BEREICH DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine eigengekühlte
Pumpe für kryogene Flüssigkeit, die dazu bestimmt ist,
ausbaubar in einen Vorratsbehälter für kryogene Flüssigkeit
mit einbezogen zu werden und die entweder das Fördern
dieser Flüssigkeit mit mäßigem Druck oder die Erzeugung von
Gas unter erhöhten Drücken gestattet. Stickstoff, Argon,
Sauerstoff, Wasserstoff und Helium in flüssigem Zustand
sind die am meisten von einer solchen Vorrichtung
betroffenen Produkte.
STAND DER TECHNIK
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In herkömmlicher Weise werden Flüssigkeitspumpen, die
in einer kryogenen Umgebung eingesetzt werden und die
Fliehkraftpumpen oder Kolbenpumpen sein können, an der
Außenseite der Quelle dieser Flüssigkeit angeordnet. Daraus
ergeben sich zahlreiche Nachteile, wobei der Hauptnachteil
im Erfordernis einer Vorkühlung der Pumpe vor ihrer
Ingangsetzung liegt. Tatsächlich muß diese gemäß
komplizierter Abläufe abgewickelt werden, die natürlich während ihrer
Durchführung die Abwesenheit der Verfügbarkeit dieser Pumpe
nach sich ziehen. Außerdem ist in diesen Vorrichtungen aus
dem Stand der Technik allein die Benutzung auf der
Grundlage von flüssigem Stickstoff tatsächlich geläufig.
Beispielsweise gibt es keine Hochdruckpumpen, die mit
flüssigem Helium funktionieren, und es ist demnach erforderlich,
diese Flüssigkeit in gasartiger Form zu verdichten, um
deren Benutzung zu gestatten, was hinsichtlich der Energie
wie auch der Investition besonders nachteilig ist, das
heißt letztlich hinsichtlich der Kosten. Ein analoges
Problem stellt sich bei der Verwendung von flüssigem
Wasserstoff.
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Das Patentdokument WO 84/02969 hat versucht, für diese
Probleme dadurch eine Lösung herbeizuführen, daß es
vorschlägt, die Pumpe in die kryogene Flüssigkeit (nach Art
des flüssigen Stickstoffs) einzutauchen. Eine solche Pumpe
hat sich jedoch als besonders anfällig, vor allem auf der
Höhe ihrer Wellenführung, erwiesen, was die erforderliche
Zuverlässigkeit einschränkt, die man von einer solchen
Vorrichtung erwarten kann.
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Eine andere Lösung wird durch das französische Patent
FR 771 813 gelehrt, die eine Pumpe offenbart, die in einen
Vorratsbehälter für verflüssigtes Gas mit niedrigem Druck
integriert ist. Da diese Pumpe jedoch fest mit dem
Vorratsbehälter verbunden ist, ist es bestimmt nicht möglich,
ihren Ausbau im Betrieb sicherzustellen, was besonders
störend ist, wenn man eine Funktionsstörung der Pumpe
festgestellt hat. Außerdem stellt diese Pumpe keine vollkommene
Beherrschung des Druckes sicher, wobei Rückströmungen des
Gases durch den Austritt und nicht durch die einzige
Auslaßleitung durchaus möglich sind. Da schließlich
insbesondere
die Pumpe nicht die Temperatur der Flüssigkeit
aufweist, hat der Temperaturunterschied, der zwischen ihrer
kalten Innenseite und ihrer warmen Außenseite vorliegt, es
zur Wirkung, thermische Schocks hervorzurufen, die
nachteilig für ihre Funktion sind.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, diese
vorgenannten Nachteile zu mildern und eine ausbaubare und
eigengekühlte Pumpe für kryogene Flüssigkeit vorzuschlagen, die
mit jeder Art einer kryogenen Flüssigkeit und insbesondere
mit flüssigem Wasserstoff und Helium betrieben werden kann.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine einfach
aufgebaute und zuverlässige Pumpe auszuführen, die eine
vollkommene Steuerung des Druckes gestattet, was diese besonders
an unterschiedliche Einsatzbedingungen anpaßbar macht.
