DE60216702T2

DE60216702T2 - Gasdurchflusssperre

Info

Publication number: DE60216702T2
Application number: DE2002616702
Authority: DE
Inventors: Stephen Niantic Christman
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2022-10-08
Also published as: DE60216702D1; US20030066561A1; EP1306599B1; US6564820B2; EP1306599A3; EP1306599A2; JP2003176878A

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Sicherheitsvorrichtung für das Ableiten von Flüssigkeiten durch eine Öffnung und insbesondere auf ein bewegliches Ventilelement für das Ableiten von Flüssigkeiten durch eine Öffnung und das Verhindern des Strömen von Gasen durch dieselbe Öffnung, wobei die Vorrichtung besonders in Systemen verwendet wird, die dafür ausgebildet sind, sicherzustellen, dass nicht zugelassen wird, dass Gase in einen Behälter gelangen und darin gesammelt werden.
Stromerzeugeranlagen erfordern große Brennstofflieferungen, die notwendig sind, um die Anlage zu betreiben. Bei solchen Stromerzeugeranlagen ist es notwendig, auch Aufnahmestrukturen, wie z.B. Vorratstanks oder Behälter zu haben, die sich typischerweise unterirdisch oder unterhalb der Erdlinie befinden, um Abfallnebenprodukte, wie z.B. Brennstofföle, zu sammeln und zu speichern, die während des Betriebs der Einrichtung erzeugt werden. Die Behälter sammeln diese Abfallnebenprodukte und nehmen sie auf, um Umweltverschmutzung zu verhindern.
Während solcher normalen Betriebsarten der Anlage werden die Abfallnebenprodukte, die Flüssigkeiten sind, durch einen Kanal (eine Strömungspassage) und in den Behälter geleitet. Abfallgase gelangen, anders als Abfallflüssigkeiten, in die Strömungspassage und werden in die Atmosphäre abgelassen, anstatt zu dem Behälter geleitet zu werden.
Eines der Probleme, die bei solchen Betriebsarten auftreten können, ist die Ansammlung von Abfallbrennstoffgasen in dem Behälter. Es ist eine übliche Praxis, eine solche Ansammlung von Gasen in dem Behälter unter Verwendung der Steuereinrichtung zu verhindern, um die Gase daran zu hindern, in den Behälter und in andere Behälter, die in Strömungsverbindung mit dem Behälter sein können, einzutreten und sie dementsprechend zu füllen. Sollte die Steuereinrichtung jedoch aus irgendeinem Grund ausfallen, würde es zugelassen, dass Gas in den Behälter gelangt. Dies wäre eine unerwünschte Situation.
Es wurden Ventilmechanismen für das Trennen von Öl und Wasser vorgeschlagen. Clark et al., US-Patent 4 580 592, zeigt ein Separatorventil für ein offenes Gefäß (open vessel separator valve), das mit einem Kanal auf dem Boden des Tanks verbunden ist, um das Wasser abzuleiten, das sich auf dem Boden des Tanks ansammelt. Jedoch ist das in dieser Schrift beschriebene Ventil dafür ausgelegt, sich an dem Boden des Tanks zu befinden, und ist nicht für die Verwendung in einem Kanal, durch den Flüssigkeiten strömen können, um den Tank zu füllen, ausgebildet. Fetsch et al., US-Patent 4 425 933, beschreibt eine Öl- und Wassertrenneinrichtung für die Verwendung in einer sekundären Aufnahmestruktur um einen Vorratstank herum. Die Trenneinrichtung weist einen Schwimmer auf, der fest (schwenkbar) an einem Betätigungsarm befestigt ist und für den Betrieb unter der Erde und in einem Graben, der den Tank umgibt, ausgelegt ist. Man beachte, dass diese Typen von Trennungsvorrichtungen die Trennung von Fluiden erfordern, die schon im Tank vermischt wurden, so dass die Ventile verwendet werden, um eines der Fluide zu entfernen, das sich zuvor im Tank angesammelt hat, ohne das andere Fluid aus dem Tank abzuleiten. Diese Vorrichtungen sind auch für die Verwendung an dem Ablass oder dem unteren Abschnitt des Tanks ausgelegt. US 6 092 547 beschreibt ein Ventil in einem System zum Ableiten von Flüssigkeiten.
Was deshalb erforderlich ist, ist eine zuverlässige, einfache, sparsame und nicht-manuelle Vorrichtung, die es zulässt, dass Flüssigkeiten, wie z.B. Brennstofföle, in den Behälter abgeleitet werden, während sie verhindert, dass Gase in den Behälter strömen. Eine solche Vorrichtung könnte man am Strömungseingang des Tanks anordnen.
Die oben erörterten und andere Nachteile und Mängel werden von der vorliegenden Erfindung überwunden oder verbessert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Sicherheitsvorrichtung für ein Flüssigkeitsentsorgungssystem eines Stromerzeugers wie in Anspruch 1 beansprucht vorgesehen.
