Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas
Gemisches nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.
Die Erfindung geht ebenfalls aus von einem Verfahren zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas
Gemisches nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruches.
Stand der Technik
[0002] Aus der EP 0 990 801 ist eine Zerstäubungseinrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas
Gemisches bekannt, welche in einem Verfahren zur isothermen Kompression zur Anwendung
kommt. Das isotherm verdichtete Gas, vorzugsweise Luft, wird einer Gasturbinenanlage
zugeführt, deren Wirkungsgrad dadurch verbessert werden kann. Eine Zerstäubungseinrichtung
besteht aus mehreren konzentrisch zueinander angeordneten Ringdüsen, die über Verbindungskanäle
miteinander verbunden sind. Zu dem aus den Ringdüsen austretenden Wasser wird Luft
über die durch die zwischen den Ringdüsen gebildeten Öffnungen zugeführt. Die Zerstäubungsdüse
deckt dabei die gesamte Öffnung der Lavaldüse ab, um über die gesamte Öffnung einen
homogenen Sprühnebel, bestehend aus einzelnen Flüssigkeitströpfchen zu bilden. Eine
weitere Zerstäubungsdüse besteht ebenfalls aus mehreren konzentrisch zueinander angeordneten
Ringdüsen, die über Verbindungskanäle miteinander verbunden sind und die Öffnung der
Laval-Düse abdeckt. Die Zugabe von Wasser und Luft wird hier jedoch so eingestellt,
dass sich ein schaumartiges Gemisch bildet, in dem Luftblasen von Flüssigkeit eingeschlossen
sind.
Darstellung der Erfindung
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Zerstäubungseinrichtung und einem
Verfahren der eingangs genannten Art die Effizienz der Zerstäubung zu erhöhen.
[0004] Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erreicht.
[0005] Kern der Erfindung ist es also, dass die Zerstäubungseinrichtung aus einem Düsenkörper
besteht, welcher ein zumindest annähernd zentrales Rohr für das gasförmige Medium
und eine dieses zentrale Rohr umschliessende Düsenkammer zur Zuführung von Flüssigkeit
umfasst, wobei die Flüssigkeitszuführung Mittel zur Erzeugung einer verdrallten Flüssigkeitsströmung
in der Düsenkammer besitzt und die verdrallte Flüssigkeitsströmung koaxial das gasförmige
Medium umschliessend durch eine Düsenöffnung aus dem Düsenkörper austritt.
[0006] An der Düsenöffnung der Zerstäubungseinrichtung wird somit mittels an oder in der
Zerstäubungseinrichtung angeordneter Mittel zur Erzeugung einer verdrallten Flüssigkeitsströmung
ein sich in Strömungsrichtung ausbreitender wirbelnder hohlkonusförmiger Spray erzeugt.
In die sich im Inneren des hohlkonusförmigen Sprays gebildete Unterdruckzone wird
über das zentrale Rohr gasförmiges Medium eingespeist.
[0007] Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die in einer Drallströmung
aus der Zerstäubungseinrichtung austretende Flüssigkeit eine zentrale Unterdruckzone
bildet, in die eine grössere Gasmenge einströmt als bei bisher bekannten Zerstäubungsdüsen.
Durch die Erhöhung der Menge an mitgerissenem gasförmigen Medium wird auch die Wirksamkeit
des Gesamtsystems erhöht. Die Zerstäubungsqualität wird durch die verbesserte Zerstäubung
aufgrund des hohlkonusförmigen Sprays und der geringeren Dicke des aus der ringförmigen
Düsenöffnung austretenden Flüssigkeitsfilms erhöht. Die verbesserte Zerstäubung führt
ihrerseits dazu, dass die Länge der Laval-Düse reduziert werden kann, da eine geringere
Mischungszeit für die Erzeugung eines blasigen Gemisches benötigt wird.
[0008] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0009] Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher
erläutert. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
[0010] Es zeigen:
- Fig. 1
- Schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage mit vorgeschalteter isothermer Kompression;
- Fig. 2
- einen Teillängsschnitt durch eine Zerstäubungseinrichtung;
- Fig. 3
- einen Teilquerschnitt durch die Zerstäubungseinrichtung entlang Linie A-A der Fig.
2.
