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Die
Erfindung betrifft Pumpen, wobei ein unter Druck stehendes Fluid
für den
Vortrieb sorgt; Pumpen, die zum Beispiel in einem System (in einem Wärmetauscher
oder irgendeiner anderen Druckeinrichtung) mit Hilfe des Druckdampfs
ein flüssiges Kondensat
weiterpumpen, zum Beispiel, um dieses zu entfernen oder zurückzugewinnen.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Pumpe, wobei das unter Druck
stehende Gas zunächst
dazu verwendet wird, um eine Flüssigkeit
aus einem Raum hinauszuverdrängen,
und die ein Auslassventil besitzt, das in der Gasauslassphase des
Pumpzyklus öffnet.
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Mit
Druckgas, insbesondere mit Druckdampf betriebene Flüssigkeitspumpen
haben allerlei Vorteile. Sie können
bei unterschiedlichsten Unter- und Überdruckzuständen arbeiten
und sie brauchen keine Dichtungen oder Verschlüsse, wie zum Beispiel Pumpen,
die angetrieben werden von Maschinen mit drehenden Teilen oder von
Kolben oder Zentrifugalflügelrädern. Verdrängerpumpen
verbrauchen wenig Energie und stellen zumeist eine haltbare, preiswerte Lösung für Pumpprobleme
unterschiedlichster Art.
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Verdrängerpumpen
haben in der Regel einen Tank mit einem Ein- und einem Auslass für die Flüssigkeit in der Nähe des Tankunterteils,
mit einem Ein- und einem Auslassrückschlagventil, die nur einen
Fluss in Pumprichtung erlauben, und mit einem Gasein- und -auslass,
die im Tank oberhalb des höchsten
Flüssigkeitsstands
angeordnet sind. Die Gasein- und -auslässe besitzen wechselweise arbeitende
Ventile, so dass je nach Flüssigkeitsstand
im Pumpentank der Gas- oder der Druckeinlass offen ist und umgekehrt.
Die Gasein- und -auslassventile sind in der Regel mit einem Schwimmermechanismus
verbunden. Der Flüssigkeitsstand
im Tank lässt
sich auch mit elektrischen Pegelsensoren erfassen. Die Sensoren
geben dann ein Signal, nach dem entsprechend die Gas- oder Druckein-
und -auslass ventile geschaltet werden. Wenn der Fluidstand den oberen Grenzpegel
erreicht, erfordert der Pumpvorgang eine bestimmte Hysterese für das Aufmachen
des Gaseinlasses und den Verschluss des Auslasses. Diese Einstellungen
bleiben zunächst
bestehen und kehren sich erst um, wenn der Flüssigkeitsstand unter den unteren
Grenzpegel fällt.
Die Differenz zwischen den Grenzpegeln, wie sie auch immer erfasst
werden, bestimmt den Hub der Pumpe.
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Wird
der Flüssigkeitsstand
mit Hilfe eines Schwimmers erfasst und werden die Ventile mechanisch
betätigt,
braucht man einen Schnappmechanismus der an den jeweiligen Grenzwerten
zugleich den Gaseinlass öffnet
und den Gasauslass verschließt und
umgekehrt. Beispiele für
Pumpen und Schwimmer mit Schnappeinrichtungen sind beschrieben in den
US-Patenten 5,230,361 (Carr et al.), 5,366,349 (Ilg), 5,141,405
(Francart, Jr.) und 1,699,464 (Dutcher).
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Die
Pumpen besitzen einen Zyklus, bestehend aus einer Flüssigkeitsfüllphase
und einer Flüssigkeitsentleerungsphase.
Während
der Flüssigkeitsfüllphase
ist der Gaseinlass zu und der Gasauslass offen, so dass die zu pumpende
Flüssigkeit – Wasser oder
irgendeine andere Flüssigkeit – unter
vergleichsweise geringem Druck durch das Rückschlagventil des Flüssigkeitseinlasses
in den Tank strömt, zum
Beispiel aufgrund der Schwerkraft. Der Füllstrom kann auch auf andere
Weise bewirkt werden. Das Rückschlagventil
des Flüssigkeitsauslasses bleibt
wegen des vergleichsweise niedrigen Flüssigkeitsdrucks im Tank geschlossen.
Und der Druck im Tank bleibt vergleichsweise niedrig, da das Ventil
des Gasauslasses offen ist. Auch kann die Flussleitung hinter dem
Rückschlagventil
des Auslasses unter Druck stehen. Zumindest einer dieser beiden
Drücke hält das Rückschlagventil
des Ausslasses somit geschlossen. Das Ventil des Gasablasses kann
entweder in die Umgebung gehen oder es geht in eine geschlossene
Leitung bzw. in einen Raum, dessen Druck im Innern niedriger ist
als der Druck der Flüssigkeit
am Einlass.
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Steigt
der Schwimmer zusammen mit dem Flüssigkeitsstand im Tank, so
wird am Schwimmermechanismus der Umschlagpunkt erreicht und die Gasventile
geschaltet: der Gaseinlass wird geöffnet und der Gasauslass geschlossen.
Damit wird im Pumpzyklus von Füllen
auf Auslassen umgeschaltet. Im Tank baut sich dann ein Gasdruck
auf, der das Rückschlagventil
des Flüssigkeitseinlasses
zugehen lässt
und das Rückschlagventil
des Flüssigkeitsauslasses
aufmacht. Der Druck des Gases bzw. des Dampfes – die Beschaffenheit des Gases
ist unerheblich – drückt aus
der Pumpe die Tankflüssigkeit durch
das Rückschlagventil
des Flüssigkeitsauslasses
hinaus. Sinkt der Schwimmer unter den unteren Umschlagpunkt, so
schließt
sich das Gaseinlassventil und das Gasauslassventil geht auf. Das
Gasauslassventil lässt
den Druck aus den Tank hinaus und der Zyklus kann von neuem beginnen.
