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

Abstract

 Ein Verfahren zum Fördern und Verdichten eines vorzugsweise gasförmigen Mediums (12) durch Erzeugung von thermoakustischen Schwingungen in einem rohr- oder kanalartigen Hohlraum (22) mit Hilfe mindestens einer Wärmequelle (30, 46) und einer Wärmesenke (48). Das zu fördernde Medium (12) wird von der thermoakustischen Schwingung auf einer Seite angesaugt und auf die andere Seite weiter gefördert. Beim Ansaugen wird die Förderseite und bei der Weiterförderung die Ansaugseite verschlossen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem rohr- oder kanalförmigen Behälter (22, 38, 40) mit wenigstens einer äusseren Wärmequelle oder-senke (30; 46, 48). Der Hohlraum (26) des Behälters (22, 38, 40) ist an die Förderleitung (10) fürdas Medium angeschlossen. Saugseitig und förderseitig des Hohlraums ist je ein einseitig schliessendes Absperrorgan (14, 16, 42, 44) vorgesehen.
Anwendung des Verfahrens zum Fördern von Helium bei sehr tiefen Temperaturen, in einer an sich bekannten Helium-Kälte- oder Verflüssigungsanlage. Einer Vorkühlstufe (58) der Anlage wird ein Helium-Teilstrom (86) entnommen und als Wärmequelle für den kanalartigen Hohlraum (26) benutzt sowie in die Anlage zurückgeführt. Aus dem Gasraum einer Endkühlstufe (76) der Anlage wird gasförmiges Helium über den Hohlraum (26) abgesaugt und in die Anlage zurückgeführt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fördern und Verdichten eines vorzugsweise gasförmigen Mediums durch Erzeugung von thermoakustischen Schwingungen in einem rohr-oder kanalartigen Hohlraum mit Hilfe mindestens einer Wärmequelle und einer Wärmesenke sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Die Erzeugung von thermoakustischen Schwingungen in einem gasförmigen Medium 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.

[0003] Mit dieser bekannten Vorrichtung ist somit nur eine stationäre Gasschwingung bzw. Verdichtung möglich. Eine Förderung des Gases findet nicht statt.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, durch welche mit Hilfe von thermoakustischen Schwingungen nicht nur eine stationäre Verdichtungswirkung sondern auch eine Förderung eines vorzugsweise gasförmigen Mediums erreicht wird.

[0005] Das Verfahren, welches zur Lösung dieser Aufgabe dient, ist dadurch gekennzeichnet, dass das zu fördernde Medium von der thermoakustischen Schwingung auf einer Seite angesaugt und auf die andere Seite weiter gefördert wird, wobei beim Ansaugen die Förderseite und bei der Weiterförderung die Ansaugseite verschlossen werden. Hierdurch 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 Dichtungs- und Reibungsproblemen kann somit verzichtet werden.

[0006] 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.

[0007] Die thermoakustischen Schwingungen können durch kontinuierliche Wärmezu- und -abfuhr aufrecht erhalten werden. Hierdurch lässt sich die Frequenz der thermoakustischen Schwingungen in einem weiten Bereich optimal einstellen.

[0008] Dabei kann die Wärmeabfuhr durch das Medium selbst erfolgen. Hierdurch lässt sich die Wärmeabfuhr besonders einfach bewerkstelligen.

[0009] Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen rohr-oder kanalförmigen Behälter mit wenigstens einer äusseren Wärmequelle oder -senke, dessen Hohlraum an die Förderleitung für das Medium angeschlossen ist, wobei saugseitig und förderseitig des Hohlraums je ein einseitig schliessendes Absperrorgan vorgesehen ist. Hierdurch lässt sich auf einfache Art eine im wesentlichen kontinuierliche Strömung des Mediums in einer Richtung bewerkstelligen.

[0010] Dabei können als Absperrorgane Rückschlagventile vorgesehen sein. Dadurch wird der Vorteil einer hermetischen Abdichtung der Förderleitung erzielt. Weiter kann die Längsachse des Behälters quer zur Längsrichtung der Förderleitung angeordnet sein. Hierdurch wird der Vorteil einer besonders kurzen und kompakten Bauart in Förderrichtung erzielt.

[0011] Es können weiter wenigstens zwei Förder- und Verdichtungsstufen mit getrennten Hohlräumen in Serie geschaltet sein. Hierdurch lässt sich das Druckverhältnis wesentlich erhöhen.

