低温往复泵中间间隔件.pdf

本发明涉及低温往复泵中间间隔件。更具体而言，本发明教导在低温往复泵的中间间隔件的鼻部内提供加热元件，以便加热泵的活塞填料密封件。加热元件增加了活塞填料密封件的温度，以在泵操作时限制密封件的变形。此外，可以向中间间隔件的内部提供干热蒸气吹扫以减少或消除白霜对活塞填料密封件的影响。

权利要求书一种用于泵送低温流体的往复泵组件，所述组件包括：
热端，其具有曲轴和十字头；
至少一个冷端，每个冷端具有活塞、泵送室、吸入口、排气口和排出口；
至少一个联接器，每个联接器将所述热端连接到所述至少一个冷端中的一个；以及
至少一个中间间隔件，所述至少一个中间间隔件中的每一个连接到所述热端且连接到所述至少一个冷端中的一个，与所述至少一个冷端中的所述一个的一部分相重叠，并且具有至少部分地包含在其中的至少一个加热元件，所述至少一个加热元件可操作地设置成允许流体循环通过所述至少一个加热元件。
 根据权利要求1所述的往复泵组件，其特征在于，所述至少一个冷端中的每一个还包括至少一个活塞填料密封件，并且其中，所述至少一个加热元件中的每一个位于第一纵向位置，所述第一纵向位置与所述至少一个活塞填料密封件的第二纵向位置至少部分地重叠，所述第一和第二纵向位置沿所述至少一个冷端的纵向轴线定位。
 根据权利要求2所述的往复泵组件，其特征在于，所述至少一个加热元件包括第一加热元件和第二加热元件，并且其中，所述至少一个活塞填料密封件的至少一部分位于所述第一加热元件和所述第二加热元件之间。
 根据权利要求1所述的往复泵组件，其特征在于，所述至少一个中间间隔件中的每一个还包括形成于其中的至少一个窗口和用于所述至少一个窗口中的每一个的盖，所述至少一个窗口使得能够从所述至少一个中间间隔件外部进入所述至少一个联接器中的一个。
 根据权利要求1所述的往复泵组件，其特征在于，还包括具有冷却系统的内燃机，其中，所述流体为循环通过所述内燃机的冷却系统的冷却剂。
 根据权利要求5所述的往复泵组件，其特征在于，所述内燃机可操作地设置成驱动所述曲轴。
 根据权利要求1所述的往复泵组件，其特征在于，还包括位于所述至少一个中间间隔件中的每一个上的吹扫口，所述吹扫口连接到低温流体供应，其中，所述至少一个中间间隔件中的每一个限定内部体积，并且所述吹扫口可操作地设置成将所述低温流体喷入所述内部体积中。
 根据权利要求5所述的往复泵组件，其特征在于，还包括：
吹扫口，其位于所述至少一个中间间隔件中的每一个上，所述吹扫口与低温流体供应流动连通；以及
换热器，其可操作地设置成对抗所述冷却剂加热所述低温流体；
其中，所述至少一个中间间隔件中的每一个限定内部体积，并且所述吹扫口可操作地设置成将所述低温流体喷入所述内部体积中。
 一种方法，包括：
(a) 使用往复泵组件泵送第一低温流体，所述往复泵组件包括：热端，其具有曲轴和十字头；至少一个冷端，每个冷端具有活塞、泵送室、吸入口、排气口和排出口；至少一个联接器，其将所述热端连接到所述至少一个冷端中的一个；至少一个中间间隔件，所述至少一个中间间隔件中的每一个连接到所述热端，到所述至少一个冷端中的一个，并且与所述热端的一部分和所述冷端的一部分重叠；以及
(b) 在步骤(a)的执行的至少一部分期间，使流体循环通过位于所述至少一个中间间隔件中的每一个中的至少一个加热元件。
 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括使具有高于环境温度的温度的流体循环通过位于所述至少一个中间间隔件中的每一个中的至少一个加热元件。
 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
(c) 在步骤(a)正在执行的同时，覆盖位于所述至少一个中间间隔件中的每一个上的任何窗口。
 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
(d) 使所述流体循环通过内燃机的冷却系统。
 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
(e) 用所述内燃机驱动所述曲轴。
 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
(f) 使用第二低温流体吹扫由所述至少一个中间间隔件中的每一个限定的内部体积。
 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
(f) 使用第二低温流体吹扫由所述至少一个中间间隔件中的每一个限定的内部体积；以及
(g) 在步骤(f)中使用所述第二低温流体之前对抗所述冷却剂加热所述第二低温流体。