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Auf
diese Weise läuft
bei geringem Druck der Tank mit Flüssigkeit voll und bei höherem Druck
dann über
den Flüssigkeitsauslass
leer. Die Pumpe eignet sich besonders zum Rückführen oder Einspeisen einer
Flüssigkeit,
zum Beispiel von Wasser, in ein unter Druck stehendes System. Der
Systemdruck wird dabei für
den Antrieb der Pumpe benutzt. Dies ist besonders günstig bei
Dampfkraft- oder Wärmetauschersystemen,
denn es wird lediglich eine kleine Druckdifferenz benötigt. Die
Pumpe ist somit besonders für
kreisläufige
Anordnungen geeignet, wobei ein oder mehrere Flüssigkeitseinlässe in den
Tank führen
können.
Es liegen dann nur der Druck im Gasablass aus dem Tank und im Flüssigkeitsauslass über den
der Umgebung.
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Die
besagte Druckpumpe ist langlebig und vielfältig verwendbar. Es gibt aber
gewisse konstruktionsbedingte Grenzen für den Fluss bzw, die Förderkapazität der Pumpe.
Da das Volllaufen mit Flüssigkeit
gewöhnlich
aufgrund eines kleinen Druckunterschieds erfolgt (beispielsweise
aufgrund der Schwerkraft), ist die Volllaufgeschwindigkeit oft gering.
Ferner liegt nach dem Umschalten von der Abpumpphase unter Druck
und dem Ablassen des Gases bzw. dem Volllaufen immer eine gewisse
Zeit, während der das
unter Druck stehende Gas zuvor aus dem Tank entweichen muss, bevor
die unter einem niedrigeren Druck stehende Flüssigkeit über das Rückschlagventil des Flüssigkeitseinlasses
in den Tank laufen kann. Die zum Senken des Tankinnendrucks auf
einen Druck unterhalb des Einlassdrucks erforderliche Zeit hängt von
verschiedenen Faktoren ab: unter anderem von der Größe des Tankdrucks,
vom Durchmesser des Gasauslassventils und von dem am Gasauslass
herrschenden Gegendruck in der Leitung. Da zur Senkung des Tankdrucks
das Gas abgelassen werden muss, damit der Überdruck zwischen dem Tank und
dem Flüssigkeitseinlass
(damit sich das Einlassrückschlagventil öffnet und
der Zufluss freigegeben wird) verschwindet bzw. umgekehrt wird,
besteht systembedingt eine Zyklusverzögerung und damit eine Grenze
für die
Pumpgeschwindigkeit.
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Ist
ferner die zu pumpende Flüssigkeit
Wasser und wird der Gasdruck in Form von Druckdampf bereitgestellt,
so wird weiter die Pumpleistung und die Fließgeschwindigkeit dadurch begrenzt,
dass in der Pumpphase der Druckdampf die Tankwände erhitzt und diese wegen
des geringen Drucks während der
Einfüllphase
eine Temperatur oberhalb des Siedepunkts des Wassers erreichen können. Ist
dies der Fall, kommt das über
das Rückschlagventil
des Einlasses in den Tank fließende
Wasser (und das bereits im Tank befindliche Restwasser) zum sieden.
Es entsteht zusätzlich
Dampf und Druck, der über
das Gasablassventil abgeführt
werden muss. Auch gelangt das einlaufende Wasser, wenn es eine Temperatur nur
knapp unterhalb des Siedepunkts hat, leicht zum Kochen, wenn mit
den vom Dampf erhitzten Tankwänden
in Kontakt kommt. Die Fließbeschränkung durch
das Gasauslassventil beschränkt
auch, wie schnell der Druck aus Antriebsdampf und Siedewasserdampf
entweichen kann.
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Man
könnte
eine sehr große
Auslassöffnung vorsehen,
so dass sich der Tank nach dem Umschalten von der Verdrängungsphase
auf die Gasablassphase rasch entleeren kann. Das Auslassventil muss aber
beim Umschalten von Pumpen auf Füllen
mit Kraft gegen den Tankinnendruck geöffnet werden, beispielsweise
durch die Kraft einer Feder des Schwimmer-Schnappmechanismus.
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Sind
die Gasein- und -auslassventile mechanisch verbunden, so wirkt auf
die Vorrichtung, welche das Gaseinlassventil öffnet und das Gasauslassventil schließt, die
Differenz zwischen der Druckquelle und dem Tankdruck, das heißt, wenn
zu Beginn der Pumpphase der Einlass geöffnet wird. Ebenso wirkt gegen
die Vorrichtung die Druckdifferenz zwischen Tank und Auslass, wenn
zu Beginn der Volllaufphase das Gasauslassventil zu öffnen ist.
Bei einer Pumpe, die in die Umgebung ableitet, ist der Druckunterschied
in jedem Fall im wesentlichen gleich der Differenz zwischen dem
Gasspeisedruck und dem Umgebungsdruck. In einem geschlossenen System
ist die Druckdifferenz zwischen der Gaszufuhr und der Ablassleitung
wirksam. Will man die Öffnungsgröße des Auslassventils
erhöhen,
um das Ablassen zu verbessern oder zu beschleunigen, so vergrößert sich
die Oberfläche
des Auslassventilkörpers.
Damit ist eine entsprechend größere Kraft
erforderlich, um das Auslassventil gegen den Druckunterschied zu öffnen, da
die gleiche Kraft pro Flächeneinheit
auf eine größere Fläche wirkt.
Es wäre
auch nicht gut, wenn der Mechanismus, der die jeweiligen Ventile
betätigt,
mit stärkeren
Federn oder anderen teuren mechanischen Teilen ausgestattet werden
würde.
Auch sind größere Ventile
allgemein teuerer und technisch anspruchsvoller als kleine Ventile,
ganz besonders bei Hochdruckanwendungen.
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Es
besteht somit das Problem, wie man die Strömungswiderstände beim
Entleeren des Tanks verringern kann, d.h., die Gasablassöffnung vergrößert, ohne
dass man dabei die Nachteile eines großen Ventils in Kauf nimmt (einschließlich einer
zusätzlich
erforderlichen mechanischen Öffnungskraft im
Ventilbetätigungsmechanismus).
Auch soll die Lösung
sich des Problems annehmen, das auftritt, wenn beim Ablassen des
Dampf siedendes Wasser in den überhitzten
Tank fließt
und wegen der Dampfentstehung der Tankdruck nicht sinkt; dass also
der Wasserzustrom dadurch nicht zusätzlich behindert wird.
