Verfahren zum Fördern und Verdichten eines vorzugsweise gasförmigen Mediums sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fördern und Verdichten eines gasförmigen Mediums gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.

[0002] Eine derartige Vorrichtung ist aus der US-A-3 087 438 bekannt. Sie besteht aus einer vorzugsweise mit Flüssigkeiten arbeitenden thermohydraulischen Pumpvorrichtung, die mit einem erheblichen Druckanstieg arbeitet. Hierbei wird bei jedem Pumpzyklus das zu fördende Medium erhitzt, bis durch Druckanstieg das Auslassventil geöffnet wird; die Druckamplitude ist über die gesamte Länge des Rohres gleich hoch. Die stattfindende Expansion bzw.

[0003] Druckpulsation ist verhältnismässig langsam, da bei jedem Zyklus eine Dampfbildung mit nachfolgender Kondensation stattfinden soll. Die bekannte Vorrichtung weist nur einen niedrigen Wirkungsgrad auf.

[0004] Aus der US-A-3 489 335 ist eine Vorrichtung zum Fördern von Gasen durch Erzeugung vom thermomechanischen Druckpulsationen bekannt. Die in dieser Patentschrift offenbarte Vorrichtung weist jedoch den zusätzlichen Nachteil eines mechanischen Kolbens auf und benötigt eine komplizierte Startapparatur sowie Umgehungsleitungen mit zusätzlichen Ventilen.

[0005] Die Erfindung hat es sich dem gegenüber zur Aufgabe gemacht, eine Vorrichtung zu schaffen, durch welche mit Hilfe von thermoakustischen Schwingungen eine Förderung eines gasförmigen Mediums erreicht wird.

[0006] Die Erzeugung von thermoakustischen Schwingungen in einem gasförmigen Medium, wobei sich eine stehende Welle ausbildet, ist an sich bekannt. So ist z. B. in der Dissertation von Ulrich A. Müller, "Thermoakustische Gasschwingungen: Definition und Optimierung eines Wirkungsgrades", Diss. ETH Nr. 70 14,1982, Seite 1, die Anfachung laminarer Gasschwingungen in einem Rohr oder Kanal durch gewisse Wandtemperaturverteilungen erwähnt. Weiter ist auf den Seiten 82 und 110 der genannten Publikation die Konfiguration einer diesbezüglichen einfachen Wärmekraftmaschine mit einem Kolben offenbart. Dabei soll durch Anfachung von Gasschwingungen der Kolben in Schwingungen versetzt werden und somit die dem Gas zugeführte thermische Energie in Form von maschineller Kolbenarbeit abgeführt werden.

[0007] Mit dieser bekannten Vorrichtung ist somit nur eine stationäre Gasschwingung bzw. Verdichtung möglich. Eine Förderung des Gases findet nicht statt.

[0008] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit Hilfe einer Vorrichtung gelöst, wie sie in Kennzeichen des Anspruchs 1 definiert ist.

[0009] Hierbei lässt sich erreichen, dass im rohr- oder kanalförmigen Hohlraum eine kolbenartige Pumpwirkung durch die Schwingung der Gassäule selber erfolgt. Auf mechanische Kolben mit ihrem aufwendigen Antrieb sowie entsprechenden Dichtungsund Reibungsproblemen kann somit verzichtet werden.

[0010] Bekanntlich hängt die sich einstellende Frequenz eines in einem Hohlraum schwingenden gasförmigen Mediums von der geometrischen Formgebung des Hohlraumes und der Schallgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums ab.

[0011] Die Auslegung bzw. Optimierung des erfindungsgemäss ausgebildeten Hohlraums kann mit Hilfe der auf den Seiten 163-174 angegebenen Ausführungen in der eingangs zitierten Dissertation von U. A. Müller analog zu den dort für Wärmekraftmaschinen angegebenen Weisungen bestimmt werden.

