EP0174269A2 - Pumpe für cryogene Fluide - Google Patents

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EP0174269A2
EP0174269A2 EP85810315A EP85810315A EP0174269A2 EP 0174269 A2 EP0174269 A2 EP 0174269A2 EP 85810315 A EP85810315 A EP 85810315A EP 85810315 A EP85810315 A EP 85810315A EP 0174269 A2 EP0174269 A2 EP 0174269A2
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Definitions

  • cryogenic fluids presents particular difficulties since the fluid changes from the liquid to the gaseous state of aggregation both when the pressure drops and when the temperature rises.
  • the pump is under atmospheric pressure and has adjusted to the conditions of the vapor pressure curve. During operation, the conditions must be brought above those of the vapor pressure curve of the cryogenic fluid to be pumped. This is in view of the fact that the pressure decreases during the intake stroke, which also gives rise to gas formation.
  • the invention has for its object to provide a pump according to the preamble of claim 1, which works on this principle but can be constructed more simply and cheaper and can produce less gas in the pre-compression.
  • the invention solves this problem with a cryogenic pump which has the specific features of claim 1.
  • FIG. 1 an embodiment of the subject of the invention is shown. It shows a cryogenic pump in a simplified representation, the drive mechanism in view and the pump part in section.
  • the pump comprises a high pressure part and a pre-compressor part, which are arranged in tandem.
  • the main components of the pump are: a crankcase 1, an intermediate piece 2 with ribs, the high-pressure pump cylinder 3 with piston 4, a pre-compression cylinder 5 with piston 6.
  • the pre-compression cylinder with its piston are located in a double-walled intermediate container 7.
  • the two pistons 4 and 6 are mounted on a common piston rod 8 which passes through the bottom 31 of the high pressure cylinder. It is sealed by means of a seal 32.
  • the floor thus serves as a partition between the two parts.
  • Intake openings 33 penetrate the bottom of the high-pressure cylinder.
  • An annular plate valve 34 closes these openings during the pressure stroke.
  • the outlet opening of the high-pressure cylinder is provided with a spring-loaded ball valve 35.
  • the high-pressure piston 4 is provided with sealing rings 36.
  • the precompression cylinder 5 has the shape of a tube which is open on the suction side and has a bore 51 at its highest point.
  • the pre-compression piston 6 has several through bores 61 which are closed by an annular plate valve 62 during the pre-compression or loading stroke. A stop for the plate valve 62 is attached to the piston rod 8.
  • the double-walled intermediate container 7 designed like a Dewar vessel, is connected to the cylinder 5 by means of a flange 71.
  • a fluid supply line 72 leads through a bore 73 in the flange of the fluid into the container 7.
  • a closable bore 74 attached, which is indicated by a dash-dotted line and is used for the brief release of the gas.
  • the drawing shows the pump in a 45 ° inclined position relative to the vertical, which corresponds to a working position, because then the bore 51 in the pre-compressor cylinder is at the highest position.
  • the pump can also be operated in a horizontal position instead of in an inclined position. This is of particular importance because then the inevitable but as low as possible gases forming from the fluid can rise and collect here.
  • the pre-compression piston 6 can therefore almost exclusively bring liquid fluid into the high-pressure piston.
  • the displacement volume of the pre-compressor part is larger than that of the high-pressure pump, so that liquid fluid also escapes here.
  • the pre-compression piston 6 does not have any sealing rings against the cylinder 5, but instead has a small amount of play against the inner wall of the cylinder, so that the excessive amount of fluid conveyed can escape here as well and thus does not cause unnecessarily high internal friction which would lead to gas formation.
  • the pump is shown during a suction stroke in which the piston rod with the pistons 4 and 6 moves obliquely upwards.
  • the valve plate 62 therefore closes off the bores in the piston 6, while the valve plate 34 releases the bores 33.
  • the intermediate container 7 is filled to the level N with liquid fluid, above this level the fluid is in the gaseous state, as indicated in the drawing by small gas bubbles.
  • the pre-compression piston therefore almost exclusively fills the high-pressure cylinder with liquid fluid. Due to the increased pressure, the gaseous express changes back into the liquid phase.
  • the suction stroke has ended, the movement reverses and the high-pressure piston presses liquid fluid into the high-pressure line 37.
  • the closable bore 74 is used to discharge the gas, especially when starting the pump parts when the various pump parts have not yet cooled down to near the low temperature of the fluid and a lot of gas is formed.
  • the high pressure cylinder would only compress gas and not convey liquid fluid.
  • the pump is used, for example, to pump liquid nitrogen, it has a temperature of up to -196 ° C. and is under an overpressure of approx. 2 bar.
  • the liquid nitrogen comes from a large storage tank, passes through line 72 to the pump and is brought in a liquid state to an overpressure of approx. 200 bar, passed through an evaporator and filled into pressure-resistant bottles in gaseous state at ambient temperature. The nitrogen in these bottles is under 200 bar pressure.
  • the bottles filled in this way are transported to the end user.

