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Einrichtung zur Entnahme eines im Siedezustand befindlichen verflüssigten
Gases aus einem wärmeisolierten Behälter mittels Kreiselpumpe Die Erfindung betrifft
eine Einrichtung zur Entnahme eines im Siedezustand befindlichen verflüssigten Gases,
sogenannten Flüssiggases, aus einem wärmeisolierten Behälter, z. B. in Flüssiggastransportschiffen,
mittels Kreiselpumpe. Dabei soll das Flüssiggas in der flüssigen Phase bis auf einen
möglichst geringen Rest aus dem Behälter entnehmbar sein, d. h., die Entnahme
des Flüssiggases aus dem Behälter soll im vorliegenden Fall praktisch bis zu einer
Entleerung des Behälters durchgeführt werden können. Die vorliegende Erfindung ist
in erster Linie für Behälter gedacht, deren Lage nicht gestattet, das zu entnehmende
Flüssiggas einfach aus dem Behälter ablaufen zu lassen, sondern erfordert, es von
einem tieferliegenden Flüssiggasspiegel im Behälter auf ein höheres Niveau drücken
zu müssen. Es ist bereits bekannt, für diesen Zweck in Bodennähe des Behälters angeordnete
Kreiselpumpen zu verwenden. Um eine schädliche Dampfbildung (Kavitation) in der
Kreiselpumpe zu vermeiden, darf an keiner Stelle des Flüssig-asstromes ein geringerer
Druck als der jeweils zugeordnete Sättigungsdruck herrschen. Daher muß vor dem Laufradeintritt
der Kreiselpumpe mindestens die sogenannte Mindestzulaufhöhe vorhanden sein und
erhalten bleiben, deren Größe sich aus den auftretenden Druckhöhenverlusten der
Flüssiggasströmung und Äquivalenten der unvermeidlichen, von außen einwandernden
Wärmemengen ergibt. Um die Mindestzulaufhöhe herabsetzen zu können, sind eine Reihe
von Maßnahmen bekannt, wie z. B. pumpenseitig ein großer Eintrittsquerschnitt ins
Laufrad, ein kleiner Nabendurchmesser, ein Vorziehen der Laufradschaufeln in den
Einlauf des Rades, eine Verjüngung der Schaufelanfänge, eine vorteilhafte Wahl von
Eintrittswinkel und Drehzahl usw. oder anordnungsseitig ein Vorpumpen des Flüssiggases
oder andere Maßnahmen, die dem zulaufenden Flüssiggas bereits vor dem Eintritt in
das Laufrad eine erhöhte Geschwindigkeit erteilen, so daß der Druckabfall durch
Umsetzung von Druck- in Geschwindigkeitshöhe wenigstens zum Teil vor das Laufrad
gelegt und demzufolge im Laufrad herabgesetzt ist. Trotz derartiger Maßnahmen bleibt
aber die Mindestzulaufhöhe noch so groß, daß der Behälter nicht unter eine gewisse
Höhe des Flüssiggasspiegels ausgepumpt werden kann; es verbleibt noch so viel Flüssiggasmenge
im Behälter, daß in diesen Fällen von der Möglichkeit einer Entleerung des Behälters
nicht gesprochen werden kann. Der bekannte Vorschlag, die Mindestzulaufhöhe für
die Pumpe durch eine Erhöhung des Dampfdruckes über dem Flüssigkeitsspiegel im Behälter
herabzusetzen, ist nur sehr bedingt von Nutzen, da eine derartige Druckerhöhung
das Sättigungsgleichgewicht zwischen Dampf und Flüssigkeit stört und damit im Behälter
einen labilen Zustand des Flüssiggases schafft. Infolge der bei Erhöhung des Dampfdruckes
eintretenden Veränderung des Gleichgewichtszustandes zwischen Dampf und Flüssigkeit
setzt ein in seiner Größe schwer bestimmbarer Wärmeaustausch zwischen Dampf und
Flüssigkeit ein, der zu völlig unkontrollierbaren Zustandsänderungen im Flüssiggas
führt, wenn, wie meist unvermeidlich, innere oder von außerhalb verursachte Bewegungsvorgänge
hinzukommen. Diese Vorgänge bewirken letztlich eine Steigerung der Temperatur des
der Pumpe zuströmenden Flüssiggases und damit eine Erhöhung der Gefahr einer Dampfbildung
in der Pumpe, wodurch die mit einer Dampfdruckerhöhung über dem Flüssigkeitsspiegel
beabsichtigte Wirkung in einem vorher nicht bestimmbaren Maß herabgesetzt wird,
was, um diese Wirkung doch noch zu erreichen, zu einer weiteren Drucksteigerung
über dem Flüssigkeitsspiegel zwingt. Die demnach erforderliche Dampfdruckerhöhung
setzt Behälter voraus, die diesen verhältnismäßig hohen Druck auch aushalten. Derartige
Behälter haben einen entsprechend hohen Materialbedarf, sind also schwer und teuer,
setzen, soweit es sich um Transportmittel handelt, die Nutzlast herab, sind also
insgesamt vor allem im Hinblick darauf, daß sie nur wegen einer, bezogen auf die
Gesamtbetriebszeit, sehr kurzen Entleerungszeit so schwer gebaut sein müssen, vollkommen
unwirtschaftlich.