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In
der
US 54 51 144 ist
eine drucklauftbetriebene Pumpe beschrieben, welche ein Paar Tellerventile
umfasst, welche an einem vertikalen Schaft befestigt und so angeordnet
sind, dass jeweils ein Ventil geschlossen ist, wenn das andere geöffnet ist. Um
einen schnellen Druckabbau im Behälter nach der Pumpphase zu
erzielen, verfügt
die in der genannten Druckschrift angegebene Pumpe über ein Schnellentlüftungsventil,
das zwischen die Druckluftquelle und den Tank gesetzt ist.
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Ausgehend
vom geschilderten Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung,
eine gasdruckbetriebene Pumpe anzugeben, bei der ein schneller Druckabbau
im Behälter
ermöglicht
wird.
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Diese
und weitere Aufgaben werden von der gasdruckbetriebenen Pumpe nach
Anspruch 1 sowie durch das Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Pumpe
weist einen Tank auf, der wechselweise mit Flüssigkeit, bspw. Wasser, vollläuft – über ein Druckgefälle, das
nur wenig über
dem Tankdruck während
des Ablassens des Gases liegt – und
dann durch die Zufuhr von unter Druck stehendem Gas, beispielsweise
Druckdampf, entleert wird. Der Ein- und Auslass in und aus dem Tank
erfolgt über
Rückschlagventile,
die je nach Druckgefälle
nur einen Fluss über
den Einlass in den Tank bzw. über
den Auslass aus dem Tank zulassen. Der Tank ist über ein Gaseinlassventil mit
dem Druckgas verbunden, so dass die Flüssigkeit im Tank unter Druck
gesetzt und in den Auslass befördert
werden kann. Der Druck wird dann über ein Gasauslassventil aus
dem Tank abgelassen, so dass sich bei einem geringen, über den
Druck der abführenden
Auslassöffnung
liegenden Druckgefälle,
beispielsweise durch Schwerkrafteinspeisung, der Tank wieder mit Flüssigkeit
füllen
kann. Das Gaseinlassventil für
die Druckzufuhr und das Gasauslassventil zum Ablassen des Drucks
werden von einem Wechselmechanismus betätigt, z. B. durch einen Schwimmer
mit einer hin und herspringenden Schnappfeder. Der Mechanismus öffnet während einer
Pumpphase den Gaseinlass und schließt zugleich den Gasauslass,
wodurch das Flüssigkeitseinlass-Rückschlagventil
gesperrt und Flüssigkeit
in den Auslass gefördert
wird. Der Flüssigkeitsstand
im Tank fällt,
und der Mechanismus schaltet in die Füllphase. Der Mechanismus öffnet nun
das Gasauslassventil und schließt
gleichzeitig den Gaseinlass. Bei fallendem Druck öffnet das Einlassrückschlagventil,
und der Tank füllt
sich für
einen weiteren Pumpzyklus wieder mit Flüssigkeit. Ein den Gasabfluss
unterstützendes
Zusatzauslassventil öffnet
nach dem Umschalten aus der Pumpphase in die Füllphase bei einem bestimmten
Ansprechdruck (Schwellendruck), um den Druck im Tank rascher abzuführen und
den eintretenden Flüssigkeitsstrom möglichst
wenig zu behindern. Das Zusatzauslassventil weist einen Ventil-
körper
auf, der gegen das Tankinnere vorbelastet wird und bei hohem Druck
im Tank gegen einen Federdruck schließt und sonst zum Gasablassen
geöffnet
ist. Das Zusatzventil öffnet
bei einem Druck, der geringer ist als der Pumpdruck, den der Dampf
erzeugt. Es entleert den Tank nach einem anfänglichen langsamen Gasablassen über das Hauptauslassventil
beim Umschalten in die Auslassphase sehr rasch. Der Zusatzauslass unterstützt auch
das Ablassen von zusätzlichem
Dampf, der durch das Sieden von Wasser oder einer anderen Flüssigkeit
entsteht. Das Zusatzauslassventil kann in den Gasauslass ableiten,
die zum Hauptauslassventil gehört,
oder in die Umgebung abblasen.
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Dementsprechend
betrifft die Erfindung ein Verfahren, umfassend das Verbinden eines
Tanks mit einer Flüssigkeitsquelle
und einem Flüssigkeitsauslass über Rückschlagventile,
die durch einen Überdruck
in Durchlasspumprichtung von der Quelle zum Auslass geöffnet werden
können.
Wasser oder andere Flüssigkeiten
fließen
mit geringem Druck in den Tank, solange im Tank kein ausreichender
Druck besteht, um das Einlassrückschlagventil
zu schließen. Eine
Zuführvorrichtung
für Druckgas,
insbesondere Dampf, wird über
einen Gaseinlass des Tanks durch das Öffnen eines zugehörigen Gaseinlassventils
am Gaseinlass und das Schließen
eines Gasauslassventils, das zu einem Gasauslass gehört, angeschlossen.
Setzt man den Tank auf diese Weise unter Druck, so entwickelt sich
ein Pumpdruck zum Verdrängen
des Wassers (oder einer anderen Flüssigkeit) und zum Fördern des
Wassers aus dem Tank in den Flüssigkeitsauslass,
wobei der Pumpdruck im wesentlichen auf dem Druck der Dampfzuführvorrichtung
gehalten werden kann. Stellt beispielsweise ein Schwimmer, der mit
den Gaseinlass- und
Gasauslassventilen verbunden ist, oder eine andere Einrichtung fest,
dass der Wasserstand sinkt, so wird das Gaseinlassventil geschlossen
und das Gasauslassventil geöffnet.
Der Druck im Tank beginnt zufallen, und das Auslassrückschlagventil
schließt.
Fällt der
Druck im Tank auf einen Schwellendruck, der tiefer liegt als der
Pumpdruck, so öffnet
das Zusatzauslassventil durch seine Vorspannung und entleert dabei
den Tank durch eine Gesamtauslassöffnung, die größer ist
als das Hauptauslassventil. Dadurch wird der Druckabfall im Tank
unterstützt.