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Abstract

Die cryogene Pumpe arbeitet zweistufig mit einem Vorverdichterteil und einem Hochdruckteil. Diese beiden Teile umfassen eine Hochdruck-Kolbenpumpe (3, 4, 34, 35) und eine Vorverdichterpumpe (5, 6, 61, 62) die in Tandem angeordnet sind und eine gemeinsame Kolbenstange 8 haben. Die Vorverdichterpumpe befindet sich in einem wärmeisoliertenn Zwischenbehälter (7) und drückt flüssiges cryogenes Fluid in den Hochdruckzylinder. Die Pumpe dient dazu flüssiges cryogenes Fluid, beispielsweise flüssigen Stickstoff unter hohem Druck durch einen Verdampfer hindurch zu druckfesten handelsüblichen Stahlflaschen zu fördern, die dann gasförmigen Stickstoff unter 200 atm Druck bei Umgebungstemperatur enthalten.

Description

  • Das Pumpen cryogener Fluiden bietet besondere Schwierigkeiten da das Fluid sowohl beim Absinken des Drucks als beim Anstieg der Temperatur vom flüssigen- in den gasförmigen Aggregatszustand übergeht. Die Pumpe befindet sich unter atmosphärischem Druck und hat sich auf die Bedingungen der Dampfdruckkurve eingestellt. Während des Betriebes müssen die Bedingungen über jene der Dampfdruckkurve des zu pumpenden cryogenen Fluids gebracht werden. Dies in Betracht dessen, dass beim Ansaugtakt der Druck abnimmt was ebenfalls zu Gasbildung Anlass gibt.
  • Bekannte Massnahmen zur Begegnung dieser Schwierigkeiten sind daher:
    • 1. das Fluid aus dem grossen Vorratstank in dem Dampfdruckbedingungen herrschen in einen möglichst gut wärmeisolierten geschlossenen Zwischenbehälter zu leiten und die Temperatur unter jener des Dampfdruckes zu senken.
    • 2. den Druck im Zwischenbehälter über jenen des Dampfdruckes zu erhöhen.
  • Für die letztgenannte Lösung ist aus der CH-PS 615'982 eine Pumpe mit Stufenkolben, hohler Kolbenstange und Ventilen im Kolben bekannt geworden. Die hohe Vorverdichtung bewirkt entsprechende gasbildende Strömungen die mittels einem aufwendigen Ventilsystem aus den Niederdruckteil abgeleitet werden müssen. Solche Pumpen sind aber aufwendig und teuer in der Herstellung.
  • Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe eine Pumpe gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1 zu schaffen, die nach diesem Prinzip arbeitet aber einfacher aufgebaut und billiger hergestellt werden kann und weniger Gasbildung in der Vorverdichtung bewirkt.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer cryogenen Pumpe die die spezifischen Merkmale des Anspruches 1 aufweist.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Sie zeigt eine cryogene Pumpe in vereinfachter Darstellung, deren Antriebsmechanismus in Ansicht und deren Pumpenteil im Schnitt dargestellt ist. Die Pumpe umfasst einen Hochdruckteil und einen Vorverdichterteil, die in Tandem angeordnet sind.
  • Die Hauptbestandteile der Pumpe sind: ein Kurbelgehäuse 1, ein mit Rippen versehenes Zwischenstück 2, den Hochdruck-Pumpzylinder 3 mit Kolben 4, einen Vorverdichterzylinder 5 mit Kolben 6. Der Vorverdichterzylinder mit seinem Kolben befinden sich in einem doppelwandigen Zwischenbehälter 7. Die beiden Kolben 4 und 6 sind auf einer gemeinsamen Kolbenstange 8 befestigt, die den Boden 31 des Hochdruckzylinders durchsetzt. Sie ist mittels Dichtung 32 abgedichtet. Der Boden dient somit als Trennwand zwischen den beiden Teilen.
  • Ansaugöffnungen 33 durchsetzen den Boden des Hochdruckzylinders. Während des Druckhubes schliesst ein ringförmiges Plattenventil 34 diese Oeffnungen. Die Auslassöffnung des Hochdruckzylinders ist mit einem federbelasteten Kugelventil 35 versehen. Der Hochdruckkolben 4 ist mit Dichtungsringen 36 versehen.
