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Verfahren und Vorrichtung zum Nachfüllen eines Flüssigkeitsbehälters
mit verflüssigtem Gas Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Nachfüllen eines mit einer verschließbaren Entlüftungsleitung und einer Entnahmeleitung
ausgestatteten Flüssigkeitsbehälters mit verflüssigtem Gas aus einem mit ihm verbundenen,
unter höherem Druck stehenden Vorratstank.
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Geräten, die bei tiefer Temperatur arbeiten, beispielsweise Adsorptionsvorrichtungen
in Analysenapparaturen, müssen Kühlmittel, wie flüssiger Stickstoff oder Sauerstoff
oder flüssige Luft, zugeführt werden. Dabei ist der Bedarf an Kühlmittel in der
Zeiteinheit mitunter gering. Die einfachste Möglichkeit der Kühlung besteht darin,
den zu kühlenden Teil mit einem Dewargefäß zu umgeben und das aus dem Dewargefäß
verdampfte Kühlmittel von Zeit zu Zeit durch Nachgießen zu ergänzen. Das Nachfüllen
des offenen Dewargefäßes läßt sich beispielsweise dadurch verbessern, daß man eine
Kühlmittelleitung von einem Vorratsgefäß in das Dewargefäß münden und im Zuge des
Verbrauchs Kühlmittel nachfließen läßt. Solche Verfahren sind jedoch nicht nur-
umständlich, sondern auch unrentabel, da ein erheblicher Teil des Kühlmittels ungenutzt
verdampft.
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Eine verbesserte Möglichkeit ist die, den zu kühlenden Teil der Apparatur
mit einem Kühlmantel zu umgeben, von dem eine fest montierte Leitung zu einem Vorratsgefäß
führt, und das Kühlmittel, beispielsweise mit Hilfe von Druck oder einer Flüssigkeitspumpe,
laufend zum Kühlmittelverbraucher zu transportieren. Dabei ergeben sich bei einer
längeren Leitungsführung erhebliche Verdampfungsverluste, denen durch eine gute
Isolierung der Leitung begegnet werden muß. Das bringt jedoch den Nachteil mit sich,
daß das Auswechseln des geleerten Vorratsbehälters gegen einen vollen umständlich
und zeitraubend wird. Prinzipiell wäre es allerdings möglich, einen so großen Vorratsbehälter
zu wählen, daß der Verbrauch an Kühlmittel beispielsweise für mehrere Tage gedeckt
ist und daß der Behälterwechsel relativ selten erfolgen muß.
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In der Regel ist jedoch, beispielsweise bei Analysenapparaturen in
einem Laboratorium, für so große Vorratsbehälter kein Platz. Deshalb besteht meist
der Zwang,- mit kleinen Flüssigkeitsbehältern zu arbeiten, deren Nachfüllung oder
rechtzeitiger Ersatz durch einen gefüllten Behälter immer wieder Schwierigkeiten
bereitet.
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Die Erfindung setzt sich deshalb die Aufgabe, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zu schaffen, die es gestatten, einen in der unmittelbaren Nähe des Verbrauchers
befindlichen Flüssigkeitsbehälter, der mit einer Entlüftungsleitung ausgestattet
ist, mit einem verflüssigten Gas automatisch aus einem Vorratstank nachzufüllen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Entlüftungsleitung
in festgelegten Zeitabständen selbsttätig geöffnet und nach Füllung des Flüssigkeitsbehälters
in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsstand selbsttätig geschlossen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet in der Weise, daß auf Grund
einer Höhen- und/oder Druckdifferenz zwischen dem Vorratstank und dem Flüssigkeitsbehälter
Flüssiggas in den Flüssigkeitsbehälter strömt, sobald am Flüssigkeitsbehälter eine
Entlüftungsleitung geöffnet wird. Bei vollständiger Füllung des Flüssigkeitsbehälters
fungiert die obengenannte Entlüftungsleitung als überlaufleitung. Diese wird in
dem Moment geschlossen, wo sie im wesentlichen mit Flüssigkeit gefüllt ist, wodurch
das Nachfließen des Flüssiggases aus dem Vorratstank in den Fliissigkeitsbehälter
gestoppt wird. Erfindungsgemäß schließt sich an diesen Vorgang ein Zeitraum an,
in welchem das in der überlaufleitung befindliche Flüssiggas verdampft. Ist ein
wesentlicher Teil davon durch Aufnahme von Wärme aus der Umgebung der Leitung verdampft,
dann erfolgt erfindungsgemäß ein Druckausgleich, der eine Öffnung der Leitung bewirkt.