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Diese Ziele werden durch eine Pumpe für kryogene
Flüssigkeit erreicht, die mit einem Pumpenkörper versehen ist,
durch eine Antriebsgruppe betätigt wird und in einen
Vorratsbehälter für kryogene Flüssigkeit integriert ist und
dadurch gekennzeichnet ist, daß der genannte Pumpenkörper
ausbaubar ist und durch Verschieben in einem Schacht
wahlweise in Verbindung mit dem Vorratsbehälter bringbar ist,
wobei ein erstes Klappenventil in der Öffnungslage eine
Überführung der Flüssigkeit des Vorratsbehälters zum
Pumpenkörper hin vor seiner Evakuierung in flüssiger oder
gasförmiger Form durch eine Austrittsöffnung gestattet und ein
zweites Klappenventil in der Öffnungslage die Einrichtung
eines gasförmigen, kalten Durchsatzes vom gasgefüllten
Kopfraum dieses Vorratsbehälters zu einem hinteren Ende des
Pumpenkörpers gestattet, von dem er nach außen durch eine
Auslaß-/Spülöffnung abgelassen wird. Die
Auslaß-/Spülöffnung ist am Austritt mit einer Vorrichtung zur Einstellung
des kalten, gasförmigen Durchsatzes ausgestattet, der aus
dem Pumpenkörper austritt.
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Die Vorrichtung zur Einstellung gestattet es, den
kalten, gasförmigen, evakuierten Durchsatz nach außen
einzustellen, der sich beispielsweise aus zusätzlichen
Wärmeeinheiten infolge von Reibungsverlusten der Pumpe ergeben
kann.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform werden das erste
und zweite Klappenventil während des Einbaus und der
Befestigung des Pumpenkörpers im Schacht durch einen
Doppelmitnehmer in die Öffnungslage verbracht, der am vorderen Ende
dieses Pumpenkörpers befestigt ist und auf jedes dieser
Klappenventile einwirkt, um bei diesen das Abheben
hervorzurufen.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird das zweite
Klappenventil während des Einbaus und der Befestigung des
Pumpenkörpers im Schacht durch einen Mitnehmer in die
Öffnungslage versetzt, der an einem vorderen Ende des
Pumpenkörpers befestigt ist und sein Abheben hervorruft, wobei
das erste Klappenventil durch eine Steuervorrichtung
außerhalb des Pumpenkörpers in die Öffnungslage verbracht wird.
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Vorteilhafterweise weist diese Pumpe
Dichtungsvorrichtungen auf, die jeweils zwischen dem Schacht und dem
Pumpenkörper sowie zwischen dem Schacht und der Außenseite
eingesetzt sind.
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In einer ersten Variante, die bei der einen oder
anderen der vorausgehenden Ausführungsformen anwendbar ist, ist
der Pumpenkörper an einen dichten Antrieb bzw. Motor
angekoppelt, wobei die Anordnung von zwei Elementen gebildet
ist, die gegenüber der Außenseite durch eine dichte
Verbindung
isoliert ist, die sie fest verbindet. In einer zweiten
Variante ist der Pumpenkörper an einen Motor mit
eingetauchtem Läufer angekoppelt, wobei der Stator vom Läufer
durch einen dichten Mantel getrennt ist, der fest mit dem
Pumpenkörper verbunden ist.
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Für jede dieser Varianten weist der dichte Abschluß
eine Auslaßöffnung auf.
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Diese Trennung von Stator und Läufer in eingetauchtem
Zustand ist von Interesse, wenn das benutzte
Strömungsmittel mit den Materialien, die im Stator verwendet sind,
unverträglich (beispielsweise korrosiv) ist. Äußerstenfalls
wird es, wenn man auf einen gänzlich dichten Motor
zurückgreift, möglich, bekannte und zuverlässige Komponenten zu
benutzen, was besonders die Kosten der Pumpe verringert.
