BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Erzeugung einer Druckdifferenz mit Hilfe eines Rohrs von bestimmter Formgebung, welches von einem fliessbaren Medium, einer Flüssigkeit oder einem Gas durchströmt wird. Zur Erfindung gehören ferner eine zur Aus übung des Verfahrens geeignete Vorrichtung sowie verschiedene technische Anwendungen des Verfahrens.
Das erfindungsgemässe Verfahren beruht auf einer Abwandlung des Venturirohrs. Diese seit nahezu zweihundert Jahren bekannte Vorrichtung ist ihrer Form nach der aus einer komplizierten asymmetrischen Kurve entstehende Rotationskörper. Dieser besteht aus einem Rohr, das sich, entsprechend der Kurvenform, in seiner Längsrichtung asymmetrisch verengt und wieder erweitert. Wird das Venturirohr von einem fliessbaren Medium durchströmt, so entsteht in seinem Innern ein Unterdruck, relativ zu dem am Ein- und Austrittsquerschnitt gemessenen Druck, wobei die Druckdifferenz gemäss dem von Bernoulli 1680 formulierten Gesetz an der engsten Stelle des Rohrs ein Maximum erreicht.
Das Venturirohr findet heute noch vielfältige Verwendung, z.B. als Instrument zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und Gasen in Rohren, ferner zur Messung der Fahrtgeschwindigkeit von Flugzeugen und Schiffen, als Wasserstrahlpumpe (Fig. 2) zur Evakuierung von Gefässen, ferner in Vergasern von Verbrennungsmotoren und in Vorrichtungen zum Waschen von Gasen.
Bei der Verwendung des Venturirohrs als Messinstrument erweist es sich als nachteilig, dass die an den Messstellen abgelesene Druckdifferenz nicht in einer einfach berechenbaren Weise von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt.
Viele weitere Faktoren, wie z.B. die Viskosität und Dichte des fliessenden Mediums, die Höhe des Ein- und Austrittsdruckes und nicht zuletzt die genaue Geometrie der Düsenform und die Rauhigkeit der Wand bestimmen das Messresultat in entscheidender Weise mit, so dass in der Praxis für jede definierte Messaufgabe eine nur in engen Grenzen geltende Eichkurve erstellt werden muss. Gewisse Vereinfachungen und Normierungen der Düsenform (Fig. 3) haben zwar Verbesserungen erbracht und ermöglichen eine bessere Reproduzierbarkeit der Messresultate. Der Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit und gemessener Druckdifferenz bleibt indessen auch beim normierten Venturimodell immer noch kompliziert.
Es wurde nun gefunden, dass überraschende und aus der bisherigen Literatur nicht abzuleitende Vorteile erzielt werden können, wenn man das Venturirohr herkömmlicher Form durch einen einfachen Doppelkonus ersetzt, dessen Winkel auf der Ein- und Austrittsseite die folgende Bedingung erfüllen: F = (1 + sin 81)2.sin2 82 < 0.11, wobei 0s den Öffnungswinkel des Eintrittskonus und 02 den Öffnungswinkel des Austrittskonus bedeuten.
Ein solcher Doppelkonus, wie er in der Fig. 5 z.B. in sym metrischer Form, d.h. mit gleichem Öffnungswinkel und gleicher Länge der beiden gegeneinander gerichteten Hohl kegelstümpfe dargestellt ist, ermöglicht nicht nur eine leich tere Darstellung und Berechnung der hydrodynamischen Verhältnisse und eine bessere Übereinstimmung von gemessenen und berechneten Daten innerhalb eines weiten Bereichs; völlig überraschend wurde auch eine wesentlich höhere Wirksamkeit gefunden. D.h. bei gegebener Strö mungsgeschwindigkeit des fliessenden Mediums wurde eine höhere Druckdifferenz zwischen dem Eintrittsquerschnitt und der engsten Stelle des Doppelkonus gefunden. Diese
Wirksamkeit, die nicht nur vom Öffnungswinkel der beiden
Hohlkegelstümpfe, sondern in einem gewissen Mass auch von der Länge des Ein- bzw.
Austrittskonus abhängt, kann aus dem numerischen Wert der Funktion F abgeschätzt werden: Je tiefer der numerische Wert unter dem oben angegebenen Grenzwert von 0,11 liegt, desto höher ist die Wirksamkeit des Doppelkonus. Mit Bezug auf die Fig. 5, in welcher der erfindungsgemässe Doppelkonus schematisch dargestellt ist, sind in der nachfolgenden Tabelle 1 die Werte der Funktion F für einige ausgewählte Konfigurationen wiedergegeben:
Tabelle 1
F = (1+ sin 0X)2 sin2 02 Gütefaktor des Doppelkonus für verschiedene Öffnungswinkel des Ein- bzw. Austrittskonus.
Eintritts- Austrittskonus Winkel 02 konus Winkel 0 1 3 6 10 15
1 0,0003 0,0028 0,0113 0,0312 0,0693
3 0,0003 0,0030 0,0121 0,0334 0,0742
6 0,0004 0,0033 0,0133 0,0368 0,0817 10 0,0004 0,0038 0,0151 0,0415 0,0923 15 0,0005 0,0043 0,0173 0,0478 0,1061 20 0,0005 0,0049 0,0197 0,0543 0,1206 30 0,0007 0,0062 0,0246 0,0678 0,1507
Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, dass der Wert der Funktion F auf die Grösse des Austrittswinkels sehr viel empfindlicher reagiert als auf diejenige des Eintrittswinkels: So lange nur der Austrittswinkel klein genug ist, können auch mit verhältnismässig grossen Eintrittswinkeln immer noch gute Resultate erhalten werden.
Zur Klassierung der Güte eines Doppelkonus gemäss der vorliegenden Erfindung gelten ungefähr die folgenden Richtwerte: Funktion F < 0,0035 ausgezeichnet
0,0035-0,0155 sehr gut
0,0155-0,0250 gut
0,0250-0,0500 zufriedenstellend
0,0500-0,1100 knapp genügend > 0,1100 ungenügend
Eine interessante Eigenschaft des erfindungsgemässen
Doppelkonus ist die Abhängigkeit seiner Wirksamkeit von dem im System herrschenden Druck: Unter identischen geo metrischen Bedingungen und bei gleichem Flüssigkeitsdurchsatz wird die Druckdifferenz zwischen dem Eintrittsquerschnitt und der an der engsten Stelle angebrachten seitlichen Anzapfung umso höher, je höher der im System herrschende Gesamtdruck ist. Im gleichen Sinne ändert sich auch der Fliesswiderstand durch den Doppelkonus, der mit steigendem Druck stetig geringer wird.
Dieses Verhalten ist völlig überraschend und aus der bisher bekannten hydrodynamischen Theorie - zumindest für inkompressible Medien - nicht zu erwarten.