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Um die Aufgabe zu erfüllen, die Entnahme des Flüssiggases bis zu einer
fast vollständigen Entleerung des Behälters durchführen zu können, wobei
nachteilige
Wirkungen der vorstehend angeführten Erscheinungen weitestgehend vermieden und wegen
des baulichen und energetischen Aufwandes die Erhöhung des Dampfdruckes über dem
Flüssigkeitsspiegel auf ein Mindestmaß herabgesetzt sein sollen, ist bereits eine
Einrichtung zur Entnahme eines im Siedezustand befindlichen verflüssigten Gases
aus einem wärmeisolierten Behälter mit einem nahe dessen Boden angeordneten Zulauf
zu einer Kreiselpumpe und einer an diese angeschlossenen Förderleitung für das Flüssiggas
und mit einer absperrbaren Gasleitung zum Einführen von Druckgas in den Behälter,
wobei das Einführen des Druckgases beginnt, sobald der Flüssiggasspiegel im Behälter
auf eine bestimmte Zulaufhöhe der Kreiselpumpe abgesunken ist, bekanntgeworden,
bei der über dem Boden des Behälters gasdichte, mit Flüssiggas füllbare
Kammern
angeordnet sind, die einen eine Kreiselpumpe aufnehmenden Schacht
aussparen, wobei die Schachthöhe mindestens der Mindestzulaufhöhe der Kreiselpumpe
entspricht. Zur Entleerung des Behälters kann das Flüssiggas durch Einspeisung eines
Gases in die Kammern unter Aufwendungeines vergleichsweise niedrigen Druckes aus
diesen in den Schacht gedrückt und aus diesem durch die Pumpe auf ein über dem Behälter
liegendes Niveau befördert werden. Eine Ausführung dieses Vorschlags würde einen
sehr großen Materialaufwand für die Kammein und kompliziert ausführbare Verankerungen
zwischen den Kammer- und Behälterwänden erfordern, so daß damit beachtliche Mehrkosten
und eine Nutzlastherabsetzung verbunden wären.
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Außerdem entstehen dabei äußerst schwierig lösbare Probleme der Abdichtung
der Kammern, da bei den gegebenen Betriebstemperaturen und Behälterdimensionen der
Materialschwund ganz be-
achtliche Werte erreicht. Dieser Vorschlag zur Ausbildung
der vorstehend beschriebenen Einrichtung ist demnach mit mehreren nachteiligen Begleiterscheinungen
verbunden, die erfindungsgemäß ins-esamt durch eine verbessernde Lösung zur Ausgestaltung
der beschriebenen Einrichtung beseitigt werden sollen. Diese ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Gasleitung in an sich bekannter Weise oben in den Behälter führt, und daß
der Zulauf zur Kreiselpumpe in einem becherartigen Gefäß vorgesehen ist, das in
einer glockenartigen Kammer sitzt, welche mit ihrem unteren offenen Ende etwas über
dem Boden des Behälters und mit ihrem oberen Ende in ein aus dem Behälter herausragendes
Steigrohr mündet.
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Diese erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einbauten haben unter anderem
die Vorteile, daß sie im Hinblick auf den Aufwand praktisch überhaupt nicht ins
Gewicht fallen und im Hinblick auf den Behälter diesen völlig unbeeinflußt lassen.