 一种系统，包括：
用于泵送低温流体的往复泵组件，所述组件包括：
    热端，其具有曲轴和十字头；
    至少一个冷端，每个冷端具有活塞、至少一个活塞填料密封件、泵送室、吸入口、排气口、排出口以及纵向轴线；
    至少一个联接器，每个联接器将所述热端连接到所述至少一个冷端中的一个；和
    至少一个中间间隔件，其具有形成于其中的至少一个窗口和用于所述至少一个窗口中的每一个的盖，所述至少一个窗口使得能够从所述至少一个中间间隔件外部进入所述至少一个联接器中的一个，所述至少一个中间间隔件中的每一个连接到所述热端且连接到所述至少一个冷端中的一个，与所述至少一个冷端中的所述一个的一部分相重叠，并且在纵向位置处具有至少部分地包含于其中的第一和第二加热元件，所述纵向位置至少部分地与所述至少一个活塞填料密封件的纵向位置重叠；以及
    内燃机，其具有冷却系统，所述冷却系统与所述至少一个加热元件中的每一个流动连通，以使得冷却剂流体能够循环通过所述内燃机的冷却系统以及所述至少一个加热元件中的每一个，所述内燃机可操作地设置成驱动所述曲轴。
 根据权利要求16所述的系统，其特征在于，还包括位于所述至少一个中间间隔件中的每一个上的吹扫口，所述吹扫口连接到低温流体供应，其中，所述至少一个中间间隔件中的每一个限定内部体积，并且所述吹扫口可操作地设置成将所述低温流体喷入所述内部体积中。
 根据权利要求17所述的系统，其特征在于，还包括换热器，其可操作地设置成对抗所述冷却剂流体加热所述低温流体。

说明书低温往复泵中间间隔件
技术领域
本发明涉及低温往复泵中间间隔件(intermediate distance piece)。
背景技术
为低温液体设计的容积式往复泵或低温往复泵通常在用于油田服务和工业应用的便携式设备上使用，在这些应用中，氮作为低温液体被输送、泵送到更高压力，汽化，且然后被注入到井、管线、容器中或以其它方式输送以用于最终用途。商业制造的设计中许多由热端、并联的多个冷端以及将每个冷端连接到热端的中间间隔件构成。
热端进一步由外壳、曲轴(crankshaft)、连杆和十字头(crosshead)构成，十字头将旋转运动转变为用于冷端的线性运动。冷端是泵主体，其包括柱塞或活塞、气缸、气缸头、吸入阀和排出阀。中间间隔件将热端与冷端热绝缘，同时对齐冷端活塞与热端十字头。
普通的商用冷端设计具有活塞填料密封件，其刚好位于离冷端气缸活塞冲程长度以外。活塞填料密封件防止低压低温氮泄漏到大气并可能将低温氮喷到不能忍受低温的热端十字头油封上。
冷端活塞在水的冰点以下操作，因此，在中间间隔件内暴露于环境空气的冷端活塞的部分上可形成冰。也称为刮擦器(wiper)的金属刮板可以定位成邻近与冷端气缸相对的活塞填料密封件，以从活塞清洁污染物，主要是冰。刮擦器旨在保护活塞填料密封件不受源自积冰和其它污染物的物理损坏。当低温往复泵在其设计包络的上部中以某一速度操作时，已证明刮擦器是有效的，但当低温往复泵以低速度操作时，已证明刮擦器是无效的。
活塞填料密封件常常是塑性材料，通常为聚四氟乙烯(PTFE)和诸如玻璃纤维或碳的结构改性剂的共混物。这些材料适于在低温下使用，但具有比活塞填料密封件所围绕的冷端活塞大得多的热收缩率。热收缩之差增加了在低温下活塞填料密封件中的应力，从而导致增加的冷流变形。
许多商用低温往复泵的设计是对许多应用的适当折衷，特别是当泵在允许除霜之前操作时间显著少于10小时时，或者当泵在其设计速度范围的上半部中旋转时。然而，当泵在低速度下长时间操作时，它们的设计导致常见的问题。在连续操作中，冷端和中间间隔件上的冰形成物在一段时间内继续积聚。冰的积聚将冷端和中间间隔件围绕活塞填料密封件的部分绝缘，并且在开始继续操作之后几小时内，活塞填料密封件的温度继续降低。在低温下延长的持续时间有助于活塞填料密封件中的变形，这种变形防止它们在再次变热时密封。此外，当在足够的速度下操作时，已经证明普通的刮擦器对于从活塞清除因暴露于环境水蒸气而产生的所有冷凝物和霜而言是有效的措施，但即使在良好的状态下，刮擦器也往往不能除去在较低泵速度下形成于活塞上的硬白霜。
此前的冷端设计已包括用于使活塞填料密封件保持明显热于泵送流体的装置。各种设计的此类特征包括：伸长的维度，用于减少从活塞填料传导的热量；围绕活塞填料的翅片，用于增加从环境空气到活塞填料的热传递；绝缘段，用于将活塞填料与泵送室内的寒冷温度热绝缘；以及活塞填料密封件加热流体夹套，其一体化到围绕活塞填料密封件的外壳。这些特征的缺点在于，它们通常增加了低温往复泵的尺寸，这对于安装在卡车或拖车上而言是不可取的，并且它们使冷端的更换更加麻烦。
