Strahlpumpe zur Kompression eines zweiphasigen Gemisches mittels Überschallströmung

Abstract

 Bei einem Verfahren zum komprimieren eines Gases wird eine einfach zu realisierende Kompression dadurch erreicht, dass in einem ersten Schritt aus dem Gas und einer Flüssigkeit ein Schaum (21) gebildet wird, in welchem die Schallgeschwindigkeit deutlich kleiner ist als in dem Gas und in der Flüssigkeit für sich genommen, dass in einem zweiten Schritt der Schaum mit Ueberschallgeschwindigkeit durch eine Düse (19, 20) geleitet und dadurch das im Schaum befindliche Gas komprimiert wird, und dass in einem dritten Schritt hinter der Düse (19, 20) das komprimierte Gas und die Flüssigkeit voneinander getrennt werden.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kompressortechnik. Sie betrifft ein Verfahren zum komprimieren eines Gases sowie eine Kompressionsvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

STAND DER TECHNIK

[0002] Im Stand der Technik (siehe z.B. die Druckschrift US-A-5,083,429) ist bereits verschiedentlich vorgeschlagen worden, ein strömendes gasförmiges Medium dadurch zu komprimieren, dass es in einer geeigneten Vorrichtung (Kompressionsrohr) zunächst auf Ueberschallgeschwindigkeit beschleunigt und anschliessend unter Erzeugung von Schockwellen und anschliessender Druckerhöhung wieder abgebremst wird. Die bei der Kompression entstehende Wärme kann dabei beispielsweise durch Eindüsen von Wasser in den entsprechenden Rohrabschnitt abgeführt werden. Nachteilig bei dieser Art der Kompression ist, dass die Schallgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums (z.B. Luft) in der Regel relativ hoch ist, und dass daher einiger Aufwand betrieben werden muss, um den Gasstrom auf Ueberschallgeschwindigkeit zu bringen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0003] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Kompression eines gasförmigen Mediums anzugeben, welche mit einer deutlich reduzierten Schallgeschwindigkeit arbeiten und daher mit reduziertem Aufwand verwirklicht werden können.

[0004] Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass in einem ersten Schrift aus dem Gas und einer Flüssigkeit ein Schaum gebildet wird, in welchem die Schallgeschwindigkeit deutlich kleiner ist als in dem Gas und in der Flüssigkeit für sich genommen, dass in einem zweiten Schritt der Schaum mit Ueberschallgeschwindigkeit durch eine Düse geleitet und dadurch das im Schaum befindliche Gas komprimiert wird, und dass in einem dritten Schrift hinter der Düse das komprimierte Gas und die Flüssigkeit voneinander getrennt werden. Der Kern der Erfindung besteht darin, für die Kompression ein schaumartiges Gas-Flüssigkeits-System zu verwenden, welches sich durch eine gegenüber den einzelnen Komponenten deutlich reduzierte Schallgeschwindigkeit aus zeichnet. Hierdurch ist es möglich, mit reduziertem Aufwand die für den Kompressionsvorgang notwendige Ueberschallgeschwindigkeit zu erreichen. Zugleich kann über die später wieder abseparierte Flüssigkeit die bei der Kompression entstehende Wärme auf einfache Weise abgeführt werden.

[0005] Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein im wesentlichen ruhender Schaum erzeugt wird, dass die Düse mit Ueberschallgeschwindigkeit durch den Schaum bewegt wird, und dass die Bewegung der Düse als Kreisbewegung um eine Drehachse ausgeführt wird. Diese Art der Verfahrensführung erweist sich als besonders günstig für die apparative Realisierung des Verfahrens.

[0006] Eine wegen ihrer Einfachheit bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Schaum hinter der Düse in einem mit der Düse mitbewegten Auffangbehälter aufgefangen wird, und dass die bei der Drehung entstehende Zentrifugalkraft im Auffangbehälter zur Trennung von Gas und Flüssigkeit eingesetzt wird.

[0007] Eine andere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Schaumes das Gas in ein Volumen der Flüssigkeit verteilt eingebracht wird ,und dass das Gas von unten durch einen porösen Boden in eine über dem Boden stehende Schicht der Flüssigkeit eingebracht wird. Hierdurch lässt sich grossflächig ohne bewegte Teile ein feinporiger Schaum erzeugen, der für die erfindungsgemässe Kompression besonders geeignet ist.

[0008] Die erfindungsgemässe Kompressionsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Behälter für den erzeugten Schaum, welcher Behälter mit ersten Mitteln zur Erzeugung des Schaumes verbunden ist, sowie wenigstens eine Düse, welche relativ zum Schaum derart bewegbar ist, dass der Schaum mit Ueberschallgeschwindigkeit durch die Düse hindurchtritt, sowie zweiten Mitteln zur Auftrennung des Schaumes in Gas und Flüssigkeit, welche zweiten Mittel hinter der Düse angeordnet sind.

