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Verdampfungsanlage für flüssige Gase, insbesondere für flüssigen Sauerstoff
für Atemschutzgeräte Es ist bekannt, flüssige Gase, - insbesondere flüssigen Sauerstoff
für Atemschutzgeräte, in wärmeisolierten Behältern aufzubewahren, wobei die Wärmeisolierung
aus einem Vakuummantel oder einem Mantel isolierender Werkstoffe gebildet ist. Die
verflüssigten Gase werden dabei hei verhältnismäßig geringen Drucken gelagert und
unter dem jeweils herrschenden Lagerungsdruck entnommen.
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Dieses Verfahren hat einmal den Nachteil, daß das Gas aus dem Aufbewahrungsgefäß
ungenutzt entweicht, wenn nicht die jeweils verdampfende Menge restlos verbraucht
wird. Zum anderen hat dieses Gasientnahmeverfahren den Nachteil, daß aus dem. Speicher
nur so viel Gas entnommen werden kann, wie durch die infolge der ungenügenden Wänneisalierung
bewirkte Wärmezufuhr an Flüssigkeit verdampft wird. Für den Fall, daß aus dem Behälter
mehr Gas entnommen werden sollte, mußte das verflüssigte Gas im Behälter erwärmt
werden.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Nachteile zu beseitigen.
Sd,e betrifft eine- Verdaanpfungsanlage für flüssige Gase, insbesondere für flüssigen
Sauerstoff, und besteht aus einem unterhalb dies Behälters für das flüssige Gas
angeordneten, mit dessen Flüssigkeitsraum verbundenen, voarzugsweis,e rohrförmigen
Verdampfer, der unter Zwischenschaltung eines sich bei einem bestimmten
Druck
selbsttätig schließenden Absperrargans mit dem Gasraum des Behälters in Verbindung
steht: Wird in die neue Vorrichtung flüssiger Sauerstoff eipgefüllt, dann fließt
dieser in den Verdampfer und wird dort -verdampft, so daß. der Druck im Speicher
steigt, und zwar so lange, bis der Druck erreicht ist, bei dem sich das selbsttätige
Absperromgan schließt. Dann wird der Zufluß des flüssigen Gases zum Verdampfer unterbrochen;
-ein weiteres Verdampfen im Verdampfer findet nicht statt, da das im Verdampfer
.entstehende Gas die Flüssigkeit in den Behälter zurückdrängt. Je nach ,der Größe
des Verdampfers steigt der Druck in mehr oder minder kurzer Zeit auf das gewünschte
Maß an. Da der Druck dann höher liegt als dem_Sättigungsdruck des im Speicher noch
vorhandenen flüssigen Gases entspricht, findet zunächst ein weiteres Verdampfen
des verflüssigten Gases. nicht statt. Fälltnun in der Anlage der Druck ab, dann
Öffnet sich das selbsttätige Absperrorgan, und es kann erneut verflüssigtes Gas
in den Verdampfer eintreten, so daß der Druck durch Verdampfung wieder ansteigt.
Wird aus der Anlage Gas entnommen, so wird also stets der Verdampfer selbsatätig
eingeschaltet, so daß jede beliebige Gasmenge aus der Anlage ,abgeführt werden kann.
Der Schließdruck des .am Verdampfer angeordneten selbsttätigen Absperrorgans kann
dabei auf den Entnahmedruck -eingestellt werden.
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Die -neue Vorrichtung hat den Vorteil, daß nach dem Füllen. der Anlage
sofort der gewünschte Betriebsdruck .erreicht wird, der durch den D,ruek gegeben
ist, .auf* den das selbsttätige Absperrorgan eingestellt ist. Dieser Betriebsdruck
wird bei großer und kleiner Entnahme aufrechterhalten. Die Verdampfung ist der Entnahme
angepaßt, so daß Gasverlust:e durch ein übermäßiges Verdampfen vermieden werden.
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Die Entnahmeleitung für das Gas kann derart angeordnet sein, daß sie
bei geöffnetem und bei geschlossenem Absperrorgan zwischen Verdampfer und Gasraum
mit diesem in Verbindung steht. Derart wird die Gasentnahme durch den Verdampfungsvörg,ang
im Verdampfer selbst nicht beeinflußt, .auch ist es .möglich, daß das Gerät, wenn
es beispielsweise in einem Flugzeug .angeordnet ist, vorübergehend um r8o° auf den
Kopf gestellt wird, daß dann der flüssige Sauerstoff unmittelbar in die Entnahmeleitung
gelangen und dort verdampfen kann.