[0012] 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.

[0013] Das Verfahren kann zum Fördern eines gasförmigen Mediums im Tieftemperaturbereich zur Anwendung gelangen. Hierbei ist insbesondere die hermetische Bauart von Vorteil.

[0014] Eine besonders vorteilhafte Anwendung des Verfahrens 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.

[0015] Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit nachstehender Zeichnung. Es zeigen:

Fig. l ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, im Längsschnitt,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer mehrstufigen Vorrichtung, und

Fig. 3 ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens sowie der erfindungsgemässen Vorrichtung in einer Helium-Kälte- oder Verflüssigungsanlage, in schematischer Darstellung.

[0016] In einer Förderleitung 10 (Fig. l) für ein beispielsweise 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 abgeschlossen ist und einen im wesentlichen zylindrischen Hohlraum 26 aufweist. Im oberen Teil des Rohrs befinden sich Flansche 28 einer Wärmeübertragungsfläche 30.

[0017] Für ein Betriebsbeispiel der beschriebenen Vorrichtung wird angenommen, dass ein gasförmiges Medium, z.B. Luft, gemäss den Pfeihenl8, 20 zugeführt und abgeführt werden soll. Durch Beheizung 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.

[0018] 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.

[0019] Die Oberteile der Rohre 22, 38, 40 sind von einem gemeinsamen Heizmantel 46, die Unterteile von einem gemeinsamen Kühlmantel 48 umschlossen.

[0020] 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.

[0021] Beim Anwendungsbeispiel in einer Helium-Kälte- oder _Ver- flüssigungsanlage (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.

[0022] 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 22,4⁰K und einem Eingangsdruck von 16 bar durch die Wärmetauscher 58, 60, 62, 64 geführt und mit einer Ausgangstemperatur von 4,5⁰ K und gleichem Ausgangsdruck über den Ejektor 70 dem Dampfabscheider 72 zugeführt, wobei die Temperatur 4,2⁰ K und der Druck 1 bar betragen.

[0023] 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.

[0024] 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.

[0025] Der Punkt 89 wird über die Expansionsturbine 68 beim _Ver- zweigungspunkt 90 mit dem Heliumstrom 84 verbunden, wobei die Temperatur 8° K und der Druck l bar betragen.

[0026] 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 4,1⁰ K zugeführt.

[0027] 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.

[0028] 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 dem warmen Teil der Heliumanlage zurückgeführt.

[0029] 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. Verfahren zum Fördern und Verdichten eines vorzugsweise gasförmigen Mediums durch Erzeugung von thermoakustischen Schwingungen in einem rohr- oder kanalartigen Hohlraum mit Hilfe mindestens einer Wärmequelle und einer Wärmesenke, dadurch gekennzeichnet, dass das zu fördernde Medium (12) von der thermoakustischen Schwingung auf einer Seite angesaugt und auf die andere Seite weiter gefördert wird, wobei beim Ansaugen die Förderseite und bei der Weiterförderung die Ansaugseite verschlossen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuströmung (18) und Abströmung (20) des Mediums (12) quer zur Schwingungsrichtung (36) der thermoakustischen Schwingung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoakustischen Schwingungen durch kontinuierliche Wärmezu- und -abfuhr aufrecht erhalten werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhr durch das Medium (12) selbst erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens einen rohr-oder kanalförmigen Behälter (22, 23, 38, 39, 40, 41) mit wenigstens einer äusseren Wärmequelle oder -senke (30; 46, 48), dessen Hohlraum (26) an die Förderleitung (10) für . das Medium angeschlossen ist, wobei saugseitig und förderseitig des Hohlraums je ein einseitig schliessendes Absperrorgan (14, 16, 42, 44) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Absperrorgane (14, 16, 42, 44) Rückschlagventile vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des Behälters (22, 38, 40) quer zur Längsrichtung der Förderleitung (10) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Förder- und Verdichtungsstufen (22, 38, 40) mit getrennten Hohlräumen (26) in Serie geschaltet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Förder- und Verdichtungsstufen (22, 38; 38, 40) über ein gemeinsames Absperrorgan (16, 42) miteinander verbunden sind.

10. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Fördern eines gasförmigen Mediums im Tieftemperaturbereich.

11. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 10 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.

Zeichnung