EP0185943A2 - Pumpaggregat für cryogene Medien - Google Patents

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EP0185943A2
EP0185943A2 EP85114879A EP85114879A EP0185943A2 EP 0185943 A2 EP0185943 A2 EP 0185943A2 EP 85114879 A EP85114879 A EP 85114879A EP 85114879 A EP85114879 A EP 85114879A EP 0185943 A2 EP0185943 A2 EP 0185943A2
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EP
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distributor block
pump unit
pump
flange
unit according
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EP0185943A3 (en
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Jean Tornare
Klaus Bofinger
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Fives Cryomec AG
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Cryomec AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/10—Valves; Arrangement of valves
    • F04B53/102—Disc valves
    • F04B53/1035—Disc valves with means for limiting the opening height
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B15/00—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts
    • F04B15/06—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts for liquids near their boiling point, e.g. under subnormal pressure
    • F04B15/08—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts for liquids near their boiling point, e.g. under subnormal pressure the liquids having low boiling points

Definitions

  • cryogenic fluids are used when filling commercial steel bottles containing gases such as nitrogen under high pressure.
  • gases such as nitrogen under high pressure.
  • the nitrogen is initially in a frozen, liquid state in a heat-insulated storage tank. As long as the nitrogen is kept frozen at about -196 °, the overpressure in the storage tank is only about 2 atm.
  • the nitrogen is at ambient temperature under a pressure of 200 atm.
  • the task of the cryogenic pump is to bring the liquid, frozen medium to a pressure of around 200 atm, so that it can be filled into the steel bottles after passing through an evaporator. So that the pump can pump liquid medium it must have the temperature of the frozen medium itself.
  • the active pump part is therefore housed in a thermally insulated container which is separated from the drive part by a flange.
  • T is a heat-insulated storage tank which contains liquid nitrogen
  • P is the cryogenic pump
  • V is an evaporator
  • F is a battery with bottles which are to be filled under high pressure.
  • valves 1 and 3 are first opened so that liquid medium flows into the pump and valve 3 allows gaseous medium to escape into the open. If the temperature approaches the working temperature, valve 3 can be closed and 4 opened, whereby gaseous medium flows back into the tank T. During this cooling process, valve 2 ' remains closed and the pump is out of operation.
  • a low-pressure safety valve 5 is provided for safety reasons.
  • the reference numbers 6 indicate expansion pieces (bellows) to which the connection of the lines to the pump is made.
  • valve 2 When the pump is started up, valve 2 is opened and the pump conveys high-pressure fluid.
  • a non-return valve 7, a high-pressure safety valve 8, a wind boiler 9, a pressure gauge 10, a differential pressure switch 11 and a second high-pressure safety valve 12 are arranged in the high-pressure line.
  • the fluid In the evaporator V the fluid is converted from the liquid to the gaseous state and reaches the bottles F under high pressure.
  • the object of the invention is to simplify the assembly of the pump system, to make it cheaper and at the same time to improve the efficiency of the system.
  • the invention solves this problem with a pump unit which has the specific features of claim 1.
  • FIG 2 shows the pump with its main components, namely a crankcase 20, an associated with Ribs provided intermediate piece 30, the flange 40 designed as a distributor block which is integrally connected to the pump cylinder 50, and a heat-insulating container 60 enclosing the effective parts of the pump.
  • the ribs on the intermediate piece 30 serve to release cold to the environment, so that the lubricant of the drive parts is not hardened.
  • the heat-insulating container 60 is double-walled and evacuated like a dewar.
  • the container 60 is closed at the top by the distributor block 40 which is integrated on its lower side with the pump cylinder 50. On the upper side, it merges into a central collar 41 which is penetrated by the piston rod 51.