Beispiel
Doppelkonus mit einer Gesamtlänge von 140 mm Öff nungswinkel von Ein- und Austrittskonus je 60 Durchmesser an der engsten Stelle: 1,94 mm.
Medium: Wasser bei 20 "C
Durchsatz bei konstantem Druckabfall von 0,600 bar:
Systemdruck am Eingang Durchsatz ltr/min
1 bar 185
2 bar 225
3 bar 255
Als weiterer überraschender Effekt des erfindungsgemässen Doppelkonus wurde gefunden, dass - bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit - die zwischen dem Eintrittsquerschnitt und der engsten Stelle sich einstellende Druckdifferenz in offenen Systemen höher ist als in einem geschlossenen System mit erzwungener Zirkulation. D.h. ein in ein fliessendes Gewässer eingetauchter Doppelkonus erzeugt eine höhere Druckdifferenz als ein gleicher Doppelkonus, in welchem mit gleicher Geschwindigkeit eine Strömung mittels einer Förderpumpe bewirkt wird.
In seiner einfachsten Form (Fig. 4) besteht der erfindungsgemässe Doppelkonus aus zwei mit ihren kleineren Grundflächen in axialer Richtung verbundenen Hohlkegelstümpfen. Um eine gute Wirksamkeit zu erzielen, werden die Öffnungswinkel des Ein- bzw. Austrittskegels so gewählt, dass die Funktion F gemäss der Tabelle 1 einen günstigen Wert annimmt. Geeignete Öffnungswinkel der beiden Kegel liegen zwischen 1 und 15 Winkelgraden; das Verhältnis der Durchmesser am Ein- bzw. Austritt zum Durchmesser an der engsten Stelle des Doppelkonus, welches eine Funktion sowohl des Öffnungswinkels als auch der Länge jedes Hohlkegelstumpfs ist, liegt innerhalb der Grenzen von 1:1 bis 1:200.
Damit die bei der Durchströmung des Doppelkonus erzeugte Druckdifferenz nutzbar gemacht werden kann, benötigt man an dessen engster Stelle eine Öffnung, durch welche der an dieser Stelle herrschende Unterdruck nach aussen wirksam werden kann. Als solche eignet sich z. B. eine kreisrunde Öffnung mit einem radial gerichteten Anschlussstutzen. Eine solche Anordnung besitzt jedoch den Nachteil einer gewissen Asymmetrie, welche sich insbesondere dann ungünstig auswirkt, wenn durch die seitliche Öffnung eine stärkere Strömung in den axialen Hauptstrom gelangt.
Für die praktische Anwendung wurde deshalb eine spezielle Ausführungsform entwickelt, die sich für die technische Anwendung als günstig erwiesen hat. Sie ermöglicht insbesondere, einen an der engsten Stelle eintretenden Nebenstrom symmetrisch auf den axialen Strömungsquerschnitt zu verteilen. Bei dieser Ausführungsform (Fig. 5) sind die beiden Hohlkegelstümpfe an der engsten Stelle voneinander getrennt, so dass sich die beiden kleineren Grundflächen in einem Abstand h gegenüberstehen. Gleichzeitig sind die beiden Hohlkegelstümpfe koaxial durch ein zylindrisches Rohrstück verbunden, welches die offene Lücke umschliesst und die beiden Teilstücke mechanisch zusammenhält. Das zylindrische Verbindungsrohr trägt an seiner Mantelfläche einen oder mehrere radial gerichtete Anschlussstutzen.
Wenn der kleinste Durchmesser der beiden Hohlkegelstümpfe mit d bezeichnet wird, ergeben sich für die übrigen Abmessungen im Bereich der Kegeldüse etwa die folgenden günstigsten Werte: Abstand zwischen den Kegelstumpfflächen: h = 0,001... 20 d Innendurchmesser des Hohlzylinders: T=l...l00d Innendurchmesser des Anschlussstutzens: S=0,001...l0d
Es hat sich weiterhin gezeigt, dass die Leistung des erfindungsgemässen Doppelkonus durch eine leicht abgeänderte Ausführungsform noch weiter gesteigert werden kann (Fig. 5a): Bei dieser Variante wird der Doppelkegel asymmetrisch geteilt, indem der gesamte Abstand h durch einseitiges Beschneiden des Austrittskegelstumpfs gewonnen wird.
In bezug auf die Symmetrieebene des verbindenden Hohlzylinders wird dabei die kleinere Grundfläche des Eintrittskegels um die Strecke h/2 in Gegenstromrichtung verschoben; der kleinste Durchmesser dl des Eintrittskegels behält seine ursprüngliche Grösse d, während derjenige des Austrittske gels um den Betrag h. D2-d
L2+h sich vergrössert, wobei D2 den grössten Durchmesser und L2 die Länge des austrittsseitigen Kegelstumpfs bedeuten.
Das Wesen der Erfindung und ihre möglichen technischen
Anwendungen werden durch die beigefügten Figuren 1 bis 18 erläutert, ohne dass jedoch damit ihr Umfang in irgendeiner
Weise eingeschränkt werden soll.
Liste der Figuren:
Figur 1: Venturirohr in herkömmlicher Form.
Figur 2: Wasserstrahlpumpe als Anwendung des Venturi rohrs.
Figur 3: Normierte Form des Venturirohrs ISO 15 (1983).
Figur 4: Symmetrische Grundform des erfindungsge mässen Doppelkonus.
Figur 5: Ausführungsform gemäss Anspruch 8.
Figur 5a: Verbesserte asymmetr. Ausführungsform gemäss
Anspruch 9.
Anwendungen des erfindungsgemässen Doppelkonus:
Figur 6: Doppelkonus als Wasserstrahlpumpe.
Figur 7: Doppelkonus als Druckpumpe.
Figur 8: Doppelkonus gleichzeitig als Vakuum- und
Druckpumpe in einem einzigen Kreislauf.
Figur 9: Transfer eines Gases in ein Gefäss unter höherem
Druck.
Figur 10: Belüftung eines fliessenden Gewässers.
Figur 11: Belüftung eines stehenden Gewässers.
Figur 12: Belüftung eines stehenden Gewässers, 3
Methoden.
Figur 13: Erzeugung eines Aerosols.
Figur 14: Verstärkung der Druckdifferenz in zwei Stufen.
Figur 15: Entsalzung von Meerwasser.
Figur 16: Energiegewinnung aus einem fliessenden
Gewässer.
Figur 17: Druckregulierung für Ausgleichsbecken auf ver schiedenem Niveau.
Figur 18 : Steuerdüse für einen Flüssigkeitsstrom.
Figurenbeschreibung:
Figur 1: Die herkömmliche Form des Venturirohrs im
Längsschnitt. Das fliessende Medium strömt durch den Ein trittskonus (1) über die engste Stelle (3) zum Austrittskonus (2). Der geringste Druck herrscht an der Verengung (3).