Auf diese Weise kann der Tank wesentlich rascher wieder gefüllt werden
als in einer vergleichbaren Anordnung, die den Tank nur über das
Hauptauslassventil entleert. Sollte im Tank durch siedendes Wasser
Dampf erzeugt werden, beispiels weise durch Wasser, das in den Tank
fließt,
wenn dieser im vorhergehenden Pumpzyklus durch Dampf überhitzt
worden ist, so kann dieser Dampf leicht abgeführt werden und verhindert den Wasserzufluss
in den Tank nicht.
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Das
Zusatzventil hat einen Ventilkörper,
der über
eine Feder so vorbelastet ist, dass er sich von seinem Ventilsitz
ins Tankinnere öffnet.
Die Feder ist bevorzugt über
ein Gewinde einstellbar, um die Belastungskraft zu regulieren. Ein über den
Schwimmer betätigter
Schnappmechanismus kann zwischen dem Füllen des Tanks mit Flüssigkeit
und dem Pumpen der Flüssigkeit
umschalten. Dieser Mechanismus ist dazu verwendbar, den Zusatzventilkörper geschlossen
zu halten, beispielsweise in einer mehrstufigen Ventilanordnung,
in der der Ventilkörper
des Hauptventils in einer Öffnung
im Ventilkörper
des Zusatzventils sitzt. Der Ventilkörper des Zusatzventils sitzt
seinerseits in einer größeren Öffnung,
die den Durchlass des Zusatzauslassventils bestimmt.
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Aus
den nachstehend dargestellten Ausführungsformen sind weitere Aufgaben
und Merkmale der Erfindung ersichtlich. Die Zeichnungen zeigen zudem
bevorzugte Ausführungsbeispiele.
Die Erfindung beschränkt
sich aber nicht auf die in den Beispielen vorgestellten Ausführungsformen,
sondern umfasst auch die in den Ansprüche beschriebenen Abwandlungen.
Es zeigt:
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1 eine
Schnittansicht durch eine gasdruckbetriebene Pumpe mit einem erfindungsgemäßen Zusatzauslassventil,
dargestellt in der Füllphase des
Pumpzyklus;
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2 eine
Schnittansicht durch die Pumpe nach 1, dargestellt
in der Pump- bzw. Entleerungsphase des Pumpzyklus;
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3 eine
Teilschnittansicht durch ein Zusatzauslassventil (in geschlossener
Stellung);
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4 eine
Teilschnittansicht durch das Ventil nach 3 (in offener
Stellung);
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5 eine
Teilschnittansicht durch die Tankwand gemäß einer anderen Ausführungsform,
in der der Schwimmermechanismus das unterstützende Zusatzauslassventil
zum Teil steuert, dargestellt in der Pump- bzw. Entleerungsphase;
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6 eine
Teilschnittansicht wie in 5, dargestellt
im Anfangszustand der Ablass- bzw. Füllphase;
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7 eine
Teilschnittansicht wie in 5, zu einem
späteren
Zeitpunkt in der Ablass- bzw. Füllphase
dargestellt, nachdem der Tankdruck gefallen ist;
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8 die
Skizze einer Anwendung der Erfindung auf ein dampfbetriebenes Kondensatrückgewinnungssystem;
und
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9a bis 9c Teilschnittansichten
durch ein mehrstufiges einstellbares Auslassventil gemäß einer
anderen Ausführungsform.
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1 und 2 zeigen
im Schnitt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen gasdruckbetriebenen Pumpe 20.
Im allgemeinen arbeitet die Pumpe 20 nach dem Verdrängungsprinzip,
um Flüssigkeit
von einem Flüssigkeitseinlass 22 des
Tanks 24 zu einem Flüssigkeitsauslass 26 zu
pumpen. In der Pumpe 20 bewegt sich kein Kolben in einer
Kammer hin und her, sondern es wird abwechselnd zunächst der Druck
im Tank (1) gesenkt, damit sich der Tank 24 mit
Flüssigkeit
füllen
kann. Dann wird der Tank (2) unter
Druck gesetzt, um die Flüssigkeit
aus dem Tank 24 in den Flüssigkeitsauslass 26 zu
verdrängen.
Die Rückschlagventile 32, 34 am
Flüssigkeitseinlass 22 und
am Flüssigkeitsauslass 26 erlauben
nur einen Fluss in positiver Pumprichtung, nämlich vom Flüssigkeitseinlass 22 in
den Pumpentank 24 und aus dem Pumpentank 24 zum
Flüssigkeitsauslass 26.
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Die
am Flüssigkeitseinlass 22 zugeführte Flüssigkeit
kann einen Druck haben, der nur geringfügig über dem Tankdruck beim Gasablassen
liegt (d. h., über
dem Druck der Gasauslassöffnung),
und einen Druck, der verglichen mit dem Gasdruck beim Pumpen relativ
niedrig ist. Beispielsweise kann in einer offenen Anordnung, die
gegen Atmosphärendruck
abbläst,
die Flüssigkeit
am Flüssigkeitseinlass 22 durch
die Schwerkraft mit einem sehr geringen Druck zugeführt werden.
In einem geschlossenen System können
die diversen Leitungen und Rohre auf einem Druck über oder
unter dem Atmosphärendruck
liegen. Es genügt,
dass ein Überdruck
zwischen dem Flüssigkeitseinlass
und dem Gasauslass besteht sowie zwischen der Gaszufuhr und jeder
anderen Leitung bzw. jedem anderen Rohr.
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Setzt
man den Tank 24 von der Gaszufuhr her unter Druck, siehe 2,
so schließt
das Einlassrückschlagventil 32,
und das Auslassrückschlagventil 34 öffnet. Dagegen
bewirkt ein Druckablassen oder Entleeren der Pumpe, siehe 1,
dass das Auslassrückschlagventil 34 schließt und dass
das Einlassrückschlagventil 32 öffnet. Daher
kann das Auslassrohr 36 hinter der Pumpe 20 auf
einem Druck gehalten werden, der mit dem zum Pumpen verwendeten
Gaszufuhrdruck vergleichbar ist. Dieses Merkmal erlaubt es beispielsweise,
die Pumpe als Vorrichtung zum Rückführen von
flüssigem
Kondensat in einem Druckdampfsystem zu verwenden. Das Kondensat wird
unter Druck in das System zurückgeführt, und der
Dampfdruck selbst dient als Antriebskraft.