  • Der Vorverdichtungszylinder 5 hat die Form eines an der Saugseite offenen Rohres das an seiner höchsten Stelle eine Bohrung 51 aufweist. Der Vorverdichterkolben 6 hat einige Durchgangsbohrungen 61, die während des vorverdichtens oder Ladehubes durch ein ringförmiges Plattenventil 62 geschlossen werden. Auf der Kolbenstange 8 ist ein Anschlag für das Plattenventil 62 angebracht.
  • Der doppelwandige, wie ein Dewar-Gefäss ausgebildete Zwischenbehälter 7 ist mittels eines Flansches 71 mit dem Zylinder 5 verbunden- Eine Fluid-Zufuhrleitung 72 leitet durch eine Bohrung 73 im Flansch des Fluid in den ,Behälter 7. Im Flansch 71 ist noch eine verschliessbare Bohrung 74 angebracht, die durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist und die dem kurzzeitigen Ablassen des Gases dient.
  • Die Zeichnung zeigt die Pumpe in einer um 45° gegen die Vertikale geneigten Lage, die einer Arbeitslage entspricht, weil sich dann die Bohrung 51 im Vorverdichterzylinder an der höchsten Ste le befindet. Statt in schräger Lage kann die Pumpe auch in horizontaler Lage betrieben werden. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, weil sich dann die unvermeidlichen, aber möglichst geringen aus dem Fluid bildenden Gase aufsteigen und hier sammeln können. Der Vorverdichterkolben 6 kann demzufolge fast ausschliesslich flüssiges Fluid in den Hochdruckkolben bringen.
  • Dazu kommt noch, dass das Verdrängungsvolumen des Vorverdichterteiles grösser ist als dasjenige der Hochdruckpumpe, so dass auch flüssiges Fluid hier austritt. Wie aus der vorgehenden Beschreibung hervorgeht besitzt der Vorverdichterkolben 6 keine Dichtungsringe gegen den Zylinder 5, sondern hat ein geringes Spiel gegen die Innenwand des Zylinders, so dass das Uebermass an gefördertem Fluid auch hier entweichen kann und damit keine unnötige hohe innere Reibung verursacht wird, die zu Gasbildung führen würde.
  • In der Zeichnung ist die Pumpe während eines Saughubes dargestellt bei dem sich die Kolbenstange mit den Kolben 4 und 6 schräg nach oben bewegt. Daher schliesst die Ventilplatte 62 die Bohrungen im Kolben 6 ab während die Ventilplatte 34 die Bohrungen 33 freigbibt. Der Zwischenbehälter 7 ist bis zum Niveau N mit flüssigem Fluid gefüllt, über diesem Niveau befindet sich das Fluid in gasförmigen Zustand wie dies in der Zeichnung durch kleine Gasblasen angedeutet ist. Wie ersichtlich füllt daher der Vorverdichterkolben den Hochdruckzylinder fast ausschliesslich mit flüssigem Fluid. Durch den erhöhten Druck geht der gasförmige eil wieder in die flüssige Phase über. Ist der Saughub beendet kehrt die Bewegung um und drückt der Hochdruckkolben flüssiges Fluid in die Hochdruckleitung 37.
  • Die verschliessbare Bohrung 74 dient dem Ablassen des Gases, insbesondere beim Anlassen wenn die verschiedenen Pumpenteile sich noch nicht bis nahe der Tieftemperatur des Fluids abgekühlt haben und sich viel Gas bildet.Der Hochdruckzylinder würde nur Gas komprimieren und kein flüssiges Fluid fördern.
  • Wird die Pumpe beispielsweise zum Pumpen von flüssigem Stickstoff verwendet, hat dieser eine Temperatur von bis - 196°C und befindet sich unter einem Ueberdruck von ca. 2 Bar. Der flüssige Stickstoff kommt aus einem grossen Vorratstank, gelangt durch die Leitung 72 zur Pumpe und wird von dieser in flüssigem Zustand auf einen Ueberdruck von ca. 200 Bar gebracht, durch einen Verdampfer geleitet und in gasförmigen Zustand bei Umgebungstemperatur in druckfeste Flaschen abgefüllt. In diesen Flaschen befindet sich der Stickstoff unter 200-Bar -druck. Die so gefüllten Flaschen werden zum Endverbraucher transportiert.