[0009] Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel einen porösen Boden umfassen, welcher den Behälter nach unten abschliesst, und welcher von der Unterseite her flächig mit dem Gas beaufschlagbar ist, dass die wenigstens eine Düse innerhalb des Behälters an einem Arm um eine zentrale Drehachse drehbar und im wesentlichen tangential zum Drehkreis angeordnet ist, dass der Arm von einem Motor angetrieben ist, dass die zweiten Mittel jeweils einen hinter der Düse angebrachten und mit der Düse verbundenen Auffangbehälter umfassen, welcher jeweils am Ende des Armes angeordnet ist, und dass in dem Auffangbehälter jeweils dritte Mittel zur getrennten Abfuhr der sich bei der Drehung trennenden gasförmigen und flüssigen Komponenten vorgesehen sind.

[0010] Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Arm jeweils rohrförmig ausgebildet ist, dass die dritten Mittel ein jeweils innerhalb des Armes verlaufendes erstes Innenrohr umfassen, und dass die Flüssigkeit durch das erste Innenrohr und das Gas im Zwischenraum zwischen dem ersten Innenrohr und dem Arm abgeführt werden.

[0011] Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

[0012] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1

ein Diagramm der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in einem Luft-Wasser-System vom Verhältnis ε des Luftvolumens V_air zum Gesamtvolumen V des Luft-Wasser-Gemisches;

Fig. 2

in der Draufsicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Kompressionsvorrichtung mit zwei Düsen an zwei Armen; und

Fig. 3

die Kompressionsvorrichtung nach Fig. 2 in der teilweise geschnittenen Seitenansicht.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0013] Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines Gas-Flüssigkeits-Systems zur Kompression des Gases selbst. In zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Strömungen ist oftmals die Schallgeschwindigkeit viel geringer als die Schallgeschwindigkeit des reinen Gases bzw. der reinen Flüssigkeit. So liegen z.B. die Schallgeschwindigkeiten unter 40 m/s in einem Luft-Wasser-System, wenn das Volumenverhältnis ε von Luft zum Gemisch insgesamt zwischen 0,1 und 0,9 liegt (Fig. 1). Dies bedeutet, dass Ueberschallgeschwindigkeit relativ einfach erzeugt und dass ein solches Gemisch durch eine Strömungsquerschnittsverengung stark komprimiert werden kann.

[0014] Eine spezielle Form eines solchen Gas-Flüssigkeits- bzw. Luft-Wasser-Gemisches ist der Schaum. Schaum zeichnet sich durch hohe Gas- bzw. Luftvolumenanteile (ε ≈ 0,9) aus. Schaum ist definiert als eine Dispersion von Gas in einer Flüssigkeit, die eine oder mehrere oberflächenaktive Substanzen enthält. Die Flüssigkeit liegt hauptsächlich in Form von dünnen Filmen als Ummantelung der im Schaum vorhandenen Blasen vor. Die Grösse (der Durchmesser) der Blasen variiert zwischen einigen Mikrometern (feiner Schaum) und mehreren Millimetern (grober Schaum). Die oberflächenaktiven Substanzen sind in der Flüssigkeit löslich und verringern deren Oberflächenspannung, so dass die Bildung von stabilen Blasen ermöglicht wird. In der beispielhaften Luft-Wasser-Mischung kann Schaum beispielsweise mittels einer 1-5%-igen Butyl-Glycol/Wasser-Lösung und Luft erzeugt werden.

[0015] Das erfindungsgemässe Verfahren kann nun mittels einer Kompressionsvorrichtung durchgeführt werden, von der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel in Fig. 2 und 3 wiedergegeben ist. Die dargestellte Kompressionsvorrichtung 10 umfasst einen Behälter 11, in welchem der gewünschte Schaum 21 erzeugt wird. Der Behälter 11 ist nach unten hin durch einen porösen Boden 23 abgeschlossen, über dem während des Betriebes der Kompressionsvorrichtung 10 stets eine Schicht der verwendeten Flüssigkeit 22 (insbesondere Wasser plus oberflächenaktive Substanzen) steht. Unterhalb des porösen Bodens 23 ist ein Zuführraum 24 angeordnet, der über eine Zuführung 25 mit dem verwendeten, zu komprimierenden Gas (insbesondere Luft) gefüllt werden kann. Das Gas dringt in Form kleiner Bläschen vom Zuführraum 24 durch den porösen Boden 23 - der auch als Lochblech oder dgl. ausgebildet sein kann - in die darüberstehende Flüssigkeit 22 und erzeugt beim Durchtreten durch die Flüssigkeit 22 den Schaum 21, der den Behälter 11 oberhalb der Flüssigkeit 22 mehr oder weniger stark ausfüllt.