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Ferner ist es vorteilhaft, daß die Wirkung unvermeidlicher, aber unkontrollierbarer
Wärmeeinwanderung in das Flüssiggas, z. B. aus der Umgebung durch die Behälterwand
und die Isolation und aus dem Dampfraum, ausgeschaltet wird, so daß sich vorausbestimmbare
Werte für die Mindestzulaufhöhe während des ganzen Entleerungsvorganges ermitteln
lassen, die sich durch die damit gegebene Vorherbestimmbarkeit der erforderlichen
Erhöhung des Druckes über dem Flüssigkeitsspiegel leicht einhalten lassen. NEt der
erfindungsgemäßen Einrichtung st das zu pumpende Flüssiggas aus dem Behälter der
unter niedrigerem Druck als der Behälter gehaltenen, oben abschließbaren, glockenartigen
Kammer von unten zuführbar, dabei wird der bei der Druckminderung im Flüssiggas
entstehende Dampf in den über dem Flüssiggasspiegel in der Kammer befindlichen Dampfraum
ausgeschieden, so daß in vorteilhafter Weise mit Sicherheit nur dampfblasenfreies
Flüssigaas in das innerhalb des FlüssigtD gases befindliche becherartige Gefäß weitergeleitet
D C, und von dessen bodennahen Teil abgepumpt wird.
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Als zweckmäßige Ausgestaltungsformen können die glockenartige Kammer
innerhalb des Behälters und/oder die Kreiselpumpe am Boden des becherartigen Gefäßes
angeordnet sein. Um den Einfluß des im Behälter befindlichen Flüssiggases auf das
in der glockenartigen Kammer befindliche Flüssiggas mö-lichst auszuschalten,
ist es vorteilhaft, die glockenartige Kammer mindestens im Bereich vom tiefsten
im Behälter erreichbaren Flüssiggasspiegel bis zum höchsten in der Kammer gehaltenen
Flüssig-"asspiegel mit einer wärmeisolierenden Wandung auszuführen. Eine besonders
vorteilhafte Ausführung der Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer,
das Steigrohr, das becherartige Gefäß und in diesen ein von der K-reiselpumpe durch
eine domartige Ausbildung des Steigrohres geführtes Flüssig-asförderrohr koaxial
zueinander angeordnet sind, eine oberhalb der domartigen Ausbildung ana gasförder-"etriebene
Pumpenwelle durch das Flüssig" rohr geführt ist und eine Gasentnahmeleitung an die
domartige Ausbildung angeschlossen ist.
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Um jederzeit an die 1,Creiselpumpe, ihr Laufrad, ihre Lagerung und
Abdichtung heranzukommen, ist es zweckmäßig, eine Ein- und Ausbaubarkeit der an
das Flüssiggasförderrohr angeflanschten Kreiselpumpe aus dem becherartigen Gefäß
-und aus der a ockenartioen Kammer durch die domartige Ausbildung
des Steigrohres vorzusehen.
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In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Längsschnitt dargestellt. Dabei zeigt F i g. 1 die Anordnung einer Kreiselpumpe
mit liegender Welle außerhalb des Behälters und F i g. 2 die Anordnung einer
Kreiselpumpe mit stehender Welle am Boden des becherartigen Gefäßes, also innerhalb
des Behälters.
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In F i g. 1 ist ein Behälter zur Lagerung oder zum Transport
von Flüssiggas, wie z. B. bei tiefer Temperatur siedendem 02, N2, H2, CH41
C2H4 od. dgl. dargestellt, der aus einem Innenbehälter 1, einem Außenmantel
2 und einer zwischen beiden angeordneten Isolationsschicht 3 besteht. Im
Innenraum 4 des Innenbehälters 1 ist eine glockenartige Kammer
5
angeordnet, die zumindest annähernd bis zum Boden des Innenbehälters
1 reicht und an dieser Stelle eine Flüssiggasströmung aus dem Innenraum 4
in den Innenraum 6 der Glocke 5 gestattet. Aus der glockenartigen
Kammer 5 führt ein Steigrohr 7 in einen isolierten Dom 8, der
am Außenmantel 2 angebracht ist. An das Steigrohr 7 schließen sich im Dom
8 einerseits ein Dampfentnahmerohr 9, das nach außen führt, und andererseits
ein Verbindungsrohr 10 zu einer Gasleitung 11, die von außen etwa
zur höchsten Stelle des Innenraumes 4 führt, an. Das Verbindungsrohr 10 ist
mit einem Absperrventil 12 versehen. In der Gasleitung 11 ist ein Absperrventil
13 anovordnet. In der Glocke 5 befindet sich ein C
oben offenes
und in Bodennähe des Innenbehälters 1
abgeschlossenes becherartiges
Gefäß 14, aus dem eine in Bodennähe angeordnete Saugleitung 15 zu einer isoliert
untergebrachten Kreiselpumpe 16 führt. Ein Ventil 17 dient der Abschließbarkeit
der Saugleitung 15. Von der Kreiselpumpe 16 führt eine mittels eines
Ventils 18 absperrbare Flüssiggasförderleitung 19, die ebenfalls isoliert
ist, etwa mindestens bis in die Höhe des Behälters und von dort z. B. zu einem Verbraucher.