Figur 2: Die herkömmliche Form der Wasserstrahlpumpe als Anwendung des Venturirohrs. Wasser strömt durch die
Düse (4) gegen das Venturirohr (5). Durch den Unterdruck wird Luft oder ein anderes fliessbares Medium an der Stelle (6) eingesogen.
Figur 3: Normierte Form des Venturirohrs gemäss Norm blatt ISO 15 (1983). Das Medium fliesst vom zylindrischen
Eintrittsrohr (7) zum Eintrittskegel (8), dessen Kegelwinkel ca. 21 beträgt. Das zylindrische Düsenstück (9), dessen
Länge gleich dem Durchmesser ist, besitzt, wie auch das Ein trittsrohr (7), seitliche Öffnungen (11). Durch das konische
Austrittsrohr (10) mit einem Öffnungswinkel zwischen 7,5 und 15 wird das fliessende Medium weitergeleitet.
Figur 4: Der erfindungsgemässe Doppelkonus in seiner einfachsten Grundform mit dem Eintrittskegel (12) und dem
Austrittskegel (13). Der tiefste Druck herrscht an der Stelle (14).
Figur 5: Eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Doppelkonus gemäss Anspruch 8 im Längsschnitt. Der Eintrittskonus (15) besitzt die Länge Ll, den grössten Durchmesser Dl und den Öffnungswinkel Hl; der Austrittskonus (16) besitzt die Länge L2, den grössten Durchmesser D2 und den Öffnungswinkel 02; die kleineren Grundflächen der beiden Kegelstümpfe, beide mit dem gleichen Durchmesser d, sind innerhalb des zylindrischen Verbindungsrohrs (17) im Abstand h angeordnet. Das zylindrische Rohr (17) mit dem inneren Durchmesser T ist mit einem seitlichen Anschlussstutzen (18) mit dem Innendurchmesser S versehen.
Figur 5a: Eine verbesserte Ausführungsform des erfindungsgemässen Doppelkonus gemäss Anspruch 9: Die Anordnung der beiden Hohlkegelstümpfe ist ähnlich wie in Figur 5; der ursprüngliche Schnittkreis (15b) der beiden Kegel ist jedoch um die Strecke h/2 in Gegenstromrichtung verschoben und der Austrittskegelstumpf (16a) um die Länge h verkürzt. Der Eintrittskegelstumpf (15a) behält damit seinen ursprünglichen kleinsten Durchmesser dl, = d; derjenige des Austrittskegelstumpfs (16a) ist etwas grösser und beträgt d: =d+hD-d
L2+h
Die Figuren 6 bis 18 illustrieren eine Anzahl von technischen Anwendungen des erfindungsgemässen Doppelkonus.
Wo nicht ausdrücklich anders vermerkt, liegt der gezeigten Anwendung die Ausführungsform gemäss einer der Figuren 5 oder 5a zugrunde. Wegen der Einfachheit der Ausführung verwendet man in vielen Fällen eine symmetrische Form, d.h. einen Doppelkonus mit gleicher Länge und gleichem Öffnungswinkel des Ein- bzw. Austrittskonus. Die Auswahl der gezeigten Anwendungen ist keineswegs erschöpfend; weitere Möglichkeiten lassen sich aus den gezeigten Beispielen ohne weiteres ableiten.
Figur 6: Die Verwendung des erfindungsgemässen Doppelkonus als Wasserstrahlpumpe. Die Anwendung ist derjenigen der gebräuchlichen Wasserstrahlpumpe analog, besitzt jedoch die angegebenen Vorteile der Erfindung. Der Doppelkonus (19) wird von einem Wasserstrom (20) in Pfeilrichtung durchflossen. Durch den erzeugten Unterdruck wird durch die Leitung (21) das geschlossene Gefäss (22) evakuiert. Die ausgepumpte Luft entweicht mit dem Wasser am Ausgang des Doppelkonus.
Die nachfolgende Tabelle 2 illustriert die Leistung des erfindungsgemässen Doppelkonus im Vergleich zu einer konventionellen Wasserstrahlpumpe:
Tabelle 2:
Leistungsvergleich zwischen erfindungsgemässem Doppelkonus und konventioneller Wasserstrahlpumpe.
Wasserdruck Doppelkonus konv. Wasserstrahlpumpe am Eingang mb Vakuum mb Wasser Itr/h Vakuum mb Wasser Itr/h nach 10 min a* b* nach 10 min a* b* 300 -225 78 115 -105 125 140 400 -310 91 123 -140 143 163 500 -385 104 139 -185 160 183 600 -450 112 151 -215 176 200 700 -500 123 160 -250 190 218 * Wasserverbrauch a) am Anfang, b) am Ende der Evakuierung.
Abmessungen des Doppelkonus: Symmetrisch, Öffnungswinkel 6" Länge 2 mal 70 mm Düsenöffnung d = 2 mm Wasserstrahlpumpe: Düsenöffnung 2 mm
Bei vergleichbaren Abmessungen der beiden Vorrichtungen erreicht also der Doppelkonus ein wesentlich besseres Vakuum bei 25 bis 35% geringerem Wasserverbrauch. Zudem ist in der Tabelle nur das nach 10 Minuten erreichte Vakuum notiert. Tatsächlich erreicht man jedoch nach genügend langer Pumpzeit mit dem Doppelkonus bei nur 200 mb Wasserdruck ein Vakuum von -720 mb, während mit der konventionellen Wasserstrahlpumpe unter gleichen Verhältnissen nur -60 mb erreicht werden.
Figur 7: Anwendung des erfindungsgemässen Doppelkonus als Druckpumpe. Mittels der Turbine (23) wird Wasser im Kreislauf durch den Doppelkonus (24) und den geschlossenen Druckkessel (25) gepumpt. Am seitlichen Stutzen des Doppelkonus wird durch den erzeugten Unterdruck Luft angesaugt, die sich im obern Teil des Druckkessels sammelt.
Ein Vergleich mit der konventionellen Wasserstrahlpumpe zeigt auch hier wieder die Überlegenheit der erfindungsgemässen Vorrichtung: Bei gleichen Abmessungen des Doppelkonus wie sie im vorhergehenden Beispiel verwendet wurden, erhielt man, bei einem Wasserdruck von 1000 mb am Eingang der Pumpvorrichtung, einen Enddruck im Druckkessel von höchstens 1000 mb mit der Wasserstrahlpumpe, während mit dem erfindungsgemässen Doppelkonus über 5000 mb erreicht wurden, d.h. also ein Vielfaches des von der Zirkulationspumpe erzeugten Druckes.
Figur 8: Gleichzeitige Anwendung eines Doppelkonus als Vakuum- und Druckpumpe in einem einzigen Kreislauf.
