NO173354B - Trykksatt magnetisk flottoer-nivaaindikator for beholdere som inneholder vaesker under hoeyt trykk og temperatur - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en trykksatt magnetisk flottør-nivåindikator for beholdere som inneholder væsker under høyt trykk og/eller temperatur, som angitt i krav l's innledning.

En slik indikator er kjent fra "DS 4.483.193.

For bestemmelse av væskenivået i lukkede innretninger, såsom tanker, kjeler og lignende, benyttes fordelaktig magnetiske nivåindikatorer som har en flottør som beveger seg aksialt i et rørlegeme hvis ender står i forbindelse med den beholder hvis nivå skal indikeres. Flottøren bærer en permanentmagnet beregnet til å påvirke flere magnetiske indikator-dipoler, idet disses stilling viser nivået i beholderen.

En nivåindikator av denne type er beskrevet i den italienske patentsøknad nr. 24279 A/81 i samme navn som i foreliggenende søknad.

Denne kjente nivåindikator er særlig pålitelig og sikker i de fleste tilfeller, særlig fordi den ikke inneholder noen transparente komponenter. Slike transparente komponenter har mindre totalstyrke og det er ofte vanskelig å se det aktuelle nivå. Slike indikatorer kan også komme i en kritisk tilstand, fordi væsken hvis nivå skal indikeres, ofte står under høyt trykk og temperatur i beholderen.

Flottøren med magneten må kunne arbeide under slike forhold uten fare for ødeleggelse under påvirkning av trykk og temperatur. Det skal i denne forbindelse spesielt nevnes at flottøren må ha en lett utførelse, nettopp fordi det dreier seg om en flottør.

Som et eksempel på en krevende arbeidssituasjon kan nevnes dampgeneratorer, eksempelvis i termoelektriske anlegg, hvor man arbeider med en vanntemperatur opptil 370", svarende til et likevekttrykk på 220 bar, og med en vanntetthet på rundt 0 ,5 gr/cm3 .

Under slike forhold må flottøren ha en lett konstruktiv utførelse nettopp fordi vannet har lav tetthet. En vanlig flottør vil ofte ikke være i stand til å tåle påkjenningene i en slik forbindelse. Det er mulig å bruke trykksatte flottører, dvs. flottører som har et innvendig trykk som delvist utbalanserer det ytre trykk, men også slike flottører egner seg dårlig for innsats under ekstreme forhold. Grunnen til dette er at de må trykksettes til et nivå som ligger altfor høyt ved omgivelsestemperatur, dersom flottørene skal være i stand til å motstå det utvendige trykk som hersker ved arbeidstemperaturen.

Det er også mulig å benytte en mengde av en fordampende væske inne i flottøren, dvs. en væske hvis fordampningstrykk øker raskt med temperaturen, eksempelvis i samme grad som den utvendige væske, men en slik innvendige væske kan bare benyttes i meget små mengder, for ikke å forstyrre flottørens flyteevne. Dessuten er det et problem under varmeoverføring-en. Når nemlig temperaturen inne i flottøren adskiller seg fra temperaturen på utsiden, vil det ikke lenger foreligge noen likevekt mellom innvendig og utvendig trykk, og dette kan føre til ødeleggelse av flottøren.

Det foreligger derfor et behov for en flottør for magnetisk nivåindikasjon, hvilken flottør er i stand til å tåle krevende arbeidspåkjenninger uten fare for ødeleggelse i overgangsfasene.

Ifølge oppfinnelsen foreslås det derfor en trykksatt magnetisk flottør-nivåindikator for beholdere som inneholder væsker under høyt trykk og temperatur, hvilken indikator innbefatter et rørformet legeme med vertikal akse og lukket i begge ender. Det rørformede legeme kommuniserer i toppen og i bunnen med en beholder som inneholder den væske hvis nivå skal indikeres. I det rørformede legeme er det plassert en flottør forsynt med et magnetisk element beregnet for orientering av flere dreibare magnetiske dipoler som er radet opp parallelt med det rørformede legeme.

Ifølge oppfinnelsen er flottøren forsynt med forsterkede innerringer som i krav l's karakteristikk.

Innerringene er fordelaktig plassert relativt tett på hverandre og en magnetisk dipol er slik opplagret at den kan dreie seg fritt om en vertikal akse mellom et par hosliggende innerringer.

I en foretrukken utførelse utgjøres den fordampende blanding i flottøren fordelaktig av en mengde av den væske som inneholdes i den beholder hvortil indikatoren er knyttet. Særlig for bruk i trykkvann under høy temperatur, utgjøres den fordampende blanding i flottøren av en vannmengde som i løsning inneholder en gass som kan utskilles, sammen med helium, idet det hele holdes under et trykk som er større enn atmosfæretrykket ved omgivelsestemperaturen.