  • this collar is provided with a thread, which establishes the connection with the drive part 20, 30. Further details of the distributor block can be seen in FIG. 3 and will be described later with reference to this figure.
  • FIG. 2 gives an overview of the fittings and some of them in the distributor block, reference being made in part to FIGS. 3 and 4.
  • the fittings corresponding to the diagram according to FIG. 1 are shown in Figures 2 and 3 indicated with the same reference numerals.
  • the check valve 7 is attached in the manifold block itself.
  • an upwardly directed pipe 9 which functions as a wind boiler in the HP part, since it automatically fills with gas as a result of evaporation.
  • the HD safety valve 8 is placed on top of this tube. Finally, are on a hole that is connected to the HD over the connection 44 with a pipe with a pressure gauge 10 and a differential pressure switch 11 connected.
  • Figure 3 shows the distributor block on a larger scale in a view from the drive side.
  • the connecting collar 41 in the piston rod 51 which is guided in a slidingly sealed manner.
  • the actuation shaft 342 for the degassing valve 340 is led out through the stuffing box 45 and provided with a handle 341 at the top.
  • the gas return line to the storage tank is connected to one side of the distributor block by means of connection 46.
  • the line leading to the outside is connected on the opposite side by means of connection 47.
  • the LP safety valve 5 is connected to flange 48 and is omitted in FIG. 3 for the sake of clarity.
  • an automatic gas separator 70 is provided which, when the three-way valve 340 is in the closed position, takes over its function and returns the gas forming in the vessel 60 to the storage tank T.
  • FIG 4 shows the pump of the unit of Figure 2 in section. It can be seen here like that already mentioned parts are installed in or on the bores of the distributor block 40, or are connected.
  • the degassing valve 340 and the check valve 7 of the high-pressure line are installed. Directly connected is the low-pressure safety valve 5, the wind kettle designed as a pipe section 9 with a high-pressure safety valve 8, the pressure gauge 10 and the differential pressure switch 11.
  • the suction valve 52 is located on the side of the pump cylinder 50 facing away from the distributor block 40.
  • Figure 5 shows the pump of another unit in section. It differs from the pump according to FIG. 4 in that the suction valve 52 is installed in the flange 400 designed as a distributor block.
  • a suction head 53 is attached to the outside of this side of the distributor block and is connected to the storage tank T by means of the expansion piece 6.
  • Return line 54 returns vaporous medium to the storage tank.
  • the already mentioned suction valve 52 and the high-pressure check valve 7 are installed in the distributor block 400. Furthermore, bores and connections are made in the distributor block 400 for the tubular wind boiler 9 with the high-pressure safety valve 8, a connection 43 for the high-pressure line, and the high-pressure degassing valve 340, and low-pressure manometer 10. Furthermore, 400 bores are made in the manifold block (not visible in FIG. 5) for the direct connection of further fittings, such as high-pressure manometers, differential pressure switches, etc.
  • the pump cylinder 500 which is integrally connected to the manifold block 400, is provided with a heat insulation material filled container 600 insulated against cold losses.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Thermotherapy And Cooling Therapy Devices (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Abstract

Das Pumpaggregat für cryogene Medien unterscheidet sich von bekannten Anlagen dieser Art, dadurch, dass die Pumpe einen, als Verteilerblock (40) ausgebildeten Flansch hat, der zwischen dem mechanischen Antriebsteil (20,30) und dem Pumpenteil (50,60) angeordnet ist. Dieser Verteilerblock ist mit Bohrungen und Anschlüssen (42-49) versehen, die erlauben einen Grossteil der für den Betrieb der Anlage erforderlichen Armaturen statt wie bisher mit Leitungen, direkt im- oder am Verteilerblock anzuschliessen oder einzubauen. Dies verbilligt nicht nur die Anlagekosten sondern verringert auch die Gaverluste. Die Pumpanlage findet Verwendung beim Umpumpen von tiefgekühlten Medien aus einem Vorratstank in Stahlflaschen, in denen sich das Fluid (beispielsweise Stickstoff) unter hohem Druck aber bei Umgebungstemperatur befindet. Das von der Pumpe geförderte tiefgekühlte, flüssige Medium durchläuft dabei einen Verdampfer.