Mittels der Turbine (26) wird Wasser im Kreislauf durch den Doppelkonus (27) und den Druckkessel (29) geführt. Am seitlichen Stutzen des Doppelkonus ist das zu evakuierende Gefäss (28) angeschlossen. Wie bei den vorangehenden Beispielen erhält man mit dem Doppelkonus unter sonst gleichen Verhältnissen sowohl im Vakuumgefäss als auch im Druckkessel eine mehrfach bessere Leistung als mit einer konventionellen Wasserstrahlpumpe.
Figur 9:Transfer eines Gases aus einem Gefäss mit niedrigem Druck in ein zweites Gefäss mit höherem und konstant gehaltenem Druck mit Hilfe einer Zirkulationspumpe von verhältnismässig geringer Leistung.
Mit Hilfe der Zirkulationspumpe (30) wird das Gas in geschlossenem Kreislauf durch den Doppelkonus (31) und das Druckgefäss (33) wieder zur Pumpe (30) zurückgeführt.
Aus dem unter niedrigem Druck stehenden Gefäss (32) wird Gas in den Kreislauf eingesaugt, bis das Druckgleichgewicht erreicht ist. Aus dem Gefäss (33), welches mit einem Pressostaten (P) versehen ist, kann nach Bedarf Gas unter höherem Druck abgezogen und einer geeigneten Vorrichtung zugeführt werden, wobei die abgezogene Gasmenge automatisch aus dem Niederdruckgefäss (32) wiederum in den Kreislauf nachgefüllt wird.
Die Vorrichtung eignet sich z.B. zum Abfüllen von Edelgas oder andern gasförmigen Medien in Vorratsgefässe unter Verwendung einer Zirkulationspumpe von nur schwacher Leistung.
Figur 10: Die Belüftung eines fliessenden Gewässers mit Hilfe des erfindungsgemässen Doppelkonus. In das fliessende Gewässer (34) wird ein Doppelkonus (35) bis in eine vorgegebene Tiefe eingetaucht. Der den Doppelkonus durchfliessende Wasserstrom erzeugt an dessen engster Stelle einen Unterdruck, wodurch von der Oberfläche her Luft (36) eingesaugt und in Form feiner Blasen im Gewässer verteilt wird.
Die gezeigte Vorrichtung ist für die Belüftung von Gewässern besonders deshalb geeignet, weil mit dem Doppelkonus schon bei mässiger Fliessgeschwindigkeit des Wassers ein relativ starker Unterdruck erzeugt wird; die besonderen Eigenschaften des Doppelkonus bewirken zudem, dass beim Eintauchen in grössere Tiefe der Fliesswiderstand geringer, und die Saugleistung erhöht werden. Die Vorrichtung eignet sich aus diesem Grund besonders für die Belüftung auch der tieferen Zonen des Gewässers.
Figur 11: Anwendung des Doppelkonus für die Belüftung eines stehenden Gewässers. In dem stehenden Gewässer (37) befindet sich in einer gewissen Tiefe die von der Stromquelle (38) gespiesene Turbine (39), die in Richtung gegen den in gleicher Tiefe montierten Doppelkonus (40) eine Wasserströmung erzeugt. Durch den im Doppelkonus erzeugten Unterdruck wird Luft aus der Umgebung angesaugt und am Ausgang des Doppelkonus innerhalb des umgebenden Wassers fein verteilt.
Figur 12: Drei weitere Methoden für die Belüftung eines stehenden Gewässers mit Hilfe des Doppelkonus.
Bei A sind zwei Doppelkonen (41), die in der Figur im Querschnitt dargestellt sind, an einem rotierenden hohlen Schaft befestigt. Die durch die Rotation erzeugte Strömung in der Längsachse der Doppelkonen wird dazu benützt, Luft durch den hohlen Schaft anzusaugen und im umgebenden Wasser zu verteilen.
Bei B ist ein Doppelkonus (42) dargestellt, der mit Hilfe des hohlen Schaftes in vertikaler Richtung alternierend nach oben und nach unten bewegt wird. Dadurch entsteht innerhalb des Doppelkonus eine axiale Strömung, die dazu benützt wird, Luft durch den hohlen Schaft anzusaugen und im Wasser zu verteilen.
Bei C wird schliesslich der an einem hohlen Schaft montierte Doppelkonus horizontal in Richtung seiner Längsachse hin- und herbewegt. Im Doppelkonus entsteht dadurch eine Längsströmung, die zum Ansaugen von Luft und deren Verteilung im Gewässer (44) benützt wird.
Figur 13: Anwendung des Doppelkonus zur Erzeugung eines Aerosols durch Zerstäubung einer Flüssigkeit in einem Gasstrom. Im Doppelkonus (45) wird mit Hilfe eines Luftstroms (46) ein Unterdruck erzeugt, wodurch eine Flüssigkeit (47) durch den seitlichen Stutzen eingesaugt und im Austrittskegel fein zerteilt wird und schliesslich als Aerosol (48) mit dem Luftstrom aus dem Doppelkonus entweicht.
Figur 14: Verstärkung der in einem Doppelkonus erzeugten Druckdifferenz in einer weiteren Stufe mit Hilfe eines zweiten Doppelkonus. In einem fliessenden Gewässer (49) ist ein erster Doppelkonus (50) mit seiner Längsachse parallel zur Strömungsrichtung fest angeordnet. Der seitliche Stutzen (51) ist mit dem Austrittskegel eines zweiten Doppelkonus (52) von kleineren Abmessungen verbunden. Dadurch wird der im Stutzen (51) primär erzeugte Unterdruck noch einmal verstärkt. Durch die Saugleitung (53) wird der verstärkte Unterdruck zum Hochpumpen von Wasser in das Gefäss (54) verwendet.
Bei einem praktischen Versuch wurde in einem Fluss, dessen Fliessgeschwindigkeit mit 2 m/sec gemessen wurde, ein erster Doppelkonus (50) mit einer Länge von 3 m und einem Durchmesser von 90 mm an der engsten Stelle unterhalb des Wasserniveaus fest montiert und am seitlichen Stutzen mit einem zweiten Doppelkonus (52) verbunden, dessen Länge 170 mm und dessen kleinster Durchmesser 5 mm betrugen. Der Öffnungswinkel war für beide Doppelkonen beidseitig 6". Am ersten Saugstutzen (51) wurde ein Unterdruck von -140 cm Wassersäule, am zweiten Saugstutzen-(53) ein solcher von -600 cm Wassersäule gemessen, womit pro Stunde 25 Liter Wasser in das Gefäss (54) hochgepumpt werden konnten. Im Vergleich zum erzeugten Unterdruck von -600 cm beträgt der dynamische Staudruck des fliessenden Wassers bei der angegebenen Geschwindigkeit nur 20 cm Wassersäule.