I en foretrukken utførelse, for bruk i trykkvann under høy temperatur, kan den utskillbare gass være ammoniakk mens den lette gass er helium.

For bruk i trykksatt vann under høy temperatur inneholder flottøren fordelaktig vann med oppløst gass i en mengde på mellom ca. 1/200 og 1/20 av det innvendige volum. Flottøren inneholder særlig fordelaktig en løsning av 20$ til 50$ ammonmiakk i vann, samt helium, under et trykk på mellom 20 og 70 bar under omgivelsestemperaturen.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et oppriss av en nivåindikator med en

flottør ifølge oppfinnelsen,

fig.2 viser et aksialsnitt gjennom flottøren, og

fig. 3 viser et trykk/temperatur-diagram for flot-tørens arbeidstilstand.

I fig. 1 er det vist en magnetisk nivåindikator anbragt i forbindelse med en lukket og trykksatt beholder 1. Beholderen 1 kan eksempelvis være en sylindrisk beholder i en dampkjel. Nivåindikatoren består av et rørformet element 2 med en vertikal akse. Dette rørformede element er lukket i begge ender og har forbindelse med beholderen 1 gjennom sidestusser 3. Her er det lagt inn ventiler 4 som er åpne under drift. I det rørformede element 2, hvor væskenivået er det samme som i beholderen 1, er det anordnet en flottør 5 som ved sin flytelinje er forsynt med en permanentmagnet. Parallelt med det rørformede element 2 er det anordnet flere små sylindre 6 med horisontale akser. Disse er dreibart opplagret i hus 7 og er forsynt med indre magnetiske elementer hvis akser går på tvers av rotasjonsaksene.

Disse små sylinderne orienteres under påvirkningen av den magnet som er inkorporert i flottøren 5. Ved hjelp av ulik farving av deres overflater kan man få en indikasjon av flottørens stilling og derved også en indikasjon av væskenivået i elementet 2 og i beholderen 1.

For bruk under særlig krevende forhold, dvs. ved høye trykk og høye temperaturer, og særlig i forbindelse med dampkjeler, hvor den væske hvis nivå skal måles er vann som vil ha en relativ lav tetthet, må flottøren dessuten ha særlig gode egenskaper med hensyn på styrke og letthet. Oppbyggingen av flottøren ifølge oppfinnelsen, beregnet for å tåle forhold-ene, under utnyttelse av en innvendig trykksetting, er vist i fig. 2. Flottøren består av et sylindrisk legeme 8 som er lukket i begge ender ved hjelp av halvsfæriske avslutninger 9. Det sylindriske legeme 8 er forsynt med innvendige forsterkende ringer 10.

Magneten 11 er anordnet i flytenlvået til enheten, mellom to innerringer 10, og er dreibart opplagret om flottørens lengdeakse, på tvers av magnetiseringsaksen, i to plater 12. Disse platene er fastsveiset til de respektive ringer 10.

For oppnåelse av sveisesømmer som gir garanti for full strukturell fasthet mellom det sylindriske legeme og ringene 10, er legemet 8 bygget opp av sammenstilte sylindriske segmenter. Hvert slikt segment har en høyde tilsvarende avstanden mellom to påhverandre følgende ringer og de er sveiset sammen og til ringene ved hjelp av sveisesømmer 13. Gjennom et rør 14 kan flottørens indre fylles med væske og trykkgass. Flottøren kan så lukkes for derved å opprettholde det ønskede innvendige trykk.

For at flottøren skal være så lett at den vil kunne flyte i en væske hvis tetthet kan ha en verdi på ca. 0,5 gr./cm5 , noe som er tilfelle for trykkvann ved en temperatur på mellom 350° og 360° , og for å sikre at flottøren kan tåle det utvendige driftstrykk, er den fordelaktig fremstilt av titan.

Den mekaniske struktur som oppnås på denne måte, vil imidlertid ikke være tilstrekkelig i seg selv til å tåle de trykk som hersker under samtlige temperaturforhold, og derfor må flottøren trykksettes med et innvendig trykk for utbalansering av det utvendige trykk.

Et utvendig trykk som virker på flottøren, kan bevirke bukling av flottørveggen, fordi flottørveggen ikke er særlig tykk, og hele strukturen kan derved ødelegges som følge av elastisk instabilitet, selv under belastninger som er vesentlig lavere enn de verdier som regnes som tillatelige for materialet, så fremt konstruksjonen står under et innvendig trykk. Man sikrer derfor styrken ved å la flottøren inneholde en trykksatt gassholding blanding som forskyver eller reduserer trykkubalansen på veggene.