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In der F i g. 2 sind die Teile, die Teilen in der F i
g. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der grundlegende
Unterschied besteht darin, daß eine Kreiselpumpe 21 innerhalb des becherartigen
Gefäßes 14 und unmittelbar über dessen Boden angeordnet ist, wobei die Kreiselpumpe
21 mittels einer stehenden, durch den Behälter und den Dom nach oben geführten Pumpenwelle
22 angetrieben ist. Die Austrittsseite der Kreiselpumpe 21 ist mit einer Flüssiggasförderleitung
23 verbunden, die ebenfalls durch den Behälter nach oben und am Dom
8 aus diesem herausgeführt ist. Als Vereinigung besonderer Vorteile ist es
anzusehen, daß die Flüssiggasförderleitung 23 koaxial mit der Pumpenwelle
22 angeordnet ist, so daß sich ungünstige Einflüsse, unter anderem durch Wärmeeinwanderung
durch die Pumpenwelle, nicht auf das der Pumpe 21 zuströmende Flüssiggas auswirken
können. Das becherartige Gefäß 14 und die glockenartige Kammer 5 haben im
wesentlichen eine zylindrische Gestalt und eine zur Pumpenwelle 22 koaxiale Anordnung.
Dabei ist die glockenartige Kammer 5 im oberen Teil 24 verjüngt ausgeführt,
wobei dessen lichte Weite genau der lichten Weite des becherartigen Gefäßes 14 entspricht,
so daß die Kreiselpumpe 21 mit ihrer Pumpenwelle 22 und der Flüssiggasförderleitung
23 vermittels der Abstandhalter 25, 26 und 27 konzentrisch
in dem oberen Teil 24 bzw. dem becherartigen Gefäß 14 geführt ist, wodurch sich
lediglich durch Lösen der Deckel 28 und 29 eine leichte Aus- und Einbaubarkeit
der Pumpe 21 ergibt.
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Eine Entnahme von Flüssiggas aus dem Innenraum 4 kann, solange sich
die Höhe des Flüssiggasspiegels über der Mindestzulaufhöhe für die Kreiselpumpe
befindet, durch einfaches Inbetriebsetzen der Kreiselpumpe bei geöffnetem Ventil
12 erfolgen, da in diesem Fall über dem Flüssigkeitsspiegel im Innenraum 4 und über
dem Flüssiggasspiegel in der Kammer 5 der gleiche Gasdruck herrschen muß,
also die Flüssigkeitsspiegel auf gleicher Höhe stehen. Solange der Flüssiggasspiegel
im Tank über der Mindestzulaufhöhe der Pumpe liegt, sind für den Pumpvorgang keine
Schwierigkeiten zu erwarten. Spätestens dann, wenn sich die Höhe des Flüssiggasspiegels
im Innenraum 4 der Mindestzulaufhöhe der Pumpe nähert, wird das Ventil 12 geschlossen,
das Ventil 13 geöffnet und durch die Gasleitung 11 ein Gas, das
je nach den Gegebenheiten die gasförinige Phase des Flüssiggases oder ein
Fremdgas sein kann, in den Dampfraum im Innenraum 4 über den Flüssiggasspiegel eingeblasen.
Damit ist eine Erhöhung des Druckes im Innenraum 4 gegenüber dem im Innenraum
6 herrschenden Druck erreichbar. Eine sich daraus ergebende Druckdifferenz
bewirkt eine Differenz in der Höhe der Flüssiggasspiegel im Innenraum 4 und im Innenraum
6, wobei die Höhendifferenz der Flüssigkeitsspiegel der Druckdifferenz zwischen
den Dampfräumen entspricht. Ist also der Dampfdruck im Innenraum 4 größer als der
im Innenraum 6, dann muß der Flüssigkeitsspiegel im Innenraum 6 um
das der Druckdifferenz entsprechende Gewicht der Flüssigkeitssäule höher stehen
als der im Innenraum 4, so daß sich trotz des durch die Flüssiggasentnahme verursachten
Ab-
sinkens des Flüssiggasspiegels im Innenraum 4 mittels der Dampfdruckerhöhuno"
im Innenraum 4 eine Mindesthöhe des Flüssigkeitsspiegels im Innenraum
6 einhalten läßt, die mindestens der Mindestzulaufhöhe der Pumpe entspricht.