[0012] Anhand der Ausführungen auf den Seiten 125-128 der zitierten Dissertation von U. A. Müller lässt sich nachweissen, dass die Leistungsdichte proportional zu der erzeugten Frequenz des gasförmigen Mediums ist. Daher lassen sich in dem bei thermoakustischen Schwingungen angewendeten Frequenzbereich von 20 - 20 000 Hz höhere Leistungsdichten als bei dem eingangs erwähnten bekannten thermohydraulischen System in einem Frequenzbereich von ca. 5 bis 6 Hz (vergl. Seite 1420 im Artikel von Sheldon, Crane & Kranc (J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 9, 1976)) erreichen.

[0013] Nach einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann die Zuströmung und Abströmung des Mediums quer zur Schwingungsrichtung der thermoakustischen Schwingung durchgeführt werden. Hierdurch ist eine optimale kolbenartige Pumpwirkung der thermoakustischen Schwingung sowie eine raumsparende Durchführung des Verfahrens gewährleistet.

[0014] Die thermoakustischen Schwingungen können durch kontinuierliche Wärmezu- und -abfuhr aufrechterhalten werden. Hierdurch lässt sich die Frequenz der thermoakustischen Schwingungen in einem weiten Bereich optimal einstellen.

[0015] Dabei kann die Wärmeabfuhr durch das Medium selbst erfolgen. Hierdurch lässt sich die Wärmeabfuhr besonders einfach bewerkstelligen.

[0016] Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird vorteilhaft so ausgebildet, dass die Längsachse des Behälters quer zur Längsrichtung der Förderleitung angeordnet ist. Hierdurch wird der Vorteil einer besonders kurzen und kompakten Bauart in Förderrichtung erzielt.

[0017] Es können weiter wenigstens zwei Förder- und Verdichtungsstufen mit getrennten Hohräumen in Serie geschaltet sein. Hierdurch lässt sich das Druckverhältnis wesentlich erhöhen.

[0018] Ferner können jeweils zwei Förder- und Verdichtungsstufen über ein gemeinsames Absperrorgan miteinander verbunden sein. Hierdurch wird der Vorteil einer besonders kompakten, verhältnismässig wenige bewegliche Teile aufweisenden Bauart erzielt.

[0019] Die Vorrichtung kann zum Fördern eines gasförmigen Mediums im Tieftemperaturbereich angewendet werden. Hierbei ist insbesondere die hermetische Bauart von Vorteil. Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Vorrichtung ergibt sich beim Fördern von Helium bei sehr tiefen Temperaturen, in einer an sich bekannten Heliumverflüssigungsanlage, wobei einer Vorkühlstufe der Anlage ein Helium-Teilstrom entnommen und als Wärmequelle für den kanalartigen Hohlraum benutzt sowie in die Anlage zurückgeführt wird, und dass aus dem Gasraum einer Endkühlstufe der Anlage gasförmiges Helium über den Hohlraum abgesaugt und in die Anlage zurückgeführt wird. Hierbei kann der Verdichtungsvorgang bei besonders tiefen Temperaturen erfolgen, so dass der Aufwand in Bezug auf Wärmetauscher erheblich reduziert und der Wirkungsgrad der Anlage entsprechend erhöht wird.

[0020] Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit nachstehender Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer einstufigen Vorrichtung im Längsschnitt,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer mehrstufigen Vorrichtung, und

Fig. 3 ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung in einer Helium-Kält- oder Verflüssigungsanlagen in schematischen Darstellung.

[0021] In einer Förderleitung 10 (Fig. 1) für ein gasförmiges Medium 12 befinden sich als Absperrorgane zwei Rückschlagventile 14,16, welche sich nur in der Hauptströmungsrichtung des Mediums 10 gemäss den Pfeilen 18,20 öffnen können, in der Gegenrichtung jedoch dicht schliessen. Zwischen den Rückschlagventilen 14, 16 befindet sich quer zur Förderleitung 10 ein Rohr 22, welches an seinem Oberteil durch eine Wand 24 einseitig angeschlossen ist und einen im wesentlichen zylindrischen Hohlraum 26 aufweist. Im oberen Teil des Rohrs befinden sich Flansche 28 einer Wärmeübertragungsfläche 30.