Description

  • Beim Füllen von handelsüblichen Stahlflaschen, die Gase wie zum Beispiel Stickstoff unter hohem Druck enthalten, werden Pumpen für cryogene Fluiden verwendet. Der Stickstoff befindet sich zunächst in tiefgekühltem, flüssigen Zustand in einem wärmeisolierten Vorratstank. Solange der Stickstoff tiefgekühlt auf etwa -196° gehalten wird, beträgt der Ueberdruck im Vorratstank nur etwa 2 atü.
  • In den Stahlflaschen dagegen, befindet sich der Stickstoff bei Umgebungstemperatur unter einem Druck von 200 atü. Die Aufgabe der cryogenen Pumpe besteht darin, das flüssige, tiefgekühlte Medium auf einen Druck von etwa 200 atü zu bringen, damit es nach dem Durchlauf durch einen Verdampfer in die Stahlflaschen abgefüllt werden kann. Damit die Pumpe flüssiges Medium pumpen kann muss sie selber die Temperatur des tiefgekühlten Medium aufweisen.
  • Der aktive Pumpenteil ist deshalb in einem wärmeisolierten Behälter untergebracht, der durch einen Flansch vom Antriebsteil getrennt ist.
  • Bevor die Pumpe in Betrieb genommen wird, muss sie zuerst auf die tiefe Temperatur des flüssigen Medium gebracht werden.
  • Dies wird durch einleiten des flüssigen Medium in den wärmeisolierten Pumpenteil bewerkstelligt, wobei das Medium zu "kochen" beginnt und in gasförmigen Zustand übergeht, der während des Abkühlprozesses abgelassen werden muss, damit flüssiges Medium nachströmen kann.
  • Bei bisherigen Pumpen waren dazu im Flansch zwischen dem isolierten Behälter und dem mechanischen Teil der Pumpe lediglich Bohrungen für den Einlass des flüssigen Fluids, für die Entlüftung des sich bildenden Gases und eine Bohrung für das unter hohem Druck zu verpumpenden flüssigen Medium vorgesehen. An diesen drei Bohrungen wurden ausserhalb der Pumpe die zur Inbetriebnahme und zum eigentlichen Pumpbetrieb erforderlichen Leitungen verlegt und Armaturen angebracht. Dies ist aus dem Schema nach Figur 1 ersichtlich an Hand dessen die Betriebsweise kurz erläutert wird.
  • In Figur 1 ist T ein wärmeisolierter Vorratstank der flüssigen Stickstoff enthält, P die cryogene Pumpe, V ein Verdampfer und F eine Batterie mit Flaschen die unter hohem Druck gefüllt werden sollen.
  • Zur Erstellung der Betriebsbereitschaft der Pumpe P muss diese zuerst gekühlt werden. Dazu werden zunächst die Ventile 1 und 3 geöffnet damit flüssiges Medium in die Pumpe fliesst und durch Ventil 3 gasförmiges Medium ins Freie entweichen kann. Nähert sich die Temperatur der Arbeitstemperatur, kann Ventil 3 geschlossen und 4 geöffnet werden, wodurch gasförmiges Medium in den Tank T zurückströmt. Während dieses Abkühlvorganges bleibt Ventil 2 'geschlossen und die Pumpe ist ausser Betrieb. Aus Sicherheitsgründen ist ein Niederdruck-Sicherheitsventil 5 vorgesehen. Die Bezugszahlen 6 deuten Expansionsstücke (Faltenbälge) an die die Verbindung der Leitungen zur Pumpe herstellen.
  • Wird die Pumpe in Betrieb genommen, wird Ventil 2 geöffnet und die Pumpe fördert hochdruckflüssiges Medium. In der Hochdruckleitung ist ein Rückschlagventil 7 ein Hochdruck-Sicherheitsventil 8, ein Windkessel 9 ein Manometer 10 ein Differenzdruckschalter 11 und ein zweites HD-Sicherheitsventil 12 angeordnet. Im Verdampfer V wird das Fluid vom flüssigen in den gasförmigen Zustand umgewandelt und gelangt unter hohem Druck in die Flaschen F.