Das am unteren Rand der Glocke 5 aus dem Innenraum 4 in den Innenraum
6 einströmende Flüssiggas, das sich in einem zumindest schwer definierbaren
Zustand befindet, wird beim Eintritt in den Innenraum 6 entspannt. Bei der
Entspannung entstehender Dampf kann im Flüssigkeitsraum zwischen dem Mantel der
Glocke 5 und dem Mantel des becherartigen Gefäßes 14 in Form von Dampfblasen
hochperlen und wird im Innenraum 6 über dem Flüssigkeitspiegel gesammelt
und kann zur Vermeidung einer Druckerhöhung im Innenraum 6 durch das Steigrohr
7 und das Gasentnahmerohr 9 abgeführt werden. Damit bekommt das in
das becherartige Gefäß 14 und von dort in die Kreiselpumpe 16 bzw. 21 einströmende
Flüssiggas einen genau festlegbaren stabilen Zustand, der in Verbindung mit dem
höheren Flüssigkeitsstand im Innenraum 6 ein einwandfreies Arbeiten der Kreiselpumpe
gewährleistet. Diese Anordnung ermöglicht eine nahezu vollkommene Entleelung des
Behälters bei weitgehender Unabhängigkeit von der Höhendifferenz zwischen dem Flüssiggasspiegel
im Behälter und dem Eintrittsquerschnitt der Pumpe. Je nach dem Maß der Druckerhöhung
über dem Flüssiggasspiegel im Behälter kann dabei die Entleerung sogar bis unterhalb
der Höhe des Eintrittsquerschnittes der Pumpe erfolgen, also praktisch bis zum unteren
Rand der Glocke 5. Der untere Rand der Glocke 5 kann dabei so nahe
an den Behälterboden gelegt werden, daß gerade noch genügend Querschnitt für die
aus dem Innenraum 4 in den Innenraum 6 einströmende Flüssigkeit bleibt. Das
Dampfentnahmerohr 9 kann in die Atmosphäre oder zweckmäßig in einen Gasometer
geführt sein. Um bei der Entleerung die erforderliche Dampfdruckerhöhung im Innenraum
4 möglichst niedrig zu halten, ist es anzustreben, den Eintrittsquerschnitt der
Pumpe möglichst tief anzuordnen. Sollte dies jedoch aus gegebenen Gründen nicht
zweckmäßig sein, so läßt sich trotzdem mit der gezeigten Anordnung eine praktisch
vollkommene Entleerung des Tankinhaltes durchführen. Bei gegebenem Gegendruck im
Dampfentnahmerohr 9, z. B. dem Atmosphärendruck oder einem Gasometerdruck,
läßt sich die zur Flüssiggasentnahme bis zur Entleerung erforderliche Steigerung
des Druckes im Dampfraum des Innenraumes 4 vorausbestimmen. Diese Steigerung des
Druckes im Innenraum 4 kann in Abhängigkeit vom sinkenden Flüssigkeitsstand im Innenraum
4 durch laufendes Einblasen von Gas durch die Gasleitung 11 erfolgen, oder
es kann der maximal erforderliche Druck im Dampfraum des Innenraumes 4 aufgebaut
und dann in gleicher Höhe aufrechterhalten werden. Dabei kann die Steuerung des
im Dampfraum des Innenraumes 4 befindlichen Druckes in Abhängigkeit von der jeweiligen
Höhe des Flüssigkeitsspiegels im Innenraum 4 durchgeführt werden, statt der Tauchpumpe
mit ihrer nach oben geführten
Welle ist es z. B. auch möglich,
ein Pumpen-Motor-Aggregat am Boden des becherartigen Gefäßes anzuordnen. Schließlich
seien noch die mögliche Vereinigung von Teilen des Behälters und Mantelteilen der
Kammer und/oder des Gefäßes und von Mantelteilen der Kammer und Mantelteilen des
Gefäßes und die Anordnung der Kammer außerhalb des Innenraumes des Behälters, z.
B. auch an der äußeren Behälterwand als weitere besondere Ausführungsbeispiele erwähnt.