DE918750C

DE918750C - Method and device for pumping liquefied gases

Info

Publication number: DE918750C
Application number: DEG10297A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Albert Perlick
Original assignee: Gesellschaft fuer Lindes Eismaschinen AG
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1952-11-23
Filing date: 1952-11-23
Publication date: 1954-10-04

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Pumpen verflüssigter Gase Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pumpen verflüssigter Gase und eine Vorrichtung zum Ausüben dieses Verfahrens. Die bekannten Pumpen für verflüssigte Gase unterscheiden sich in ihrer Arbeitsweise nicht grundsätzlich von den üblichen Flüssigkeitspumpen. Es sind Zentrifugal-, Kolben-und Thermosyphonpumpen gebräuchlich. Mit Ausnahme der Thermosyphonpumpen, die hier außer Betracht bleiben sollen, da mit ihnen nur kleine Druckunterschiede bewältigt werden können, besitzen diese Pumpen Gleitflächen, die von den verflüssigten Gasen bespült werden. Wenn auch bei Zentrifugalpumpen die Lagerstellen der Laufradwelle so angeordnet werden können, daß sie mit der zu pumpenden Flüssigkeit nicht in Berührung kommen, so muß doch die Welle der Pumpe abgedichtet werden. Gleitende und von Flüssigkeit benetzte Teile lassen sich also nicht ganz vermeiden. Auch können Zentrifugalpumpen nur verhältnismäßig kleine Druckunterschiede überwinden. Mit Kolbenpumpen können große Druckunterschiede bewältigt werden. Es ist jedoch keine Kolbenpumpe für verflüssigte Gase bekannt, deren Betriebssicherheit und Lebensdauer hohen Anforderungen gerecht würde. Dies rührt daher, daß keine flüssigen Stoffe bekannt sind, die sich zur Kolbenschmierung eignen. Entweder werden die Schmiermittel von den kondensierten Gasen gelöst und weggespult, oder sie werden, wie z. B. beim Pumpen von bei tiefen Temperaturen siedenden Flüssigkeiten, so zäh, daß sie keine Schmierwirkung mehr besitzen. Die bekannten Kolbenpumpen für tiefsiedende, verflüssigte Gase arbeiten daher ohne flüssige Schmiermittel mit in die Zylinder eingeschliffenen oder mit Lederstulpen besetzten Kolben. Die Schmierung übernimmt in völlig unzureichender Weise das zu pumpende verflüssigte Gas selbst. Auch ist bekannt, Plungerpumpen für flüssigen Sauerstoff mit Laufbüchsen aus Elektrographit auszurüsten. Technischer flüssiger Sauerstoff enthält SpurenvonWasser-und Kohlensäureeis. Diese Verunreinigungen schmirgeln infolge ihrer hohen Härte die Laufflächen und bewirken raschen Verschleiß. Zu der mechanischen Unzulänglichkeit der Graphitbüchsen kommt, daß der sich bildende Abrieb des Elektrographits wegen seiner Endzündbarkeit höchst unerwünscht ist.Method and apparatus for pumping liquefied gases The invention relates to a method of pumping liquefied gases and an apparatus for exercising this procedure. The known pumps for liquefied gases differ not fundamentally different from the usual liquid pumps in their mode of operation. It centrifugal, piston and thermosiphon pumps are common. With the exception of Thermosyphon pumps, which should not be considered here, as they are only small ones Pressure differences can be mastered, these pumps have sliding surfaces that be flushed by the liquefied gases. Even if that is the case with centrifugal pumps Bearing points of the impeller shaft can be arranged so that they are with the to be pumped If the liquid does not come into contact, the shaft of the pump must be sealed will. This means that parts that slide and are wetted by liquid cannot be completely removed avoid. Centrifugal pumps can only handle relatively small pressure differences overcome. Large pressure differences can be overcome with piston pumps. It however, no piston pump for liquefied gases is known, their operational reliability and service life would meet high requirements. This is because no liquid Substances are known that are suitable for piston lubrication. Either will be the lubricant released from the condensed gases and spooled away, or they are, such as. B. at Pumping liquids that boil at low temperatures, so viscous that they do not Have more lubricating effect. The well-known piston pumps for low-boiling, liquefied Gases therefore work without liquid lubricants with those ground into the cylinders or butt with leather gauntlets. The lubrication takes over in completely insufficient Way the liquefied gas to be pumped itself. Plunger pumps are also known for to equip liquid oxygen with liners made of electrographite. More technical Liquid oxygen contains traces of water and carbonic acid ice. These impurities Due to their high hardness, they sand the running surfaces and cause rapid wear. In addition to the mechanical inadequacy of the graphite bushes, the Abrasion of the electrographite is highly undesirable because of its flammability.