Figur 15: Die Anwendung des erfindungsgemässen Doppelkonus in einer Anlage zum Entsalzen von Meerwasser durch umgekehrte Osmose.
Mit Hilfe der Turbine (56) wird Meerwasser im Kreislauf durch den Doppelkonus (55), den Druckkessel (60) und die beiden Molekularfilter (58) gepumpt. Die Leistung der Turbine wird so bemessen, dass der Druck im Kessel (60) mindestens 55 bar beträgt. Unter dem herrschenden Druck wird ein Teil des Meerwassers durch das Molekularfilter gepresst, wobei das Salz zum grössten Teil zurückgehalten wird und sich dabei im Kreislauf anreichert. Das entsalzte Wasser kann beim Auslauf (59) abgezogen werden; durch den Stutzen (57) wird automatisch die im Kreislauf verlorene Flüssigkeit durch frisches Meerwasser ersetzt. Durch das Ventil (61) kann die angereicherte Salzlösung kontinuierlich oder periodisch abgezogen werden, wodurch automatisch wiederum so lange frisches Meerwasser durch den Stutzen (57) in den Kreislauf eintritt bis das Druckgleichgewicht wieder hergestellt ist.
Als Molekularfilter verwendet man z.B. die mit Aramid Hohlfasern bestückten PERMASEPs P 10 - Permeatoren der Firma DuPont de Nemours, Wilmington U.S.A., mit denen unter dem angegebenen Druck Meerwasser mit einem totalen Salzgehalt von 42000 ppm in einem Durchgang zu 98,5% entsalzt werden kann.
Figur 16: Schematische Darstellung einer Anlage zur Gewinnung von Energie aus einem fliessenden Gewässer. Im fliessenden Gewässer (62) sind eine Anzahl von Doppelkonen (63) gemäss der vorliegenden Erfindung, von denen in der Figur vier dargestellt sind, mit ihrer Längsachse parallel zur Fliessrichtung des Wassers fest montiert. Der seitliche Saugstutzen jedes Doppelkonus ist mit der Leitung (64) verbunden. Durch die Leitung (65) wird Wasser aus dem Fluss entnommen und durch die Turbine (66) der Saugleitung (64) zugeführt, von wo es durch die Batterie von Doppelkonen wieder ins Gewässer zurückgeführt wird. Durch die Wasserzirkulation wird die Turbine (66) angetrieben; die Energie wird zum Antrieb des Generators (67) verwendet und als Strom durch die angedeutete Leitung weggeführt.
Der erfindungsgemässe Doppelkonus dient in diesem Beispiel dazu, die Energie eines langsam fliessenden Gewässers in eine technisch verwertbare Form überzuführen. Dies ist unter normalen Verhältnissen nur durch einen grossen technischen Aufwand, z.B. den Bau einer Staumauer, zu verwirklichen. Abgesehen von den hohen Kosten ist die landschaftliche Veränderung, die mit einem solchen Projekt verbunden ist, meist unerwünscht. Wie in den Beispielen Figur 6, 7, 8 und 14 gezeigt worden ist, ermöglicht der Doppelkonus, den geringen dynamischen Druck eines langsam fliessenden Gewässers mehrfach zu übersetzen. Damit kann eine Turbine üblicher Bauart mit brauchbarer Energieausbeute betrieben werden.
Versuche haben gezeigt, dass in einem Fluss mit einer durchschnittlichen Fliessgeschwindigkeit von nur 2 m/sec schon ein kleiner Doppelkonus mit einem engsten Durchlass von 9 cm und einem beidseitigen Öffnungswinkel von 6" eine Energieausnützung von 57% ermöglicht.
Mit Doppelkonen von grösseren Dimensionen sind noch höhere Ausnützungsquoten zu erreichen. Der bauliche Aufwand für eine Anlage wie sie in der Figur 16 dargestellt ist, liegt im Vergleich zu üblichen Stauwerken sehr tief. Insbesondere eignet sich der erfindungsgemässe Doppelkonus zur Ausnützung eines beliebig kleinen Bruchteils der in einem Fluss zur Verfügung stehenden Gesamtenergie. Bei wachsendem Energiebedarf sind nachträgliche Erweiterungen durch Hinzufügen weiterer Einheiten ohne grossen konstruktiven Aufwand jederzeit möglich.
Figur 17: Anwendung des erfindungsgemässen Doppelkonus als Vorrichtung zur selbsttätigen Steuerung einer Anlage, bei welcher eine Wasserturbine gleichzeitig von mehreren, auf verschiedenem Niveau gelegenen Staubecken gespiesen wird.
Die drei Staubecken (68) (69) und (70), die auf verschiedener Höhe liegen, sind durch die Leitungen (71), (72) und (73) mit der Haupt-Speiseleitung der Turbine (79) verbunden. Zur Steuerung des Ablaufs der drei Becken dienen die Doppelkonen (74) und (75). Die Leitung (73) des höchstgelegenen Beckens (70) mündet in die Längsachse des Doppelkonus (74), diejenige des nächsttieferen Beckens (69) in dessen seitlichen Saugstutzen. Ein weiterer Doppelkonus (75) ist analog beim Einlauf (71) des Beckens (68) angeordnet. Die regelnde Wirkung der beiden Doppelkonen beruht darauf, dass die Wasserströmung in deren Längsachse zunächst eine Saugwirkung auf den seitlichen Einlass ausübt, wodurch der Druckunterschied kompensiert wird, so dass Wasser aus dem unter geringerem Druck stehenden System in die Hauptleitung gelangen kann.
Anderseits wird jedoch auch durch den seitlichen Zustrom im Doppelkonus die axiale Strömung gebremst. Die Folge davon ist ein automatisches Einpendeln auf eine bestimmte Proportion der Strömungen in den beiden Leitungen (72) und (73) am Doppelkonus (74) und in analoger Weise auch an den beiden Leitungen am Doppelkonus (75).
(80) veranschaulicht den durch die Turbine angetriebenen Generator; (81) ist das Unterwasserbecken, in welches das gesamte Wasser nach Abgabe seiner Energie schliesslich abfliesst. Damit bei Stillegung der Turbine das Wasser aus den höher gelegenen Becken (70) und (69) nicht ins tiefer gelegene Becken (68) abfliesst, sind die beiden Rückschlagventile (77) und (78) in die Leitungen (71) bzw. (72) eingebaut.