传统低温往复泵设计的一些特征强调在泵送低温流体时减少传递到该低温流体中的热量，以便减少必须返回到低温储罐的蒸气。返回到储罐的蒸气增加了所储存的低温流体的温度，从而减小了低温往复泵可用的净正吸升力(suction head)。由于低温储罐的操作压力，返回的蒸气也可直接排到大气。这些特征限制了从热端传递到冷端中的热量，并且有时减少了直接从环境空气通过冷端外壳传递到带有真空绝缘段的泵送室的热量。
由制造商(例如，ACD、NOV HydraRig、CS&P Technologies)指定用于油田服务应用的许多商用低温往复泵不使用类似的设计特征来限制到冷端中的热传递，因为包括低温往复泵的设备通常也包括低温离心泵以增加低温往复泵可用的净正吸升力。此外，当在低温往复泵内生成的蒸气被排到大气时，相比面向油田应用销售的许多低温往复泵的相对较高的设计速率，该量是极少的。
面向油田服务应用销售的低温往复泵的冷端常常允许冷端外壳内的液氮与活塞填料密封件直接接触。这些泵设计成防止通过中间间隔件从热端到冷端中的过度热传递，以防止热端内的润滑油冻结，但这些设计不包括用于使活塞填料密封件保持在远高于低温流体的温度的任何机构或特征。面向油田服务销售的冷端的这些设计也不允许扩大的热传递表面积或在冷端上用于活塞填料密封件的加热夹套，因为活塞填料密封件安装在直接被中间间隔件围绕的冷端外壳的段中。因此，用于油田应用的低温往复泵的活塞填料密封件在被冷端内的相邻构件限制的同时经受反复的热膨胀和收缩，并且活塞填料密封件变形。活塞填料密封件中的变形有损密封冷端外壳内的流体的能力。
因此，在本领域中需要一种用于加热低温往复泵冷端中的活塞填料密封件的装置，其中活塞填料密封件紧密靠近低温流体，并且其中不存在用于改善冷端以加热活塞填料密封件的装置。当在低操作速度下连续操作时，需要加热活塞填料密封件的装置来增加活塞填料密封件的寿命。
发明内容
通过提供适于加热活塞填料密封件的中间间隔件，以及用于当由于在低泵送速度下操作而使刮擦器不够用时防止冰在冷端活塞上积聚的装置，所公开的实施例满足了本领域中的需求。
在一个实施例中，公开了一种中间间隔件，其包括：加热元件，用于传递热量通过低温往复泵冷端外壳以加热活塞填料密封件；密封罩，用于将热端十字头机械联接到冷端活塞本来需要的中间间隔件的进入窗；以及吹扫连接，用于通过用干热蒸气吹扫中间间隔件来消除中间间隔件内的环境水蒸气。
附图说明
当结合附图阅读时，将更好地理解以上概述以及示例性实施例的下列详细描述。出于说明实施例的目的，在附图中示出了示例性构造；然而，本发明不限于所公开的具体方法和仪器。在附图中：
图1是包括热端、冷端和中间间隔件的示例性的完整的低温往复泵组件的图；
图2是图1的示例性冷端的局部剖视图；
图3A是根据本发明公开的示例性中间间隔件的轮廓图，且图3B是图3A中所示的相同中间间隔件的端视图；
图4是根据本发明的示例性设备的图；以及
图5是包括根据本发明公开的中间间隔件的系统的示意图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及用于低温往复泵的中间间隔件，其包括加热元件，该加热元件定位成结合现有技术的特征将热量通过冷端的外壳传导到活塞填料密封件中，现有技术的特征包括密封通过中间间隔件的进入窗的空气流的盖和用于引入干气源以防止湿气侵入中间间隔件的内部体积的端口。
密封吹扫的使用在一些低温泵上是常见的，特别是对用于备用或连续操作的低温离心泵而言，当外壳较冷时，这种泵必须防止在泵表面密封处形成冰。密封吹扫通过防止形成冰(其使密封件变得磨损)而提高密封件的寿命。与离心泵相反，低温往复泵通常仅使用直接定位在填料密封件的大气侧上的塑料或金属刮擦器，其具有锋利边缘以清除诸如污垢和冰的污染物来保护活塞填料密封件。
由于一些原因，刮擦器在低泵送速度下移除硬白霜时变得不太有效。在更低泵送速度下，冷端活塞在吸入冲程结束时暴露于环境空气更长时间。暴露于环境空气更长时间增加了在活塞上冷凝的湿气的量，并且在活塞的暴露部分行进通过刮擦器之前为结冰提供了更长的时间。较低的活塞速度相比较高的速度产生更少的摩擦热，于是冷端活塞、气缸和活塞填料密封件全部达到穿过泵的低温流体的温度。同样，在低泵送速度下，泵的热端在类似的排出压力下比高速时传递更少的功率。在较低的功率吞吐量下，泵热端将不会在远高于环境温度下操作，并且将通过中间间隔件传导更少的热量至活塞填料密封件。
除了在低泵送速度下操作之外，低温往复泵在低排出压力下的操作减小了在经过活塞环时闪蒸为蒸气的低温流体的比率。这种蒸气被称为窜漏蒸气，并且在活塞和与冷端头部相对的泵气缸的端部之间流动。窜漏蒸气必须通过冷端气缸后部的端口离开与活塞填料密封件相邻的区域，然后沿气缸套的顶部行进通过纵向凹槽到排气口。通过防止穿过冷端气缸套周围的凹槽的低温液体通过气缸套后部的端口而进给，窜漏蒸气的充分生成在一定程度上使活塞填料密封件与密度更大的低温液体绝缘。