Dementsprechend sieht die vorliegende Erfindung in ihren bevorzugten Ausfüh rungsformen wenigstens eine zuverlässige, einfache und sparsame Vorrichtung vor, die es zulässt, dass Flüssigkeiten, wie z.B. Brennstofföle, in den Behälter abgeleitet werden, während sie verhindert, dass Gase, wie Kohlenwasserstoffbrennstoffe, wie z.B. Erdgas, in den Behälter strömen. Die Vorrichtung wirkt positiv mit einer minimalen Anzahl von Teilen und ist nicht anfällig für das Entstehen von Fehlern.
Die Vorrichtung weist vorzugsweise eine Einrichtung auf, die ein Ventilgehäuse mit einer Kammer für das Aufnehmen der Flüssigkeiten und der Gase und mit einer Ablassventileinrichtung, die in offener Strömungsverbindung mit den Flüssigkeiten und Gasen steht, aufweist. Die Ablassventileinrichtung weist einen Ventilsitz und ein Schwimmerelement auf. Das Schwimmerelement befindet sich in dem Ventilgehäuse und ist so angeordnet, dass es mit dem Ventilsitz zusammenwirkt, um einen Auslass in dem Ventilgehäuse zu öffnen und zu schließen. Das Schwimmerelement hat eine relative Dichte, die kleiner ist als die relativen Dichten von Flüssigkeiten und insbesondere flüssigen Brennstoffen, wie z.B. Dieselöl, Benzin, Kerosin usw.. Auf diese Weise schwimmt das Schwimmerelement von dem Ventilsitz auf, wenn die Flüssigkeiten durch das Ventilgehäuse strömen, und wirkt mit dem Ventilsitz zusammen, wenn Gase in der Kammer vorhanden sind. Folglich gelangen die Flüssigkeiten in der Kammer durch die Einrichtung und in den Behälter, während die Gase in der Kammer daran gehindert werden, in den Behälter zu gelangen.
Bevorzugter ist das Schwimmerelement aus eloxiertem Aluminium gemacht, hat ein hohles Inneres und eine kugelförmige Form. Bevorzugter hat das Schwimmerelement eine relative Dichte, die kleiner ist als ungefähr 0,2. Auch ist die Strömungsrate der Flüssigkeiten, die in die Kammer gelangen, eine vorbestimmte Strömungsrate. Vorzugsweise werden die Strömungsrate, die Konfiguration der Vorrichtung und die Form, das Material und die Größe des Schwimmerelements in Bezug zueinander optimiert, um zuzulassen, dass das Schwimmerelement von dem Ventilsitz aufschwimmt, wenn Flüssigkeiten in der Vorrichtung und insbesondere in der Kammer vorhanden sind. Jedoch könnten das Ventilgehäuse und das Schwimmerelement alternative Konfigurationen haben, die den gleichen Effekt des Öffnens und Schließens der Vorrichtung und insbesondere des Zulassens, dass in der Kammer vorhandene Flüssigkeiten und nicht Gase strömen, erzeugen können. Der Ventilsitz ist eine maschinell bearbeitete Oberfläche, die alternative Konfigurationen haben kann, die zur Kontur des Schwimmerelements passen.
Die vorliegende Erfindung wird jetzt beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In denen ist:
1 eine schematische Seitendraufsicht auf einen Stromerzeuger, die einen unterirdischen Behälter zeigt;
2 eine Seitenansicht von außen auf die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die ein Schwimmerelement in Phantomzeichnung zeigt;
3 eine Seitenschnittansicht der Vorrichtung aus 2, die das Schwimmerelement in einer Kammer und den Ventilsitz zeigt;
4 eine Schnittansicht von oben von der Vorrichtung, genommen entlang 4-4 aus 3, die den Oberflächenbereich des Ventilsitzes zeigt;
5 ist eine graphische Darstellung der relativen Dichte des Schwimmerelements in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Querschnittsbereiche des Auslasses der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung und des ringförmigen Strömungsbereichs für die Flüssigkeiten, die durch die Kammer der Vorrichtung strömen; und
6 eine graphische Darstellung der prozentualen Leckraten in Abhängigkeit von dem Kontaktoberflächenbereich As zwischen dem Schwimmerelement und dem Ventilsitz.
Es wird Bezug auf 1 genommen. Eine Stromerzeugeranlage (ein Stromerzeuger) 10 erfordert große Brennstofflieferungen, die notwendig sind, um die Anlage wie in 1 gezeigt zu betreiben. Die Anlage 10, die elektrischen Strom für ein Übertragungssystem erzeugt, kann zum Beispiel eine oder mehrere industrielle Gasturbinen (Turbinen) 12 verwenden, die mit einem Generator 14 verbunden sind. Industrielle Gasturbinen 12 sind oft dazu fähig, selektiv mit sowohl flüssigen als auch gasförmigen Brennstoffen (z.B. Erdgas) zu laufen. Folglich haben diese Turbinen 12 sowohl Flüssigkeits- als auch Gasbrennstoffsysteme 16. Zusätzlich zu Brennstoffversorgungstanks an der Anlage 10 ist es notwendig, auch Aufnahmestrukturen 18, wie z.B. Ablasstanks oder Behälter zu haben, die sich normalerweise unterirdisch oder unterhalb der Erdlinie befinden, wie von der gestrichelten Linie 20 in 1 gezeigt. Die Behälter sammeln Abfallbrennstoff als auch andere von den Stromerzeugern erzeugte Anlagennebenprodukte und nehmen sie auf, um Umweltverschmutzung zu verhindern. Die Verwendung der Anlage 10, die die Turbine 12 aufweist, dient nur erklärenden Zwecken und ist keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung, die auf Dampfturbinen, Stromerzeuger mit kombiniertem Prozess und eine Mehrzahl von anderen industriellen Einrichtungen anwendbar ist.
