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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Übertragung/Überführung von fluiden Medien von einem
Behälter
zu einer anderen Stelle oder zu einem Endbenutzer, und insbesondere
das Pumpen von cryogenen bzw. Tieftemperatur-Fluiden von einem Behälter zu
einer anderen Stelle oder einem Endbenutzer.
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Im
allgemeinen ist es mit den bisherigen Versuchen, Tieftemperatur-Pumpanlagen
zu optimieren, nicht gelungen, ein wirtschaftliches und effektives Mittel
zum Kühlen
der Pumpe und zum Minimieren des Produktabfalls zur Verfügung zu
stellen. Die meisten Tieftemperatur-Pumpen, die in Betrieb sind, haben
keine Isolierung auf der Einlassleitung oder auf der Dampfrückführleitung.
Diese Systeme haben sich als Cryogen-Vergeudung herausgestellt,
da Cryogen oft in die Atmosphäre
abgelassen wird, wodurch wertvolles Produkt verloren geht. Um sicherzustellen,
dass diese Systeme ohne Kavitations-Bildung arbeiten, haben sie
im allgemeinen einen von Vakuum umgebenen Sumpf am Einlass der Pumpe, der
als Phasen-Separator dient. Weiterhin muss die Pumpe auf einen geeigneten
Wert mit einem Minimum an vergeudetem Produkt herabgekühlt werden.
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Ein
Weg, die Produktverluste zu reduzieren, liegt in der Isolierung
der Einlass- und/oder
Dampfrückführleitungen.
Dies trägt
nicht nur dazu bei, dass die Verluste verringert werden, sondern
erhöht
auch die Pumpenleistung. Das Isolieren der Rohrleitungen ist jedoch
mit Nachteilen verbunden. Wenn die Dampfrückführleitung nicht isoliert ist,
wird flüssiges Cryogen
in dieser Leitung vorhanden sein, das verdampft und zu den Entlüftungsverlusten
der Anlage beiträgt.
Für Rohrleitungen,
die von einem Vakuummantel umgeben sind, können die Kosten der Rohrleitungen
die Kosten der Pumpe selbst übersteigen. Wenn
sie mit einer Schaum-Isolierung umgeben wird, wird der Schaum einem
thermischen Zyklus unterworfen, der den Schaum beschädigt und
Feuchtigkeit einzieht. Das Einfrieren des Wassers im Innern der
Isolierung kann zu höheren
Wärmeleckarten
als eine nicht isolierte Leitung führen.
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Es
wurden bereits Versuche unternommen, diese Nachteile der Pumpanlagen
nach dem Stand der Technik zu vermeiden. Verschiedene herkömmliche
System, die versucht haben, die Produktverluste zu reduzieren und/oder
die anderen, oben beschriebenen Mängel zu überwinden, werden im folgenden erörtert.
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Ein
herkömmliches
Verfahren ist es, die Pumpe in einen Vorratstank oder Behälter einzutauchen,
so dass die Pumpe immer kalt ist. Die Verluste für diese Art von Anlage sind
primär
aufgrund von Wärmelecks
des Behälters
und der Wärmeerzeugung
der Pumpe.
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US-A-4,472,946 (Zwick)
und
US-A-4,860,545 (Zwick
u.a.) offenbaren einen Tieftemperatur-Speichertank mit einer eingebauten,
untergetauchten Pumpe, die durch das in dem Tank gespeicherte Cryogen
in einem kontinuierlich heruntergekühlten Zustand gehalten wird,
so dass Pumpen sofort begonnen werden kann. Dieser Vorschlag versucht,
den Verlust an Cryogen durch Abdampfen zu verringern, indem der
Wärmeleckpfad
von der Umgebung in das Cryogen minimiert wird, der durch die Anwesenheit
der Pumpe im Innern des Tanks verursacht wird. Hierzu wird ein isolierter
Tieftemperatur-Speicherbehälter
mit einem Pumpenbefestigungsrohr zur Verfügung gestellt, das sich in
den Behälter
erstreckt und in das Cryogen eingetaucht wird. Die äußere Oberfläche des
Pumpenbefestigungsrohrs in dem Behälter ist isoliert, um die Wärmeleckage
von dem Pumpenbefestigungsrohr zu dem Cryogen, das das Rohr umgibt,
zu minieren. Es gibt jedoch verschiedene Nachteile dieser Konstruktion,
die allgemein als unpraktisch bezeichnet werden muss. Zunächst ist
ein spezieller Tank erforderlich, in dem die Pumpe installiert wird.
