Radiallager 10a. Dieser Teil des Gases tritt dann aus der Pumpe 4 aus und in den Tank 2 durch die öffnung 30a ein. Somit wird ein Teil des verflüssigten Gases durch die zweite Umwälzleitung 36 umgepumpt: das Gas durchläuft einen zweiten Strömungsweg.

Nach der Füllung des Behälters 6 wird das Absperrventil 7 geschlossen, so daß der Schalter 33. der mit dem Ventil 7 gekoppelt ist zur Betätigung des Relais Ri, R 2 und R 3 geöffnet wird, so daß der Motor 18 auf den vierpoligen Betrieb umgeschaltet und bei niedriger Drehzahl betrieben wird. In diesem Fall wird das Flüssiggas aus dem und in den Tank 2 gepumpt, und zwar durch den ersten und den zweiten Strömungsweg.

Während des vierpoligen Betriebs der Pumpe 4 beträgt die Drehzahl des Motors etwa die Hälfte von derjenigen bei Betrieb mit hoher Drehzahl im zweipoligen Betrieb, wobei der Förderdruck der Pumpe auf etwa ein Viertel verringert ist. Dieser geringe Förderdruck reicht aus, um das Gas durch den ersten und zweiten Strömungsweg zu fördern. Da die Fördermenge um etwa die Hälfte verringert ist, wird die Pumpenantriebsleistung auf etwa ein Achtel verringert. Demzufolge wird auch die Wärmeerzeugung in der Pumpe 4 merklich verringert, so daß die unerwünschte Verdampfung des Gases unterbleibt, selbst wenn die Fördermenge auf etwa die Hälfte verringert ist. Andererseits werden die Lager 10a, 106 und 11 ständig geschmiert, so daß unerwünschte Ausfälle und eine außergewöhnliche Abnutzung der Lager 10a, 106 und 11 vermieden werden.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Polzahlumschaltung des Motors 18 automatisch durch den mit dem Absperrventil 7 gekoppelten Schalter 33

Ά vorgenommen. Diese Anordnung ist allerdings nicht die einzige Möglichkeit, vielmehr kann die Polzahlumschaltung des Motors 18 unabhängig vom Betr 2b des Ventils 7 erfolgen.

Die Drehzahl des Motors 18 muß nicht durch die Umschaltung der Polzahl bewirkt werden. Beispielsweise ist es möglich, den Stator 23 mit einer Y-J-Wicklung 31 zu versehen, und die Motorsteuerung als K-^-Schaltung auszubilden. Es ist auch möglich, eine Spannungsregeluni für die Umschaltung der Drehzahl des Motors 18 heranzuziehen. In diesem Fall wird ein Teil der Wellenform des elektrischen Stromes durch einen Thyristor od. dgl. abgeschnitten, um die wirksame Spannung zu ändern, die an die Spulenwicklung 31 angelegt wird, so daß die Drehzahl des Motors geändert und in Überein-Stimmung mit der Drehmomentcharakteristik der Schaufelräder 28a, 286 und 28c bestimmt wird. Es ist auch möglich, die Drehzahl des Motors 18 durch Änderung der Frequenz des elektrischen Stromes, der an die Wicklung 31 gelegt wird, zu ändern, und zwar durch eine geeignete Frequenzsteuerung.

Bei dem Ausführungsbeispiel von F i g. 4 ist die Pumpe mit gekapseltem Motor nicht im Tank 2, sondern außerhalb von diesem montiert. In diesem Fall sind zum Umpumpen des Flüssiggases 5 zwei Strömungswege vorgesehen, nämlich ein erster Strömungsweg mit der Fülleitung 1 und der Umgehungsleitung 3, die zum Tank 2 führt, und ein zweiter Strömungsweg mit der Umwälzleitung 36 durch die Pumpe 4 mit dem Motor und den Lagern sowie der Leitung 34, die zum Tank 2 führt. Das

so Gas. das durch den zweiten Strömungsweg umgepumpt wird, kühlt wirksam den Motor und schmiert die Lager.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Überführen von Flüssiggas aus einem geschlossenen Tank in einen Behälter, wobei in einer den Tank mit dem Behälter verbindenden Fülleitung vor dem Behälter ein Absperrventil und stromauf von diesem eine von einem Elektromotor angetriebene Pumpe angeordnet sind, und eine erste Umwälzleitung zur Rückführung von durch die Pumpe angesaugtem Flüssiggas von deren Auslaßöffnung in den Tank durch eine Umgehungsleitung vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (4) eine stopfbuchslose Zentrifugalpumpe ist, die ganz oder teilweise eine zweite Umwälzleitung (36) zur Rückführung von durch die Pumpe angesaugtem Flüssiggas in den Tank durch das Innere des Pumpenmctors (18) bildet, und daß eine Motorsteuerung (32) zur Änderung der Drehzahl des Pumpenmotors (18) vorgesehen ist, die bei geöffnetes"* Fülleitungs-Absperrventil (7) den Motor (18) mit hoher Drehzahl und bei geschlossenem FOIlieitungs-Absperrventil den Motor mit niedriger Drehzahl antreibt.

2 Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerung (32) die Polzahl des Motors umschaltet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerung eine Y-d-Scha\- tung umfaßt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dr.ß die Motorsteuerung die effektive an der Spulenwicklung (31) des Motors angelegte Spannung ändert.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerung die Frequenz des an die Spulenwicklung (31) des Motors angelegten Stromes ändert.