Die Turbinen 12 verbrennen nicht Gas und flüssige Brennstoffe gleichzeitig. Stattdessen wird, wenn die Turbine 12 flüssigen Brennstoff verbrennt, die Gasbrennstoffversorgung ausgeschaltet. Auf ähnliche Weise wird, wenn die Turbine 12 gasförmigen Brennstoff verbrennt, die Flüssigbrennstoffversorgung ausgeschaltet. Ventile, insbesondere Magnetspulenventile, steuern im Allgemeinen die Strömung des ausgewählten Brennstoffs von der Brennstoffversorgung zu der Turbine 12. Folglich steuert das Magnetspulenventil die Strömung von Brennstoff über eine Brennstoffplatte (ein Liefersystem) 24 zu der Turbine 12.
Während des Betriebs des Stromerzeugers wird die Turbine 12 notwendigerweise entleert, wenn ein Wechsel von Brennstoffquellen, zum Beispiel von Öl zu Gas, erwünscht ist. Während solcher normalen Betriebsarten der Turbine 12 werden die Abfallflüssigkeiten (Brennstofföl) von der Brennstoffplatte 24 durch einen Kanal (eine Strömungspassage) 26 und in den Behälter 18 geleitet. Generell ist die Strömungspassage 26 vertikal positioniert, so dass die Schwerkraft die darin enthaltenen Flüssigkeiten in den Behälter 18 ableitet. Abfallgase werden im Gegensatz zu Abfallflüssigkeiten von der Turbine 12 abgeleitet, gelangen in die Brennstoffplatte 24, gelangen weiter in die Strömungspassage 26 und werden in die Atmosphäre abgelassen. Wenn ein Leiten der Strömung von Brennstoff nicht zu der Turbine 12, aber zu dem Behälter 18 erwünscht ist, wird eine Steuereinrichtung 22, wie z.B. ein Magnetventil, verwendet. Die Steuereinrichtung 22 hindert die Gase daran, in den Behälter 18 und die anderen Behälter, die in Strömungsverbindung mit dem Behälter 18 sein können, zu gelangen und sie dementsprechend zu füllen.
Es wird Bezug auf 2 und 3 genommen. Eine Vorrichtung 30 ist gezeigt, die zusätzlich zu der Steuereinrichtung 22 (1) in der Strömungspassage 26 verwendet wird. Auf diese Weise stellt die Vorrichtung 30 eine zusätzliche Ein richtung bereit, um die Strömung von Flüssigkeiten, z.B. flüssigem Brennstoff, in den Behälter 18 zu steuern. Die Vorrichtung 30 lässt es zu, dass die Fluide in der Strömungspassage 26 in den Behälter aus 1 abgeleitet werden, während sie verhindert, dass Gase, z.B. Kohlenwasserstoffbrennstoffe, wie z.B. Erdgas, in den Behälter 18 strömen. Die Vorrichtung 30 ist um eine Symmetrieachse A angeordnet. Die Vorrichtung 30 ist mit dem Teil der Strömungspassage 26 (1), vorzugsweise stromaufwärts von dem Behälter 18 (1) und stromabwärts von der Steuereinrichtung 22 (1) unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Befestigungseinrichtung und in der Technik bekannter Verfahren, wie z.B., aber nicht beschränkt auf Schweißen und Rohrgewinde, verbunden. Die Vorrichtung 30 kann auch Flansche 32 aufweisen, die mechanisch an (nicht gezeigten) Flanschen befestigt sind, die an die Strömungspassage 26 passen. Auf diese Weise ist die Vorrichtung 30 unter Verwendung von Rohrgewinden an der Strömungspassage 26 befestigt, die vorzugsweise den gleichen Außendurchmesser hat wie die Vorrichtung 30.
Ferner weist die Vorrichtung 30 ein Ventilgehäuse 34 mit einer Kammer 36 auf. Das Ventilgehäuse 34 weist einen Einlass 38 und einen Auslass 40 auf. Vorzugsweise befindet sich der Einlass 38 an einem oberen Ende 42 der Kammer 36, wodurch der Einlass 38 mit einem oberen Teil der Strömungspassage 26 verbunden ist. Der Auslass 40 befindet sich in einem entgegengesetzten unteren Ende der Kammer 36, wodurch der Auslass 40 mit einem unteren Teil 27 der Strömungspassage 26 verbunden ist. Der Einlass 38 ist in offener Verbindung mit sämtlichen Gasen und Flüssigkeiten, die in der Strömungspassage 26 vorhanden sein können. Der Auslass 40 der Vorrichtung 30 ist in Strömungsverbindung mit dem Behälter 18. Der Auslass 40 oder der untere Teil 27 der Strömungspassage 26 ist zur Atmosphäre offen, um zuzulassen, dass Luft aus dem Behälter 18 in die Atmosphäre abgelassen wird, wenn der Behälter 18 mit den Flüssigkeiten gefüllt wird, die durch die Vorrichtung 30 strömen. Die Vorrichtung 30 kann von jeder beliebigen in der Technik bekannten Einrichtung abgestützt werden, wie z.B. einem Rohrträger, oder alternativ von der Vorrichtung 30 selber, die mit der Strömungspassage in der Nähe des Einlasses 38 verbunden ist.