Zweitens muss für
eine Reparatur der Pumpe der Tankdruck abgelassen und die Pumpe
entfernt und aufgewärmt
werden, bevor Reparaturarbeiten durchgeführt werden können. Insgesamt
sind die Kosten, die mit dieser Konstruktion verbunden sind, nicht
akzeptabel.
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US-A-5,819,544 (Adonian)
offenbart eine Hochdruck-Pumpanlage zum Pumpen von Tieftemperatur-Flüssigkeiten
von einem Tiefdruck-Haltezylinder zu einem Hochdruck-Gaszylinder (oder
einem anderen Hochdruck-Nutzungssystem). Die Anlage enthält eine
Hochdruck-Kolbenpumpe mit einem in einer Richtung wirkenden Strömungs- Einlass und einem
in einer Richtung wirkenden Strömungs-Auslass,
die in die Tieftemperatur-Flüssigkeit
in einem Niederdruck-Pumpenbehälter
eingetaucht sind, dem Tieftemperatur-Flüssigkeit von dem Niederdruck-Haltezylinder
zugeführt
wird. Der Druck in dem Pumpenbehälter
wird aufrechterhalten, so dass die Betätigung des Pumpenkolbens Tieftemperatur-Flüssigkeit
von dem Massentank zu dem Hochdruck-Nutzungssystem pumpt. Obwohl diese Konstruktion
wirtschaftlicher ist als der Tieftemperatur-Speichertank mit eingebauter
Pumpe nach Zwick, hat sie andere Probleme. Beispielsweise muss der
kleinere Tank periodisch gefüllt
werden. Dies führt
zu Entlüftungsverlusten
aufgrund des Ausblasens des Behälters und
der Erwärmung
der Leitung. Weitere Komplikationen treten wegen der Steuerungen
auf, die benötigt wird,
um das Füllen
des Tanks durchzuführen,
ohne dass die Pumpe abgeschaltet werden muss.
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US-A-5,218,827 (Pevzner)
offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zuführung eines
verflüssigten
Gases von einem Behälter
zu einer Pumpe mit Unterkühlung,
um während
des Pumpvorgangs Kavitations-Bildung zu vermeiden. Es wird kein
Versuch unternommen, Produktverluste zu minieren, es soll nur eine
unterkühlte
Flüssigkeit
für die
Pumpe zur Verfügung
gestellt werden. Die Probleme, die mit Entlüftungsverlusten verbunden sind,
werden weitgehend ignoriert.
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US-A-5,537,8282 (Borcuch
u.a.) offenbart ein temperatur-basiertes Abkühlsystem für eine Tieftemperatur-Pumpe,
wobei die Saug- oder Einlassleitung zu der Tieftemperatur-Pumpe
und die Tieftemperatur-Pumpe selbst sequentiell gekühlt werden
vor dem Pumpen. Dieses System ignoriert ebenfalls die Probleme,
die mit Entlüftungsverlusten
verbunden sind, und konzentriert sich primär darauf, wie die Pumpe effektiv
abgekühlt
wird und wie dieses Abkühlen überwacht
und gesteuert wird.
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US-A-5,411,374 (Gram)
offenbart ein Tieftemperatur-Fluidpumpensystem und ein Verfahren zum
Pumpen eines Tieftemperatur-Fluids. Das System zielt primär auf LNG,
obwohl es auch andere cryogene fluide Medien erwähnt. Das Isolieren der Leitungen
wird jedoch nicht angesprochen, noch wird eine herkömmliche
Dampf-Rückführleitung
erwähnt. Die
Pump muss Dampf und Flüssigkeit
getrennt aus der Einlassleitung pumpen. Das Herunterkühlen der Pumpe
wird erreicht, indem das cryogene fluide Medium zu dem oberen Ende
des Vorratstanks im Zyklus zurückgeführt wird,
was keine unübliche
Praxis is.
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US-A-5,353,849 (Sutton
u.a.) offenbart ein weiteres Verfahren zum Betreiben einer Tieftemperatur-Pumpe,
die durch zusätzliche
Verfahrensschritte kompliziert gemacht wird, die verwendet werden,
um das Tieftemperatur-Fluid zu dosieren. Das Verfahren, das zum
Herunterkühlen
der Pumpe verwendet wird, ähnelt
dem nach der
US-A-5,411,374 (Gram).
Ein Flüssigkeits-Sensor
(beispielsweise eine Temperatursonde) zeigt an, wenn die Tieftemperatur-Flüssigkeit
durch die Pumpe gegangen ist. Wenn die Sonde Flüssigkeit stromabwärts zur
Pumpe anzeigt, gibt es eine zeitliche Verzögerung bevor die Pumpe gestartet
wird.