制造成用于油田服务的三缸和四缸构型的低温往复泵在中间间隔件的设计中享有类似的基础，而只有极少不同。共同的设计方案需要通过在冷端外壳后半部的外径上和中间间隔件的鼻部处的内孔上的配合螺纹而将冷端连接到中间间隔件。当基于冷端活塞头间隙和冷端流体端口的方向而将冷端设置在正确位置时，冷端外壳的外径上的带螺纹螺母紧固靠着中间间隔件的鼻部。
每个中间间隔件具有隔着中间间隔件的轴线定位的两个窗口。窗口为人员提供了通路以将冷端活塞物理联接到热端的十字头。大部分泵设计不提供用于中间间隔件的窗口的制造商提供的盖；然而，可以简单地通过用厚塑料片缠绕在窗口上来密封窗口，或者通过将窗口盖板制造成具有闭孔泡沫橡胶密封件而更永久地密封。
用于油田服务用低温往复泵的大部分中间间隔件设计具有邻近热端十字头油封的一个或更多放泄孔。当安装在热端上时，放泄孔位于中间间隔件的底部，并且用来放泄任何残余的油和水。备选地，设计有在十字头的端部竖直对面的窗口的中间间隔件可以不具有放泄孔，因为下部窗口将放泄残余的油和水。当带有放泄孔的中间间隔件的窗口被密封时，不需要方便设施来排放吹扫气体或填料泄漏物。如果不带有放泄孔的中间间隔件被覆盖，则下部窗口盖必须具有端口以放泄油和水，排放吹扫气体并在活塞填料密封件发生泄漏时防止过压。
活塞填料密封件包括多个塑料密封件，其旨在防止冷端外壳内部的压力通过活塞逸出。各个塑料密封件通常由金属隔离物彼此分离。围绕金属隔离物的一个或更多弹性体O形环防止冷端外壳内部的压力在填料密封件和冷端外壳之间逸出。活塞填料密封件的所有构件被一个或多个弹簧加载以便当材料在变冷而收缩时保持构件密封。
对本领域技术人员而言并非显而易见的是，增加活塞填料密封件的操作温度将延长寿命，因为通常所用的塑性密封材料被认为适合低温。塑料密封件通常是用诸如玻璃纤维或碳的结构改性剂共混的PTFE，但PTFE基密封件仍然易受到称为蠕变或冷流的现象的影响，在该现象中，由于连续的应力，在一段时间内缓慢地发生变形。
此外，对本领域技术人员而言并非显而易见的是，向中间间隔件施加热量将在活塞填料密封件的操作温度中形成显著的增加，因为填料密封件与循环的低温流体紧密连通，并且冷端的不锈外壳相比铝或铜合金或低合金钢而言不是热的良导体。
活塞填料密封件中使用的塑性密封材料具有显著高于其所密封的不锈钢活塞的热膨胀系数。当活塞和活塞填料密封件的温度降低时，自由的塑料密封件的尺寸比活塞收缩更多。这增加了在操作期间活塞填料密封件内的应力。与降低的温度相对应，应力的增加导致活塞填料密封件的变形率增加。在一组活塞填料密封件超出100小时的冷操作之后，活塞填料密封件在较冷时与活塞保持密封接触，但是，当冷端停止工作并允许加热时，活塞填料密封件的内径可以不与活塞连续周向接触，并且将可能泄漏，直到再次被冷却。最佳的是在低温操作期间增加填料的温度，使得活塞填料密封件在较热时在活塞上保持密封。
然而，申请人惊奇地发现，通过使柴油发动机冷却剂以180度循环到钻入中间间隔件鼻部中的孔中而向中间间隔件施加热量，在一定程度上加热了活塞填料区域，使得填料压盖的温度在连续操作期间远高于32℉，这可从没有霜和冷凝物明显看出。
申请人还惊奇地发现，当泵在低速下操作两小时以上时，加热中间间隔件导致冷端活塞上的积冰增加。中间间隔件内的局部环境的空气中具有比中间间隔件被冰覆盖时更高的水蒸气含量，从而连续地冷却紧邻活塞的空气并将湿气在中间间隔件的表面上冷凝成雾或霜，活塞上的积冰增加被认为是上述情况的结果。
在冷端外壳旋入中间间隔件内的泵设计中，没有一种提供任何措施来以高效地传递热量到活塞填料密封件的方式将热量施加到冷端。将加热夹套在冷端外壳螺母前面添加到冷端外壳将可能导致显著增加的热量被传递到泵的头部处和泵送室内的低温流体，从而增加气蚀的可能性。
中间间隔件必须承受力的范围从大约15,000磅(66,723N)至超出60,000磅(266,893N)的循环拉伸载荷。中间间隔件常常具有肋以增强没有窗口的构件的段。最常见的肋为铸铁。在窗口前面的中间间隔件的鼻部常常具有远远超出承受来自操作的循环载荷所需的最少量的金属，并且该材料中的一些可以被除去而无损构件的结构完整性。
所公开的发明的实施例涉及为了插入加热元件的目的而钻入中间间隔件的鼻部中的孔。通过中间间隔件的鼻部传导的热量在对于加热活塞填料密封件几乎最佳的位置通过机械螺纹连接而传导到冷端外壳。