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Das bei einem bestimmten Druck sich selbsttätig schließende Absperrorgan
kann aus einem auf den beweglichen Verschlußteil einwirkenden drucknachgiebigen
Körper, wie einer federbelasteten Membran, .einem Federungskörper od. -dgl., bestehen,
der beim Erreichen, des bestimmten Druckes das. Ventil -entgegen der Wirkung der
öffnungsfeder in Geschlossenstellung bringt.
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Um das Füllen der Vorrichtung zu erleichtern, kann das selbsttätig
schließende Absperrorgan mit Hilfe einer von Hand betätigten Feststellvorrichtung,
vorzugsweise mit Hilfe einer von einem Exzenter geführten Schubstange, in die Geschlossenstellung
gebracht werden. Wird das Absperrorgan deraxt vom Hand geschlossen, dann wird beim
Einfüllen des flüssigen Gases in den Behälter zunächst ein. Einströmen der Flüssigkeit
in den Verdampfer verhindert. Nach dem Füllen und Abschließen des Behälters kann
die Arretierung des selbsttätig schließenden Absperrorgans gelöst werden, so daß
nunmehr die Flüssigkeit in den Verdampfer eintritt und die Anlage .auf den Betriebsdruck
gebracht wird.
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Diie von Hand betätigte Feststellvorrichtung des selbsttätig schließenden
Absperrorgans kann derart mit einer Öffnungsvorrichtung für ein mit dem Gasraum
des Behälters in Verbindung stehendes Ventil, vorzugsweise einem Überdruckventil,
gekuppelt sein, daß beim Öffnen des Ventils das selbsttätige Absperrorgan in die
Geschlossenstellung gebracht wird.
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Bei dieser Ausführungsform der neuen Vorrichtung kann mit einem Handgriff
ein an der Vorrichtung angeordnetes Ventil geöffnet und gleichzeitig der Verdampfer
gleichsam ausgeschaltet werden, so daß beispielsweise das Füllen der Anlage, die
im übrigen §egen die Atmosphäre abgeschlossen ist, bei Atmosphärendruck erfolgen
kann, da nämlich das vor dem Füllen in der Anlage enthaltene Gas. aus dem geöffneten
Ventil entweicht. Nach dem Füllen der Anlage kann dann zunächst das ins. Freie führende
Ventil, das beispielsweise als Überdruckventil ausgebildet ist, geschlossen werden,
so daß so lange ein Abblasen des verdampfenden Gases vermieden wird, bis der Druck
des überdruckventils überwunden wird. Je nach der Höhe des Öffnungsdruckes des Überdruckventils
dauert dies unterschiedlich lange, da das verflüssigte Gas zunächst auf die Temperatur
durch die nicht zu vermeidende Wärmezufuhr kommen muß, bei der der Sättigungsdruck
des verflüssigten Gases dem Öffnungsdruck des Überdruckventils entspricht. Der Verdampfet
kann jedoch schon vorher durch Lösen der Feststellvorrichtung des Regelventils eingeschaltet
werden, so daß der Druck in der Anlage sehr :schnell auf den-Druck des selbsttätigen
Absperrventils steigt. Dabei wird zweckmäßig vorausgesetzt, daß der .öffnungsdruck
des überdruckventils größer als .der Schließdruck des selbsttätigen Absperrorgans
ist.
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Um eine möglichst einfache Einstellung der Feststellvorrichtung des
selbsttätigen Absperrorgans zu erreichen, kann ,seine vorzugsweise als Schraubring
ausgebildete Halterung bzw. sein Gegenlager in der Mittelachse des Ventils längs
versschiebbar und feststellbar sein-.
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In der Abbildung ist :eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Entwicklung .von: Sauerstoff schematisch und teilweise im Schnitt dargestellt.
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Die Anlage besteht im wesentlichen aus dem Behälter r zur Aufnahme
des flüssigen Sauerstoffes, dem Verdampfer a,- dem Regelventil 3, dem überdruckventil
q., dem Vorratsanzeiger 5, dem Druckmesser 6, dem Anwärmer-7 für den- verdampften
Sauerstoff,
dem Entnahmestutzen 8, dem Füllanschlußstutzen 9.