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Der
Pumpentank 24 hat eine Gaseinlassöffnung 38, die an
eine Druckgasquelle anschließbar
ist (in 1 und 2 nicht
dargestellt), um den Pumpentank 24 unter Druck zu setzen,
und eine Gasauslassöffnung 44 zum
Ablassen des Drucks im Pumpentank 24 in eine Ablassleitung
oder in die Atmosphäre.
In üblichen
Anwendungen ist das zugeführte Gas
Druckdampf, und die zu pumpende Flüssigkeit ist Wasser. Andere
Flüssigkeiten
sind ebenfalls auf diese Weise pumpbar, und anstelle von Dampf können andere
unter Druck stehende Gasarten verwendet werden. Dampf und Wasser
sind nachstehend lediglich nicht einschränkende Vertreter auch für andere
verwendbare Druckgase und Pump-Flüssigkeiten.
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Die
Pumpe 20 kann zwischen der Füllphase ihres Zyklus und der
Pumpphase mit einem von vielen möglichen
Mechanismen hin und hergeschaltet werden, die auf die Flüssigkeitsmenge
im Tank ansprechen. Es können
beispielsweise Pegelsensoren bereitgestellt werden, um die Arbeitsweise
magnetisch betriebener Gasventile (nicht dargestellt) zu steuern.
Die Gasventile können
mechanisch über
einen oder mehrere Schwimmer betätigt
werden. Die Gasventile können
abhängig
vom Gewichtsunterschied zwischen einem vollen Tank und einem leeren Tank
betätigt
werden, usw. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Gasventile
mechanisch gekoppelt und werden durch einen Schnappmechanismus 46 betätigt. An
einem Arm 52 ist ein Schwimmer 48 montiert. Der
Arm 52 ist an eine bistabile Verbindung angeschlossen,
die eine Feder 54 aufweist und zwei schwenkbare Verbindungen 56.
Die Feder 54 ist so mit den Verbindungen 56 gekoppelt,
dass eine der Verbindungen, die mit einem Anschlussarm 58 gekoppelt
ist, in eine von zwei entgegengesetzten Stellungen gezwungen wird.
Die Feder 54 bewirkt, dass der Mechanismus von einer Stellung
in die andere umspringt, wenn der Schwimmer 48 einen Übergangspunkt
des Flüssigkeitsstands
erfasst. Der Anschlussarm 58 ist an der Gaseinlassöffnung 38 an das
Druckeinlassventil 62 angeschlossen und an der Gasauslassöffnung 44 an
das Druckauslassventil 64. In dieser Ausführungsform
liegen das Gaseinlassventil 62 und das Gasauslassventil 64 in
entgegengesetzten Richtungen an. Öffnen der Schwimmermechanismus 46 und
der Anschlussarm 58 ein Ventil, so wird das andere Ventil
geschlossen und umgekehrt. Die Pumpzyklen wechseln zwischen den
Füllphasen und
den Pumpphasen hin und her. In der Füllphase ist das Druckeinlassventil 62 geschlossen
und das Druckauslassventil 64 geöffnet. Der Tank 24 wird druckfrei
und erlaubt es der Flüssigkeit,
in den Tank zu strömen
und den Schwimmer zu heben. Erreicht der Schwimmer die Stellung
in 2, so geht der Mechanismus in die Pumpphase über, in
der der Druckeinlass 62 offen ist und der Druckauslass 64 geschlossen.
Es wird erzwungen, dass sich der Tank 24 in die Auslassleitung 36 entleert.
Der Schwimmer fällt
auf die Stellung in 1, und der Mechanismus geht
wieder in die Füllphase über. Der
Vorgang setzt sich, gesteuert durch den Wechsel des Flüssigkeitsstands
im Tank, fort.
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Pumpen,
die der obigen allgemeinen Beschreibung entsprechen, sind unter
anderem in den US-Patenten 5, 230, 361 (Carr et al.), 5,366,349
(Ilg), 5,141,405 (Francart, Jr.), 1,699,464 (Dutcher) offenbart.
Auf den Inhalt dieser Schriften wird hiermit Bezug genommen. Die
Schwimmer-Schnappmechanismen dieser Vorrichtungen sollen rasch von
Pumpen auf Füllen
und umgekehrt umschalten und die Gaseinlass- und Gasauslassventile 62, 64 sicher
zwischen ihren beiden Stellungen bewegen. Die Erfindung ist auf
diese Art und auf andere Bauformen des Mechanismus anwendbar. Beim
Umschalten von Pumpen auf Füllen
ist jedoch unabhängig
davon, wie rasch und mit welchen Vorrichtungen geschaltet wird, durch
die Gasflussbegrenzung in der Gasauslassventilöffnung eine Zeitspanne erforderlich,
damit der Druck im Tank 24 ausreichend fallen kann und
das Einlassrückschlagventil 32 öffnet.
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In
relativ heißen
Anwendungen, beispielsweise dampfbetriebenen Heißwassersystemen, kann die Druckverminderung
im Tank 24 beim Öffnen
des Gasauslassventils 64 das Wasser im Tank 24 zum Kochen
bringen, wodurch zusätzlich
Dampf entsteht, der abgelassen werden muss. In heißen Anwendungen
kann nach dem Öffnen
des Einlassrückschlagventils 32 das
in den Tank 24 strömende
Wasser auch zu Kochen beginnen und zwar wegen der Wärmeenergie,
die von den überhitzten
Tankwänden, welche
zuvor in der Pumpphase dem Hochdruckdampf ausgesetzt waren, übertragen
wird. Während der
Pumpphase ist Dampf- oder Gasdruck als Antriebsmittel zum Verdrängen der
Flüssigkeit
erforderlich. Beim Umschalten auf die Füllphase ist es vorteilhaft,
den Tankdruck rasch abzulassen und den Tank weiter offen zu halten,
da in der Füllphase
jeglicher Druck im Tank, der den Druck der eingelassenen Flüssigkeit übersteigt,
das Rückschlagventil 32 schließt. Selbst
ein Druck, der geringer ist als der Einlassdruck, behindert die
Befüllung,
da er den Flüssigkeitszustrom
in den Tank verlangsamt.