[0011] Es sind nur die für das unmittelbare Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente
gezeigt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
[0012] Gemäss Fig. 1 wird bei einer schematisch dargestellten Gasturbinenanlage isotherme
Kompression zur Vorverdichtung verwendet. Wasser 15, das entweder aus einem hochgelegenen
Wasserreservoir oder wie dargestellt mittels einer Wasserpumpe 1 über eine Wasserleitung
11 druckbeaufschlagt einer Zerstäubungseinrichtung 2 zugeführt wird, wird in der Zerstäubungseinrichtung
2 unter Zugabe von mittels einer Zuführungsleitung 16 zugeführter Luft 13 im Düseneinlassbereich
eines Mischrohrs 3 zu einem Flüssigkeits-Luft-Gemisch 4 zerstäubt, in dem feinst verteilt
kleine Flüssigkeitströpfchen enthalten sind. Das Mischrohr 3 ist als vertikal angeordneter
Fallschacht ausgebildet, durch den das Flüssigkeits-Luft-Gemisch 4 vertikal nach unten
strömt, beschleunigt durch die Gravitation. In dem Bereich der sich sich verjüngenden
Innenkontur des Diffusors 3a wird den Flüssigkeitströpfchen kinetische Energie entzogen,
wodurch die im Flüssigkeits-Luft-Gemisch 4 enthaltene Luft komprimiert wird. Der Diffusor
3a ist stromabwärts mit einer Hochdruckkammer 5 verbunden, in der sich die hochkomprimierte
Luft von der Flüssigkeit in einem Luft-Wasser-Seperator 12 separiert. Über eine entsprechende
Hochdruckzuleitung 6 wird die isotherm vorverdichtete Luft einer weiteren Verdichterstufe
7 zugeführt, die nachfolgend mit einer Brennkammer 8 verbunden ist, in der die vorverdichtete
Luft vermischt mit Brennstoff entzündet wird. Die in der Brennkammer expandierenden
Heissgase treiben die Turbine 9 an, die ihrerseits mit einem Generator 10 zur Stromerzeugung
verbunden ist. Das separierte Wasser wird mittels der Pumpe 1 und der Wasserleitung
11 wieder der Zerstäubungseinrichtung 2 zugeführt. Zur Kühlung des zugeführten Wassers
kann dieses mittels eines in der Wasserleitung 11 angeordneten Wasserkühlers 14 gekühlt
werden.
Grundsätzlich ist festzuhalten, dass die für die Kompression erforderliche Länge des
Mischrohrs 3 nicht von der Leistung der Gasturbine abhängt, sondern sehr stark von
der Zerstäubungsqualität, mit der die Zerstäubungseinrichtung 2 die Flüssigkeit in
feinst verteilte Flüssigkeitströpfchen zerstäubt. Ebenso hängt die Länge vom Düsenwirkungsgrad
sowie vom Druckverhältnis ab, mit dem die zu zerstäubende Flüssigkeit der Zerstäubungseinrichtung
2 zugeführt wird. So nimmt die Länge des Mischrohrs 3 mit abnehmendem Tröpfchendurchmesser
oder abnehmendem Kompressionswirkungsgrad ab. Typische Düsenlängen bei mässiger Zerstäubungsqualität
betragen ca. 20 m, wohingegen Düsenlängen bei hoher Zerstäubungsqualität auf 6 bis
10 m verkürzt werden können. Bei Verwendung einer Gasturbine, deren Luftmassendurchfluss
bei ca. 400 kg pro Sekunde liegt, betragen typische Eintrittsdüsenöffnungen bei Laval-Düsen
ca. 2 m und Austrittsdurchmesser etwa 3 m. Grundsätzlich ist es auch möglich, Gasturbinen,
Dampfturbinen sowie Abgasrekuperatoren zusammen mit der isothermen Kompression zu
kombinieren. Ferner ist festzuhalten, dass die Verwendung der isothermen Kompression
zu einem deutlichen Anstieg der Leistungsdichte sowie des Wirkungsgrades von Gasturbinen,
verglichen mit einstufig gekühlten Systemen, führt. Weitere Ausführungsformen und
Anordnungen können der EP 0 990 801 A1 entnommen werden, welche hiermit einen integrierenden
Bestandteil dieser Beschreibung bildet.
[0013] In Fig. 2 ist die Zerstäubungsdüse 2 im Längsschnitt und in der Fig. 3 im Querschnitt
dargestellt. In einem Düsenkörper 20 wird über tangential zur zentralen Luftzuführung
16 verlaufende Wasserzuführungen 17 das Wasser 15 zur ringförmigen, die Luftzuführungsleitung
16 umgebende, Düsenkammer 18 geleitet. Die Düsenkammer verjüngt sich zur ringförmigen
Düsenöffnung 19 hin.
Durch die Wasserzuführungen 17 wird Wasser 15 zur Düsenkammer 18 mittels der Pumpe
1 gefördert. Infolge der tangentialen Einleitung des Wassers in die Düsenkammer 18
bildet sich eine verdrallte Strömung aus, die in dem sich verjüngenden Querschnitt
zur Düsenaustrittsöffnung 19 hin noch beschleunigt wird. Beim Austritt aus der Zerstäubungseinrichtung
2 entsteht ein hohlkonusförmiger wirbelnder Spray 21, der in dem von ihm umschlossenen
Bereich eine Unterdruckzone 22 bildet. Durch diese Unterdruckzone 22 wird Luft 13
über die Luftzuführung angesogen und mitgerissen. Die Menge der durch die Druckzone
mitgerissenen Luft ist dabei deutlich höher als bei bisher bekannten Zerstäubungdüsen.