Der nachfolgend beschriebene Gegenstand der Erfindung beseitigt die beschriebenen Mängel der bekannten Pumpverfahren.The subject of the invention described below eliminates the described shortcomings of the known pumping method.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren zum Pumpen verflüssigter Gase, bei dem die zu pumpende Flüssigkeit durch ein Einlaßventil in einen Behälter gebracht, unter Druck gesetzt und sodann durch ein Auslaßventil aus dem Behälter ausgeschoben wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im Behälter in Berührung mit einer Metallfläche gebracht wird, die zeitweise elektrisch und in schnell aufeinanderfolgenden Zeitintervallen so weit und mit solcher Geschwindigkeit und Stromstärke erhitzt wird, daß ein kleiner verdampfter flüssiger Anteil unter Ausnutzung des Leidenfrost-Phänomens dieFlüssigkeit unterDruck setzt und ausschiebt.This inventive method for pumping liquefied gases at to which the liquid to be pumped is brought into a container through an inlet valve, pressurized and then pushed out of the container through an outlet valve is characterized in that the liquid in the container is in contact with a metal surface is brought, which is electrical at times and in rapid succession Time intervals heated so far and with such speed and amperage becomes that a small vaporized liquid portion taking advantage of the Leidenfrost phenomenon pressurizes the liquid and expels it.

Dieses Verfahren macht Gebrauch von einer altbekannten Naturerscheinung, dem Leidenfrostschen Phänomen und hat mit dem Verfahren, verflüssigtes Gas in einen Behälter zu füllen und es unter Wärmezufuhr zu vergasen, nur das gemein, daß die Zufuhrleitung abgesperrt und ein Teil der Flüssigkeit vergast wird, um die verbliebene Flüssigkeit durch einen Erhitzer zu treiben und unter Druck zu vergasen. Die Temperatur, auf die die Metallfläche erhitzt werden muß, muß etwa 20o° C über der Temperatur der zu pumpenden Flüssigkeit liegen. Die Geschwindigkeit, mit der erhitzt wird, richtet sich nach dem zu bewältigenden Druckunterschied. Ist der Druckunterschied hoch, so muß die Metallfläche langsamer erhitzt werden, als wenn er niedrig ist. Bei langsamerem Erhitzen bildet sich nämlich in der Anfangsphase der Erhitzung mehr Gas als bei schnellerem Erhitzen. Die Flüssigkeit wird bei langsamerem Erhitzen unter höheren Druck gesetzt. Immer aber soll sich in der Endphase der Erhitzung eine Gashaut bilden, d. h. das Leidenfrostsche Phänomen auftreten. Durch die Gashaut wird der Wärmefluß von der erhitzten Metallfläche zur Flüssigkeit gehemmt, so daß der nicht verdampfte, weit überwiegende Teil der Flüssigkeit nahezu die Temperatur behält, mit der er in der Anfangsphase mit der Metallfläche in Berührung gebracht wurde.This procedure makes use of a well-known natural phenomenon, the Leidenfrost phenomenon and has, with the process, liquefied gas in a Filling the container and gasifying it with the addition of heat only has that in common that the The supply line is shut off and part of the liquid is gasified to make up the remaining Forcing liquid through a heater and gasifying it under pressure. The temperature, to which the metal surface must be heated must be about 20o ° C above the temperature the liquid to be pumped. The rate at which the heating takes place depends on the pressure difference to be dealt with. Is the pressure difference high, the metal surface must be heated more slowly than when it is low. If the heating is slower, more is formed in the initial phase of heating Gas than with faster heating. The liquid becomes at slower heating put under higher pressure. But it should always be in the final phase of heating form a gas skin, d. H. the Leidenfrost phenomenon occur. Through the gas skin the flow of heat from the heated metal surface to the liquid is inhibited, so that the vast majority of the liquid that has not evaporated is almost the same as the temperature with which it was brought into contact with the metal surface in the initial phase became.