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Um die Verdampfungsverluste zwischen dem Vorratstank und dem in unmittelbarer
Nähe des Verbrauchers aufgestellten Flüssigkeitsbehälter möglichst klein zu halten,
ist vorgesehen, die Verbindungsleitung gut zu isolieren. Wo entsprechende Anlagen
vorhanden sind, ist es beispielsweise auch möglich, den Flüssigkeitsbehälter statt
an einen Vorratstank an eine Flüssiggasleitung anzuschließen. Die Versorgung eines
Verbrauchers mit einem kontinuierlichen kleinen Flüssiggasstrom kann von dem Flüssigkeitsbehälter
über eine zweite, relativ kurze
und enge Leitung erfolgen, die bis
nahe auf den Boden des Flüssigkeitsbehälters hinabreicht -und die nur wenig oder
nicht isoliert zu sein braucht. Das gilt auch für die dritte in den Flüssigkeitsbehälter
mündende Leitung, die sogenannte Entlüftungs- oder Überlaufleitung.
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Die Füllung des Flüssigkeitsbehälters mit Flüssiggas, z. B. flüssigem
Stickstoff oder Sauerstoff oder flüssiger Luft, aus dem Vorratstank erfolgt auf
Grund des Druckgefälles zwischen den beiden Gefäßen durch öffnen eines Ventils in
der Entlüftungsleitung. Nach erfolgter Füllung des Flüssigkeitsbehälters tritt die
weiter aus dem Vorratstank nachströmende Flüssigkeit in die Entlüftungsleitung ein,
in die zwischen dem Flüssigkeitsbehälter und dem Ventil ein schlecht wärmeisoliertes
Gehäuse eingebaut ist. Erfindungsgemäß enthält dieses Gehäuse ein Schwimmerventil,
das die Ausgangsöffnung dieses Gehäuses schließt, sobald genügend Flüssiggas in
das Gehäuse eingedrungen ist. Sobald das Schwimmerventil geschlossen hat, hört das
Nachfließen des Kühlmittels aus dem Vorratstank in den Flüssigkeitsbehälter auf.
Dabei bleibt aber das in der Leitung hinter dem Schwimmergehäuse befindliche zweite
Ventil offen. Infolge der schlechten Wärmeisolierung des Schwimmergehäuses verdampft
nun das in ihm befindliche Flüssiggas in dem Maße, wie das Gehäuse aus der Umgebung
Wärme aufnimmt, wobei der Dampf in den Flüssigkeitsbehälter zurückdrückt.
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Das Schwimmerventil ist so konstruiert, daß es nicht nur als Flüssigkeitsschwimmer
arbeiten kann, sondern auch noch geschlossen bleibt, solange der Dampfdruck im Schwimmergehäuse
und demzufolge auch im Flüssigkeitsbehälter höher ist als der Druck in der Leitung
hinter dem Schwimmergehäuse.
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Während dieser Verdampfungsperiode ist vorgesehen, das hinter dem
schlecht isolierten Gehäuse in der Leitung befindliche Ventil zu schließen.
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Einem weiteren Erfindungsgedanken zufolge ist das Schwimmerventil
mit einer geringen verstellbaren Undichtheit ausgestattet, so daß das im Schwimmergehäuse
infolge der schlechten Wärmeisolierung verdampfte Flüssiggas durch diese Undichtheit
in die vom Gehäuse wegführende Leitung eindringen kann. Dies hat zur Folge, daß
sich bei geschlossenem Ventil die Drücke im Schwimmergehäuse und in der dahinter
befindlichen Leitung allmählich ausgleichen und das Schwimmerventil demzufolge wieder
öffnet.