[0016] Im Bereich des Schaumes 21 ist innerhalb des Behälters 11 um eine zentrale Drehachse 12 drehbar ein System angeordnet, welches mittels eines Motors 26 (oder eines gleichwirkenden Antriebs) mit einer Umfangsgeschwindigkeit bewegt wird, die über der Schallgeschwindigkeit des Schaumes 21 liegt, und mit dieser Ueberschallgeschwindigkeit den Schaum 21 einfängt und durch eine Querschnittsverengung strömen lässt. Hierzu sind an zwei gegenüberliegenden Armen 15, 16 zwei tangential gerichtete Düsen 19, 20 vorgesehen, durch die der relativ zu den um die Drehachse 12 rotierenden Düsen 19, 20 ruhende Schaum 21 hindurchströmt und in dahinterliegende Auffangbehälter 17, 18 gelangt. Es versteht sich von selbst, dass anstelle der im Beispiel gezeigten zwei Düsen19, 20 auch nur eine Düse oder mehr als zwei Düsen eingesetzt werden können.

[0017] In den Auffangbehältern 17, 18 endet vor der Behälterwand jeweils ein innerhalb des rohrförmigen Armes 15, 16 konzentrisch verlaufendes Innenrohr 29, 30. Die radialen Innenrohre 29, 30 sind zu einem in der Drehachse 12 liegenden, axialen Innenrohr 14 geführt und an dieses angeschlossen. Die rohrförmigen Arme 15, 16, verbinden die Auffangbehälter 17, 18 mit einem axialen Aussenrohr 13, welches das axiale Innenrohr 14 konzentrisch umgibt. Die axialen Rohre 13, 14 dienen als Welle. Sie und die an ihnen befestigten Arme 15, 16 werden durch den unterhalb des Behälters 11 angeordneten Motor 26 gedreht. Die axialen Rohre 13, 14 sind nach unten zu geschlossen. Nach oben hin sind sie von aussen durch geeignete Auslässe 27, 28 zugänglich.

[0018] Die in Fig. 2 und 3 dargestellte Kompressionsvorrichtung 10 funktioniert nun wie folgt: In dem mit dem Schaum 21 gefüllten Behälter rotieren - angetrieben von dem Motor 26 - die beiden Düsen 19, 20 mit dem dazugehörigen Auffangbehälter 17, 18 entgegen dem Uhrzeigersinn (Drehpfeile in Fig. 2). Die Rotationsgeschwindigkeit beträgt bei dem beispielhaften und bevorzugten Luft-Wasser-Gemisch ca. 100 m/s, d.h., die Düsen 19, 20 bewegen sich relativ zum Schaum 21 mit Ueberschallgeschwindigkeit. Eine solche Geschwindigkeit kann beispielsweise erreicht werden, wenn die Umdrehungsfrequenz des Motors 26 50 Hz beträgt und die Düsen 19, 20 einen Abstand von ca. 0,3 m von der Drehachse 12 haben.

[0019] In den Düsen 19, 20 tritt eine Verdichtung des 2-Phasen-Gemisches ein. In den Auffangbehältern 17, 18 hinter den Düsen 19, 20 wird die Flüssigkeit (das Wasser) aufgrund der Zentrifugalkraft radial nach aussen ausgeschleudert und über die radialen Innenrohre 29, 30 und das axiale Innenrohr 14 zum Auslass 28 transportiert. Die am Auslass 28 austretende Flüssigkeit kann - ggf. nach einem Wärmeentzug - wieder zur Schaumbildung in den Behälter 11 zurückgeführt werden. Das beim Ausschleudern zurückbleibende Gas (Luft) wird im Zwischenraum zwischen den Armen 15, 16 und den radialen Innenrohren 29, 30 zum axialen Aussenrohr 13 geführt und kann (in komprimierter Form) am Auslass 27 entnommen werden.

[0020] Wie bereits weiter oben erwähnt, besteht der Boden 23 des Behälters 11 aus einem porösen Material oder einem Lochblech. Auf dem Boden 23 befindet sich stets eine Flüssigkeitsschicht 22. Das Gas (die Luft) durchströmt den Boden 23 und bildet beim Durchdringen der Flüssigkeitsschicht 22 Blasen. Es entsteht so stets ein frischer Schaum 21.