[0022] Für ein Beitriebsbeispiel der beschriebenen Vorrichtung wird angenommen, dass Luft, gemäss den Pfeilen 18, 20 zugeführt und abgeführt werden soll. Durch Beheizunh der Flansche 28 der Wärmeübertragungsfläche 30 mittels eines Heissluftstromes gemäss den Pfeilen 32, 34 werden in der sich im Hohlraum 26 befindlichen Luftsäule thermoakustische Schwingungen gemäss dem Doppelpfeil 36 angefacht. Dabei wird bei der Schwingung nach oben Luft durch das Rückschlagventil 14 gemäss Pfeil 18 angesaugt, während das Rückschlagventil 20 geschlossen bleibt. Bei der Schwingung nach unten wird dementsprechend die Luft komprimiert und durch das Rückschlagventil 16 in Richtung des Pfeils 20 weiter befördert, wobei das Rückschlagventil 14 geschlossen bleibt. Dabei dient die geförderte Luft als Wärmesenke; die gemäss den Pfeilen 32, 34 zugeführte Wärmeenergie wird somit direkt durch die geförderte und verdichtete Luft gemäss Pfeil 20 abgeführt.

[0023] Bei der mehrstufigen Vorrichtung gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind dem ersten Rohr 22 noch zwei weitere Rohre 38,40 mit Rückschlagventilen 42,44 nachgeschaltet. Dabei sind somit die Förder- und Verdichtungsstufen 22, 38 über das Rückschlagventil 16 und die Förder- und Verdichtungsstufen 38, 40 über das Rückschlagventil 42 als gemeinsames Absperrorgan miteinander verbunden.

[0024] Die Oberteile der Rohre 22, 38,40 sind von einem gemeinsamen Heizmantel 46, die Unterteile von einem gemeinsamen Kühlmantel 48 umschlossen.

[0025] Der Betrieb der Vorrichtung entspricht dem obigen Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, dass in diesem Falle als Heizmedium im Heizmantel 46 Dampf gemäss den Pfeilen 50, 52, dem Kühlmantel 48 Kühlwasser gemäss den Pfeilen 54, 56 zugeführt bzw. aus diesem abgeführt wird. Das Medium 12 wird in diesem Fall somit gemäss Pfeil 20 ohne Temperaturerhöhung gefördert.

[0026] Beim Anwendungsbeispiel in einer Helium-Kälte- oder Verflüssigungsanlage (Fig. 3) weist der kalte Teil der Anlage Wärmetauscher 58, 60, 62, 64, 66, eine Expansionsturbine 68, einen Ejektor 70, Dampfabscheider 72, 74, 76, sowie Joule-Thomson-Ventile 78, 80 auf. Zwischen dem ersten Wärmetauscher 58 und dem letzten Dampfabscheider 76 ist die Vorrichtung 11 gemäss Fig. 1 geschaltet.

[0027] Beim Betrieb der beschriebenen Anlage wird ein im (nicht dargestellten) warmen Teil der Helium-Kälte- oder Verflüssigungsanlage vorverdichteter Helium-Eingangsstrom 82 mit einer Eingangstemperatur von 22,4° K und einem Eingangsdruck von 16 bar durch die Wärmetauscher 58, 60, 62, 64 geführt und mit einer Ausgangstemperatur von 4,5° K und gleichem Ausgangsdruck über den Ejektor 70 dem Dampfabscheider 72 zugeführt, wobei die Temperatur 4,2° K und der Druck 1 bar betragen.

[0028] Aus dem Gasraum des Dampfabscheiders 72 wird ein Helium-Ausgangsstrom 84 über die Wärmetauscher 64, 62, 60, 58 zurückgeführt, wobei die Ausgangstemperatur nach dem Wärmetauscher 58 21 ° K und der Ausgangsdruck 1 bar betragen.