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Das hinter dem Schwimmergehäuse in der Entlüftungsleitung befindliche
Ventil ist vorzugsweise ein automatisch schaltbares Ventil, beispielsweise ein elektrisch
oder pneumatisch schaltbares Ventil, das mit einem Zeitschalter verbunden ist. Um
eine gute Nachfüllung des Flüssigkeitsbehälters auch dann zu gewährleisten, wenn
die Druckdifferenz zwischen dem Vorratstank und dem Flüssigkeitsbehälter und damit
auch die Strömungsgeschwindigkeit des Flüssiggases in den Flüssigkeitsbehälter relativ
klein ist, darf das Zeitintervall zwischen den einzelnen Schaltungen des automatisch
schaltbaren Ventils nicht zu klein gewählt werden. Der Fall, daß das Ventil schließt,
bevor Flüssigkeit in das Schwimmergehäuse eingedrungen ist und das Schwimmerventil
schließt, sollte tunlichst vermieden werden.
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Die drei in den Flüssigkeitsbehälter mündenden Leitungen können jede
für sich in den Hals des Behälters eingeführt und- z. B. mit Hilfe eines dreifach
durchbohrten Stopfens fixiert werden. Vorzugsweise jedoch sind die drei Leitungen
in einem Dreiwegesystem vereinigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren setzt mehrere Druckbedingungen voraus,
die sich folgendermaßen kurz zusammenfassen lassen: Die Summe aus dem Druck, unter
dem sich das Flüssiggas im Vorratstank befindet, und dem hydrostatischen Druck,
der sich aus der Niveaudifferenz zwischen dem Vorratstank und dem Flüssigkeitsbehälter
ergibt, muß stets größer sein als die Summe aus dem hydrostatischen Druck, der sich
aus der Niveaudifferenz zwischen dem Verbraucher und dem Flüssigkeitsbehälter ergibt,
und dem Druck, der notwendig ist, um das Schwimmerventil - wenn es nicht als Flüssigkeitsventil
arbeitet - gerade noch geschlossen zu halten. So ist beispielsweise für den Fall,
daß sich der Verbraucher ungefähr 1,5 m über dem Boden des Flüssigkeitsbehälters
befindet, ein überdruck von ungefähr 0,5 atü im Vorratstank hinreichend.
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Der Vorgang des Nachfüllens von Kühlmittel aus dem Vorratstank in
den Flüssigkeitsbehälter ist unabhängig davon, ob der angeschlossene Verbraucher
gerade in Betrieb ist oder nicht. Befindet sich beispielsweise der Verbraucher auf
einem höheren Niveau als die Cberlaufleitung mit dem Schwimmergehäuse und dem automatisch
schaltbaren Ventil, dann ist beim Bau einer solchen Anlage lediglich zu beachten,
daß der Druckabfall in der Entlüftungsleitung bis zum automatisch schaltbaren Ventil
so groß ist, daß im Flüssigkeitsbehälter ein Druck aufrechterhalten wird, der zur
Versorgung des Verbrauchers ausreicht. Dadurch wird vermieden, daß in dem Moment,
wo das automatisch schaltbare Ventil geöffnet wird, um den Flüssigkeitsbehälter
wieder aus dem Vorratstank zu füllen, die Versorgung des Verbrauchers mit Kühlmittel
unterbrochen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß es möglich ist,
einen Flüssiggas- oder Kühlmittelverbraucher bei vollständig oder zumindest weitgehend
gefüllten Flüssigkeitsbehälter über eine kurze Leitung mit einem kontinuierlichen
und gleichmäßigen kleinen Flüssiggasstrom zu versorgen, was nicht möglich wäre,
wenn der Verbraucher über eine längere Leitung z. B. direkt mit dem Vorratstank
oder einer Flüssiggasleitung verbunden wäre, weil infolge des geringen Bedarfs des
Verbrauchers und der dadurch bedingten geringen Strömungsgeschwindigkeit des Flüssiggases