  • Bei bisher bekannten cryogenen Pumpanlagen wurden diese Armaturen mittels im Bereich der Pumpe verlegten Leitungen angeschlossen. Das fachgerechte Verlegen der Leitungen, Anbringen der Armaturen und Befestigen derselben an Stützelementen ist zeitraubend und verursacht hohe Montagekosten. Dazu kommt noch, dass das tiefgekühlte flüssige Medium in den freiliegenden Leitungen teilweise in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht was den Wirkungsgrad herabsetzt.
  • Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe die Montage der Pumpanlage zu vereinfachen, zu verbilligen und zugleich den Wirkungsgrad der Anlage zu verbessern.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Pumpaggregat die die spezifischen Merkmale des Anspruches 1 aufweist.
  • Im Verteilerblock sind Bohrungen angebracht, die erlauben ein Grossteil der für den Betrieb der Pumpanlage erforderlichen Armaturen in den Verteilerblock einzubauen oder anzuschliessen, ohne dass dazu nach aussen führende Leitungen erforderlich sind. Dies setzt nicht nur die Montagekosten erheblich herab, sondern verhindert auch Kälte- bzw. Gasverluste. Die beigefügte Zeichnung zeigt das bereits erwähnte Schema Figur 1 und in Figur 2 bis 5 Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.
    • Figur 2 zeigt eine Seitenansicht eines Pumpaggregats mit dem Verteilerblock und daran angeschlossenen Armaturen in Ansicht und
    • Figur 3 zeigt den Verteilerblock des Aggregats nach Figur 2 für sich, mit abgenommenem Antriebsteil, in Ansicht von der Antriebsseite her.
    • Figur 4 die Pumpe des Aggregats nach Figur 2 im Schnitt
    • Figur 5 eine andere Pumpe mit Verteilerblock, im Schnitt
  • Figur 2 zeigt die Pumpe mit deren Hauptbestandteilen, nämlich ein Kurbelgehäuse 20, ein damit verbundenes, mit Rippen versehenes Zwischenstück 30, den als Verteilerblock ausgebildete Flansch 40 der integral mit dem Pumpenzylinder 50 verbunden ist, und einen die wirksamen Teile der Pumpe umschliessenden wärmeisolierenden Behälter 60. Die Rippen am Zwischenstück 30 dienen der Kälteabgabe an die Umgebung, damit das Schmiermittel der Antriebsteile nicht erhärtet. Der wärmeisolierende Behälter 60 ist doppelwandig ausgeführt und wie ein Dewar-Gefäss evakuiert. Der Behälter 60 ist oben durch den Verteilerblock 40 abgeschlossen der an seiner unteren Seite mit dem Pumpenzylinder 50 integriert ist. An der oberen Seite geht er in einen zentralen Kragen 41 über, der von der Kolbenstange 51 durchsetzt wird.
  • Von aussen ist dieser Kragen mit einem Gewinde versehen, das die Verbindung mit dem Antriebsteil 20, 30 herstellt. Weitere Details des Verteilerblocks sind in Figur 3 ersichtlich und werden später an Hand dieser Figur beschrieben.
  • Figur 2 gibt eine _Uebersicht über die an, und teilweise im Verteilerblock angebrachten Armaturen, wobei teilweise bereits auf die Figuren 3 und 4 verwiesen wird. Die dem Schema nach Figur 1 entsprechenden Armaturen sind in Figur 2 und 3 mit denselben Bezugszahlen angedeutet.
  • Im oberen Teil des Verteilerblocks sind die der Entgasung dienenden Teile angebracht. Sie umfassen ein im Verteilerblock untergebrachtes, den Ventilen 3 und 4 entsprechendes Dreiwegventil 340 das von Hand mittels Griffes 341 umstellbar ist auf Gasaustritt ins Freie oder Gasaustritt mit Rückführung in den Tank T. Ferner ist hier das ND-Sicherheitsventil 5 aussen auf einem entsprechenden Ansatz des Verteilerblocks befestigt. (ND=Niederdruck) Seitlich am Verteilerblock 40 ist ein Anschluss 42 für das tiefgekühlte Medium aus dem Tank vorgesehen, während im unteren Bereich ein HD-Anschluss 43 (HD=Hochdruck) für das flüssige Gas vorgesehen ist. Das Rückschlagventil 7 ist im Verteilerblock selber angebracht.