[0029] Vom Eingangsstrom 82 wird ein Helium-Teilstrom 86 entnommen, über die Wärmeübertragungsfläche 30 der Vorrichtung 11 geführt, wobei er in dieser als Wärmequelle benutzt wird, und mit einer Temperatur von 19,5° K beim Punkt 88 dem Heliumstrom 82 wieder zugeführt.

[0030] Der Punkt 89 wird über die Expansionsturbine 68 beim Verzweigungspunkt 90 mit dem Heliumstrom 84 verbunden, wobei die Temperatur 8° K und der Druck 1 bar betragen.

[0031] Aus dem Dampfabscheider 72 wird ein flüssiger Heliumstrom über den Wärmetauscher 66 auf eine Temperatur von 4,0° K gekühlt, über das Joule-Thomson-Ventil 78 entspannt und mit einer Temperatur von 3,20 K dem Dampfabscheider 74 zugeführt. Aus diesem wird ein Helium-Teilstrom 92 über den Wärmetauscher 66 dem Ejektor 70 bei einer Temperatur von 4,1 K zugeführt.

[0032] Der aus dem Dampfabscheider 74 austretende Heliumstrom 94 wird über das Joule-Thomson-Ventil 80 nochmals entspannt und erreicht den Dampfabscheider 76 mit der Endtemperatur 1,8° K bei einem Druck von 0,016 bar.

[0033] Aus dem Dampfabscheider 76 wird der gasförmige Helium-Ausgangsstrom 96 durch die Vorrichtung 11 gefördert und verdichtet unter gleichzeitiger Erwärmung, wonach dieser eine Temperatur von 5,7° K und einen Druck von 0,1 bar aufweist. Das verdichtungsverhältnis beträgt somit ca. 6 : 1. Schliesslich wird der Heliumstrom 96 über die Wärmetauscher 62, 60, 58 auf eine Temperatur von 21 K erwärmt und den warmen Teil der Heliumanlage zurückgeführt.

[0034] Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind zwei Vorrichtungen gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 miteinander über Rohre 23, 39, 41 gekuppelt, wodurch die Schwingungsamplitude der Schwingung gemäss Pfeil 36 bei gleichzeitiger optimaler Raumnutzung vergrössert wird. Der Betrieb entspricht dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Fördern und Verdichten eines Mediums mit wenigstens einem rohr- oder kanalförmigen Behälter (22, 38, 40), dessen Hohlraum (26) an die Förderleitung für das Medium angeschlossen ist und wenigstens einer äusseren Wärmequelle (30,46) oder -senke (48), wobei die Wärmequelle unmittelbar am Behälter wirksam ist, und saugseitig und förderseitig des Hohlraumes je ein einseitig schliessendes Absperrorgan (14,16,42,44) vorgesehen ist, wobei das Gas auf einer Seite angesaugt und auf der anderen weitergefördert wird, derart, dass beim Ansaugen die Förderseite und bei der Weiterförderung die Ansaugseite verschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter zwischen seinen Endwänden nur zu förderndes und zu verdichtendes Gas enthält und in dem zu fördernden gasförmigen Medium (5) durch direkte Einwirkung der Wärmequelle oder -senke zum Fördern des Gases eine thermoakustische Schwingung erzeugt wird, derart, dass das Medium im Behälter von der thermoakustischen Schwingung auf einer Seite angesaugt und auf die andere Seite weiter gefördert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Förder-und Verdichtungsstufen (22, 38, 40) mit getrennten Hohlräumen (26) in Serie geschaltet und durch ein gemeinsames Verbindungsrohr (10) miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Förder- und Verdichtungsstufen (22, 38; 38, 40) über ein gemeinsames Absperrorgan (16,42) miteinander verbunden sind.

4. Anwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Fördern von Helium bei sehr tiefen Temperaturen, in einer an sich bekannten Helium-Kälte- oder Verflüssigungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass einer vorkühlstufe (58) der Anlage ein Helium-Teilstrom (86) entnommen und als Wärmequelle für den kanalartigen Hohlraum (26) benutzt sowie in die Anlage zurückgeführt wird, und dass aus dem Gasraum einer Endkühlstufe (76) der Anlage gasförmiges Helium über den Hohlraum (26) abgesaugt und in die Anlage zurückgeführt wird.

Claims

1. A device for conveying and compressing a medium comprising at least one container (22, 38, 40) in the form of a tube or duct having a cavity (26) connected to the line for conveying the medium and at least one external heat source (30, 46) or sink (48), the heat source acting directly on the container and a shut-off means (14,16, 42, 44) closing one on each side is provided on the suction side and delivery side respectively of the cavity, the gas being sucked in at one side and delivered on the other side, so that the delivery side is closed during suction and the suction side is closed during delivery, characterised in that the container, between its end walls, contains only gas to be conveyed and to be compressed, and in the gaseous medium (5) to be conveyed thermoacoustic vibration is generated by direct action of the heat source or sink in order to convey the gas, so that the medium is sucked into one side of the container by the thermoacoustic vibration and delivered at the other side.

2. A device according to claim 1, characterised in that at least two delivery and compression stages (22, 38, 40) comprising separate cavities (26) are connected in series and interconnected by a common pipe (10).

3. A device according to claim 1, characterised in that each pair of delivery and compression stages (22, 38; 38,40) are interconnected via a common shut-off means (16,42).

4. Use of the device according to claim 1 for conveying helium at very low temperatures in a known helium-cooling or liquefying plant, characterised in that a partial stream of helium (86) is taken from a pre-cooling stage (58) of the plant and used as a heat source for the duct-like cavity (26) and returned to the plant, and gaseous helium is sucked through the cavity (26) from the gas chamber of a final cooling stage (76) of the plant and returned to the plant.

Revendications

1. Dispositif destiné au refoulement et à la compression d'un milieu avec au moins un réservoir en forme de tube ou de canal (22, 38, 40) dont la cavité (26) est raccordée à la conduite de refoulement pour le milieu et au moins une source (30,46) ou un puits (48) de chaleur; dans lequel la source de chaleur agit directement sur le réservoir, et tant du côté aspiration que du côté refoulement de la cavité est disposé un organe d'obturation (14, 16, 42, 44) se fermant d'un côté, grâce à quoi le gas est aspiré d'un côté et refoulé de l'autre, de telle façon que lors de l'aspiration, le côté refoulement est fermé et lors du refoulement, le côté aspiration est fermé, caractérisé en ce que le réservoir ne contient entre ses parois extrêmes que du gaz à refouler et à comprimer et en ce que dans le milieu (5) gazeux à refouler il est créé une oscillation thermoacoustique pour le refoulement du gaz par action directe de la source ou du puits de chaleur, de sorte que le milieu dans le réservoir est aspiré d'un côté et refoulé en aval de l'autre côté par l'oscillation thermoacoustique.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins deux étages de refoulement et de compression (22, 38,40) avec dez cavités séparées (26) sont montés en série et reliés entre eux par un tube de liaison commun (10).

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que respectivement deux étages de refoulement et de compression (22, 38; 38,40) sont reliés l'un à l'autre par un organe d'obturation commun (16, 42).

4. Utilisation d'un dispositif selon la revendication 1 pour le refoulement d'hélium à très basses températures dans une installation de refroidissement ou de liquéfaction d'hélium connue en soi, caractérisée en ce qu'à un étage de prérefroidissement (58) de l'installation, un flux partiel d'hélium (86) est prélevé et utilisé comme source chaude pour la cavité (26) en forme de canal et renvoyé dans l'installation, et en ce que de l'hélium gazeux est aspiré hors du volume de gaz d'un étage de refroidissement final (76) de l'installation et renvoyé dans l'installation.

Zeichnung