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Erfindungsgemäß wird ein
Zusatzdruckauslassventil 66 mit dem Tank 24 verbunden.
Es wird geöffnet,
um das Gasablassen zu unterstützen,
nachdem auf die Füllphase
des Zyklus umgeschaltet wird. Das Zusatzdruckauslassventil 66 weist
einen Ventilkörper 68 auf,
der so vorbelastet ist, dass es sich in den Tank 24 hinein öffnet. Der
Zusatzventilkörper 68 kann
einfach mit einer Feder 72 gegen den Innendruck des Tanks 24 gedrückt werden,
damit sich der Ventilkörper
während
der Füllphase
in eine dauerhaft offene Stellung bewegt. Während der Pumpphase drückt der
Druck im Tank 24 den Zusatzventilkörper 68 nach außen und
presst ihn wieder gegen den Ventilsitz 74, so dass dann
das Zusatzauslassventil 66 zu ist.
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Die
Federbelastung, die das Zusatzauslassventil 66 öffnet, ist
so eingestellt, dass die Öffnungsvorbelastung
kleiner ist als der Gasdruck im Tank während der Pumpphase und höher als
der Druck oder Einspeisedruck des eintretenden Wassers oder einer
anderen Flüssigkeit. Öffnet das
Hauptauslassventil 64, so erfolgt das Gasablassen für eine gewisse
Zeit nur durch das Hauptauslassventil 64, bevor das Zusatzauslassventil 66 durch
die Federbelastung öffnet.
Nach dem Öffnen
des Zusatzauslassventils bricht der Restdruck im Tank rasch zusammen und
bleibt auch bei einer Dampferzeugung klein, da die gesamte Größe der Öffnung,
die das Gasablassen bewirkt, gegenüber einer vergleichbaren Pumpe ohne
Zusatzventil 66 vergrößert ist.
Damit verzögert der
Tankdruck einschließlich
des Drucks aus dem Dampf, der durch Sieden entsteht, das Füllen der Pumpe
nicht wesentlich.
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Das
Zusatzdruckauslassventil 66 ist in einer Wand des Tanks 24 montiert,
und zwar über
dem Flüssigkeitsspiegel,
d. h. zumindest über
dem Flüssigkeitsstand,
der im Tank verbleibt, wenn das Zusatzauslassventil öffnet, z.
B. in der oberen Wand des Tanks 24 nahe bei den Hauptventilen 62, 64. 3 und 4 zeigen
eine mögliche
Ventilanordnung im Schnitt. Zum Kennzeichnen der entsprechenden
Elemente werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Das Zusatzventil 66 kann
einen sphärischen oder
scheibenförmigen
Ventilkörper 68 aufweisen, den
eine Feder 72 dauerhaft in einer Stellung hält (4),
in der ein Flusspfad durch die Wand des Tanks 24 bereitgestellt
wird. Der Tankdruck kann den Ventilkörper in eine anliegende Stellung
drücken (3),
in der der Ventilkörper 68 den
Flusspfad sperrt.
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Der
besondere Federvorbelastungsdruck und die Größe der Öffnung des Zusatzdruckauslassventils 66 können abhängig vom
Gasdruck, dem Flüssigkeitseinspeisedruck
und der gewünschten Pumpgeschwindigkeit
verändert
werden. Um den Dampf zu verarbeiten, der durch das Sieden des zugeführten Wassers
entsteht, kann die Federvorbelastung des Zusatzauslassventils 66 geringfügig höher eingestellt
werden als der Druck, bei dem das Einlassrückschlagventil öffnet. Nimmt
man eine Niederdruck-Flüssigkeitseinspeisung
durch die Schwerkraft bei ungefähr
0,75 bis 1,0 psig (1 psig = 0,685 bar = 6850 Pa) an, so kann das
Zusatzauslassventil so vorgespannt werden, dass es bei 2,0 oder
3,0 psig öffnet.
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In
einem Heißwasser-
und Dampfsystem, in dem das Einlasswasser durch die Schwerkraft
mit nur ungefähr
1 psig eingespeist wird, könnte
der Dampf, der durch leichtes Sieden des in den Tank 24 fließenden Einlasswassers
entsteht, genügend Druck
erzeugen, um den Zustrom des Einlasswassers in den Tank beträchtlich
zu verlangsamen. Ein übliches
Heißwasser-
und Dampfsystem kann beispielsweise bei 75 psig Dampfdruck arbeiten
und einen Innendurchmesser von 2 Inch (5 cm) der Wasserrohre sowie
einen Durchmesser von 0, 5 Inch (1 – 2 cm) der Gasventilöffnungen
aufweisen. In diesen Fall stellt sich normalerweise eine 30 bis
35 Sekunden dauernde Füllphase
zum Füllen
eines 1,5 Cubic Foot (42 Liter) fassenden Tanks mit kochendem Wasser
ein. Die Füllphase
dauert dagegen 10 Sekunden, wenn das Wasser nicht kocht. Ein Teil
der in der Füllphase
verbrauchten Zeit dient dazu, den Druck abzulassen, bevor das Einlassrückschlag ventil 32 öffnet. Ein
weiterer Teil der Zeit ist für
den Zufluß erforderlich,
der durch den Restdruck oder neu erzeugten Dampfdruck ziemlich behindert
wird. Sieht man jedoch ein Zusatzventil vor, das sich bei einem
Druck öffnet,
der geringfügig über dem
Speisewasserdruck liegt, so hat sich gezeigt, dass die Füllzeit wesentlich gesenkt
werden kann. Ein relativ kleines Zusatzauslassventil, beispielsweise
mit 0,25 Inch (6,3 mm) Öffnungsdurchmesser
verkürzt
die Zeit des Füllzykluses um
5 bis 6 Sekunden bzw. spart 15 bis 20% der Zeit ein. Eine größere Öffnung,
z. B. mit einer Öffnungsgröße von 1
Inch (2,5 cm), kann die Dauer der Gasablass- bzw. Füllphase
um 50% senken.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung kann das Zusatzauslassventil 66 auch
das Ablassen des Gasdrucks aus dem Tank 24 nach dem Umschalten
in die Füllphase
und vor dem Öffnen
des Einlassrückschlagventils 32 unterstützen. Das
Zusatzauslassventil 66 ist dabei so vorbelastet, dass es bei
einem relativ höheren
Druck öffnet.