利用低温往复泵的氮抽送器由一个或更多柴油发动机提供动力，这些发动机必须通过散热器将多余的热量从发动机冷却剂散失到大气。由于在正常操作期间温度是稳定的，并且温度将不超过构成活塞填料密封件的塑料和弹性体的额定温度，因此发动机冷却剂对于中间间隔件而言是合适的加热介质。优选地，可以组装简单的设备以将热的发动机冷却剂喷射和循环到钻孔中。来自发动机水泵排放口的热冷却剂可以被分流，其中小部分经管道输送至歧管以将冷却剂分布至中间间隔件中的孔，而大部分则循环通过发动机冷却剂道。循环通过中间间隔件的孔的冷却剂可以在较低压力下返回到一段发动机冷却剂回路，例如发动机冷却剂恒温器外壳。
备选地，可以将电阻加热元件插入钻孔中。相对于中间间隔件的鼻部内的金属的体积，孔提供了大量的热传递面积。此外，将冷端连接到中间间隔件的机械螺纹提供了大量的表面积以将热量从中间间隔件传递到冷端外壳的后部。冷端外壳后部处的热量通过传导传递到填料压盖中，并且通过辐射热而传递到分隔活塞填料密封件的金属隔离物。
加热中间间隔件而不钻出加热元件孔的其它备选措施包括但不限于：燃烧燃料的辐射加热器、催化辐射加热器、包括热灯的电辐射加热器以及电感应加热。
图1示出设计用于油田服务的常规三缸低温往复泵100。热端102通过三个中间段106连接到三个并联的冷端104。为简化起见，图1仅示出一个冷端104和中间段106，相同的构件与第一个构件一致地组装。热端102将旋转功率从曲轴108传递至十字头110中的往复线性运动。热端102为油润滑的，并且油封112防止润滑油因往复式十字头110而逸出。
低温液体进入冷端104的吸入口(suction port)114。大部分低温液体通过吸入阀(未示出)进入泵送室(未示出)。在泵送室内，活塞116远离热端102的运动增加了泵送室内的低温液体的压力，并且液体流过排出阀(未示出)并通过排出口(discharge port)118离开冷端104。进入吸入口114的小部分液体与经活塞环(未示出)逸出的窜漏蒸气在冷端104内结合并通过排气口(vent port)120离开而返回到低温液体储罐(未示出)。十字头110将往复运动通过机械联接夹具122传递到活塞116。
图2示出了包括冷端104和中间间隔件106的低温往复泵100的局部立体剖视图。冷端104具有纵向轴线105。外壳124具有阳型机械螺纹126，其固定冷端104在中间间隔件106中的位置。外壳螺母128被拧紧以紧固机械螺纹126抵靠中间间隔件106的接合。
气缸衬套130包含泵送室132。在外壳124的内部内的端口133和沿着气缸衬套130的外部的纵向凹槽134将进入冷端104的吸入口(未示出)的小部分低温流体引导至气缸衬套130周围以用于冷却。
活塞116坐落在气缸衬套130内。活塞116由热端十字头(未示出)驱动。十字头(未示出)将用于使活塞116移动到头部(未示出)的运动直接传递到旋钮136中。十字头(未示出)通过夹持联接适配器138的斜缘的机械联接夹具(未示出)而拉动活塞116远离头部(未示出)。旋钮136和联接适配器138之间的径向和轴向公差允许有限的移动自由，使得径向载荷不从十字头(未示出)传递到活塞116。
活塞116在气缸衬套130内被两个导向带140引导。图2示出两个导向带140均位于活塞环142的相对端上；然而，在其它实施例中，导向带140也可以沿活塞116定位在其它位置处。活塞环142抵靠气缸衬套130密封活塞116，以防止泵送室132中的低温液体在较高压力下流过活塞116。
经过活塞环142的泄漏通常形成流入环形空间144中的低温液体和蒸气的混合物。环形空间144内的压力被活塞填料密封件146密封而不泄漏到大气。活塞填料密封件146抵靠活塞116上的硬铬镀层148进行密封。活塞填料密封件146被填料压盖150(packing gland)抵靠填料弹簧152紧固。填料弹簧152保持活塞填料密封件146密封，因为它们在从环境温度冷却至低温温度时比外壳124收缩得更多。
由于冷凝、冻结和升华而聚集在硬铬镀层148上的湿气以及来自空气的其它颗粒污染物可能对活塞填料密封件146造成损坏。保持在填料压盖150内的刮擦器154旨在当活塞116被十字头(未示出)推动时清除硬铬镀层148的湿气和污染物。
环形空间144内的低温液体和蒸气的混合物必须穿过气缸衬套130的端部上的限制开口156而进入气缸衬套130周围的纵向凹槽134中。在纵向凹槽134内，来自端口133的冷却流体与来自环形空间144的流体混合，并且通过排气口120离开外壳124并返回到低温液体储罐(未示出)。