Damit die Metallfläche genügend schnell erhitzt werden kann, muß sie niedrige Wärmekapazität besitzen. Der elektrische Stromstoß, mit dem die Erhitzung vorgenommen wird, muß kurz und von ausreichender Stärke sein. Zweckmäßig wird daher der zum Erhitzen der Metallfläche erforderliche Strom einem Transformator über einen mechanisch gesteuerten Zeitbegrenzer entnommen. Noch zweckmäßiger ist es, den Strom einem Transformator über einen elektrisch gesteuerten Zeitbegrenzer zu entnehmen. Die genannten Einrichtungen zur Steuerung von Stromstößen sind in der Schweißtechnik, insbesondere bei Punktschweißverfahren gebräuchlich; sie brauchen daher nicht näher erläutert zu werden.So that the metal surface can be heated sufficiently quickly, it must have low heat capacity. The electrical surge with which the heating occurs made must be short and of sufficient strength. It is therefore appropriate the current required to heat the metal surface is fed to a transformer via a mechanically controlled time limiter removed. It is even more useful to use the electricity to be taken from a transformer via an electrically controlled time limiter. The devices mentioned for controlling current surges are used in welding technology, especially common for spot welding processes; therefore they do not need any further to be explained.

Das geschilderte Verfahren wird erst dann zu einem wirklichen Pumpverfahren, wenn die Metallfläche in regelmäßiger, schneller zeitlicher Folge durch starke Stromstöße gleicher Stärke erhitzt wird. Zwischen je zwei Stromstößen wird jeweils ein neues Flüssigkeitsquantum mit der Metallfläche in Berührung gebracht. Durch die zeitliche Reihenfolge der Stromstöße wird der Arbeitstakt der Pumpe bestimmt.The described process only becomes a real pumping process, when the metal surface is hit in regular, rapid succession by strong current surges the same strength is heated. There is a new one between every two power surges Liquid quantum brought into contact with the metal surface. Through the temporal The sequence of the power surges determines the work cycle of the pump.

Da nun die Metallfläche zu Ende eines jeden Taktes erhitzt ist und, trotzdem sie nur geringe Wärmekapazität besitzen soll, eine gewisse Zeit zum Abkühlen braucht, ist es vorteilhaft, die zu pumpende Flüssigkeit der Metallfläche unter einem Druck zuzuführen, der über dem Sättigungsdruck liegt. Wird die zu pumpende Flüssigkeit unter einem höheren als ihrem Sättigungsdruck der Metallfläche zugeführt, so benetzt sie diese Fläche schneller und kühlt sie daher auch schneller wieder ab. Der Überdruck kann dadurch erzeugt werden, daß der Vorratsbehälter, aus dem die Flüssigkeit entnommen wird, höher angeordnet wird als die Metallfläche. Es kann aber auch eine wenig störungsanfällige Pumpe, z. B. eine Zentrifugalpumpe, benutzt werden, um die zu pumpende Flüssigkeit der :Metallfläche zuzuführen.Since the metal surface is now heated at the end of each bar and, although it should only have a low heat capacity, a certain time to cool down needs, it is advantageous to place the liquid to be pumped under the metal surface to supply a pressure which is above the saturation pressure. Will be the one to be pumped Liquid supplied to the metal surface at a pressure higher than its saturation pressure, so it wets this surface faster and therefore also cools it down more quickly away. The overpressure can be generated in that the reservoir from which the liquid is withdrawn, is arranged higher than the metal surface. It can but also a pump that is less prone to failure, e.g. B. a centrifugal pump is used to supply the liquid to be pumped to the metal surface.