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Wenn die Pumpe für kryogene Flüssigkeit in einen
doppelwandigen Vorratsbehälter integriert ist, dann ist der
Pumpenkörper auf der Innenwand des Vorratsbehälters
angebracht, wobei eine dichte Verbindung die Außenwand des
Vorratsbehälters mit der Seitenwand des Schachtes verbindet
und es gestattet, den Zwischenraum zwischen den Wänden bei
dem Vakuumdruck zu belassen, auf den er vor dem Einbau der
Pumpe gebracht wurde.
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Entsprechend der geforderten Benutzung und der
geforderten Leistungen wird die erfindungsgemäße Pumpe eine
Fliehkraftpumpe, eine Axialpumpe oder eine Kolbenpumpe
sein, ohne daß diese Aufzählung einschränkend wäre.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung
werden sich noch besser aus der nachfolgenden Beschreibung
ergeben, die beschreibend und nicht einschränkend im
Hinblick auf die beigefügten Beschreibungen verfertigt wurde,
in welchen:
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- Fig. 1 ein Schnitt durch eine Kolbenpumpe für
kryogene Flüssigkeit ist, die mit einem dichten Motor
versehen ist,
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- Fig. 2 ein Schnitt durch eine Fliehkraftpumpe für
kryogene Flüssigkeit ist, die mit einem dichten Motor
versehen ist,
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- Fig. 3 ein Schnitt durch eine Fliehkraftpumpe für
eine kryogene Flüssigkeit ist, die mit einem halb
eingetauchten Motor versehen ist, und
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- Fig. 4 bis 6 Beispiele der Anordnung
erfindungsgemäßer Pumpen auf der Höhe von kryogenen Vorratsbehältern
unterschiedlicher Formen zeigen.
BESCHREIBUNG BESONDERER AUSFUHRUNGSFORMEN
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Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Pumpe für eine kryogene Flüssigkeit. Die
unter Bezug auf diese Figur beschriebene kryogene Pumpe ist
eine Hochdruck-Kolbenpumpe, die zur Erzeugung von Gas
bestimmt ist und von einem dichten Elektromotor angetrieben
ist. Wie deutlich ersichtlich, beschränkt sich die
Erfindung nicht auf diese einzige Art einer Pumpe und eine
Axialpumpe, Fliehkraftpumpe (siehe beispielsweise die Fig.
2 und 3) oder jede andere Art kann in gleicher Weise
eingesetzt werden. In gleicher Weise ist der Rückgriff auf einen
Elektromotor nicht obligatorisch und alle Arten von Motor
können ins Auge gefaßt werden, wie hydraulische Motoren,
pneumatische Motoren oder sogar Wärmekraftmotoren, ohne
beispielsweise die Gasturbine zu vergessen.