图3A和图3B示出了根据本发明的中间间隔件106。图3A是根据本发明公开的示例性中间间隔件的轮廓图。图3B是根据本发明公开的示例性中间间隔件的端视图。中间间隔件106包括凸缘158，其带有安装孔160以经由螺栓连接(未示出)将中间间隔件106安装到热端(未示出)。冷端(未示出)通过孔162安装到中间间隔件106内并用阴型机械螺纹164固连。中间间隔件106还包括在中间间隔件106的相对侧上的两个窗口166和168，其允许进入以将冷端活塞(未示出)联接到热端十字头(未示出)。肋170加强中间间隔件106以在从十字头(未示出)到冷端活塞(未示出)的循环载荷下操作。所示的中间间隔件106具有在十字头油封(未示出)下方的放泄孔172和174。放泄孔172和174防止来自十字头油封(未示出)的油渗和在中间间隔件106内部冷凝的湿气汇聚在中间间隔件106的底部中。
加热口176和178为彼此的镜像，并且由凹孔180、内孔182和锥管螺纹184构成。凹孔180被铣削成提供与等分窗口166和168的平面相平行的平坦表面以用于钻出内孔182。内孔182在中间间隔件106的鼻部的最宽部分附近钻出，并且垂直于等分中间间隔件106的窗口166和168的平面。内孔182被定位成使得它们延伸远超出等分窗口166和168的平面而不钻通中间间隔件106的鼻部，并且不与用于安装冷端(未示出)的孔162相交。在钻出内孔182之后，在内孔182的顶部攻出锥管螺纹184，以允许安装用于内孔182内的冷却剂循环的配件组件(未示出)。
图4示出根据本发明的配件组件186。配件组件186由90度金属螺纹管弯头188组成。弯头188具有孔190，孔190钻成与一个轴线同心且直径略大于金属管192。金属管192被插入通过钻入弯头188中的孔190，并且两个构件通过例如硬钎焊或焊接而接合，这具体取决于所用合金。带螺纹的管接头194旋入弯头188的端口中，管192已通过该端口被固定，并且通过例如焊接或硬钎焊而将螺纹连接密封。粗线196以螺旋图案缠绕在从弯头188的端口突出的管192的端部周围，并且线196的两端通过例如硬钎焊或焊接而接合到管192。通过例如将螺纹管密封剂施加到管接头194的暴露螺纹，并且将配件组件186旋入加热口176中，从而将一个配件组件186连接到在低温往复泵上的中间间隔件的图3B的每个加热口176。
图5示出了使用发动机冷却剂作为在根据本发明的中间间隔件加热口中的加热流体的系统200。功率单元202包括带有冷却剂泵206的柴油发动机204、恒温器外壳220和散热器222。中间间隔件106的剖视图示出为贯穿加热口176和178的轴线。来自冷却剂泵206的发动机冷却剂流被分成流过发动机冷却剂通道(未示出)的大部分、通过冷却剂供应软管208输送的小部分以及通过柔性软管240输送的小部分。来自冷却剂供应软管208的小部分发动机冷却剂供给分配歧管210，以在中间间隔件106以及低温往复泵的所有平行的相同中间间隔件(未示出)的两个加热口176和178之间分开发动机冷却剂流。分配歧管210用柔性软管211连接到配件组件186并用柔性软管212连接到配件组件187。发动机冷却剂流在加热口176的底部从配件组件186排出，在底部，冷却剂流的方向反转而沿加热口176的壁流动。在与加热口176的较冷壁接触的同时，冷却剂将热量传递到中间间隔件106的鼻部中。冷却剂通过配件组件186流回到柔性软管214中。冷却剂以与加热口176相同的方式流过配件组件187和加热口178，并且被排出至柔性软管224。来自柔性软管214和224的冷却剂流入合并的歧管216中。合并的歧管216使所有冷却剂通过冷却剂返回软管218返回，以在恒温器外壳220处返回到功率单元202。在恒温器外壳220内，返回的冷却剂与循环通过柴油发动机204的冷却剂流混合，并且被引导到散热器222或直接到冷却剂泵206。
低温储罐226包含低温液氮并具有冷气态氮的蒸气空间。在一些实施例中，低温储罐226可以是用来将低温流体引入系统100中的相同低温流体源，或者可以使用单独的低温储罐。在该实施例中，冷氮蒸气通过管道228从低温储罐226的蒸气空间流至换热器230。流过柔性软管240的小部分发动机冷却剂在换热器230中将热量传递到冷氮蒸气中，在这里，冷氮蒸气被加热到环境温度以上。发动机冷却剂通过柔性软管242从换热器230返回到恒温器外壳220。离开换热器230的热氮蒸气通过柔性软管232流入窗口盖236的吹扫口234并进入中间间隔件106内的开放空间中。中间间隔件106的相对窗口用窗口盖238密封。中间间隔件106的开放空间内的环境水蒸气用热氮蒸气通过放泄孔(未示出)并通过中间间隔件106的机械螺纹(未示出)吹出到大气。环境水蒸气和热氮蒸气也可通过窗口盖236和238与中间间隔件106的邻接表面之间的缺陷逸出。热氮蒸气稀释中间间隔件106中的开放空间内的水蒸气的浓度，以防止水蒸气在于中间间隔件106内往复运动的冷端活塞(未示出)的表面上冷凝、升华和冻结。