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US-A-5,160,769 (Garrett)
offenbart ein Verfahren, Entlüftungs-Verluste
in Tieftemperatur-Pumpsystem zu minimieren. Dieses Patent lehrt
einen Typ von gespülter
Tieftemperatur-Leitungsisolierung insbesondere für cryogene Fluide, die eine
Temperatur von weniger als 77 Kelvin (–321 °F) haben.
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US-A-3,630,639 (Durron
u.a.) offenbart ebenfalls ein Verfahren, Entlüftungsverluste in Tieftemperatur-Entlüfungsanlagen
zu minimieren. Speziell lehrt dieses Patent die Verwendung eines
automatisch gesteuerten Entlüftungsventil
in einer Entlüftungsleitung,
die mit der Saugleitung in einer Tieftemperatur-Pumpanlage verbunden
ist. Das Entlüftungsventil
befindet sich während
des Abkühlzyklus
in einer offenen Stellung und wird zu einer geschlossenen Stellung
bewegt, nachdem das System die gewünschten Betriebsbedingungen
erreicht hat. Beblasungsgas, das um den Kolben der Pumpanlage als Leckage
austritt, stellt den Druck zum Schließen des Entlüftungsventils
zur Verfügung.
Das Entlüftungsventil
enthält
eine Öffnung,
durch die das Beblasungsgas (in kleinen Mengen) austritt (bleeds)
und zu dem Speicherbehälter
für das
zu pumpende Tieftemperatur-Fluid zurückkehrt.
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Es
wird angestrebt, ein Verfahren zu haben, das die Produktverluste,
die mit dem Betrieb von cryogenen Pumpen verbunden ist, durch Minimierung von
Wärmelecks
während
des Pumpzyklus und durch effektivere Mittel zum Abkühlen der
Pumpe auf cryogene Temperaturen minimiert.
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Es
wird weiterhin angestrebt, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu
haben, die eine Isolierung für
ein Tieftemperatur-Rohr verwenden, die dauerhafter und effektiver
als herkömmliche
Schaumisolierungen sind, indem Gas verwendet wird, das während des
normalen Betriebs eines Tieftemperatur-Tanks verdampft wird und
das sonst als Abfall anfallen würde.
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Es
ist ein weiteres Ziel, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen,
um zu gewährleisten,
dass die Tieftemperatur-Pumpe beim Saugen einen minimalen nettopositiv
Saugkopf (NPSH = net positive suction head), ohne dass der cryogene
Vorratstank angehoben werden muss.
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Weiterhin
wird angestrebt, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren
zur Übertragung
eines fluiden Mediums von einem Behälter zu einem Endbenutzer zu
schaffen, die die Schwierigkeiten und Nachteile des Standes der
Technik überwinden,
so dass bessere und vorteilhaftere Ergebnisse zur Verfügung stehen.
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Die
Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpenanlage, um
die Produktmenge zu minimieren, die in dem System während des
Betriebs und des Abkühlens
verloren geht. Die Erfindung enthält verschiedene Merkmale, die – in Kombination – den Produktverlust
minimieren. Obwohl die Erfindung mit verschiedenen Arten von fluiden
Medien eingesetzt werden kann, ist sie besonders zweckmäßig bei
cryogenen fluiden Medien.
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Nach
einem ersten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen einer
Pumpe für
eine flüchtige
Flüssigkeit
mit abwechselndem Beenden der Strömung der Flüssigkeit zu der Pumpe, damit wenigstens
ein Teil der in der Pumpe zurückbleibenden
Flüssigkeit
verdampfen kann, um die Pumpen zu kühlen, und dem Wiederaufnehmen
des Flusses der Flüssigkeit
zu der Pumpe, wobei der sich ergebende, verdampfte Fluidanteil bei
der Wiederaufnahme des Flusses entfernt wird. Der Fluss wird nach
einer bevorzugten Ausführungsform
durch abwechselnde Einstellung einer Steueranordnung, die die Strömung der
Flüssigkeit
zu der Pumpe steuert, zwischen einer offenen Stellung, in der die
Flüssigkeit
durch die Pumpe strömt,
und einer geschlossenen Stellung gesteuert, in der die Flüssigkeitsströmung durch
die Pumpe aufhört,
damit wenigstens ein Teil der Flüssigkeit,
die in der Pumpe zurückbleibt,
verdampfen kann, um die Pumpe zu kühlen, und Entfernen des sich
ergebenden, verdampften fluiden Mediums aus der Pumpe, wenn die
Steueranordnung in die offene Stellung zurückkehrt.