Figur 18: Die schon im vorigen Beispiel Fig. 17 erwähnte Möglichkeit, den erfindungsgemässen Doppelkonus als Steuerelement zu benützen, ist in dieser Figur noch einmal auf andere Weise veranschaulicht:
Durch die Längsachse des Doppelkonus (84) fliesst ein Flüssigkeitsstrom (82) zum Ausgang (83). In den seitlichen Stutzen des Doppelkonus kann ein durch ein in der Figur nicht gezeigtes Ventil gesteuerter Nebenstrom (86) der gleichen Flüssigkeit zugeleitet werden. Dabei bewirkt, infolge der besonderen hydrodynamischen Eigenschaften des Doppelkonus, schon ein geringfügiger Nebenstrom eine unverhältnismässige Bremsung des Hauptstroms (82). D.h.
jede Steuerung des Nebenstroms bewirkt eine verstärkte Steuerung des Hauptstroms im entgegengesetzten Sinn. In der Fig. 18 bedeuten die beiden Vorrichtungen (85) und (87) Strömungsmesser; durch ihre unterschiedliche Grösse ist der Unterschied der Intensitäten im Haupt- und Nebenstrom angedeutet. Das Beispiel lässt sich selbstverständlich auch auf die Steuerung eines Gasstroms anwenden.
DESCRIPTION
The present invention relates to a method for generating a pressure difference with the aid of a tube of a specific shape, through which a flowable medium, a liquid or a gas flows. The invention also includes a device suitable for practicing the method and various technical applications of the method.
The method according to the invention is based on a modification of the Venturi tube. The shape of this device, which has been known for almost two hundred years, is that of a rotating body resulting from a complicated asymmetrical curve. This consists of a tube which, in accordance with the curve shape, narrows asymmetrically in its longitudinal direction and widens again. If a flowable medium flows through the Venturi tube, a negative pressure is created inside it, relative to the pressure measured at the inlet and outlet cross-section, the pressure difference reaching a maximum at the narrowest point of the tube according to the law formulated by Bernoulli 1680.
The venturi tube is still used in many different ways, e.g. as an instrument for measuring the flow rate of liquids and gases in pipes, also for measuring the speed of travel of aircraft and ships, as a water jet pump (Fig. 2) for evacuating vessels, also in carburetors of internal combustion engines and in devices for washing gases.
When using the Venturi tube as a measuring instrument, it proves to be disadvantageous that the pressure difference read off at the measuring points does not depend on the flow velocity in an easily calculable manner.
Many other factors, such as The viscosity and density of the flowing medium, the level of the inlet and outlet pressure and, last but not least, the precise geometry of the nozzle shape and the roughness of the wall play a decisive role in determining the measurement result, so that in practice only a narrow range for each defined measurement task applicable calibration curve must be created. Certain simplifications and standardizations of the nozzle shape (FIG. 3) have brought about improvements and enable better reproducibility of the measurement results. However, the relationship between flow velocity and measured pressure difference remains complicated even with the standardized Venturi model.
It has now been found that surprising advantages, which cannot be derived from the previous literature, can be achieved if the conventional Venturi tube is replaced by a simple double cone, the angles of which on the inlet and outlet sides meet the following condition: F = (1 + sin 81) 2.sin2 82 <0.11, where 0s mean the opening angle of the inlet cone and 02 the opening angle of the outlet cone.
Such a double cone, as shown in Fig. 5 e.g. in symmetrical form, i.e. is shown with the same opening angle and the same length of the two opposing hollow truncated cones, not only enables easier representation and calculation of the hydrodynamic conditions and better correspondence of measured and calculated data within a wide range; surprisingly, a significantly higher effectiveness was also found. I.e. at a given flow velocity of the flowing medium, a higher pressure difference between the inlet cross-section and the narrowest point of the double cone was found. These
Effectiveness not only from the opening angle of the two
Hollow truncated cones, but to a certain extent also from the length of the
Depends on the outlet cone, can be estimated from the numerical value of the function F: The lower the numerical value is below the limit value of 0.11 given above, the higher the effectiveness of the double cone. With reference to FIG. 5, in which the double cone according to the invention is shown schematically, the values of the function F for some selected configurations are shown in the following table 1:
Table 1
F = (1+ sin 0X) 2 sin2 02 Quality factor of the double cone for different opening angles of the inlet and outlet cones.
Entry / exit cone angle 02 cone angle 0 1 3 6 10 15
1 0.0003 0.0028 0.0113 0.0312 0.0693
3 0.0003 0.0030 0.0121 0.0334 0.0742
6 0.0004 0.0033 0.0133 0.0368 0.0817 10 0.0004 0.0038 0.0151 0.0415 0.0923 15 0.0005 0.0043 0.0173 0.0478 0.1061 20 0 , 0005 0.0049 0.0197 0.0543 0.1206 30 0.0007 0.0062 0.0246 0.0678 0.1507
It can be seen from Table 1 that the value of the function F is much more sensitive to the size of the exit angle than to the entry angle: As long as the exit angle is small enough, good results can still be obtained even with relatively large entry angles.
The following approximate values apply for classifying the quality of a double cone according to the present invention: Function F <0.0035 excellent
0.0035-0.0155 very good
0.0155-0.0250 good
0.0250-0.0500 satisfactory
0.0500-0.1100 just enough> 0.11100 insufficient
An interesting property of the invention
The effectiveness of the double cone depends on the pressure prevailing in the system: under identical geometric conditions and with the same liquid flow rate, the higher the total pressure prevailing in the system, the higher the pressure difference between the inlet cross-section and the narrowest tap on the side. In the same sense, the flow resistance changes due to the double cone, which decreases steadily with increasing pressure.
This behavior is completely surprising and cannot be expected from the previously known hydrodynamic theory - at least for incompressible media.
example
Double cone with a total length of 140 mm opening angle of inlet and outlet cone each 60 diameters at the narrowest point: 1.94 mm.
Medium: water at 20 "C
Throughput with constant pressure drop of 0.600 bar:
System pressure at the inlet flow rate ltr / min
1 bar 185
2 bar 225
3 bar 255
As a further surprising effect of the double cone according to the invention, it was found that - at the same flow rate - the pressure difference between the inlet cross section and the narrowest point is higher in open systems than in a closed system with forced circulation. I.e. a double cone immersed in flowing water generates a higher pressure difference than an identical double cone, in which a flow is effected at the same speed by means of a feed pump.
In its simplest form (FIG. 4), the double cone according to the invention consists of two hollow truncated cones connected with their smaller base areas in the axial direction. In order to achieve good effectiveness, the opening angles of the inlet or outlet cone are selected such that the function F according to Table 1 assumes a favorable value. Suitable opening angles of the two cones are between 1 and 15 degrees; the ratio of the diameter at the inlet and outlet to the diameter at the narrowest point of the double cone, which is a function of both the opening angle and the length of each truncated cone, is within the limits of 1: 1 to 1: 200.
So that the pressure difference generated when flowing through the double cone can be used, an opening is required at its narrowest point through which the negative pressure prevailing at this point can take effect to the outside. As such, z. B. a circular opening with a radially directed connection piece. However, such an arrangement has the disadvantage of a certain asymmetry, which has a particularly unfavorable effect if a greater flow enters the main axial flow through the lateral opening.