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Die erfindungsgemäße Pumpe weist einen Pumpenkörper 10
auf, der durch Einschieben in einem Schacht 12 angebracht
sein kann, dessen erstes Ende 18 starr beispielsweise durch
eine Schweißverbindung an einer Wand 14 eines
Vorratsbehälters 16 befestigt ist, der eine kryogene Flüssigkeit
enthält. Dieses erste Ende des Schachtes ist durch eine
Klappenventilvorrichtung 20 verschlossen, deren Öffnung, die
die Herstellung der Verbindung des Vorratsbehälters mit dem
Schacht nach sich zieht, während des Einbaus des
Pumpenkörpers im Schacht durch die Betätigung eines Doppelmitnehmers
22 hervorgerufen wird, der auf den Sitz der
Klappenvorrichtung einwirkt. Die Klappenvorrichtung weist eine erste
Klappe 24 auf, deren Anheben durch den Doppelmitnehmer den
Durchtritt der kryogenen Flüssigkeit im Körper der Pumpe
herbeiführt, sowie eine zweite Klappe 26, deren Anheben
durch diesen selben Mitnehmer die Verbindung des
gasförmigen Kopfraums dieses Vorratsbehälters mit dem hinteren Teil
28 des Körpers dieser Pumpe gestattet, wobei diese
Verbindung durch die Anwesenheit eines Rohres 30 ermöglicht wird,
das den Vorratsbehälter zwischen die Klappe, dem
Entnahmepunkt der Flüssigkeit und dem gasgefüllten Kopfraum
durchsetzt. Das freie Ende des Schachtes 12 ist durch einen
äußeren Kragen 32 abgeschlossen, auf den durch eine
Schrauben-/Telleranordnung 34 ein erstes Ende 36 des
Pumpenkörpers zur Befestigung gelangt, während das entgegengesetzte
Ende 38 dieses Pumpenkörpers in Berührung mit dem
Vorratsbehälter steht. Eine Dichtung 40, die auf Höhe dieses
zweiten Endes 38 angeordnet ist und deren Zusammendrückungs-
Drucklast durch die Schrauben-/Telleranordnung 34
festgelegt ist, stellt die Abdichtung zwischen dem Schacht und
dem Pumpenkörper sicher und begrenzt die unterschiedlichen
Wärmedehnungen zwischen diesen beiden Elemente. Dichtungen
des Kragens 76 stellen während eines teilweisen
Herausziehens der Pumpe die Abdichtung zwischen der seitlichen Wand
des Schachtes und der Außenseite sicher.
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Der Kolbenpumpenkörper wird durch eine rotierende
Taumelscheibenanordnung 42 betätigt, die durch eine Welle 44
bewegt wird, welche ihrerseits mit einem dichten
Elektromotor 46 mittels einer Kupplung 48 verbunden ist. Der Motor
46 ist kraftmäßig mechanisch von der Pumpe durch einen
Trageaufbau 50 entkoppelt (der vorteilhafterweise auf der Wand
des Vorratsbehälters befestigt sein kann), der eine
Zentrierung des Motors durch eine Achse 52 sicherstellt. Eine
dichte, verformbare Verbindung 54 stellt die Abdichtung
(eine Dichtung 56 ist gegen das Ende 36 des Pumpenkörpers
durch Befestigungen 58 angedrückt gehalten) und die
Isolierung der Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bezüglich der Außenseite sicher.
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Der Auslaß des Strömungsmittels wird durch eine
Auslaßleitung 60 bewirkt, die am hinteren Ende 36 (in Richtung
des Einbringens der Pumpe gesehen) vom Pumpenkörper
abzweigt. Eine Einstellvorrichtung 62 ist am Auslaß einer
Ablaß-/Spülöffnung 64 angeordnet, die sich auf der Seitenwand
des Schachtes 12 und auf der Innenseite des Pumpenkörpers
10 im wesentlichen in Höhe des freien Endes 32 des
Schachtes öffnet. In gleicher Weise liegt eine zweite
Ablaßöffnung 68 auf Höhe der dichten, verformbaren Verbindung 54
vor.
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Vorteilhafterweise kann der Vorratsbehälter 16 mit
einer zweiten Wand 70 versehen sein, wobei eine zweite,
verformbare Verbindung 72 diese dann mit der Seitenwand des
Schachtes 12 dicht verbindet, wobei der Raum 74 zwischen
den beiden Wänden dieses Vorratsbehälters drucklos bzw.