  • Ebenfalls an eine Bohrung im unteren Teil des Verteilerblocks 40 ist ein nach oben gerichtetes Rohr 9 angeschlossen das als Windkessel im HD-Teil funktioniert, da es sich selbsttägig infolge Verdampfung mit Gas füllt. Oben auf diesem Rohr ist das HD-Sicherheitsventil 8 aufgesetzt. Schliesslich sind an einer Bohrung, die mit dem HD in Verbindung steht über dem Anschluss 44 mit einem Rohr mit Manometer 10 und ein Differenzdruckschalter 11 angeschlossen.
  • Figur 3 zeigt den Verteilerblock in grösserem Masstab in Ansicht von der Antriebseite. Im Zentrum befindet sich der Anschlusskragen 41 in dem Kolbenstange 51, gleitend abgedichtet geführt ist. Der Betätigungsschaft 342 für das Entgasungs-Ventil 340 ist durch Stopfbüchse 45 herausgeführt und oben mit Griff 341 versehen. Die Gas-Rückführleitung zum Vorratstank ist an einer Seite des Verteilerblocks mittels Anschluss 46 angeschlossen. An der gegenüberliegenden Seite ist mittels Anschluss 47 die ins Freie führende Leitung angeschlossen. An Flansch 48 ist das ND-Sicherheitsventil 5 angeschlossen, das der Deutlichkeit halber in Figur 3 weggelassen ist. An Flansch 49 schliesslich, der mit dem ND Teil in dem sich Gas bildet, in Verbindung steht ist ein automatischer Gasabscheider 70 vorgesehen, der bei geschlossener Stellung des dreiweghahnens 340 dessen Funktion übernimmt und das sich im Gefäss 60 bildende Gas in den Vorratstank T zurückführt.
  • Figur 4 zeigt die Pumpe des Aggregats nach Figur 2 im Schnitt. Es ist hier ersichtlich, wie die bereits erwähnten Teile in oder an den Bohrungen des Verteilerblocks 40 eingebaut, beziehungsweise angeschlossen sind. Eingebaut sind das Entgasungs-Ventil 340 und das Rückschlagventil 7 der Hochdruckleitung. Direkt angeschlossen ist das Niederdruck - Sicherheitsventil 5, der als Rohrstück 9 ausgebildete Windkessel mit HD Sicherheitsventil 8, der Manometer 10 und der Differenz-Druckschalter 11. Das Saugventil 52 befindet sich an dem vom Verteilerblock 40 abgewendeten Seite des Pumpenzylinders 50.
  • Figur 5 zeigt die Pumpe eines andern Aggregates im Schnitt. Sie unterscheidet sich von der Pumpe nach Figur 4 dadurch, dass hier das Saugventil 52 in dem als Verteilerblock ausgebildeten Flansch 400 eingebaut ist.
  • An dieser Seite des Verteilerblocks ist aussen ein Saugkopf 53 angebaut, der mittels des Expansionsstücks 6 mit dem Vorratstank T in Verbindung steht. Rückfuhrleitung 54 führt dampfförmiges Medium in den Vorratstank zurück. Bei diesem Aufbau der Pumpe braucht die Kolbenstange 51 den Verteilerblock 400 nicht zu durchsetzen.
  • In den Verteilerblock 400 eingebaut sind hier das bereits erwähnte Saugventil 52 und das Hochdruck-Rückschlagventil 7. Ferner sind im Verteilerblock 400 Bohrungen und Anschlüsse angebracht für den rohrförmigen Windkessel 9 mit dem HD Sicherheitsventil 8, ein Anschluss 43 für die HD Leitung, sowie das Entgasungshochdruckventil 340, und Niederdruckmanometer 10. Ferner sind im Verteilerblock 400 Bohrungen angebracht (in Figur 5 nicht sichtbar) für den direkten Anschluss von weiteren Armaturen, wie Hochdruckmanometer, Differenz-Druckschalter usw. Der mit dem Verteilerblock 400 integral verbundene Pumpenzylinder 500 ist durch eine mit Wärmeisolationsmaterial gefüllten Behälter 600 gegen Kälteverluste isoliert.