Som vist i fig. 3 vil trykket til den væske som inneholdes i beholderen, i dette tilfelle vann, variere i samsvar med kurven 15 ved endringer av temperaturen. Trykket inne i flottøren må derfor virke mot dette ytre trykk, slik at man kan holde flottørveggene under en total spenningsbelastning, under hensyntagen til både indre og ytre trykk, som ikke er vesentlig større enn de sikre verdier som gjelder for materialet under de aktuelle temperaturforhold.

For en i det minste delvis utbalansering av det ytre trykk kan en lett trykksatt gass såsom helium innføres i flottøren. Med økende temperatur vil imidlertid det indre trykk i flottøren følge kurven 16 i fig. 3. Denne kurve 16 har et i hovedsaken lineært forløp, i samsvar med gasslovene.

Man vil av dette se at over en viss temperatur vil det innvendige trykk, som til å begynne med er større enn det ytre trykk, bli vesentlig lavere enn det ytre trykk. Det betyr at flottøren utsettes for en buklingsfare. Det er ikke mulig å øke den begynnende trykksetting av flottøren utover en viss grense, fordi man ellers ville utsette flottørveggen for altfor store spenningspåkjenninger når det ytre trykk er lavt.

Inne i flottøren benyttes det derfor en liten mengde av en blanding av en fordampende væske og en gass som er løst i væsken. Blandingen skal ha en fordampningstrykkurve som ligger tett opptil den som gjelder for den væske som flottøren flyter i, dvs. i dette tilfelle vann, uten at den blandingsmengde som innføres i flottøren for oppnåelse av en adekvat kompensasjon, er så stor at den i for stor grad øker flottørens vekt.

For bruk i forbindelse med trykkvann, slik tilfellet er i forbindelse med sylindriske kjeler, benyttes det som blanding en mengde av vann med en deri oppløst ammoniakk-mengde.

Den totale mengde av væskeblanding er fordelaktig mellom 1/200 og 1/20 av det innvendige volum, med ammoniakk i en konsentrasjon på 20 - 50$, idet trykksettingen oppnås med helium under et trykk på mellom 20 og 70 bar ved omgivelsestemperatur .

Eksempelvis vil en flottør med et volum på ca. 1 liter og en vekt på 500 gram, og beregnet for bruk i trykkvann med en temperatur opptil 360-380°, inneholde en total mengde av væskeblanding på mellom 5 og 50 cm5 , med ammoniakk i den foran nevnte konsentrasjonsmengde.

Blandingen er beregnet til under overgangen fra omgivelsestemperatur og- trykk, eksempelvis ca. 20° og 1 bar, til maksimalt arbeidstrykk og- temperatur, å gi en rask begynnende øking av det innvendige trykk som følge av det trykk som ammoniakken utøver, helt frem til fullstendig utskilling. Derfra vil det skje en progressiv trykkøkning som stort sett skyldes damptrykket og som i hovedsaken vil være lik den trykkendring som skjer med temperaturen i den ytre væske, helt til arbeidstrykk og- temperatur er nådd, i samsvar med kurve 17 i fig. 3. Denne kurve 17 er fremkommet ved forsøk.

Som fig. 3 viser vil det trykket som blandingen i flottøren gir, ikke øke utover en viss grense, og vil ha et forløp som ligner forløpet til kurven 15, som er representativ for den ytre væske. Verdien S, mellom det utvendige trykk som virker på flottøren og det innvendige trykk i flottøren, og som utgjør den absolutte trykkverdi for det ytre trykk som virker på flottøren, er av en slik verdi at den forsterkede flottør kan tåle denne påkjenning.

Under en kjøling av enheten vil temperaturen i flottøren holde seg høyere enn yttertemperaturen, som følge av den begrensede termiske ledningsevne til det materiale som er benyttet i flottørveggen. Det betyr at det innvendige trykk i flottøren vil være høyere enn verdien i likevektstilstanden og vil følge en kurve 18. Den har et forløp i likhet med kurven 17, men er forskjøvet vesentlig mot venstre, dvs. i retning mot lavere temperaturverdier.

På grunn av dette fenomen må det sørges for at kurven 18 holder seg under kurven 19. Kurven 19 viser det innvendige trykk ved hvilket materialet vil gi etter ved tilstedevær-elsen av et ytre trykk i samsvar med kurven 15. Det vil si at temperaturen og det innvendige trykk i flottøren må hindres i å anta en for høy verdi i forhold til det ytre trykk under den termiske kjølefase, fordi det ellers vil være en fare for ødeleggelse av flottørens struktur.

Kurven 20 i fig.3 viser trykket i flottøren svarende til flytespenningen i materialet, beregnet rent teoretisk og uten utvendig trykk.