Das Ventilgehäuse 34 ist aus einem ersten Strömungsreduzierelement (einem erstem Reduzierelement) 46, einem zweiten Strömungsreduzierelement (einem zweitem Reduzierelement) 48 und einem Anschlussglied 50 gebildet. Das erste Reduzierelement 46, das zweite Reduzierelement 48 und das Anschlussglied 50 sind um die Achse A koaxial. Das erste Reduzierelement 46 weist einen ersten Abschnitt 52, einen zweiten Abschnitt 54 und den Auslass 40 auf. Vorzugsweise sind der erste Abschnitt 52 und der zweite Abschnitt 54 integral. Der erste Abschnitt 52 hat einen Durchmesser D1 und der zweite Abschnitt 54 nimmt im Durchmesser in der radialen Richtung oder konzentrisch nach innen um die Achse A ab. Auf diese Weise läuft der kleinste Durchmesser D_i des zweiten Abschnitts 54 in den Einlass 38 zusammen, der sich einen axialen Abstand L davon nach außen erstreckt. Genauer ist der zweite Abschnitt 54 des ersten Reduzierelements 46 in Richtung der Achse A der Vorrichtung 30 nach innen abgewinkelt. Der Durchmesser D1 des ersten Abschnitts 52 ist ungefähr gleich dem Durchmesser D_m des Anschlussglieds 50.
Das zweite Reduzierelement 48 weist einen ersten Abschnitt 60, einen zweiten Abschnitt 62 und den Auslass 40 auf. Vorzugsweise sind der erste und der zweite Abschnitt 60, 62 integral. Der zweite Abschnitt 62 des zweiten Reduzierelements 48 nimmt im Durchmesser D_o in der radialen Richtung oder konzentrisch nach innen um die Achse A ab. Auf diese Weise läuft der kleinste Durchmesser des zweiten Abschnitts 62 des zweiten Reduzierelements 48 in den Auslass 40 zusammen, wo sich der Auslass 40 einen axialen Abstand L1 davon nach außen erstreckt. Genauer ist der zweite Abschnitt 62 des zweiten Reduzierelements 48 in Richtung der Achse A der Vorrichtung 30 nach innen mit einem Winkel angeordnet. Ferner ist der zweite Abschnitt 62 des zweiten Reduzierelements 48 in Richtung der Achse A mit einem Winkel α vorgesehen, der bezüglich einer zu der Achse A parallelen Linie gemessen wird. Folglich weist der zweite Abschnitt 62 eine mit Winkel vorgesehene innere Oberfläche 51 auf. Der Durchmesser D2 des ersten Abschnitts 60 ist ungefähr gleich dem Durchmesser D_m des Anschlussglieds 50. Folglich sind D1, D2 und D_m vorzugsweise einander ungefähr gleich und können den Durchmesser des Ventilgehäuses 34 definieren.
Jetzt wird auf 2, 3 und 4 Bezug genommen. In dem inneren Oberflächenbereich des zweiten Abschnitts 62 befindet sich ein Ventilsitz 64. Der Ventilsitz 64 weist einen vorbestimmten Kontaktoberflächenbereich A_s auf, der maschinell hergestellt und hochgradig maschinell bearbeitet wird, so dass er als eine Gas dichtung wirksam ist. Der Oberflächenbereich A_s, wie in 4 gezeigt, ist vorzugsweise ein Teil des gesamten Bereichs der mit Winkel vorgesehenen Innenoberfläche 51 des zweiten Abschnitts 62. Der Winkel α ist so vorbestimmt, dass er den Kontaktoberflächenbereich A_s des Ventilsitzes 64 festlegt, um weiter eine wirksame Gasdichtung zu schaffen, wie mit Bezug auf ein Schwimmerelement 70 beschrieben werden wird. Vorzugsweise ist der Winkel α im Bereich von ungefähr 25 bis 30 Grad und am besten ungefähr 25 Grad. Mann beachte auch, dass der Kontaktoberflächenbereich A_s vorzugsweise im Bereich von 0,2 Quadratzoll (1,3 cm²) +/– 0,05 Quadratzoll (0,3 cm²) liegt.