本发明的另外的方面。
方面1。一种用于泵送低温流体的往复泵组件，该组件包括：热端，其具有曲轴和十字头；至少一个冷端，每个冷端具有活塞、泵送室、吸入口、排气口和排出口；至少一个联接器，每个联接器将热端连接到至少一个冷端中的一个；以及至少一个中间间隔件，该至少一个中间间隔件中的每一个连接到热端且连接到至少一个冷端中的一个，与至少一个冷端中的一个的一部分重叠，并且具有至少部分地包含在其中的至少一个加热元件，该至少一个加热元件可操作地设置成允许流体循环通过至少一个加热元件。
方面2。根据方面1所述的往复泵组件，其中，至少一个冷端中的每一个还包括至少一个活塞填料密封件，并且其中，至少一个加热元件中的每一个位于第一纵向位置，该第一纵向位置与至少一个活塞填料密封件的第二纵向位置至少部分地重叠，第一和第二纵向位置沿至少一个冷端的纵向轴线定位。
方面3。根据方面2所述的往复泵组件，其中，至少一个加热元件包括第一加热元件和第二加热元件，并且其中，至少一个活塞填料密封件的至少一部分位于第一加热元件和第二加热元件之间。
方面4。根据方面1至3中的任一项所述的往复泵组件，其中，至少一个中间间隔件中的每一个还包括形成于其中的至少一个窗口和用于至少一个窗口中的每一个的盖，该至少一个窗口使得能够从至少一个中间间隔件外部进入至少一个联接器中的一个。
方面5。根据方面1至4中的任一项所述的往复泵组件，还包括具有冷却系统的内燃机，其中，流体为循环通过内燃机的冷却系统的冷却剂。
方面6。根据方面5所述的往复泵组件，其中，内燃机可操作地设置成驱动曲轴。
方面7。根据方面1至6中的任一项所述的往复泵组件，还包括位于至少一个中间间隔件中的每一个上的吹扫口，该吹扫口连接到低温流体供应，其中，至少一个中间间隔件中的每一个限定内部体积，并且吹扫口可操作地设置成将低温流体喷入内部体积中。
方面8。根据方面1至7中的任一项所述的往复泵组件，还包括：位于至少一个中间间隔件中的每一个上的吹扫口，该吹扫口与低温流体供应流动连通；以及换热器，其可操作地设置成对抗冷却剂加热低温流体；其中，至少一个中间间隔件中的每一个限定内部体积，并且吹扫口可操作地设置成将低温流体喷入内部体积中。
方面9。一种方法，包括：(a)使用往复泵组件泵送第一低温流体，该往复泵组件包括：热端，其具有曲轴和十字头；至少一个冷端，每个冷端具有活塞、泵送室、吸入口、排气口和排出口；至少一个联接器，其将热端连接到至少一个冷端中的一个；至少一个中间间隔件，该至少一个中间间隔件中的每一个连接到热端和至少一个冷端中的一个，并且与热端的一部分和冷端的一部分重叠；以及(b)在步骤(a)的执行的至少一部分期间，使流体循环通过位于至少一个中间间隔件中的每一个中的至少一个加热元件。
方面10。根据方面9所述的方法，其中，步骤(b)包括使具有高于环境温度的温度的流体循环通过位于至少一个中间间隔件中的每一个中的至少一个加热元件。
方面11。根据方面9或10中的任一项所述的方法，还包括：(c)在步骤(a)正在执行的同时，覆盖位于至少一个中间间隔件中的每一个上的任何窗口。
方面12。根据方面9至11中的任一项所述的方法，还包括：(d)使流体循环通过内燃机的冷却系统。
方面13。根据方面12所述的方法，还包括：(e)用内燃机驱动曲轴。
方面14。根据方面9至13中的任一项所述的方法，还包括：(f)使用第二低温流体吹扫由至少一个中间间隔件中的每一个限定的内部体积。
方面15。根据方面12所述的方法，还包括：(g)使用第二低温流体吹扫由至少一个中间间隔件中的每一个限定的内部体积；以及(h)在步骤(g)中使用第二低温流体之前对抗冷却剂加热第二低温流体。
方面16。一种包括用于泵送低温流体的往复泵组件的系统，该组件包括：热端，其具有曲轴和十字头；至少一个冷端，每个冷端具有活塞、至少一个活塞填料密封件、泵送室、吸入口、排气口、排出口和纵向轴线；至少一个联接器，每个联接器将热端连接到至少一个冷端中的一个；以及至少一个中间间隔件，其具有形成于其中的至少一个窗口和用于至少一个窗口中的每一个的盖，该至少一个窗口使得能够从至少一个中间间隔件外部进入至少一个联接器中的一个，该至少一个中间间隔件中的每一个连接到热端且连接到至少一个冷端中的一个，与至少一个冷端中的一个的一部分重叠，并且在纵向位置处具有至少部分地包含在其中的第一和第二加热元件，该纵向位置至少部分地与至少一个活塞填料密封件的纵向位置重叠；以及内燃机，其具有与至少一个加热元件中的每一个流动连通的冷却系统，以使得冷却剂流体能够循环通过内燃机的冷却系统和至少一个加热元件中的每一个，内燃机可操作地设置成驱动曲轴。