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Nach
einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zur Übertragung
einer flüchtigen Flüssigkeit
von einem Behälter über eine
Pumpe mit den Schritten:
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- (a) Ziehen eines Flüssigkeitsstroms von dem Behälter durch
eine Leitung zu der Pumpe,
- (b) Beendigung des Flusses der Strömung zu der Pumpe nach der Übertragung
eines Teils der Flüssigkeit
von dem Behälter
durch die Pumpe,
- (c) Zulassen der Verdampfung mindestens eines Teils der in der
Pumpe zurückbleibenden
Flüssigkeit,
um die Pumpe zu kühlen,
und
- (d) sequentielle Wiederholung der Schritte (a), (b) und (c),
wobei der verdampfte Fluidanteil, der im Schritt (c) erzeugt wird,
bei Beginn von Schritt (a) entfernt wird.
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Die
Strömung
wird nach einer bevorzugten Ausführungsform
wieder durch abwechselnde Einstellung einer Steueranordnung, die
die Strömung
eines Flüssigkeitsstroms
von dem Behälter
durch eine Leitung zu der Pumpe steuert, zwischen einer offenen
Stellung, in der die Strömung
durch die Leitung zu der Pumpe fließt, und einer geschlossenen
Stellung gesteuert, in der der Fluidstrom durch die Leitung aufhört, so dass
wenigstens ein Teil der in der Pumpe zurückbleibenden Flüssigkeit
verdampfen kann, um die Pumpe zu kühlen, und Entfernung des sich
ergebenden, verdampften Fluids aus der Pumpe, wenn die Steueranordnung
in die offene Stellung zurückkehrt.
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Wenn
ein Fluid entsprechend dem zweiten Aspekt der Erfindung von einem
Behälter übertragen wird,
kann das Verfahren als aus vielen Schritten bestehend angesehen
werden. Der erste Schritt ist, eine Pumpe mit einem Einlass und
einem Auslass vorzusehen. Der zweite Schritt ist, eine erste Leitung mit
einem ersten Ende und einem zweiten Ende vorzusehen, wobei das erste
Ende in Fluidverbindung mit dem Behälter und das zweite Ende in
Fluidverbindung mit dem Einlass der Pumpe ist. Der dritte Schritt ist,
eine erste Steueranordnung in Fluidverbindung mit der Pumpe und mit
einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung vorzusehen.
Die erste Steueranordnung ist angepasst, um zwischen der offenen
Stellung und der geschlossenen Stellung zu wechseln, wodurch ein
Fluidstrom in den Einlass der Pumpe von der ersten Leitung fließt, wenn
die erste Steueranordnung zunächst
zu der offenen Stellung wechselt, die Steueranordnung zu der geschlossenen
Stellung wechselt und wenigstens ein Teil des Fluidstroms in der
Pumpe verdampft, wodurch ein verdampfter Anteil des Fluids gebildet
wird; ein Strom des verdampften Anteils des Fluids fließt aus dem Auslass
der Pumpe heraus, wenn die erste Steueranordnung wieder zu der offenen
Stellung wechselt. Der vierte Schritt ist es, die erste Steueranordnung zwischen
der offenen Stellung und der geschlossenen Stellung umzustellen.
Der fünfte
Schritt ist, einen ersten Strom des Fluids von der ersten Leitung
zu dem Einlass der Pumpe zu übermitteln,
wenn sich die erste Steueranordnung erst in der offenen Stellung befindet.
Der sechste Schritt ist es, einen ersten Strom des verdampften Teils
des Fluids aus dem Auslass der Pumpe heraus zu bringen, wenn die
erste Steueranordnung wieder in der offenen Stellung ist.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das fluide Medium nach diesem Aspekt ein Tieftemperatur- bzw.
cryogenes Fluid.
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Nach
einer Ausführungsform
des zweiten Aspekts kann das Verfahren einen zusätzlichen Schritt enthalten,
wenigstens einen Teil des Dampfstroms zu dem Behälter zu übermitteln.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
des zweiten Aspekts kann das Verfahren den zusätzlichen Schritt enthalten,
die Temperatur wenigstens eines Teils des Fluids in der Pumpe oder
wenigstens eines Teils des Fluids stromabwärts oder stromaufwärts von
der Pumpe festzustellen.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
des zweiten Aspekts kann das Verfahren zwei zusätzliche Schritte enthalten.
Der erste zusätzliche
Schritt ist, einen Phasen-Separator
in Fluidverbindung mit der ersten Leitung an einer ersten Stelle
zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende vorzusehen, wobei
der Phasen-Separator angepasst ist, um einen Dampfstrom von der
ersten Leitung zu dem Behälter
zu übermitteln.