Die Anordnung des Ventilgehäuses 34 wird jetzt beschrieben. Der erste Abschnitt 52 des ersten Reduzierelements 46 weist innere Gewinde 66 auf. Der erste Abschnitt 60 des zweiten Reduzierelements 48 weist auf ähnliche Weise innere Gewinde 66 auf. Das erste und zweite Reduzierelement 46, 48 sind vorzugsweise mittels des Anschlussglieds 50, am besten eines Nippels oder einer anderen Befestigungseinrichtung, miteinander verbunden. Am besten ist das Anschlussglied 50 ein Hülsenelement mit äußeren Gewinden. Auf diese Weise wirkt das Hülsenelement gewindemäßig mit den inneren Gewinden 66 der ersten Abschnitte 52, 60 des ersten bzw. zweiten Reduzierelements 46, 48 zusammen, wodurch das erste und das zweite Reduzierelement 46, 48 zusammengehalten werden und die Kammer 36 definieren.
Die Vorrichtung 30 ist in offener Verbindung mit den Gasen und Flüssigkeiten, die aus der oberen Strömungspassage in die Kammer 36 gelangen. Die Vorrichtung 30 weist auch den Ventilsitz 64 und das Schwimmerelement 70 auf. Das Schwimmerelement 70 wird zur Bewegung in der Kammer 36 gezwungen und wird vor der Montage des Ventilgehäuses 34 in einem der Reduzierelemente 46, 48 platziert.
Die Auftriebskraft, die auf ein in ein Fluid getauchtes Objekt wirkt, ist gleich dem Gewicht dieses Fluidkörpers, das das eingetauchte Objekt verdrängt. Wenn die Auftriebskraft niedriger als das Gewicht des Objekts ist, sinkt das Objekt. Auf der anderen Seite schwimmt, wenn die Auftriebskraft größer als das Gewicht des Objekts ist, das Objekt auf. Deshalb werden, um einen Stopfen bereitzustellen, der in Öl sinkt und in Wasser aufschwimmt, das Volumen des Stopfens und das Gewicht des Stopfens so gewählt, dass eine Auftriebskraft für den Stopfen in Wasser, die größer als das Gewicht des Stopfens ist, und auf der anderen Seite eine Auftriebskraft für den Stopfen in Öl, die niedriger als das Gewicht des Stopfens ist, geschaffen wird.
Das Schwimmerelement 70 hat ein solches Gewicht und Volumen, dass es eine relative Dichte hat, die kleiner ist als die von Flüssigkeiten, vorzugsweise flüssigen Brennstoffen, wie z.B. Dieselöl, Benzin, die in dem oberen Teil der Strömungspassage 26 strömen. Vorzugsweise ist die relative Dichte des Schwimmerelements 70 kleiner als ungefähr 0,4. Am besten ist die relative Dichte SG des Schwimmerelements 70 ungefähr gleich 70 Aan/[20 Ao] < 0,25, wenn Wasser als ein Medium verwendet wird. Ao ist der Querschnittsbereich Ao des Auslasses 40 der Vorrichtung 30. Vorzugsweise hat der Auslass einen Querschnittsbereich, wo der Bereich der Bereich eines Kreises auf der Basis des Durchmessers des Auslasses Do ist. Der Querschnittsbereich des Rings Aan ist als der Querschnittsbereich des Anschlussglieds 50 Am minus der Querschnittsbereich des Schwimmerelements 70 Af definiert. Es ist bekannt, dass deshalb dann, wenn das Schwimmerelement 70 eine kugelförmige Form hat und das Ventilgehäuse eine vorzugsweise zylindrische Form hat, die Querschnittsbereiche durch den Bereich eines Kreises auf der Basis des Schwimmerdurchmessers Df und dem Durchmesser des Ventilgehäuses D2 definiert werden. Am besten ist die Beziehung der relativen Dichte des Schwimmerelements 70, wenn flüssiger Brennstoff als Medium verwendet wird, wie folgt: die relative Dichte des Schwimmerelements 70/relative Dichte des flüssigen Brennstoffs ist ungefähr gleich Aan/[20 Ao]. Vorzugsweise ist der Durchmesser des Schwimmerelements 70 ungefähr 2,75 Zoll (7 cm) mit einer auf 24 eingestellten Wanddicke. Das Schwimmerelement 70 hat vorzugsweise eine kugelförmige Form. Ferner kann das Schwimmerelement 70 eine hohle Konstruktion haben, obwohl eine solide Kugel genau so gut funktionieren kann, vorausgesetzt, dass das spezifische Gewicht das gleiche wie das der hohlen Konfiguration ist. Eine kugelförmige Form für das Schwimmerelement 70 lässt es zu, dass jeder beliebige Teil der Oberfläche dafür geeignet ist, den Auslass 40 abzudichten. Das Schwimmerelement 70 kann aus einer Vielfalt von Materialien, z.B. Aluminium und Stahl, gemacht sein. Am besten ist das Schwimmerelement 70 aus Aluminium gemacht. Der Durchmesser Df (2) des Schwimmerelements 70 ist kleiner als der Durchmesser Di des Einlasses 38 und der Durchmesser Do des Auslasses 40.