Der Spray 21 ist direkt am Düsenausgang 19 noch ein flüssiger Film, der starken Oberflächenspannungskräften
ausgesetzt ist, welche zu Instabilitäten aufgrund der grossen spezifischen Oberfläche
führen. Dies führt stromabwärts der Düsenöffnung zu einer schnellen Zerstäubung. Der
gut zerstäubte Spray 21 vermischt sich mit der mitgerissenen Luft 13 und bildet eine
zweiphasige Mischung 4 von Luft und Flüssigkeit. Wie oben beschrieben benötigt der
Vermischungsprozess eine bestimmte Länge und die Wirksamkeit der Vermischung ist umgekehrt
proportional zur Tropfengrösse, d.h. je kleiner die Tropfen desto höher ist die Wirksamkeit.
Bei einer angemessenen Verweildauer in der Laval-Düse führt die Vermischung zu einer
blasigen Mischung, in der die Luft in Flüssigkeitstropfen eingeschlossen ist, was
wiederum zur isothermen Verdichtung der Luft führt. Durch die hohe Menge an mitgerissener
Luft, die hohe Zerstäubungsqualität und die geringe Mischungszeit zur Erzeugung der
blasigen Mischung kann deshalb die Höhe der Laval-Düse stark reduziert werden.
[0014] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt. Zur Erzeugung der Drallströmung in der Düsenkammer können auch nur eine
tangentiale Wasserzuführung oder mehr als zwei tangentiale Wasserzuführungen verwendet
werden. Die Auslegung der tangentialen Wasserzuführungen bezüglich ihrer Position
und ihrer Innendimensionen erfolgt entsprechend dem gewünschten Aussenwinkel des Sprays,
der gewünschten Menge an mitgerissener Luft, dem verfügbaren Wasserdruck und der Fliessrate
des Wassers. Im Bereich der Düsenkammer können auch andere Mittel zur Erzeugung einer
verdrallten Flüssigkeitsströmung in der Düsenkammer angeordnet werden, z.B. in oder
ausserhalb der Düsenkammer angeordnete Umlenkkanäle.
Bezugszeichenliste
[0015]
- 1
- Wasserpumpe
- 2
- Zerstäubungseinrichtung
- 3
- Mischrohr
- 3a
- Diffusor
- 4
- Flüssigkeits-Luft-Gemisch
- 5
- Hochdruckkammer
- 6
- Hochdruckzuleitung
- 7
- Verdichter
- 8
- Brennkammer
- 9
- Turbine
- 10
- Generator
- 11
- Wasserleitung
- 12
- Luft-Wasser-Seperator
- 13
- Luft
- 14
- Wasserkühler
- 15
- Wasser
- 16
- Luftzuführung
- 17
- tangentiale Wasserzuführung
- 18
- Düsenkammer
- 19
- Düsenöffnung
- 20
- Düsenkörper
- 21
- hohlkonusförmiger Spray
- 22
- Unterdruckzone
1. Zerstäubungseinrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas Gemisches (4), wobei
das erzeugte Gemisch (4) vorzugsweise zwecks Verdichtung in eine Düsenanordnung (3)
eingeleitet wird, in welcher die kinetische Energie des Gemisches (4) zu einem grossen
Teil in Kompressionsenergie der gasförmigen Komponente umgewandelt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zerstäubungseinrichtung (2) aus einem Düsenkörper (20) besteht, welcher ein zumindest
annähernd zentrales Rohr (16) für das gasförmige Medium und eine dieses Rohr (16)
umschliessende rotationssymmetrische Düsenkammer (18) für das flüssige Medium umfasst,
die Flüssigkeitszuführung (17) Mittel zur Erzeugung einer verdrallten Flüssigkeitsströmung
in der Düsenkammer (18) besitzt und die Flüssigkeit in einer koaxial das Rohr (16)
umschliessenden Düsenöffnung (19) aus dem Düsenkörper (20) austritt.
2. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die die Flüssigkeitszuführung (17) tangential in die Düsenkammer (18) einmündet.
3. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Düsenkammer (18) zu einer ringförmigen Düsenöffnung (19) verjüngt.
4. Verfahren zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas Gemisches (4) mittels einer Zerstäubungseinrichtung
(2), wobei das erzeugte Gemisch (4) insbesondere zur Verdichtung in eine Düsenanordnung
(3) eingeleitet wird, in welcher die kinetische Energie des Gemisches (4) zu einem
grossen Teil in Kompressionsenergie der gasförmigen Komponente umgewandelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus einer Düsenöffnung (19) der Zerstäubungseinrichtung (2) eine verdrallte Flüssigkeitsströmung
austritt und einen sich in Strömungsrichtung ausbreitenden wirbelnden hohlkonusförmigen
Spray (21) erzeugt, und in die sich im Inneren des hohlkonusförmigen Sprays (21) gebildete
Unterdruckzone (22) über eine zentrale Zuführung (16) das gasförmige Medium (13) eintritt.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die verdrallte Flüssigkeitsströmung in einer das Rohr (16) zur Zuführung des gasförmigen
Mediums umschliessenden Düsenkammer (18) erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die verdrallte Flüssigkeitsströmung in der Düsenkammer (18) mittels mindestens einer
tangential in die Düsenkammer (18) einmündenden Flüssigkeitszuführung (17) erzeugt
wird.