Der zweite zusätzliche
Schritt ist, einen Dampfstrom von wenigstens einem Teil des Fluidstroms
abzutrennen.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
des zweiten Aspekts kann das Verfahren sechs zusätzliche Schritte enthalten.
Der erste zusätzliche
Schritt ist, eine erste Isolationsschicht vorzusehen, die die erste
Leitung peripher umgibt. Der zweite Schritt ist, eine zweite Isolationsschicht
im Abstand von der ersten Isolationsschicht und diese peripher umgebend vorzusehen,
wodurch ein erster Raum zwischen der ersten und der zweiten Isolationsschicht
gebildet wird. Der zusätzliche
dritte Schritt ist, eine Quelle für ein Spülgas vorzusehen. Der vierte
zusätzliche Schritt
ist, eine zweite Leitung mit einem ersten Ende in Fluidverbindung
mit der Quelle für
das Spülgas und
einem zweiten Ende in Fluidverbindung mit dem ersten Raum vorzusehen.
Der fünfte
Schritt ist, eine zweite Steueranordnung vorzusehen, um die Strömung des
Spülgases
von der Quelle zu dem ersten Raum zu steuern. Der sechste Schritt
ist, einen kontrollierten Strom des Spülgases von der Quelle für das Spülgas zu
dem ersten Raum zu übermitteln.
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Die
erste Isolationsschicht kann durch einen geschlossenzelligen cryogenen
Schaum gebildet werden. Die Quelle für das Spülgas kann in dem Behälter sein.
Das Spülgas
kann ausgewählt
werden aus Stickstoff, Helium, Argon, Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid,
Kohlenwasserstoffen und Gemischen hieraus, wobei die Kohlenwasserstoffe
aus Methan, Ethan, Butan, Propan und Gemischen hieraus ausgewählt werden.
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Wenn
eine Pumpe gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung gekühlt
wird, kann das Verfahren als mehrere Schritte aufweisend angesehen
werden. Der erste Schritt ist, eine Steueranordnung in Fluidverbindung
mit der Pumpe mit einer offenen Stellung und einer geschlossenen
Stellung vorzusehen. Die Steueranordnung ist angepasst, um zwischen
der offenen Stellung und der geschlossenen Stellung abzuwechseln,
wodurch ein Fluidstrom in den Einlass der Pumpe von der Quelle strömt, wenn
die Steueranordnung zuerst zu der offenen Stellung wechselt, die
erste Steueranordnung zu der geschlossenen Stellung wechselt und
wenigstens ein Teil des Stroms des Fluids in der Pumpe verdampft,
wodurch ein verdampfter Anteil des Fluids gebildet wird, und ein Strom
des verdampften Anteils des Fluids aus dem Auslass der Pumpe herausströmt, wenn
die Steueranordnung wieder zu der offenen Stellung wechselt. Der
zweite Schritt ist, die Steueranordnung zwischen der offenen Stellung
und der geschlossenen Stellung umzustellen. Der dritte Schritt ist,
einen Strom des Fluids von der Quelle zu dem Einlass der Pumpe zu überführen, wenn
die Steueranordnung sich zuerst in der offenen Stellung befindet.
Der vierte Schritt ist, einen Strom des verdampften Anteils des
Fluids aus dem Auslass der Pumper heraus zu übertragen, wenn die Steueranordnung
sich wieder in der offenen Stellung befindet.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das fluide Medium nach diesem Aspekt ein cryogenes Fluid.
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Nach
einer Ausführungsform
des ersten Aspekts kann das Verfahren den Schritt des Abwechselns
der Steueranordnung zwischen der offene Stellung und der geschlossenen
Stellung mit fünf
Unterschritten enthalten. Der erste Unterschritt ist es, einen Sollwert
für eine
variable Temperatur festzulegen, wobei die Temperatur in der Pumpe
oder an einer Stelle stromaufwärts
oder stromabwärts
von der Pumpe festgestellt werden soll. Der zweite Unterschritt
ist es, einen Sensor für
die Festsstellung der Temperatur vorzusehen. Der dritte Unterschritt
ist es, die Steueranordnung zu der offenen Stellung zu bewegen,
wodurch ein Strom des fluiden Mediums zu dem Einlass der Pumpe strömen kann.