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Der kugelförmige Behälter für den flüssigen Sauerstoff, der von einem
Vakuummantel i o umgeben ist, steht an seiner Oberseite durch das Rohr i i mit der
zum Entnahmestutzen 8 führenden Leitung 12, mit dem Druckmesser 6, mit der einen
Ventilkammer 13 des Regelventils 3 und durch die Leitung 14 mit der Ventilkammer
15 des Überdruckventils 4 in Verbindung. Die Unterseite des Behälters für den flüssigen
Sauerstoff ist über die Leitung 16, in die seitlich der Füllstutzen 9 mündet, an
den Verdampfer 2 angeschlossen, der seinerseits über die Leitung 17 mit der Ventilkammer
18 des Regelventils 3 in Verbindung steht.
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Das überdruckventi14 besteht aus dem Ventilsitz i 9 und der als Ventilteller
wirkenden Membran 2o, die unter der Wirkung der Feder 21. auf den Ventilsitz gedrückt
wird und die Ventilkammer 15 absperrt. Das G,egenl.ager 2i der Feder a i ist verstellbar,
so daß, die Feder auf jeden gewünschten Druck gespannt werden kann. Durch den Ventilsitz
ist der Bolzen 23 geführt, der beim Umschwenken des Exzenterhehels 24 von dem Exzenter
25 in Richtung auf -den Ventilteller 2o bewegt wird und diesen in der Endstellung
des Exzenterhebels 24 von seinem Sitz .abhebt.
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Der Exzenterhebel 24 dient gleichzeitig zum willkürlichen Schließen
des. Regelventils 3. In der gezeichneten Stellung hält der Exzenter 25 die Schubstange
26 in ihrer linken Endlage, so daß die Scheibe 27 der Schubstange 26, die verschiebbar
innerhalb des Gehäuses 28, des Federtellers 29 liegt, das Aufsetzen der Membran
31 auf den Anschlag 32 unter der Wirkung der Feder 3o ermöglicht. An der Membran
31, die die Ventilkammer 18 nach rechts abschließt, legt sich der Bolzen 33 an,
der unter der Wirkung der Feder 34 steht und durch den Ventilsitz 3 5 des unter
dem Druck der Feder 34 stehenden Ventilkegels 36 geführt ist. Überragt der Druck
in der Kammer 18 den Druck der Feder 3o, dann -wird die Membran 31 nach rechts gedrückt,
.so daß sich der Ventilkegel 36 auf den Ventilsitz 3 5 legt und das Ventil 3 schließt.
Soll das Venti13 von Hand geschlossen werden, dann wird der Exzenterhebe124 aus
der gezeichneten Lage umgelegt. Hierbei wird die Kolbenscheibe 27 und mit ihr der
Führungskorb 28 samt Federteller 29 entgegen der Wirkung der Feder 3o nach rechts
bewegt, so daß sich nunmehr die Feder 34 entspannt und den Ventilkegel 36 auf den
Ventilsitz 3 5 drückt.
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Die Welle des Exzenterhehels 24 wird durch den Schraubring 47 ,als
Gegenlager gehalten, so daß durch Drehen dieses Schraubringes 47 die geforderte
Lage des Exzenters zu den Ventilen eingestellt werden kann.
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Vor dem Einfüllen des flüssigen Sauerstoffes wird durch Umlegen des
Exzenterhebels 24 aus der gezeichneten Lage das Regelventil 3 geschlossen und gleichzeitig
das Überdruckventil 4 geöffnet. Nunmehr wird der flüssige Sauerstoff durch den Anschlußstutzen
9 in den Behälter i eingedrückt. Ein im Anschlußstutzen 9 angeordnetes Rückschlag-Ventil
37 verhindert das Rückströmen des Sauerstoffes bei der Abnahme der Fülleitung.
Danach wird der Anschluß.stutzen 9 durch die Verschlußkappe 38 verschlossen.
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Der flüssige Sauerstoff strömt beim Eindrücken durch das Rohr 16 und
die Umkehrkappe, 39 in das Innere des Behälters i. Da das Regelventil 3 geschlossen
ist, 'kann der flüssige Sauerstoff nicht in den Verdampfer 2 gelangen. Der beim
Einströmen in den Behälter i verdampfende und dabei den Behälter abkühlende Sauerstoff
entweicht durch die Umkehrkappe 4o und die Rohre i i und 1 ¢ über das geöffnete
überdruckventil4 ins Freie. Zeigt der Vorratsanzeiger 5 an, daß der Behälter gefüllt
ist, dann wird die Fülleitung abgenommen und die Verschlußkappe 38 aufgeschraubt.
Wurde die Füllung bei Atmosphärendruck vorgenommen, dann beträgt die Temperatur
des flüssigen Sauerstoffes - 183° C.