Av fig. 3 går det frem at man kan tåle en viss kryssing mellom kurve 18 og kurve 19, under forutsetning av at området har begrenset utstrekning. Under slike forhold vil man få en lett permanent deformering av materialet som følge av det innvendige trykk, men denne deformasjon vil være av kontroll-erbar art og vil medføre at flottøren inntar en form som gir den større motstand, uten å gi opphav til riss og lignende. Spenningspåkjenningen vil i alle tilfeller være et resultat av et innvendig trykk og vil derfor ikke føre til problemer i form av instabilitet og bukling.

Blandingen ifølge oppfinnelsen gjør det således mulig å trykksette flottøren slik at når temperaturen øker vil det indre trykk i flottøren øke på en måte som ligner økingen til det ytre trykk. Det betyr at man kan holde flottørveggen i en utbalansert tilstand eller i det minste i en tilstand hvor man har en delvis kompensasjon av trykkforskjellen, uten at det oppstår ekstra spenninger i forbindelse med forsinkelser i tilpassingen mellom indre og ytre forhold.

Selv om flottøren foran er beskrevet i forbindelse med bruk av ammoniakk som er løst i vann, så kan man også benytte en annen substans som er lett løselig i vann under omgivelsestemperatur og som således raskt skilles ut ved en temperatur-øking, med tilhørende øking av trykket, slik at man under alle forhold oppnår en kompensering av det ytre trykk slik at flottørveggen kan holdes i en motstandsdyktig tilstand.

Flottøren er foran beskrevet i forbindelse med bruk i vann som har høy temperatur og høyt trykk. Flottøren kan naturlig-vis også benyttes i forbindelse med andre væsker. Den fordampende blanding som inneholdes i flottøren velges ut i fra den enkelte anvendelse, for å sikre den ønskede indre trykkvariasjon.

Claims (8)

1. Trykksatt magnetisk flottør-nivåindikator for beholdere som inneholder væske under høyt trykk og temperatur, innbe-fattende et rørformet legeme (2) med en vertikal akse og lukket i begge ender, hvilket legeme i topp og bunn har forbindelse (3) med en beholder (1) som inneholder den væske hvis nivå skal indikeres, idet det inne i det rørformede legeme (2) forefinnes en flottør (5) forsynt med et magnetisk element (11) beregnet for orientering av flere dreibare magnetiske dipoler (6) som er anordnet parallelt med det rørformede legeme (2),karakterisert ved at flottøren (5) er forsynt med forsterkende innerringer (10) og er trykksatt med en fordampende blanding som i det minste innbefatter en vannløselig gass og helium, idet fordamp-ningstrykket til blandingen i flottøren (5) varierer med endringer i temperaturen og trykket til væsken i beholderen, for derved i det minste delvist å utbalansere trykket på utsiden av flottøren.

2. Trykksatt magnetisk flottør-nivåindikator ifølge krav 1, karakterisert ved at innerringene (10) er anordnet relativt tett på hverandre, idet en magnetisk dipol (11) er opplagret for fri dreiebevegelse om en vertikal akse mellom et par hosliggende innerringer (10).

3. Trykksatt magnetisk flottør-nivåindikator ifølge krav 1, karakterisert ved at blandingen også inneholder en mengde av den væske som inneholdes i den beholder (1) hvortil indikatoren (2) er knyttet.

4. Trykksatt magnetisk flottør-nivåindikator ifølge krav 3, karakterisert ved at for bruk i forbindelse med trykkvann under høy temperatur består den fordampende blanding i flottøren (5) av en vannmengde som i løsning inneholder en gass som kan utskilles, sammen med helium, idet det hele holdes under et trykk større enn atmosfaeretrykket ved omgivelsestemperatur.

5. Trykksatt magnetisk flottør-nivåindikator ifølge krav 4, karakterisert ved at for bruk i trykkvann med høy temperatur er den utskillbare gass ammoniakk.

6. Trykksatt magnetisk flottør-nivåindikator ifølge krav 4, karakterisert ved at for anvendelse i trykkvann med høy temperatur, inneholder flottøren (5) en ammoniakkinneholdende vannmengde på fra 1/200 til 1/20 av flottørens indre volum.

7. Trykksatt magnetisk flottør-nivåindikator ifølge krav 6, karakterisert ved at for anvendelse i trykkvann med høy temperatur, inneholder flottøren (5) en løsning av ca. 20$ til 50% ammoniakk i vann.

8. Trykksatt magnetisk flottør-nivåindikator ifølge krav 4, karakterisert ved at for bruk i trykkvann ved høy temperatur, er helium til stede i flottøren (5) under et trykk ved omgivelsestemperatur på mellom 20 og 70 bar.