Der vierte Unterschritt ist es, die Steueranordnung zu der geschlossenen
Stellung zu bewegen, wenn eine festgelegte Fluidmenge zu dem Einlass
der Pumpe geflossen ist. Der fünfte
Unterschritt ist es, die Steueranordnung zurück in die offene Stellung zu
bewegen, wenn die Temperatur, die von dem Sensor festgestellt wird,
unter dem Sollwert liegt.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
des ersten Aspektes kann das Verfahren den zusätzlichen Schritt enthalten,
die Temperatur wenigstens eines Teils des Fluids in der Pumpe oder
wenigstens eines Teils des Fluids stromabwärts oder stromaufwärts von
der Pumpe festzustellen.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, in denen
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1 eine
schematische Darstellung ist, die eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 eine
schematische Darstellung ist, die eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine
schematische Darstellung ist, die eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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4 eine
schematische Darstellung ist, die die Mehrfach-Isolationsschichten
wiedergibt, die nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf cryogene bzw. Temperatur-Fluide
beschrieben; aber die Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass
die Erfindung nicht auf die Verwendung mit cryogenen Fluiden beschränkt ist.
Beispielsweise könnte
die Erfindung mit relativ kalten fluiden Medien benutzt werden mit
Temperaturen, die höher
sind als die Temperaturen von „cryogenen
Fluiden", die jedoch ihre
Phasen im System auf ähnliche
Weise ändern, wie
es unten für
cryogene Fluide beschrieben wird. Eine doppelt wirkende, zweistufige
Pumpe, die besonders gut mit der Anlage arbeitet, und ein Verfahren
nach der Erfindung wird in einer Patentanmeldung erörtert, die
parallel mit dieser Anmeldung eingereicht wurde und die den Titel
hat „Double-Acting, Two-Stage
Pump" (Aktenzeichen
06112 USA von Air Products and Chemicals, Inc.).
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Cryogene
Temperaturen werden auf der absoluten oder Kelvin-Skala gemessen,
auf der der absolute Nullpunkt 0 K ist. Der cryogene Temperaturbereich
reicht von –150°C (–238°F) bis absolute
Null (–273°C oder –460°F) oder 123
K bis 0 K.
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Die
Schlüsselmerkmale
der Erfindung, wenn sie mit cryogenen fluiden Medien eingesetzt
wird, sind:
- 1) eine Einlassleitung, die flüssiges Cryogen
einer Pumpe zuführt,
ist isoliert und wird gespült
unter Verwendung von Gas von einem Vorratsbehälter, das abgedampft ist und
sonst durch Entlüften
in die Atmosphäre
vergeudet werden würde.
Als Alternative kann eine getrennt Quelle für ein Inertgas verwendet werden.
- 2) Die Einlassleitung hat einen Phasen-Separator, der nur zulässt, dass
Dampf zu dem Vorratsbehälter
in der Weise zurückgeführt wird,
dass die Dampf-Rückführleitung
nicht isoliert werden muss.
- 3) Die Pumpe wird durch automatisches Öffnen, dann Schließen, in
abwechselnder Weise eines Ventils (Pumpenentladeventil) in Strömungsrichtung
gesehen hinter der Pumpe abgekühlt,
so dass die Flüssigkeit
in die Pumpe gebracht werden kann und langsam abdampft, wodurch
eine effizientere Verwendung des Kühlwertes des Cryogens möglich ist.
Dies wird durch einen Temperaturfühler oder einen Sensor, der
auf der Pumpenanordnung befestigt ist, überwacht. Als Alternative kann
der Temperaturfühler
oder Sensor in der stromabwärts
oder stromaufwärts
liegenden Rohrleitung befestigt werden. Das Pumpenentladeventil
entlädt
normalerweise zur Atmosphäre, obwohl
die Pumpe auch so ausgelegt werden kann, dass sie während dieses
Zyklus läuft
und das Pumpenentladeventil-Produkt zu dem Vorratstank zurückbringt.
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Eine
Ausführungsform
des Systems 10 ist in 1 dargestellt.
Alternative Ausführungsformen sind
in den 2 und 3 gezeigt.
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Wie
man der Anlage 10 in 1 entnehmen kann,
ist das cryogene Fluid 12 in einem Vorratstank 14 gespeichert,
der von einem größeren Tank 16 umhüllt ist.
Das fluide Medium wird von dem Vorratstank durch eine Einlassleitung 18 zu
einer Pumpe 20 transportiert. Ein Saugventil 22 in
der Einlassleitung kann verwendet werden, um die Fluidströmung von dem
Vorratstank zu der Pumpe über
die Einlassleitung zu steuern. Ein Phasen-Separator 24 in
der Einlassleitung trennt Dampf von der Flüssigkeit in dem fluiden Medium
ab. Die Flüssigkeit
fließt
zu dem Einlass der Pumpe, und der Dampf wird zu dem Vorratstank über eine
Dampfrückführleitung 23 zurückgebracht.