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Wird nunmehr durch eine Teildrehung des Exz.enbe,rheb-els 24 das Überdruckventil
4 geschlossen, ohne daß das Regelventil 3 geöffnet -wird, so wird nach und nach
der Druck am Vorratsbehälter i infolge des unvermeidlichen Wärmezuflusses @entsprechend
der Erwärmung des flüssigen Sauerstoffes steigen. Ein Sauerstoffverlust kann jedoch
so lange nicht eintreten, solange nicht der öffnungsdruck des Überdruckventils,
das beispielsweise auf 15 kg/em2 -eingestellt ist, erreicht ist. Wird nun Sauerstoff
über die an die Leitung i i angeschlossene Leitung 12 am Entnahmestutzen 8 - beispielsweise
zu einem Druck von io kg/cm2 - entnommen, dann wird die Verdampfungswärme für den
nachströmenden Sauerstoff aus dem Wärmeinhalt des flüssigen Sauerstoffes gewonnen,
wobei dessen Temperatur und entsprechend sein Sättigungsdruck sinkt. Bei dieser
geschilderten Arbeitsweise findet eine Verdampfung des flüssigen Sauerstoffes praktisch
nur insoweit statt, als die notwendige Verdampfungswärme durch den Vakuummantel
i o zu dem Sauerstoffbehälter i nachströmt.
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Um in dem Speicher sogleich nach dem Einfüllen des flüssigen Sauerstoffes
den jeweils geforderten Sauerstoffdruck zu erzeugen bzw. um jede beliebige Sauerstoffmenge
aus der Anlage entnehmen zu können, wird der Exzenterhebel24 in die in der Abbildung
dargestellte Lage, d. h. so weit bewegt, daß nicht nur das überdruckventi14 geschlossen,
sondern auch das Regelventil 3 unter-der Wirkung der sich entspannenden Feder 3o
geöffnet wird. Dass Regelventil sei beispielsweise ,auf einen Druck von 101,-g/.cm,2eingestellt.
Nach dem öffnen des Ventils 3 fließt der flüssige Sauerstoff unter seinem statischen
Druck durch die Umkehrkappe 39 und das Rohr 16 in den Verdampfer 2. Der dort verdampfende
Sauerstoff strömt durch das Rohr 17 über das geöffnete Druckregelventil3 und das
Rohr i i in den Gastraum des Behälters i und weiterhin durch das Rohr 12 zum Entnahmestutzen
B. Infolge. der Verdampfung im Verdampfer 2 steigt der Druck in der Speicheranlage
ständig ,an., bis der auf der Membran 31 lastende Druck in der Kammer 18
zusammen
mit der Kraft der Feder 34 die Kraft der Feder 3o überragt und damit des selbsttätige
Regelventi13 schließt. Das Regelventi13 wird vorzugsweise auf den geforderten Entnahmedruck
- beispielsweise i o kg/cm2 -eingestellt. Der nun noch im Verdampfer 2 verdampfende
Sauerstoff drückt den flüssigen Sauerstoff durch das Rohr 12 in den Behälter i zurück.
Die Verdampfung hört damit selbsttätig auf, und die Anlage ist auf den gewünschten
Druck von i o kg/cm2 gebracht.
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Der Druck in der Anlage bleibt nun zunächst bestehen., bis der gesamte
flüssige Sauerstoff die Temperatur - im genannten Beispiel - 154" C -erreicht hat,
die dem in der Anlage herrschenden Druck von iokg/cm2 als Sättigungsdruck entspricht.
Danach steigt die Temperatur weiterhin an, bis schließlich der entsprechende Druck
den Öffnungsdruck des Überdruckventils 4 überwindet. Erst dann kann ein Sauerstoffverlust
eintreten.
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Wird aus dem Speicher Sauerstoff entnommen, solange der Druck der
Anlage größer als der eingestellte Regeldruck ist, so wird der gasförmige Sauerstoff
allein durch Verdampfung des flüssigen Sauerstoffes im Behälter i gewonnen. Sinkt
der Druck im Behälter unter den Öffnungsdruck des Regelventils 3, dann tritt erst
der Verdampfer in Tätigkeit. Beim Abfallen des Druckes unter den Regeldruck wird
die Membran 31 so weit entlastet, daß. das Regelventil 3 geöffnet und der
gasförmige Sauerstoff aus Leitung 17 über das -Regelventil 3 in die Entnahmeleitung
12 strömen kann. Dabei fließt gleichzeitig flüssiger Sauerstoff aus denn Behälter
i durch die Leitung 16 zu dem Verdampfer 2, wird dort verdampft und ergänzt
die Saueristoffentnahme. Wird viel Sauerstoff entnommen, dann fällt der Druck in
der Anlage stärker, :so daß, sich das, Regelventil weiter öffnet und sein Strömungswiderstand
geringer wird. Dem-,entsprechend :steigt der Flüssigkeitsspiegel im Verdampfer 2
,an, so daß, die Verdampfung zunimmt. Wird die Entnahme g@edroa;selt, dann steigt
der Druck an, der freie Ventilquerschnitt des Regelventils 3 wird kleiner, damit
sein Strömungswiderstand @orhöht, :so daß. der Flüssigkeitsspiegel im Verdampfer
sinkt und die Verdampfung nachläßt. Die Verdampfung ist der Entnahme angepaßt. Wird
die Sauerstoffentnahme abgestellt, dann schließt sich das Regelventil
3, und der flüssige Sauerstof wird aus dem Verdampfer in den Behälter i zurückgedrängt.