luftleer ist.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Pumpe ist die
folgende. Es wird darauf verwiesen, daß der Einbau des
Pumpenkörpers in den Schacht das Herstellen der Verbindung
dieses letztgenannten mit dem Vorratsbehälter und
insbesondere die Verbindung des gasgefüllten Kopfraums des
Vorratsbehälters, der natürlicherweise in bezug auf die Außenseite
einen Überdruck aufweist (jeder geschlossene, kryogene
Vorratsbehälter erfährt einen Druckanstieg), mit dem hinteren
Teil des Pumpenkörpers hervorruft. Das Öffnen der
Einstellvorrichtung gestattet dann die Herstellung eines
Durchsatzes an kaltem Gas zur Außenseite, der zur Wirkung hat, die
Anordnung des Pumpenkörpers in natürlicher Weise zu kühlen,
wobei die thermischen Eingänge der Vorrichtung kompensiert
werden und demnach ein unmittelbares Anlaufen der Pumpe
gestattet ist. Wenn diese angelaufen ist und sich in Funktion
befindet, dann werden die überschüssigen Wärmeeinheiten,
insbesondere infolge von Reibungsverlusten im Pumpenkörper,
ebenfalls durch die Ablaß-/Spülöffnung abgeleitet, wobei
die Einstellvorrichtung dann eine größere Öffnung
darbietet, um das Ableiten der zusätzlichen Wärmeeinheiten zu
gestatten. Wie deutlich ersichtlich ist, muß die
Austrittsleitung thermisch kompatibel sein mit dem benutzten
Strömungsmittel, es kann beispielsweise eine evakuierte,
wärmegedämmte oder isolierte Leitung notwendig sein.
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Im Fall einer Funktionsstörung der Pumpe können ihr
Herausziehen und ihr Austausch einfach vorgenommen werden.
Tatsächlich gestattet das Lösen der festen Verbindung des
Pumpenkörpers mit dem Schacht, wobei der Motor vorher
ebenfalls von seinem Träger gelöst wurde, seine Verschiebung im
Schacht (wobei die Pumpe dem Prinzip nach in vertikaler
Lage montiert ist), und in Verbindung hiermit das Schließen
der Klappenvorrichtung, die das Unterbrechen der
Einspeisung der Pumpe mit Flüssigkeit sowie das Herstellen eines
Durchsatzes an kaltem Gas nach sich zieht, wobei die
Abdichtung zwischen dem Schacht und der Außenseite jedoch
infolge der Anwesenheit der Dichtungen des Kragens
sichergestellt ist. Während dieses Ausziehens wird man Sorge
tragen, durch die Ablaß-/Spülöffnung 64 ein Gas mit
vorbestimmter Zusammensetzung einzuleiten, um sich vor jedem
Eintritt von Luft zu schützen, wobei diese Spülung während
des Einbaus und des Anschlusses einer neuen Pumpe
aufrechterhalten wird.
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So ist der Einbau dieser Pumpe sehr rasch möglich, und
weil die innere Anordnung der Pumpe über die Öffnung 68 mit
demselben Strömungsmittel wie dem, mit dem sie zu
funktionieren hat, betriebsbereit gemacht wird, ist jede Gefahr
der Verschmutzung durch Umgebungsluft ausgeräumt und sind
komplizierte und früher unverzichtbare
Reinigungstätigkeiten demzufolge vermieden.
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Durch diese Möglichkeit des raschen Ersetzens bietet
die erfindungsgemäße kryogene Pumpe außerordentlich gute
Eigenschaften der Verfügbarkeit dar, welche ihre Fähigkeit
zum unmittelbaren Anlauf noch verstärken, die durch die
Entnahme von kaltem Gas im Inneren des Vorratsbehälters für
kyrogene Flüssigkeit ermöglicht wurde.
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Fig. 2 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Pumpe für kryogene Flüssigkeit dar. Die
hier beschriebene Pumpe ist eine Fliehkraftpumpe mit
dichtem Elektromotor. Die Elemente, die gemeinsam mit der Pumpe
der Fig. 1 vorliegen, tragen die gleichen Bezugszeichen. So
liegen vor: der Vorratsbehälter 16 mit einer doppelten Wand
14 und 70; der Motor 46, seine Kupplung 48, sein Träger 50
sowie seine dichte Verbindung 54 mit dem Pumpenkörper; die
Befestigungen 34 und 58 zwischen dem Ende des Pumpenkörpers
36 und jeweils dem Kragen 32 des Schachts und dieser
dichten
Verbindung 54; die Ausgänge für Strömungsmittel und zum
Ablassen 60 sowie 62, 64; und schließlich bei Anwesenheit
eines doppelwandigen Vorratsbehälters die dichte Verbindung
72 mit dem Schacht 12.