[0021] Bei Ausgangsvolumenverhältnissen von ε = 0,9 beträgt (beim Luft-Wasser-Gemisch) das Massenverhältnis von Wasser zu Luft 85,9, d.h., die bei der Kompression der Luft frei werdende Wärme wird vom Wasser aufgenommen, ohne dass es zu einer nennenswerten Temperaturerhöhung kommt.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0022] 

10

Kompressionsvorrichtung

11

Behälter

12

Drehachse

13

Aussenrohr

14

Innenrohr

15,16

Arm

17,18

Auffangbehälter

19,20

Düse

21

Schaum

22

Flüssigkeit (Flüssigkeitsschicht)

23

Boden (porös)

24

Zuführraum (Gas)

25

Zuführung (Gas)

26

Motor

27

Auslass (Gas)

28

Auslass (Flüssigkeit)

29,30

Innenrohr

Ansprüche

1. Verfahren zum komprimieren eines Gases, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt aus dem Gas und einer Flüssigkeit ein Schaum (21) gebildet wird, in welchem die Schallgeschwindigkeit deutlich kleiner ist als in dem Gas und in der Flüssigkeit für sich genommen, dass in einem zweiten Schritt der Schaum mit Ueberschallgeschwindigkeit durch eine Düse (19, 20) geleitet und dadurch das im Schaum befindliche Gas komprimiert wird, und dass in einem dritten Schritt hinter der Düse (19, 20) das komprimierte Gas und die Flüssigkeit voneinander getrennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein im wesentlichen ruhender Schaum (21) erzeugt wird, und dass die Düse (19, 20) mit Ueberschallgeschwindigkeit durch den Schaum (21) bewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Düse (19, 20) als Kreisbewegung um eine Drehachse (12) ausgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaum hinter der Düse (19, 20) in einem mit der Düse (19, 20) mitbewegten Auffangbehälter (17, 18) aufgefangen wird, und dass die bei der Drehung entstehende Zentrifugalkraft im Auffangbehälter (17, 18) zur Trennung von Gas und Flüssigkeit eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Schaumes (21) das Gas in ein Volumen der Flüssigkeit (22) verteilt eingebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas von unten durch einen porösen Boden (23) in eine über dem Boden (23) stehende Schicht der Flüssigkeit (22) eingebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung des Schaums der Flüssigkeit (22) vor der Schaumbildung wenigstens eine oberflächenaktive Substanz zugemischt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Luft komprimiert wird, und dass als Flüssigkeit (22) Wasser verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasser als oberflächenaktive Substanz Butyl-Glycol, insbesondere unter Bildung einer 1 bis 5%-igen Lösung, zugesetzt wird.

10. Kompressionsvorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens, gekennzeichnet durch einen Behälter (11) für den erzeugten Schaum (21), welcher Behälter (11) mit ersten Mitteln (22-25) zur Erzeugung des Schaumes (21) verbunden ist, sowie wenigstens eine Düse (19, 20), welche relativ zum Schaum derart bewegbar ist, dass der Schaum (21) mit Ueberschallgeschwindigkeit durch die Düse (19, 20) hindurchtritt, sowie zweiten Mitteln (17, 18; 29, 30) zur Auftrennung des Schaumes in Gas und Flüssigkeit, welche zweiten Mittel hinter der Düse (19, 20) angeordnet sind.

11. Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel einen porösen Boden (23) umfassen, welcher den Behälter (11) nach unten abschliesst, und welcher von der Unterseite her flächig mit dem Gas beaufschlagbar ist.

12. Kompressionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Düse (19, 20) innerhalb des Behälters (11) an einem Arm (15, 16) um eine zentrale Drehachse (12) drehbar und im wesentlichen tangential zum Drehkreis angeordnet ist, und dass der Arm (15, 16) von einem Motor (26) angetrieben ist.

13. Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel jeweils einen hinter der Düse (19, 20) angebrachten und mit der Düse (19, 20) verbundenen Auffangbehälter (17, 18) umfassen, welcher jeweils am Ende des Armes (15, 16) angeordnet ist, und dass in dem Auffangbehälter (17, 18) jeweils dritte Mittel (29, 30) zur getrennten Abfuhr der sich bei der Drehung trennenden gasförmigen und flüssigen Komponenten vorgesehen sind.

14. Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm (15, 16) jeweils rohrförmig ausgebildet ist, dass die dritten Mittel ein jeweils innerhalb des Armes (15, 16) verlaufendes erstes Innenrohr (29, 30) umfassen, und dass die Flüssigkeit durch das erste Innenrohr (29, 30) und das Gas im Zwischenraum zwischen dem ersten Innenrohr (29, 30) und dem Arm (15, 16) abgeführt werden.

15. Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Drehachse (12) konzentrisch ein Aussenrohr (13) und ein zweites Innenrohr (14) angeordnet sind, durch welche das Gas bzw. die Flüssigkeit nach ihrer Trennung aus dem Behälter (11) herausgeführt werden, und dass der Arm (15, 16) jeweils an das Aussenrohr (13) und das erste Innenrohr (29, 30) jeweils an das zweite Innenrohr (14) angeschlossen sind.

16. Kompressionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Behälters (11) mehrere Düsen (19, 20) an entsprechenden Armen (15, 16) über den Umfang verteilt drehbar angeordnet sind und von dem Motor (26) angetrieben werden.

Zeichnung