Jetzt wird Bezug auf 5 genommen, die eine graphische Darstellung der relativen Dichte des Schwimmerelement 70 in Abhängigkeit von dem Verhältnis (Bereichsverhältnis) des Querschnittsbereichs Ao des Auslasses 40 der Vorrichtung 30 zu dem Querschnittringströmungsbereich Aan ist. Die Linie 80 ist für flüssiges Wasser, während Linie 82 für flüssige Brennstofföle ist, die eine relative Dichte von ungefähr 0,8 haben. Folglich stellt 5 die bevorzugte Beziehung zwischen den relativen Dichten Ao und Aan dar, so dass das Schwimmerelement 70 von dem Ventilsitz 64 abgehoben wird, wenn zum Beispiel das flüssige Wasser oder der flüssige Brennstoff durch die Vorrichtung 30 fließt. Die graphische Darstellung zeigt auch die maximale Strömungsrate, die für eine gegebene relative Dichte des Schwimmerelements 70, ein gegebenes Bereichsverhältnis und eine gegebene Flüssigkeit erreicht werden kann. Man beachte und es liegt im Umfang dieser Erfindung, dass andere Flüssigkeiten und insbesondere flüssige Brennstofföle, wie z.B. Petroleumbrennstoffe, die unterschiedliche relative Dichten haben, zum Beispiel über 0,78, genauso gut mit der Vorrichtung 30 der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Jetzt wird wieder Bezug auf 2, 3 und 4 genommen. Die Arbeitsweise der Vorrichtung 30 wird jetzt erklärt. Genauer werden die Bewegungen des Schwimmerelements 70 in Richtung zu dem und von weg dem Ventilsitz 64 in der Kammer 36 im Detail beschrieben.
Wenn Gase, wie z.B. Luft, in der Kammer vorhanden sind, wirkt das Schwimmerelement 70 auf Grund der Schwerkraft mit dem Ventilsitz 64 zusammen, wodurch eine gasförmige Dichtung geschaffen wird. Diese Position des Schwimmerelements 70 ist in 3 gezeigt. Die Vorrichtung 30 ist in der geschlossenen Position. Folglich werden sämtliche Gase in der Kammer 36 daran gehindert, in den unteren Teil 27 der Strömungspassage 26 und insbesondere in den Behälter 18 zu gelangen. Wenn Flüssigkeiten, wie z.B. Brennstofföle, in die Kammer gelangen, wird das Schwimmerelement 70 aufgrund seines spezifischen Gewichts und seiner spezifischen Konfiguration durch die Strömung von Flüssigkeiten in die Kammer 36 von dem Ventilsitz 64 abgehoben. Folglich gelangen die Flüssigkeiten über die äußere Oberfläche des Schwimmerelements 70 zwischen das Schwimmerelement 70 und die Innenwände der Kammer 36 und es wird zugelassen, dass sie durch den Auslass 40 in den unteren Teil 27 der Strömungspassage 26 und in den Behälter 18 abgeleitet werden. Jetzt ist die Vorrichtung 30 in der geöffneten Position. Man beachte, dass die Flüssigkeiten durch den Querschnittsringbereich Aan gelangen, wenn die Vorrichtung in der geöffneten Position ist.
Man beachte auch, dass für das Anheben des Schwimmerelements 70, wenn Flüssigkeiten in die Kammer 36 strömen, das Schwimmerelement 70 nicht nur eine relative Dichte haben muss, die kleiner als die von Flüssigkeiten ist, sondern auch die Strömungsrate der Flüssigkeiten in die Kammer 36 eine vorbestimmte Strömungsrate sein muss. Ferner ist eine vorbestimmte Strömungsrate erforderlich, so dass das Strömen der Flüssigkeiten das Schwimmerelement 70 nicht in eine Abwärtsrichtung zwingt, was bewirken würde, dass das Schwimmerelement 70 mit dem Ventilsitz 64 zusammenwirkt und die Flüssigkeiten davon abhält, durch den Auslass 40 aus der Kammer 36 abgeleitet zu werden. Die vorbestimmte Strömungsrate ist eine Funktion des Durchmessers des Auslasses 40, des Schwimmerelements 70 (z.B. Form, Material, Größe), des Volumens der Kammer 36 und des Durchmessers der Kammer 36. Vorzugsweise ist die Strömungsrate für die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ungefähr 10 Gallonen pro Minute (2,27 m³/h). Schließlich und genauer zeigt 5 die Strömungsrate für die Vorrichtung 30 als eine Funktion der relativen Dichte und des Verhältnisses von Ao/Aan.
Jetzt wird Bezug auf 6 genommen, die eine graphische Darstellung der prozentualen Leckrate in Abhängigkeit von dem Kontaktoberflächenbereich As zwischen dem Schwimmerelement 70 und dem Ventilsitz 64 zeigt. Die graphische Darstellung zeigt den Kontaktoberflächenbereich As, der erforderlich ist, um eine wirksame Gasdichtung zu schaffen. Man beachte auch, dass für einen Druck von 30 psig (308 kPa) in der Kammer 36 die graphische Darstellung die Beziehung zwischen dem Kontaktoberflächenbereich und der prozentualen Leckrate zeigt.
Jetzt wird wieder auf 2, 3, und 4 Bezug genommen. Es versteht sich und liegt im Umfang dieser Erfindung, dass die genaue relative Dichte des Schwimmerelements 70 abhängig von der Strömungsrate der Flüssigkeiten in die Kam mer 36, der Konfiguration (z.B. Form, Material, Größe) des Schwimmerelements 70 und der Form der Kammer 36 reguliert werden kann.