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Um zu vermeiden, daß flüssiger Sauerstoff aus dem Behälter i fortlaufend
an der Wandung des Rohres 16 nach unten läuft, verdampft usw., ist die Umkehrkappe
39 angeordnet. Innerhalb dieser Kappe stellt sich in Höhe der Bohrung 41 der Flüssigkeitsspiegel
ein., so daß flüssiger Sauerstoff nicht mehr in das Rohr 12 gelangen kann und ein
dauernder Wärmezufluß an dieser Stelle vermieden wird.
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Die neue Vorrichtung ist weitgehend lageunempfindlich. Solange der
Flüssigkeitsspiegel bei Schräglage noch die Bohrung 41 der Umkehrkappe 39 bedeckt,
arbeitet das Gerät in: der angegebenen Art und Weise, selbst wenn das Gerät bei
;geringem Inhalt sich in einer Schräglage bis etwa 45° befindet.
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Belndetsich das. Gerät meiner derartigen Schräglage, daß bei. genügendem
Inhalt die obere und die untere Umkehrkappe 39 und 40 vom verflüssigten Gas verdeckt
sind, dann ist die Gas; vezsorgung @ebenfalls sichergestellt. Bei Entnahme bei,
geschlossenem Regelventil 3 wird flüssiger Sauerstoff durch die Rohre i i und 12
zum Hilfsverdampfer 7 gedrückt und hier verdampft. Ist das Regelventil 3 geöffnet,
so gelangt bei entsprechender Lage des Verdampfers auch noch Gas über die Leitung
17 zum Entnahmestutzen B. Wird kein Gas entnommen, so wird nur kurz nachdem die
Anlage in die Schräglage gekommen ist, verflüssigtes Gas in die Leitungen i i und
16 gelangen, aber infolge der sofort reintretenden Verdampfung wieder zurückgedrängt.
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Ist der Inhalt des Behälters so weit zurückgegangen, daß bei iner
Schräglage bei etwa 9o° die beiden Umkehrkappen 39 und 4o nicht mehr vom verflüssigten
Sauerstoff bedeckt sind, dann kann die Entnahme an Sauerstoff einige Zeit bei langsam
dalllendem Druck und entsprechendem Absinken der Temperatur aus der eigenen Verdampfung
des flüssigen Sauerstoffes und dem dampfförmigen Sauerstoffvorrat gespeist werden.
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Wird die Anlage auf den Kopf gestellt oder in eine Schräglage gebracht,
bei der ,allein die Kappe 40 mit flüssigem Sauerstoff bedeckt ist, dann gelangt
bei, Entnahme flüssiger Sauerstoff durch das Rohr i r und 12 in den Hilfsverdampfer
7, verdampft dort, und zwar sowohl bei geöffnetem als auch bei geschlossenem Regelventil.
Wird die Entnahme unterbrochen, dann verhindert die Umkehrkappe 40 - wie bei Normallage
die Umkehrkappe 39 - ein weiteres. Nachströmen von flüssigem Saüerstaff in die Rohrleitung
i i und 12.
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Der Vorratsanzeiger 5 ist .als Diferenzdruckmesser ausgebildet. Er
zeigt den statischen Druck der Flüssigkeitssäule auf dein. Boden des Behälters i
an. Die beiden Anschlußrohre 42 und 43 sind spiralförmig gewunden, um einen Wärmefluß
durch diesle Rohre möglichst zu mindern. Die Umkehrkappe 44 dient ebenfalls dazu,
einen dauernden Wäxmlefluß durch abfließenden flüssigen Sauerstoff, anschließender
Verdampfung und Kondensation im Rohr 42 zu vermeiden.