Die Pumpe 20 wird in abwechselnder Weise durch automatisches Öffnen und
dann Schließen eines
Pumpenentladeventils 26 heruntergekühlt, das sich stromabwärts von
dem Pumpenauslass befindet. Das Pumpenentladeventil ist in der offenen
Stellung, und die Flüssigkeit
fließt
in die Pumpe, wenn die Temperatur einen Sollwert erreicht, wie von
dem Temperaturfühler 38 festgestellt
wird. Das Pumpenentladerventil geht in die offene Stellung, und
der Dampf, der von der Flüssigkeit
in der Pumpe abgedampft ist, wird zur Atmosphäre 28 entlüftet. Die Flüssigkeit,
die von der Pumpe ausgegeben wird, wird zu einer weiteren Stelle 30 in
der Anlage übermittel;
dabei kann es sich um einen Endverbraucher, einen Tank, etc. (nicht
dargestellt) handeln.
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Wie
in 1 gezeigt ist, ist die Einlassleitung 18 isoliert,
und wie weiter in 4 gezeigt ist, weist die Isolierung 34 mehrere
Schichten auf. Die erste Isolierungsschicht 44 ist eine
geschlossenzellige Isolierung aus cryogenem Schaum, der die niedrigen Temperaturen
von cryogenen Fluiden ausschalten kann. Die zweite Isolierungsschicht 46 ist
bevorzugt eine offenzellige Schaumisolierung, obwohl eine Isolierung
vom geschlossenzelligen Typ ebenfalls akzeptabel ist. Weil die zweite
Isolierungsschicht typischerweise nicht fluide Medien mit niedrigeren
Temperaturen handhaben muss, wie es bei der ersten Isolierungsschicht
der Fall ist, wird eine offenzellige Polyurethanschaum-Isolierung
für die
zweite Isolierungsschicht bevorzugt. In dem Raum zwischen der ersten
und der zweiten Isolierungsschicht wird ein Inertgas, beispielsweise
Stickstoff, Argon oder Helium, für
Spülzwecke
verwendet. Viele andere Gase können
als Spülgas
verwendet werden, einschließlich, aber
nicht beschränkt
auf Kohlendioxid, Sauerstoff, Wasserstoff und bestimmte Kohlenwasserstoffe
(beispielsweise Methan, Ethan, Butan, Propan und Gemischen hieraus).
Obwohl inerte und nicht flammbare Gase bevorzugt werden, könnten auch
andere Gase infrage kommen, wenn nichtflammbare Typen von Isolierung
verwendet werden.
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Das
Spülgas
durchdringt die zweite Isolierungsschicht 46 (den offenzelligen
Schaum), bleibt jedoch relativ stationär rund um die erste Isolierungsschicht 44 (den
geschlossenzelligen Schaum). Die äußere Schicht (dritte Schicht)
der Isolierung 48 wirkt als Regensperre und wird auch dazu
verwendet, das Spülgas
zusammenzuhalten. Das Spülgas
wird zu dem Raum zwischen der ersten und zweiten Isolierungsschicht über die
Leitung 42 geführt,
die mit dem Vorrat verbunden ist, aus dem das Spülgas abgezogen wird. Die Strömung des
Spülgases
wird durch das Steuerventil 36 für den Spülgasstrom durch die Isolierung
gesteuert.
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Die 2 und 3 zeigen
alternative Ausführungsformen
der Anlage 10. Die alternative Ausführungsform, die in 2 gezeigt
ist, ähnelt
der Ausführungsform nach 1,
jedoch mit dem Unterschied, dass der Dampf von dem Pumpenentladeventil 26 über eine
Leitung 40 zu dem oberen Ende des Vorratstanks 14 zurückgeführt wird,
und zwar im Kreislauf. Die zweite alternative Ausführungsform des
Systems 10, die in 3 dargestellt
ist, ähnelt der
Ausführungsform
nach 1, jedoch mit der Ausnahme, dass das Pumpensaugventil 22 zwischen
dem Vorratstank 14 und dem Phasen-Separator 24 angeordnet
ist.
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Ein
Schlüsselmerkmal
der Anlage 10 ist die aus mehreren Schichten bestehende
Auslegung der Isolation 34. Die Isolation ist besonders
gut einsetzbar in Situationen, bei denen eine Quelle für trockenen
Stickstoff oder ein anderes inertes Gas zur Verfügung steht, die für die Spülung verwendet
werden kann, während
dieses Gas sonst zur Atmosphäre
abgelassen und damit vergeudet werden würde. Cryogene Tanks, die cryogene
Pumpanlagen speisen, entlüften
Gas typischer Weise aufgrund der Wärmebeaufschlagung des Tanks,
der Flüssigkeit
abdampft. Dieses Gas kann von der Pumpe nicht verbraucht werden
und ist oft in einer zu großen
Menge vorhanden, um einfach das Volumen der entfernten Flüssigkeit
auszufüllen;
deshalb muss es entlüftet
werden.