Es wäre denkbar,
einen Öffnungsdruck
des Zusatzauslassventils zu wählen,
der nahe am Pumpdruck des Gases liegt. Dieser liegt normalerweise
im Bereich zwischen 5 und 150 psig. Dadurch würde jedoch Dampf abgelassen,
bis sich der Druck im Tank 24 so weit aufgebaut hätte, dass
er das Zusatzauslassventil 66 schließt. Beim Umschalten von der
Füllphase
in die Pumpphase ist erwünscht,
dass das Zusatzauslassventil schnell schließt, so dass sich die Geschwindigkeit
nicht verringert, mit der sich der Druck im Tank in der Pumpphase
aufbaut. Daher sollte der Ansprechgrenzwert des Zusatzventils normalerweise
bei einem relativ kleinen Bruchteil des Pumpdrucks liegen, nämlich bei
10 bis 25%.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal kann der Ansprechgrenzwert des Zusatzventils einen
relativ größeren Bruchteil
des Pumpdrucks annehmen, ohne zu Beginn der Pumpphase Dampf abzulassen. Man
erreicht dies dadurch, siehe beispielsweise 5 bis 7,
dass das Zusatzventil 66 mechanisch mit dem Schwimmermechanismus
verbunden wird, der den Hauptauslass und die Gas druckventile 62, 64 betätigt. In
dieser Ausführungsform
ist das Verbindungsglied des Mechanismus, der auf den Flüssigkeitsstand
anspricht, mit einem Fortsatz 76 versehen, der den Ventilkörper 68 berührt, damit
das Zusatz-Gasdruckauslassventil 66 sicher schließt, wenn
sich die Vorrichtung im Pumpzyklus befindet, siehe 5.
In gleicher Weise gibt der Fortsatz 76 das Zusatzauslassventil
im Füllzyklus
frei. Das Zusatzauslassventil 66 ist jedoch so vorbelastet,
dass es bei einem Druck unter dem Pumpdruck öffnet. Damit entweicht der
Druck nur über
das Hauptauslassventil 64 aus dem Tank, wenn wie in 6 anfänglich in
die Füllphase
umgeschaltet wird. Fällt
der Druck auf den Grenzdruck, bei dem das Zusatzauslassventil 66 durch
seine Federvorspannung öffnet
(7), so entweicht der Tankdruck über das
Hauptauslassventil 64 und über das Zusatzauslassventil 66.
Damit weist diese Ausführungsform
eine mehrstufige Ablass- bzw. Entleerungsfolge auf, in der die gesamte Öffnungsgröße zunimmt
(durch das Öffnen
des Zusatzventils 66), wenn der Druck fällt.
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Das
Zusatzauslassventil 66 kann den Tank in die gleiche Anordnung
entleeren wie das Hauptauslassventil 64, nämlich in
die Ablassöffnung 44.
Wird das Zusatzauslassventil 66 bei einem relativ geringen
Druck geöffnet,
beispielsweise geringfügig über dem
Speisedruck des zufließenden
Wassers bzw. der Flüssigkeit,
so kann das Zusatzauslassventil 66 einfach ins Freie Abblasen. 8 zeigt
schematisch, wie die erfindungsgemäße Pumpe in einem Kondensatrückführsystem
angeordnet werden kann. Die in einer Sammelvorrichtung 78 und
einem Behälter 80 gesammelte
Flüssigkeit
wird an das Einlassrückschlagventil 32 der
Pumpe 20 angelegt und stellt zumindest einen kleinen Speise-
bzw. Einlassdruck bereit. Ein Kessel oder eine andere Druckdampf
quelle 90 wird mit der Pumpe 20 verbunden, um
sie mit Gasdruck zu versorgen. Die Quelle 90 ist auch mit
einer Dampffalle 92 verbindbar, in der in der Dampfleitung
angesammeltes Wasser mit Dampfdruck in den Behälter 80 zurück befördert werden
kann. Die Pumpe 20 arbeitet in ihren Füll- und Pumpphasen, um Wasser,
das aus dem Behälter 80 zufließt, zum
Rückschlagventil 34 hinaus
zu befördern,
das über
das Auslassrohr 36 mit einem unter Druck stehenden Behälter 82 verbunden
ist. Der Behälter 82 kann
dann in bekannter Weise einen Wärmetauscher
oder eine andere Einrichtung speisen. Das Kondensat wird in einem
Sammler 78 gesammelt, zurückgewonnen und in der Pumpe 20 wieder
unter Druck gesetzt, damit es in einem Kreislauf wiederverwendet
werden kann.
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Nach 5 bis 7 wird
das Zusatzdruckauslassventil 66 teilweise über den
gleichen Mechanismus betätigt,
der die Hauptgasventile 62, 64 betätigt. Gemäß 8 kann
das Zusatzventil 66 in das gleiche Rohr ableiten wie das
Hauptauslassventil 64. Das Zusatzventil 66 kann
wahlweise in das Haupt-Druckauslassventil 64 eingebaut
sein, siehe 9a – 9c. Der
Ventilkörper 68 des
Zusatzdruckauslassventils öffnet
wie oben unter Federvorspannung, damit ein Durchgang vom Tank zur
Gasauslassöffnung
vergrößert wird,
wenn der Tankdruck unter einen Grenzwert sinkt. Der Schwimmer oder ein
anderer Mechanismus, der auf den Flüssigkeitsstand anspricht, wird
wie in den vorhergehenden Ausführungsformen
mit dem Druckeinlassventil und dem Druckauslassventil verbunden,
um das Druckeinlassventil und das Druckauslassventil abwechselnd
zu betätigen,
so dass zu einem Zeitpunkt stets ein Ventil geschlossen und das
andere Ventil geöffnet ist.
Gemäß der anderen
Möglichkeit
nach 9a bis 9c sitzt
der Ventilkörper
des Hauptauslassventils 64 in einer Öffnung durch den Ventilkörper 68 des
Zusatzauslassventils 66. Der Ventilkörper 68 kann eine bewegliche
federbelastete Scheibe mit einer Öffnung sein, die den Ventilkörper des
Hauptauslassventils 64 aufnimmt.