A special embodiment was therefore developed for practical use, which has proven to be favorable for technical use. In particular, it enables a secondary flow entering the narrowest point to be distributed symmetrically over the axial flow cross section. In this embodiment (FIG. 5), the two hollow truncated cones are separated from one another at the narrowest point, so that the two smaller base areas face each other at a distance h. At the same time, the two truncated cones are coaxially connected by a cylindrical piece of pipe which surrounds the open gap and mechanically holds the two sections together. The cylindrical connecting tube carries one or more radially directed connecting pieces on its outer surface.
If the smallest diameter of the two hollow truncated cones is designated by d, the following most favorable values result for the other dimensions in the area of the conical nozzle: Distance between the truncated cone surfaces: h = 0.001 ... 20 d inner diameter of the hollow cylinder: T = l .. .l00d inner diameter of the connecting piece: S = 0.001 ... l0d
It has also been shown that the performance of the double cone according to the invention can be increased even further by a slightly modified embodiment (FIG. 5a): in this variant, the double cone is divided asymmetrically, in that the entire distance h is obtained by cutting the truncated cone on one side.
With respect to the plane of symmetry of the connecting hollow cylinder, the smaller base area of the inlet cone is shifted by the distance h / 2 in the counterflow direction; the smallest diameter dl of the inlet cone retains its original size d, while that of the outlet cone by the amount h. D2-d
L2 + h increases, where D2 means the largest diameter and L2 the length of the truncated cone on the outlet side.
The essence of the invention and its possible technical
Applications are illustrated by the accompanying Figures 1 to 18, without, however, limiting their scope in any way
Way should be restricted.
List of figures:
Figure 1: Venturi tube in conventional form.
Figure 2: Water jet pump as an application of the Venturi tube.
Figure 3: Standardized shape of the Venturi tube ISO 15 (1983).
Figure 4: Symmetrical basic shape of the double cone according to the invention.
Figure 5: Embodiment according to claim 8.
Figure 5a: Improved asymmetry. Embodiment according to
Claim 9.
Applications of the double cone according to the invention:
Figure 6: Double cone as a water jet pump.
Figure 7: Double cone as a pressure pump.
Figure 8: Double cone simultaneously as vacuum and
Pressure pump in a single circuit.
Figure 9: Transfer of a gas into a vessel under higher
Print.
Figure 10: Aeration of flowing water.
Figure 11: Aeration of standing water.
Figure 12: Aeration of a standing water, 3
Methods.
Figure 13: Generation of an aerosol.
Figure 14: Amplification of the pressure difference in two stages.
Figure 15: Desalination of sea water.
Figure 16: Energy generation from a flowing
Waters.
Figure 17: Pressure regulation for equalization tanks at different levels.
Figure 18: Control nozzle for a liquid flow.
Figure description:
Figure 1: The conventional shape of the Venturi tube in
Longitudinal section. The flowing medium flows through the inlet cone (1) over the narrowest point (3) to the outlet cone (2). The slightest pressure is at the constriction (3).
Figure 2: The conventional form of the water jet pump as an application of the Venturi tube. Water flows through the
Nozzle (4) against the venturi tube (5). Air or another flowable medium is sucked in at location (6) by the negative pressure.
Figure 3: Standardized shape of the Venturi tube according to standard sheet ISO 15 (1983). The medium flows from the cylindrical
Inlet tube (7) to the inlet cone (8), the cone angle of which is approximately 21. The cylindrical nozzle piece (9), the
Length is equal to the diameter, has, like the one entry pipe (7), side openings (11). Because of the conical
Outlet pipe (10) with an opening angle between 7.5 and 15, the flowing medium is passed on.
Figure 4: The double cone according to the invention in its simplest basic form with the inlet cone (12) and the
Exit cone (13). The lowest pressure is at point (14).
Figure 5: An embodiment of the double cone according to the invention according to claim 8 in longitudinal section. The inlet cone (15) has the length L1, the largest diameter Dl and the opening angle Hl; the outlet cone (16) has the length L2, the largest diameter D2 and the opening angle 02; the smaller base areas of the two truncated cones, both with the same diameter d, are arranged within the cylindrical connecting tube (17) at a distance h. The cylindrical tube (17) with the inner diameter T is provided with a lateral connecting piece (18) with the inner diameter S.
Figure 5a: An improved embodiment of the double cone according to the invention according to claim 9: The arrangement of the two truncated cones is similar to that in Figure 5; however, the original cutting circle (15b) of the two cones is shifted by the distance h / 2 in the counterflow direction and the truncated cone (16a) is shortened by the length h. The entry truncated cone (15a) thus retains its original smallest diameter dl, = d; that of the truncated cone (16a) is somewhat larger and is d: = d + hD-d
L2 + h
Figures 6 to 18 illustrate a number of technical applications of the double cone according to the invention.
Unless expressly stated otherwise, the application shown is based on the embodiment according to one of FIGS. 5 or 5a. Because of the simplicity of execution, a symmetrical shape is used in many cases, i.e. a double cone with the same length and the same opening angle of the inlet or outlet cone. The selection of the applications shown is by no means exhaustive; further possibilities can easily be derived from the examples shown.
Figure 6: The use of the double cone according to the invention as a water jet pump. The application is analogous to that of the conventional water jet pump, but has the stated advantages of the invention. A water flow (20) flows through the double cone (19) in the direction of the arrow. Due to the negative pressure generated, the closed vessel (22) is evacuated through the line (21). The air pumped out escapes with the water at the outlet of the double cone.
Table 2 below illustrates the performance of the double cone according to the invention in comparison to a conventional water jet pump:
Table 2:
Performance comparison between the double cone according to the invention and conventional water jet pump.
Water pressure double cone conv. Water jet pump at the entrance mb vacuum mb water Itr / h vacuum mb water Itr / h after 10 min a * b * after 10 min a * b * 300 -225 78 115 -105 125 140 400 -310 91 123 -140 143 163 500 - 385 104 139 -185 160 183 600 -450 112 151 -215 176 200 700 -500 123 160 -250 190 218 * Water consumption a) at the beginning, b) at the end of the evacuation.
Dimensions of the double cone: symmetrical, opening angle 6 "length 2 x 70 mm nozzle opening d = 2 mm water jet pump: nozzle opening 2 mm
With comparable dimensions of the two devices, the double cone achieves a much better vacuum with 25 to 35% less water consumption. In addition, only the vacuum reached after 10 minutes is noted in the table. In fact, after a sufficiently long pumping time, the double cone with a water pressure of only 200 mb achieves a vacuum of -720 mb, while with the conventional water jet pump only -60 mb can be achieved under the same conditions.