方面17。根据方面16所述的系统，还包括位于至少一个中间间隔件中的每一个上的吹扫口，吹扫口连接到低温流体供应，其中，至少一个中间间隔件中的每一个限定内部体积，并且吹扫口可操作地设置成将低温流体喷入内部体积中。
方面18。根据方面16或17中任一项所述的系统，还包括换热器，其可操作地设置成对抗冷却剂流体加热低温流体。
示例。
ACD 3‑LMPD三缸低温往复泵的三个中间间隔件中的一个通过在中间间隔件的鼻部中铣入两个直径7/8"(22.2mm)的凹孔而被修改。从凹孔中的每一个钻出两个直径23/32"(18.3mm)的孔，从凹孔的底部起直到深度2‑1/2"(63.5mm)处。每个孔的顶部攻出1/2" NPS (15DN)的NPT螺纹。
由直径3/8"(9.5mm)的304不锈钢无缝管、1/2" NPS (15DN) NPTF阴型螺纹90度黄铜弯头以及1/2" NPS (15DN) Schedule 80红黄铜两端螺纹管接头构成两个配件组件。通过银硬钎焊来接合配件。3/8"(9.5mm)管延伸超出螺纹接口大约3"(76.2mm)。配件被组装到中间间隔件加热器口中并用PTFE螺纹密封剂进行密封。将中间间隔件安装在氮抽送单元的3‑LMPD热端上。将冷端安装在带有加热口和配件组件的中间间隔件中。
在前测试期间，经确定，在低速和低排出压力下操作2小时内，冷端开始从活塞填料密封件循环地泄漏冷氮蒸气。此时，当氮抽送器的柴油发动机起动时，发动机冷却剂循环通过中间间隔件的加热口和配件组件。冷端冷却并开始以50 rpm的低速率和小于100 psig(689 kPa)的低排出压力泵送。在1小时内，观察到冷氮蒸气从活塞填料密封件循环泄漏。在没有加热中间间隔件的情况下，在活塞的硬铬镀层上可见的白霜比在前操作期间更快地形成；然而，在中间间隔件的内表面上既未观察到霜，也未观察到冷凝物。在不加热中间间隔件的情况下，在冷端填料压盖附近的中间间隔件的整个内表面通常被霜覆盖。
在关闭泵并允许其加热至环境温度之后，通过将涂有乙烯的聚酯织物盖施加到带有加热口和配件组件的中间间隔件的窗口而进一步进行试验。用粘合带在窗口的边缘周围密封盖。来自氮抽送单元上的低温储罐的氮蒸气通过硬钎焊板式换热器而被热的发动机冷却剂加热到环境温度以上。加热的氮蒸气行进通过管进入窗口盖中的一个中而吹扫中间间隔件的内部。吹扫氮气的流率被控制在1至5 SCFM (28.4至142.1 SLPM)之间。
然后将冷端冷却并在相同的速率和压力下再次操作四小时。在此时段期间，定期揭开窗口盖以检查冷端的后部。在活塞的硬铬镀层上无白霜形成，并且不存在通过活塞填料密封件泄漏的可见的氮。
下表1呈现了试验的结果：
表1
 试验#1试验#2试验#3概述加热口中无冷却剂，无窗口盖，并且无吹扫冷却剂流过加热口，无窗口盖，并且无吹扫冷却剂流过加热口，窗口被覆盖，且在中间间隔件中有氮吹扫持续时间2小时1小时4小时中间间隔件上的霜从鼻部起有约6英寸(15.2cm)的霜从鼻部起的霜不超过1.5英寸(3.8cm)从鼻部起的霜不超过1.5英寸(3.8cm)活塞铬镀层上的白霜白霜明显白霜比在试验#1中形成得更快当揭开窗口盖检查时未看到白霜填料密封泄漏冷蒸气泄漏在活塞和活塞填料密封件之间可见冷蒸气泄漏在活塞和活塞填料密封件之间可见在中间间隔件放泄孔处无明显泄漏，当揭开窗口盖检查时也看不到
冷端拆卸之后的检查也表明活塞填料密封件的变形减少。在操作200小时之后，当中间间隔件没有用于加热活塞填料密封件的装置时，用于带有2.00英寸(50.8mm)内孔的冷端的活塞填料密封件通常比活塞上的硬铬镀层的外径膨胀得更大。当经过试验的冷端在操作250小时之后被拆卸时，活塞填料密封件仍旧密封，并且在活塞填料密封件和活塞的硬铬镀层之间无间隙。
试验表明，仅具有加热元件的中间间隔件的确减少了活塞填料密封件中的变形，但由于增加了活塞的硬铬镀层上的硬白霜的形成而不改善性能。当结合密封盖和对中间间隔件内部的干热蒸气吹扫使用时，消除了硬白霜对活塞填料密封件的影响。此外，还从中间间隔件的内部消除了大气颗粒物，这也可利于活塞填料密封件和热端十字头油封的长寿。
因此，如示例中所描述的，具有加热元件的中间间隔件、密封盖和对内部的干热蒸气吹扫满足了本领域中对于加热低温往复泵冷端中的活塞填料密封件的装置的需求，在该低温往复泵中，活塞填料密封件紧邻低温流体，并且其中不存在改进冷端以加热活塞填料密封件的装置。加热元件在操作中增加活塞填料密封件的温度以限制变形。密封盖和对中间间隔件内部的干热蒸气吹扫消除了本来将在活塞的硬铬镀层上冻结并损坏活塞填料密封件的湿气。