Schließlich hat die Vorrichtung 30 der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise eine minimale Anzahl von Teilen, so dass die Herstellungskosten reduziert werden, und stellt einen zuverlässigen und kontinuierlichen Betrieb sicher. Die Vorrichtung wirkt positiv und ist nicht anfällig für das Entstehen von Fehlern. Folglich wird dann, wenn die vorliegende Erfindung in den Strömungspassagen verwendet wird, die in die Behälter gelangen, nicht zugelassen, dass Gase, wie z.B. brennbare Brennstoffgase, in die Behälter gelangen, wodurch eine unerwünschte Situation vermieden wird. Es wird zugelassen, dass Flüssigkeiten, wie z.B. Brennstofföle, durch die Strömungspassagen gelangen, in denen die Vorrichtung positioniert ist, um in die Behälter zu gelangen. Ferner unterscheidet sich die Vorrichtung 30 von dem Stand der Technik darin, dass sie für die Verwendung in einem Kanal gemacht ist, wo das Ableiten der Flüssigkeiten in den Behälter 18 und das Heraushalten der Gase aus dem Behälter 18 von dem Schwimmerelement 70 gesteuert wird, das in seiner Bewegung uneingeschränkt ist.
Wie oben beschrieben, kann die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer Vielfalt von Anwendungen durchgeführt und genutzt werden, wo es erwünscht ist, das Strömen von Flüssigkeiten zuzulassen und das Strömen von Gasen zu verhindern. Ferner kann die Vorrichtung 30 verwendet werden, um eine Back-up-Sicherheitsvorrichtung in der Strömungspassage 26 (1) zu schaffen.
Schließlich liegt es im Umfang dieser Erfindung und wird vom Fachmann verstanden, dass der Winkel α, die Durchmesser des Einlasses und des Auslasses 38 bzw. 40, die Größe, das Material und die Konfiguration des Schwimmerelements 70 so angepasst werden können, dass sie verschiedene Flüssigströmungsraten bewältigen und die Ergebnisse der vorliegenden Erfindung erreichen können.
In der bevorzugten Ausführungsform, die einer maximalen Strömungsrate von 10 Gallonen pro Minute (2,27 m³/h) entspricht, ist das Schwimmerelement 70 aus Aluminium mit einer relativen Dichte von 0,12 gemacht, ist Af ungefähr gleich 6,0 Quadratzoll (Zoll²) (39 cm²), ist Am ungefähr gleich 7,5 Zoll² (48 cm²), ist Aan un gefähr gleich 1,6 Zoll² (10 cm²) und ist Ao ist ungefähr gleich 0,9 Zoll² (6 cm²). In einer alternativen Ausführungsform, die einer maximalen Strömungsrate von 6 Gallonen pro Minute (1,36 m³/h) entspricht, ist das Schwimmerelement 70 aus Stahl mit einer relativen Dichte von 0,4 gemacht, ist Af ungefähr gleich 6,0 Zoll² (39 cm²), ist Am ungefähr gleich 7,5 Zoll² (48 cm²), ist Aan ungefähr gleich 1,6 Zoll² (10 cm²) und ist Ao ungefähr gleich 0,15 Zoll² (1 cm²). Es wird auch bevorzugt, dass für sowohl die bevorzugte als auch alternative Ausführungsformen Di im Bereich von ungefähr 1 bis 2 Zoll ist. Es wird schließlich verstanden und liegt im Umfang dieser Erfindung, dass das Schwimmerelement 70 auch durch andere Materialien ersetzt werden kann, vorausgesetzt, die relative Dichte des Schwimmerelements 70 liegt innerhalb der hierin vorgesehenen bevorzugten Bereiche.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können viele Modifizierungen gemacht werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Deshalb soll die Erfindung nicht auf die beschriebenen besonderen bevorzugten Ausführungsform beschränkt sein, sondern soll die Erfindung alle Ausführungsformen umfassen, die in den Umfang der anhängenden Ansprüche fallen.