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Der Körper der Fliehkraftpumpe 10 ist mit einem
Ventilgehäuse 100 verbunden, das einen Sitz 110 aufweist,
dessen Öffnung durch eine Steueranordnung 120 gesteuert wird,
und die Turbine 130 stellt das Pumpen der Flüssigkeit vom
Öffnen dieses Sitzes an sicher. Ein Mitnehmer 220, der auf
dem Ventilgehäuse angeordnet ist, ruft während des
Einsetzens der Pumpe das Öffnen einer Klappe 260 zum Herstellen
der Verbindung des gasgefüllten Kopfraums des
Vorratsbehälters mit der Rückseite des Pumpenkörpers hervor. Ein Filter
200 ist am Einlaß des Ventilgehäuses in Höhe des
Vorratsbehälters 16 angeordnet.
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Die Wirkungsweise dieser Pumpe ist gewissermaßen
identisch zur vorausgehenden (unter dem ausdrücklichen
Vorbehalt der Funktionsbedingungen: bei niedrigem Druck für
diese Fliehkraftpumpe zur Flüssigkeitsförderung oder bei
mittlerem und hohem Druck für die vorangehende Kolbenpumpe),
mit der Ausnahme, daß die Förderung der Flüssigkeit des
Vorratsbehälter zur Pumpe, von wo aus sie austritt, in
dieser Ausführungsform dank der Steueranordnung 120 gesteuert
werden kann. Wie schon vorher ist das Abkühlen der
Vorrichtung unmittelbar, wobei die Anbringung der Pumpe im Schacht
zur Wirkung hat, die Klappe 260 zu öffnen und demnach das
Herstellen eines kalten, gasförmigen Durchsatzes in dieser
Pumpe hervorzurufen.
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Fig. 3 ist eine Ausführungsvariante einer Pumpe für
kyrogene Flüssigkeit der Fig. 2, worin der Steuermotor 400
der Pumpe dem Typ nach halb-eingetaucht ist, mit einem
Läufer 460, der der Wirkung der kalten Gase ausgesetzt ist,
die vom Vorratsbehälter abgegeben werden, und einem Stator
470, der gegenüber diesen durch einen Luftspalt-Mantel 480
isoliert ist, der durch Befestigungen 58 fest mit dem
Pumpenkörper verbunden ist. Wie schon vorher liegt ein
Ablaßorgan 68 vor, ist aber auf dem Mantel 480 angeordnet. Es
kann vermerkt werden, daß diese Ausbildung besonders dann
von Interesse ist, wenn die Läufermaterialien verträglich
sind mit der Art des Gases, das im Pumpenkörper vorliegt.
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Die Fig. 4 bis 6 zeigen schematisch
Anordnungsbeispiele für die erfindungsgemäße Pumpe auf Höhe von
Vorratsbehältern für kryogene Flüssigkeit in unterschiedlichen
Formen. Jeder weist jedoch eine Leitung zum Füllen/Leeren 150
und eine Entgasungsleitung 160 auf. Es wird ausdrücklich
darauf hingewiesen, daß man den Schacht 12 (die Pumpe und
der Motor sind nicht dargestellt) sowie das Rohr 30 zur
Entnahme von kaltem Gas im gasgefüllten Kopfraum des
Vorratsbehälters wiederfindet. Der Schacht ist
vorteilhafterweise an der Unterseite des Vorratsbehälters und die
Entgasungsleitung an seinem Scheitel angeordnet. Bevorzugt ist
die Fülleitung ebenfalls an der Unterseite des
Vorratsbehälters angeordnet. Es muß vermerkt werden, daß die
Einfachheit des äußeren Aufbaus der Erfindung ihre Anpassung
an alle Arten von Vorratsbehälters gestattet:
beispielsweise an horizontale, vertikale oder kugelige.