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Ein
weiteres Schlüsselmerkmal
der Anlage 10 ist die Verwendung eines mechanischen Phasen-Separators 24 auf
der Einlassleitung 18 in der Nähe der Pumpe 20, wie
in den 1 bis 4 dargestellt ist. Nach der
bevorzugten Ausführungsform ist
diese Vorrichtung ein Ventil, das mit einem Schwimmer verbunden
ist, der nur Dampf (keine Flüssigkeit),
der in der Einlassleitung verdampft, zurück zu dem Dampfraum des Vorratstanks 14 zurückströmen lässt. Wird
diese Vorrichtung in der Einlassleitung vorgesehen, wird die Rohrkonstruktion
der Dampfrückführleitung 32 stark
vereinfacht. Zunächst besteht
kein Bedarf für
eine Isolierung auf der Dampfrückführleitung.
Dies verringert die Kosten und gleicht die zusätzlichen Kosten des Phasen-Separators
mehr als aus. Als zweites muss die Dampfrückführleitung nicht sorgfältig ausgelegt
werden, um zu gewährleisten,
dass es keine Flüssigkeitsfallen
auf der Leitung gibt. Eine Flüssigkeitsfalle
in der Dampf-Rückführleitung
kann leicht verhindern, dass Dampf von der Dampfrückführleitung
zu dem oberen Ende des Tanks aufsteigt, wodurch eine Blase erzeugt
wird, die Flüssigkeit
aus der Einlassleitung herausdrückt.
Das Ergebnis ist, dass die Pumpe Gas statt Flüssigkeit an dem Einlass haben
könnte,
was dazu führt,
dass die Pumpe nicht arbeiten kann.
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Ein
drittes Schlüsselmerkmal
der Anlage 10 ist das Verfahren zur Steuerung des Abkühlens der Pumpe.
Das System wird gesteuert und überwacht, um
die Produktmenge zu minimieren, die für das Abkühlen bzw. Herunterkühlen der
Pumpe verwendet wird. Um Flüssigkeit
in die Pumpe zu bekommen, öffnet
sich das Pumpenentladeventil 26 zu der Atmosphäre 28 in
Strömungsrichtung
gesehen hinter der Pumpe, so dass Flüssigkeit in die und durch die
Pumpe strömen
kann. Das Pumpenentladeventil wird dann geschlossen, so dass diese
stehende Flüssigkeit
im Innern der Pumpe abdampfen kann, wodurch die Pumpe abgekühlt wird.
Das Pumpenentladeventil wird abwechselnd betätigt, wie erforderlich, um
sicherzustellen, dass sich Flüssigkeit
im Innern der Pumpe für
Kühlzwecke
befindet. Wenn die Pumpen-Temperatur einen gewünschten Sollwert erreicht hat, öffnet sich
das Pumpenentladeventil wieder, um etwaigen Dampf aus dem Innern
der Pumpe zu entlüften;
dann schließt
das Ventil, und die Pumpe kann laufen. Als Alternative hierzu kann
der Dampf, der von dem Pumpenentladeventil übermittel wird, zu dem Vorratstank 14 an
seinem oberen Ende, an seinem Boden oder an einer anderen Stelle
des Tanks zurückgeführt werden.
Zu dem gleichen Zeitpunkt, zu dem das Pumpenentladeventil geöffnet wird,
kann die Pumpe eingeschaltet werden, und das fluide Medium wird
zurück
zu dem Vorratstank geleitet. Diese alternative Ausführungsform
ist in 2 für
den Fall dargestellt, dass der Dampf, der von dem Pumpenentladeventil übermittelt
wird, zu dem oberen Ende des Tanks zurückgeführt (40) wird.
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Das
Pumpenentladeventil 26 wird pulsierend betrieben statt
es offen zu halten. Dadurch hat die cryogene Flüssigkeit mehr Zeit, Wärme mit
der Pumpe 20 und dem Rohrleitungssystem auszutauschen, so
dass ein größerer Teil
der Kältekapazität der cryogenen
Flüssigkeit
genutzt wird.
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Obwohl
hier die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte, spezifische Ausführungsformen dargestellt
und beschrieben wird, ist sie nicht auf die gezeigten Details beschränkt. Stattdessen
können verschiedene
Modifikationen an den Details innerhalb des Umfangs der folgenden
Ansprüche
vorgenommen werden.