Claims (9)

1. Pumpaggregat für cryogene Medien, mit einer Hochdruck-Pumpe, dadurch gekennzeichnet, dass deren Zylinder (50,500) integral mit einem als Verteilerblock ausgebiledeten Flansch (40,400) verbunden ist, der die Verbindung mit dem mechanischen Antriebsteil herstellt und Bohrungen aufweist, in oder an denen eine Vielzahl der für den Betrieb der Anlage erforderliche Armaturen eingebaut oder ohne Leitungen angeschlossen sind.
2. Pumpaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (51) den als Verteiler (40) ausgebildeten Flansch durchsetzt und dass der Pumpenzylinder (50) in einen an den Flansch (40) angebauten wärmeisolierenden Zwischenbehälter (60) hineinragt, der mit von der Pumpe zu fördernden cryogenen Flüssigkeit gefüllt ist.
3. Pumpaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der als Verteilerblock ausgebildete, Flansch (400) an der Saugseite des Pumpenzylinders angebaut ist und dass der Pumpenzylinder (500) von einem wärmeisolierenden an den Flansch anschliessenden Mantel (600) umgeben ist.
4. Pumpaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksamen Teile eines Niederdruck-Entgasungsventil (340) im Verteilerblock untergebracht sind, von dem lediglich dessen Betätigungsorgane (341,342) nach aussen geführt sind.
5. Pumpaggregat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem im Bereich des Entgasungsventils angeordneten Flansch (48) des Verteilerblocks ein Niederdruck- Sicherheitsventil (5) angebracht ist.
6. Pumpaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Verteilerblock vor dem Hochdruck-Anschluss (43) ein Rückschlagventil (7) eingebaut ist.
7. Pumpaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Verteilerblock ein als Windkessel dienender Rohrabschnitt (9) angebracht ist, der an seinem freien Ende ein Hochdruck-Sicherheitsventil (8) trägt.
8. Pumpaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Verteilerblock mindestens ein Anschluss (44) mit einer Kapilarleitung für Ueberwachungsarmaturen (10,11) vorgesehen ist.
9. Pumpaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Verteilerblock ein Flansch (49) vorgesehen ist an dem ein automatischer Gasabscheider (70) angeordnet ist.
EP85114879A 1984-12-11 1985-11-23 Pumpaggregat für cryogene Medien Expired - Lifetime EP0185943B1 (de)

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CH5886/84 1984-12-11
CH588684 1984-12-11

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Publication Number Publication Date
EP0185943A2 true EP0185943A2 (de) 1986-07-02
EP0185943A3 EP0185943A3 (en) 1989-03-29
EP0185943B1 EP0185943B1 (de) 1990-10-03

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DE (1) DE3580011D1 (de)

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DE3580011D1 (de) 1990-11-08
EP0185943B1 (de) 1990-10-03
ATE57239T1 (de) 1990-10-15
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