Eine Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach der Erfindung besteht zweckmäßig aus einem Bündel dünnwandiger Rohre mit hohem elektrischem Widerstand, das zwischen zwei zueinander parallelen Rohrböden und senkrecht zu den Böden verläuft, wobei den Rohrböden der elektrische Strom zugeführt wird. Jedes der beiden Enden eines jeden Rohres wird mit einem Ventil, z. B. einem Kugelventil, versehen, derart, daß auf der Saugseite, also beim Behälter mit der zu pumpenden Flüssigkeit, ein Saugventil und auf der Druckseite ein Druckventil liegt. Bei der eben genannten Anordnung wird nur das Innere der Röhren zum Pumpen verwendet. Es ist naheliegend, auch die Außenseiten der Röhren auszunutzen; dazu ist nur erforderlich, das ganze Rohrbündel mit einem Mantel zu umgeben und Ventile für den um das Äußere der Röhren befindlichen Raum in den beiden Rohrböden anzuordnen.There is an apparatus for practicing the method according to the invention expediently from a bundle of thin-walled tubes with high electrical resistance, which runs between two parallel tube sheets and perpendicular to the sheets, whereby the electric current is supplied to the tube sheets. Each of the two ends each tube is fitted with a valve, e.g. B. a ball valve, provided such, that on the suction side, i.e. at the container with the liquid to be pumped, a Suction valve and a pressure valve on the pressure side. With the one just mentioned Arrangement, only the inside of the tubes is used for pumping. It is obvious, take advantage of the outside of the tubes; all that is required is the whole Surround the tube bundle with a jacket and have valves for around the outside of the tubes to arrange the space in the two tube sheets.

Eine weitere, nicht dargestellte Ausführungsform einer Vorrichtung ist gekennzeichnet durch ein Bündel von Heizdrähten, das zwischen zwei Platten, die Boden und Deckel eines zylindrischen Gefäßes bilden, ausgespannt ist, wobei den Platten der elektrische Strom zugeführt wird. In diesem Falle trägt die eine Platte die parallel geschalteten Saugventile, die andere die Druckventile. Die Oberflächen der Heizdrähte stellen dann die Metallflächen dar, auf denen sich das Leidenfrostsche Phänomen ausbildet.Another, not shown embodiment of a device is characterized by a bundle of heating wires between two plates, which form the bottom and cover of a cylindrical vessel, is stretched, wherein the electric current is supplied to the plates. In this case one carries Plate the parallel switched suction valves, the other the pressure valves. The surfaces of the heating wires then represent the metal surfaces on which develops the Leidenfrost phenomenon.

Ein Nachteil des Pumpverfahrens nach der Erfindung und der zugehörigen Vorrichtung ist scheinbar, daß ein kleiner Bruchteil der Flüssigkeit unter Aufwand elektrischer Energie verdampft werden muß. Es muß jedoch beachtet werden, daß die offenbarte Vorrichtung im Gegensatz zu den bekannten Kolbenpumpen weit weniger Metallteile aufweist, die Wärme aus der Umgebung zu den kalten Pumpenteilen leiten; so entpuppt sich der Nachteil nur als scheinbar. Es entfallen die Kälteverluste verursachenden Kolbenstangen ebenso wie die Vorrichtungen, durch die das schwere, kalte Pumpengehäuse mit den warmenTeilen derPumpe, dem Getriebe und der Bodenplatte verbunden sein muß.A disadvantage of the pumping method according to the invention and the associated Apparatus is apparently taking a small fraction of the liquid under effort electrical energy must be evaporated. However, it must be noted that the disclosed device in contrast to the known piston pumps far fewer metal parts which conduct heat from the environment to the cold pump parts; so turns out the disadvantage is only apparent. The cold losses causing loss are eliminated Piston rods as well as the devices through which the heavy, cold pump housing must be connected to the warm parts of the pump, the gearbox and the base plate.