Claims (8)

1. PumpE für cryogene Fluiden, mit einem Hochdruckteil und einem Vorverdichterteil zwischen denen eine Trennwand verläuft wobei der Vorverdichterteil in einem an die Trennwand dichtend angeschlossenen wärmeisolierten Fluidbehälter liegt, dadurch gekennzeichnet, dass Hochdruck- und Verdichterteil zwei im Tandem angeordnete, durch die Trennwand (31) voneinander getrennte Kolbenpumpen (3,4;5,6) mit einer die Trennwand gleitend und abdichtend durchsetzenden gemeinsamen Kolbenstange (8), umfasst und dass der Vorverdichter einen ansaugseitig offenen Zylinder (5) hat.
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorverdichterkolben (6) mit Einlassbohrungen (61) versehen ist, die von einer ringförmigen Ventilplatte (62) abgedeckt sind.
3. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse der Kolbenstange (8) in Betriebslage um mindestens annähernd 45° gegen die Vertikale geneigt ist.
4. Pumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse der Kolbenstange (8) im Betriebslage horizontal verläuft-
5. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenbehälter (7) an seiner in Betriebslage höchsten Stelle mit einer verschliessbaren Gasablassöffnung (74) versehen ist.
6. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmechanismus (1) durch einen mit Kühlrippen versehenen Gehäuseteil mit dem Hochdruckteil (3,4) der Pumpe verbunden ist.
7. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorverdichterzylinder (5) an seiner in Betriebslage höchsten Stelle mit mindestens einer in den Fluidbehälter (7) mündenden Austrittsöffnung (51) versehen ist, für den während des Betriebes in gasförmigen Zustand geratenen Fluidanteil.
8. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Vorverdichterzylinder (5) und dem Vorverdichterkolben (6) ein Spiel vorhanden, welches einen Volumenausgleich zwischen Verdichtungsvolumen und Pumpenvolumen zulässt.
EP85810315A 1984-07-20 1985-07-08 Pumpe für cryogene Fluide Expired - Lifetime EP0174269B1 (de)

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