auf dem Wege stets ein Teil davon verdampfen würde. Das hätte zur Folge, daß durch
den Verbraucher nicht überwiegend Flüssigheit, sondern ein Flüssigkeit-Dampf-Gemisch
strömen würde. Die weitere Folge wäre dann eine unregelmäße Kühlung.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sei an Hand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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In F i g. 1 ist ein Vorratstank 1 für Flüssiggas durch eine Leitung
2 mit einem Flüssigkeitsbehälter 3 verbunden. Vom Boden des Behälters führt eine
Steigleitung 4 zu einem Verbraucher 5, wobei der Betrieb des Verbrauchers
mit Hilfe eines Ventils 6 geregelt wird. Aus dem Hals des Flüssigkeitsbehälters
3 führt eine dritte Leitung 7 zu einem schlecht wärmeisolierten Schwimmergehäuse
8, das einen Schwimmer 9 enthält. Das Schwimmergehäuse 8 ist
über
eine Leitung 10 mit einem automatisch schaltbaren Ventil 11 verbunden, das
seinerseits mit einem Zeitschalter 12 in Verbindung steht. Die erstmalige Füllung
des Flüssigkeitsbehälters 3 mit Flüssiggas aus dem Vorratstank 1 geschieht bei geschlossenem
Ventil 6 durch Öffnung des Ventils 11. Durch eine zwischen dem Vorratstank 1 und
dem Flüssigkeitsbehälter 3 bestehende Druckdifferenz strömt nun Flüssiggas über
die Leitung 2 in den Behälter. Die Flüssigkeit steigt so lange, bis das Schwimmergehäuse
8 über die Leitung 7 mit Flüssiggas gefüllt ist. Ist genügend Flüssiggas im Schwimmergehäuse
8, dann schließt das Schwimmerventil 9 die Leitung 10
bei der Einmündung
der Leitung 10 in das Schwimmergehäuse 8 ab. Die in dem Schwimmergehäuse
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und in der Leitung 7 befindliche Flüssigkeit verdampft nun wegen der schlechten
Isolierung des Schwimmergehäuses. Der entstehende Dampf drückt über die Leitung
7, den Flüssigkeitsbehälter 3 und die Leitung 2 wieder in den Vorratstank 1 zurück.
Das Schwimmerventil 9 ist so konstruiert, daß es auch ohne Vorhandensein von Flüssigkeit
im Schwimmergehäuse 8 auf Grund der Druckdifferenz, die zwischen dem an Leitung
7 anschließenden System und der offenen Leitung 10 besteht, noch geschlossen
bleibt. Wird das Ventil 11 durch den Zeitschalter 12 geschlossen, dann erfolgt
zwischen den Leitungen 7 und 10 ein allmählicher Druckausgleich, der mit
Hilfe einer kleinen am Schwimmerventil 9 mit Hilfe einer Stellschraube 13 einstellbaren
Undichtheit bewerkstelligt wird. Nach erfolgtem Druckausgleich öffnet das Schwimmerventil
9.
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Nach Füllung des Flüssigkeitsbehälters 3 kann der Verbraucher 5 durch
Öffnung des Ventils 6 über die Leitung 4 mit einer gleichmäßigen kleinen Menge Flüssiggas
(beispielsweise 11/h) versorgt werden. Die Abnahme der Flüssigkeitsmenge in dem
Flüssigkeitsbehälter 3, die sowohl durch die verbrauchte Menge als auch durch fortwährende
Verdampfungsverluste in dem Flüssigkeitsbehälter bedingt ist, wird durch regelmäßige
automatische Nachfüllung ergänzt. Sie erfolgt - ebenso wie die erstmalige Füllung
-durch Öffnung des Ventils 11, worauf die Nachfüllung - wie bereits geschildert
- erfolgt.
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F i g. 2 zeigt die schematische Darstellung eines Dreiwegehebers.
Die Bezeichnung der einzelnen Leitungen entspricht der in F i g. 1. So ist 2 die
Leitung zwischen dem Vorratstank und dem Flüssigkeitsbehälter, 4 die zum Verbraucher
und 7 die zum Schwimmergehäuse führende Leitung.