An Hand der Zeichnungen sei die Erfindung erläutert. Fig. i zeigt schematisch die wesentlichsten Teile einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Pumpe. Das Rohrbündel i von dünnwandigen Röhren, zweckmäßig aus legiertem Stahl, ist in den Rohrböden 2 und 3 befestigt. Über dem oberen Rohrboden 2 befindet sich die Brunnenkammer q., aus der die zu pumpende Flüssigkeit, z. B. flüssiger Sauerstoff, heraus-und in die unter dem unteren Rohrboden 3 befindliche Druckkammer 5 hineingefordert wird. Rohrbündel, Rohrböden und Flüssigkeitskammern sind thermisch durch Schlackenwolle 6 isoliert. 7 bezeichnet Saug- und 8 Druckventile. Durch die Zentrifugalpumpe 9 wird flüssiger Sauerstoff aus dem hochliegenden Vorratsbehälter io in die Brunnenkammer q. gedrückt. Diese Zentrifugalpumpe ist nicht unbedingt erforderlich. Leitung i i führt verdampften Sauerstoff in den Gasraum des Behälters io zurück. Die elektrische Zusatzeinrichtung der Pumpe besteht aus Transformator 12" der die Netzspannung heruntertransformiert, und dem mechanischen oder elektrischen Zeitbegrenzer 13. Die Leitungen 14 führen den elektrischen Strom den Rohrböden 2 und 3 zu. Die Rohre i bilden mit der Sekundärwicklung des Transformators 12, dem Zeitbegrenzer 13 und den Leitungen 1q. einen geschlossenen Stromkreis.The invention is explained with reference to the drawings. Fig. I shows schematically the most essential parts of a pump operating according to the method according to the invention. The tube bundle i of thin-walled tubes, expediently made of alloyed steel, is fastened in the tube sheets 2 and 3. Above the upper tube sheet 2 is the well chamber q., From which the liquid to be pumped, for. B. liquid oxygen, out and into the pressure chamber 5 located under the lower tube sheet 3 is demanded. Tube bundles, tube sheets and liquid chambers are thermally insulated by slag wool 6. 7 indicates suction and 8 pressure valves. The centrifugal pump 9 is liquid oxygen from the high storage container io into the well chamber q. pressed. This centrifugal pump is not absolutely necessary. Line ii leads evaporated oxygen back into the gas space of the container io. The additional electrical equipment of the pump consists of the transformer 12 ″, which steps down the mains voltage, and the mechanical or electrical time limiter 13. The lines 14 supply the electrical current to the tube sheets 2 and 3. The tubes i, together with the secondary winding of the transformer 12, form the time limiter 13 and the lines 1q. A closed circuit.