Claims

Sicherheitsvorrichtung für ein Flüssigkeitsentsorgungssystem eines Stromerzeugers, wobei die Vorrichtung eine Steuereinrichtung für selektives Strömen (22) und eine Anordnung (30) aufweist, wobei die Vorrichtung für die Anordnung in einer Strömungspassage (26) in Strömungsverbindung mit der Atmosphäre und mit einem Behälter (18) vorgesehen ist und die Vorrichtung für das Ableiten von Flüssigkeiten mit einer vorherbestimmten relativen Dichte in den Behälter (18) vorgesehen ist, wobei die Anordnung (30) aufweist: ein Ventilgehäuse (34) mit einer Kammer (36), wobei das Ventilgehäuse ein oberes Ende und ein unteres Ende und eine Längsachse hat; einen Einlass (38) an dem oberen Ende, wobei der Einlass dafür ist, in Strömungsverbindung mit der Strömungspassage (26) zu sein, um entweder Flüssigkeiten oder Gase aus der Strömungspassage aufzunehmen; einen Auslass (40) an dem unteren Ende, wobei der Auslass dafür ist, in offener Strömungsverbindung mit dem Behälter (18) zu sein, so dass die Flüssigkeiten durch den Auslass (40) in den Behälter (18) strömen; ein Reduzierelement (48), der in Strömungsverbindung mit dem Auslass (40) ist und in den Auslass (40) zusammenläuft, wobei das Reduzierelement einen Abschnitt (60) hat, wobei der Abschnitt (60) im Durchmesser konzentrisch nach innen hin um die Längsachse und in die Richtung des Auslasses (40) abnimmt und der Abschnitt (60) einen inneren Oberflächenbereich hat, der einen Ventilsitz (64) bildet; und ein Schwimmerelement (70), das in dem Ventilgehäuse (34) ist und so angeordnet ist, dass es mit dem Ventilsitz (64) zusammenwirkt, um den Auslass (40) zu öffnen und zu schließen; wobei die Steuereinrichtung für selektives Strömen (22) dafür ist, selektiv zuzulassen, dass Gas oder Flüssigkeit in die Strömungspassage (26) strömt und in den Einlass (38) gelangt; und das Schwimmerelement (70) eine relative Dichte hat, die geringer ist als die der Flüssigkeiten, das Schwimmerelement (70) in der Kammer (36) und um die Längsachse uneingeschränkt beweglich ist, wenn selektiv nur Flüssigkeiten in der Strömungspassage (26) strömen und in das Ventilgehäuse (34) gelangt, wobei das Schwimmerelement (70) konfiguriert ist, um die Strömung der Flüssigkeiten mit einer vorherbestimmten Strömungsrate in das Ventilgehäuse (34) zu bewirken, und so das Schwimmerelement (70) zwingt, von dem Ventilsitz (64) aufzuschwimmen, um die Flüssigkeiten durch einen Ring und in den Auslass (40) in den Behälter (18) abzuleiten, und wenn selektiv nur Gase in der Strömungspassage (26) strömen und in das Ventilgehäuse (34) gelangen, das Schwimmerelement (70) konfiguriert ist, um mit dem Ventilsitz (64) zusammenzuwirken, um zu verhindern, dass Gase in den Behälter (18) gelangen, und es so den Gasen erlaubt ist, weiterhin in der Strömungspassage (26) zu strömen und in die Atmosphäre abgelassen zu werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Schwimmerelement (70) kugelförmig geformt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Material für das Schwimmerelement (70) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium und Stahl besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorherbestimmte Strömungsrate der Flüssigkeiten kleiner oder gleich 10 Gallonen pro Minute ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die relative Dichte des Schwimmerelements (70) kleiner oder gleich 0,4 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Vorrichtung in der Strömungspassage eines Flüssigkeitsentsorgungssystems eines Stromerzeugers angeordnet werden kann und die relative Dichte der Flüssigkeiten größer oder gleich 0,78 ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ventilgehäuse ein weiteres Reduzierelement (46) in Strömungsverbindung mit dem Einlass (38) aufweist, wobei das Reduzierelement (48) und das weitere Reduzierelement (46) durch ein Anschlussglied (50) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Auslass (40) in Strömungsverbindung mit der Atmosphäre ist, um Luft aus dem Behälter (18) abzulassen, wenn die Flüssigkeiten durch den Auslass abgeleitet werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung in der Strömungspassage von einem Flüssigkeitsentsorgungssystem eines Stromerzeugers angeordnet werden kann und die Flüssigkeiten Brennstofföle aufweisen und die Gase Kohlenwasserstoffbrennstoffe aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, wenn die Flüssigkeiten in der Strömungspassage (26) flüssiger Brennstoff sind, das Verhältnis der relativen Dichte des Schwimmerelements (70) zu der relativen Dichte des flüssigen Brennstoffs ungefähr gleich dem Verhältnis der Querschnittsfläche (A_AN) des Rings zu der zwanzigfachen Querschnittsfläche (A_O) des Auslasses (40) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei, wenn die Flüssigkeiten in der Strömungspassage (26) Wasser sind, die relative Dichte des Schwimmerelements (70) ungefähr gleich dem Verhältnis der Querschnittsfläche (A_AN) des Rings zu der zwanzigfachen Querschnittsfläche (A_O) des Auslasses (40) ist.
Verfahren zum Ableiten einer Flüssigkeit in einen Behälter (18) und zum Verhindern des Eintretens eines Gases in den Behälter (18) in einem Flüssigkeitsentsorgungssystem eines Stromerzeugers, wobei die Flüssigkeit oder das Gas selektiv in eine Strömungspassage (26) in Strömungsverbindung mit dem Behälter (18) und der Atmosphäre strömt, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer Sicherheitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; Zwingen des Schwimmerelements (70) derart, dass es von dem Ventilsitz (26) aufschwimmt, um die Flüssigkeit durch den Auslass in den Behälter (18) abzuleiten; und Zusammenwirken des Schwimmerelements (70) mit dem Ventilsitz (26), wenn das Gas in dem Ventilgehäuse (34) ist, um zu verhindern, dass das Gas in den Behälter (18) gelangt.