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Schließt das Hauptauslassventil 64,
so kann es durch mechanischen Druck, den der Ventilkörper des
Hauptauslassventils auf den Zusatzventilkörper ausübt, das Zusatzauslassventil 66 sicher
schließen. Das
Zusatzventil wird dann durch die Wirkung des Schwimmermechanismus
geschlossen gehalten und nicht nur durch die Druckhöhe im Tank.
Das Zusatzauslassventil 66 ist während der Pumpphase zuverlässig geschlossen,
und zwar auch dann, wenn sich der Druck im Tank gerade erst aufbaut
und noch nicht den Grenzwert erreicht hat, bei dem der Druck auf
den Zusatzventilkörper
die Kraft seiner Vorspannfeder 72 überwindet und das Zusatzventil 66 schließt. Die
Schliessvorrichtung ist jedoch das Hauptauslassventil 64 selbst.
Der Grenzwert kann in dieser Ausführungsform einen wesentlichen
Bruchteil des Pumpdrucks betragen ohne unnötig Dampf abzulassen. Das Zusatzventil
leitet sinnvollerweise in den gleichen Durchgang ab wie das Hauptauslassventil.
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Wahlweise
kann der Hauptventilkörper
einfach die Auslassöffnung
so stark versperren, dass der Gasdruck im Tank das Zusatzauslassventil schließt. In diesem
Fall verschließt
der Hauptventilkörper
das Führungsloch
durch den Zusatzventilkörper
und ermöglicht
es dadurch dem Tankinnendruck, die verbundenen Haupt- und Zusatzventilkörper abdichtend
gegen ihre jeweiligen Sitze zu pressen.
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9b erläutert die
Stellung der Ventilkörper nach
dem Umschalten in die Gasablass- bzw. Füllphase, und zwar bevor der
Tankdruck soweit gefallen ist, dass das Zusatzventil 66 öffnet. In
diesem Zustand ist die Querschnittsfläche des Gasablassflusspfads
genau so groß wie
die Öffnung
des Hauptauslassventils, das sich durch den Zusatzablassventilkörper erstreckt.
Sinkt der Gasdruck bei begrenztem Fluss, so hält der Tankdruck den Zusatzventilkörper 68 nach
wie vor auf seinem Sitz. Fällt
der Druck unter den Grenzwert, bei dem die Feder 72 den
Gasdruck überwindet,
so öffnet
das Zusatzventil 66, siehe 9c, und
die Fläche
des Ablassflusspfads wächst um
die Differenz zwischen den Flächen
der Zusatz- und der Hauptventilöffnungen.
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9a bis 9c zeigen
zwei zusätzliche Merkmale.
Gemäß einem
Merkmal ist in dieser Ausführungsform
die Vorspannungskraft einstellbar, die die Feder 72 ausübt, und
zwar durch eine Anordnung, in der ein Zusatzventildeckel 92 auf
das Ventilgehäuse
geschraubt ist, um die Lage des äußeren Endes
der Feder 72 weiter nach innen oder außen zu verschieben, damit die
Federkraft größer bzw.
kleiner wird. Gemäß einem
zweiten Merkmal ist der Hauptauslassventilkörper beweglich auf dem Anschlussarm 58 des
Mechanismus montiert, der auf den Flüssigkeitsstand anspricht, und
zwar über
eine Welle 94, die im Arm 58 gleiten kann. Eine
Feder 96 spannt den Hauptventilkörper in seine Endlage in Richtung
zum Zusatzventilkörper 68 hin
vor. Damit kann das Hauptauslassventil in einem gewissen Lagebereich
des Anschlussarms 58 zuverlässig anliegen.
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Die
Pumpe 20 wird dadurch betrieben, siehe 8,
dass der Tank 24 zwischen einer Flüssigkeitsquelle 80 und
einem Flüssigkeitsauslass 82 angeordnet
ist, und zwar über
Rückschlagventile 32, 34,
die durch positive Druckdifferenzen zwischen der Quelle und dem
Auslass betätigt
werden können,
so dass Flüssigkeit
in den Tank fließt,
wenn der Tank nicht unter Druck steht. Legt man eine Druckgasversorgung 90,
beispielsweise Dampf, über
das entsprechende Gaseinlassventil 62 an die Gaseinlassöffnung an
und schließt
dabei gleichzeitig das Gasauslassventil 64, so baut sich
im Tank der Pumpdruck auf und verdrängt die Flüssigkeit in den Flüssigkeitsauslass. Schließt man nun
das Gaseinlassventil 62 und öffnet das Gasauslassventil 64,
so fällt
der Druck im Tank, und es fließt
Flüssigkeit
für einen
weiteren Zyklus in den Tank. Öffnet
man zusätzlich
bei einem Druck unter dem Pumpdruck das Zusatzgasauslassventil 66, so
unterstützt
die Erfindung die Druckabsenkung im Tank 24. Die Zeitdauer
der Füllphase
verringert sich, und es wird eine bessere Pumpleistung möglich.
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Haben
in einem oder mehreren Tanks 24 die Flüssigkeit und der Dampf höhere Temperaturen,
die dazu ausreichen, dass die Flüssigkeit
siedet, die in den Tank fließt
oder sich noch im Tank befindet, so leitet das Zusatzgasventil 66 den
Dampf ab, der durch das Sieden der Flüssigkeit entsteht. Unabhängig davon,
ob ein derartiger Dampf erzeugt wird, können durch die Anwendung eines
Schwimmermechanismus und insbesondere eines Schwimmermechanismus
mit einer Schnappverbindung nicht nur die Gasventile geöffnet und
geschlossen werden, sondern es kann auch der Ventilkörper des
Zusatzgasauslassventils geschlossen gehalten werden, wenn das Gasauslassventil
geschlossen ist. Dadurch ist die Pumpleistung weiter zu verbessern.
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Die
Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit Beispielen und Ausführungsformen
offenbart. Der Fachmann weiß,
wie er davon abweichen kann. Die Erfindung beschränkt sich
somit nicht auf die erwähnten
Ausführungsformen,
sondern umfasst auch die im Rahmen der Ansprüche liegenden Abwandlungen.