Der legierte Stahl der dünnwandigen Röhren i besitzt hohen spezifischen elektrischen Widerstand. Werden die Röhren elektrisch durch einen Stromstoß erwärmt, so bildet sich zwischen der in den Röhren stehenden Flüssigkeit und den Innenwänden der Röhren eine Gasschicht (Leidenfrostsches Phänomen), die die Flüssigkeit von den Röhrenwänden thermisch isoliert und zugleich unter Druck setzt. Durch den entstehenden Druck wird die Flüssigkeit in die Druckkammer 5 gefördert. Beim Pumpen von flüssigem Sauerstoff werden die Röhren auf etwa d' C erhitzt. In Fig. i ist angedeutet, in welcher Weise sich die Flüssigkeit während des Erhitzungsvorganges von den Röhrenwänden löst und durch die Druckventile ausgeschoben wird. Die Böden 2 und 3 bleiben ebenso wie die Ventile 7 und 8 dauernd kalt. Der flüssige Sauerstoff benetzt also diese Teile .dauernd. Die Saugventile 7 können elektromagnetisch steuerbar sein, um das Einströmen aus der Brunnenkammer q. in die Röhren i zu erleichtern.The alloy steel of the thin-walled tubes i has a high specific electrical resistance. If the tubes are heated electrically by a current surge, a gas layer forms between the liquid in the tubes and the inner walls of the tubes (Leidenfrost phenomenon), which thermally isolates the liquid from the tube walls and at the same time puts it under pressure. The liquid is conveyed into the pressure chamber 5 by the resulting pressure. When pumping liquid oxygen, the tubes are heated to about d 'C. In Fig. I it is indicated in which way the liquid separates from the tube walls during the heating process and is pushed out through the pressure valves. The floors 2 and 3, like the valves 7 and 8, remain permanently cold. The liquid oxygen therefore wets these parts continuously. The suction valves 7 can be electromagnetically controllable to the flow from the well chamber q. into the tubes i to facilitate.

In Fig.2 ist eine Ausführungsform einer nach dem Verfahren der Erfindung arbeitenden Pumpe dargestellt, bei der auch die Außenseiten der Röhren i zum Pumpen herangezogen werden. Das Röhrenbündel ist vom Mantel 15 umgeben. Dieser Mantel 15 ist gegen die Böden 2 und 3 durch die Isolierringe 16 elektrisch isoliert; er wird also nicht erhitzt. In den Röhren befindet sich ebenso wie um die Röhren herum flüssiger Sauerstoff, der die Metallflächen benetzt; es ist der Arbeitstakt dargestellt, bei dem flüssiger Sauerstoff durch die offenen Saugventile 7 in die Pumpe einströmt.In Figure 2, an embodiment of a working according to the method of the invention pump is shown, in which the outer sides of the tubes i are used for pumping. The tube bundle is surrounded by the jacket 15 . This jacket 15 is electrically insulated from the floors 2 and 3 by the insulating rings 16; so it is not heated. In the tubes as well as around the tubes there is liquid oxygen which wets the metal surfaces; the work cycle is shown in which liquid oxygen flows through the open suction valves 7 into the pump.

Werden bei der in Fig. 2 dargestellten Pumpenbauart die Röhren i durch Heizdrähte oder Blechstreifen ersetzt, so erhält man eine weitere vorteilhafte Ausführungsform, die nicht besonders dargestellt wird.In the pump design shown in FIG. 2, the tubes i through Replacing heating wires or sheet metal strips, a further advantageous embodiment is obtained, which is not specifically shown.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Process for pumping liquefied gases, in which the liquid to be pumped is placed in a container through an inlet valve Pressure is applied and then pushed out of the container through an outlet valve, characterized in that the liquid in the container is in contact with a metal surface is brought, which is electrical at times and in rapidly successive time intervals is heated so far and with such speed and current that a small one Evaporated liquid part using the Leidenfrost phenomenon the liquid pressurizes and pushes out.

2. The method according to claim i, characterized in that that the current required to heat the metal surface is via a transformer a mechanically controlled time limiter is removed.

3. The method according to claim i, characterized in that the current required to heat the metal surface is taken from a transformer via an electrically controlled time limiter. q ..

Method according to Claims i to 3, characterized in that the metal surface is heated in regular chronological order by current surges of the same strength.

5. The method according to claim i to q., Characterized in that the to be pumped Liquid is supplied to the metal surface at a pressure which is above the saturation pressure lies.

6. Apparatus for performing the method according to claim i, characterized by a bundle of thin-walled tubes with high electrical resistance, which is between two tube sheets parallel to each other and perpendicular to the floors runs, wherein the tube sheets the electrical current is supplied.

7. Device for carrying out the method according to claim i, characterized by a bundle of Heating wires that are between two plates, the bottom and lid of a cylindrical Form vessel, is stretched, with the plates of the electric current supplied will.