Figure 7: Use of the double cone according to the invention as a pressure pump. The turbine (23) pumps water in a circuit through the double cone (24) and the closed pressure vessel (25). At the side nozzle of the double cone, air is drawn in by the negative pressure generated, which collects in the upper part of the pressure vessel.
A comparison with the conventional water jet pump again shows the superiority of the device according to the invention: With the same dimensions of the double cone as used in the previous example, a final pressure in the pressure vessel of at most 1000 was obtained at a water pressure of 1000 mb at the inlet of the pump device mb with the water jet pump, while with the inventive double cone more than 5000 mb were reached, ie that is a multiple of the pressure generated by the circulation pump.
Figure 8: Simultaneous use of a double cone as a vacuum and pressure pump in a single circuit.
The turbine (26) circulates water through the double cone (27) and the pressure vessel (29). The vessel (28) to be evacuated is connected to the side nozzle of the double cone. As in the previous examples, with the double cone, under otherwise identical conditions, both in the vacuum vessel and in the pressure vessel, the performance is several times better than with a conventional water jet pump.
Figure 9: Transfer of a gas from a vessel with low pressure to a second vessel with higher and constant pressure with the help of a circulation pump of relatively low power.
With the help of the circulation pump (30), the gas is returned in a closed circuit through the double cone (31) and the pressure vessel (33) back to the pump (30).
Gas is sucked into the circuit from the low-pressure vessel (32) until the pressure equilibrium is reached. From the vessel (33), which is provided with a pressostat (P), gas can be drawn off under higher pressure and fed to a suitable device, the amount of gas withdrawn being automatically refilled into the circuit from the low-pressure vessel (32).
The device is suitable e.g. for filling noble gas or other gaseous media into storage vessels using a circulation pump of poor performance.
Figure 10: The aeration of flowing water with the help of the double cone according to the invention. A double cone (35) is immersed to a predetermined depth in the flowing water (34). The water flow flowing through the double cone creates a negative pressure at its narrowest point, as a result of which air (36) is sucked in from the surface and distributed in the form of fine bubbles in the water.
The device shown is particularly suitable for the aeration of water because the double cone generates a relatively strong negative pressure even at moderate water flow rates; The special properties of the double cone also mean that the flow resistance is reduced and the suction power is increased when immersed in greater depth. For this reason, the device is particularly suitable for aeration of the deeper zones of the water.
Figure 11: Use of the double cone for the ventilation of a standing water. In the standing water (37) is at a certain depth the turbine (39) fed by the power source (38), which generates a water flow in the direction against the double cone (40) mounted at the same depth. Due to the negative pressure generated in the double cone, air is sucked in from the surroundings and finely distributed at the outlet of the double cone within the surrounding water.
Figure 12: Three other methods for the aeration of standing water with the help of the double cone.
At A, two double cones (41), which are shown in cross-section in the figure, are attached to a rotating hollow shaft. The flow generated by the rotation in the longitudinal axis of the double cones is used to suck in air through the hollow shaft and to distribute it in the surrounding water.
B shows a double cone (42) which is moved up and down alternately in the vertical direction with the help of the hollow shaft. This creates an axial flow within the double cone, which is used to suck air through the hollow shaft and distribute it in the water.
At C, the double cone mounted on a hollow shaft is moved horizontally back and forth in the direction of its longitudinal axis. This creates a longitudinal flow in the double cone, which is used to draw in air and distribute it in the water (44).
Figure 13: Use of the double cone to generate an aerosol by atomizing a liquid in a gas stream. A vacuum is generated in the double cone (45) with the aid of an air stream (46), as a result of which a liquid (47) is sucked in through the side connector and finely divided in the outlet cone and finally escapes as an aerosol (48) with the air stream from the double cone.
Figure 14: Amplification of the pressure difference generated in a double cone in a further stage with the help of a second double cone. In a flowing body of water (49), a first double cone (50) with its longitudinal axis is fixedly arranged parallel to the direction of flow. The side connector (51) is connected to the outlet cone of a second double cone (52) of smaller dimensions. As a result, the negative pressure primarily generated in the connecting piece (51) is increased again. The suction line (53) uses the increased vacuum to pump water up into the vessel (54).
In a practical test, a first double cone (50) with a length of 3 m and a diameter of 90 mm was fixed in the narrowest point below the water level in a river, the flow speed of which was measured at 2 m / sec and on the side nozzle connected with a second double cone (52), the length of which was 170 mm and the smallest diameter of 5 mm. The opening angle for both double cones was 6 "on both sides. A negative pressure of -140 cm water column was measured on the first suction nozzle (51), that of -600 cm water column on the second suction nozzle (53), which means 25 liters of water per hour into the vessel (54) Compared to the negative pressure generated of -600 cm, the dynamic dynamic pressure of the flowing water at the specified speed is only 20 cm water column.
Figure 15: The use of the double cone according to the invention in a system for desalination of sea water by reverse osmosis.
With the help of the turbine (56), sea water is pumped in a circuit through the double cone (55), the pressure vessel (60) and the two molecular filters (58). The power of the turbine is dimensioned so that the pressure in the boiler (60) is at least 55 bar. Under the prevailing pressure, part of the sea water is forced through the molecular filter, with most of the salt being retained and thereby accumulating in the circuit. The desalinated water can be drawn off at the outlet (59); the nozzle (57) automatically replaces the liquid lost in the circuit with fresh sea water. The enriched saline solution can be drawn off continuously or periodically through the valve (61), whereby fresh sea water automatically enters the circuit through the nozzle (57) until the pressure equilibrium is restored.
The molecular filter used is e.g. the PERMASEPs P 10 permeators from DuPont de Nemours, Wilmington U.S.A., equipped with aramid hollow fibers, which can be used to desalinate seawater with a total salt content of 42000 ppm in one pass at 98.5% under the specified pressure.
Figure 16: Schematic representation of a plant for the production of energy from flowing water. In the flowing water (62) a number of double cones (63) according to the present invention, four of which are shown in the figure, are permanently mounted with their longitudinal axis parallel to the direction of flow of the water. The side suction port of each double cone is connected to the line (64). Water is taken from the river through the line (65) and fed through the turbine (66) to the suction line (64), from where it is returned to the water by the battery of double cones. The turbine (66) is driven by the water circulation; the energy is used to drive the generator (67) and is carried away as current through the indicated line.
In this example, the double cone according to the invention serves to convert the energy of slowly flowing water into a technically usable form. Under normal circumstances, this is only possible through a large technical effort, e.g. the construction of a dam. Apart from the high costs, the landscape change associated with such a project is usually undesirable. As has been shown in the examples in FIGS. 6, 7, 8 and 14, the double cone enables the low dynamic pressure of a slowly flowing water to be translated several times. This enables a turbine of conventional design to be operated with a usable energy yield.
Tests have shown that in a river with an average flow rate of only 2 m / sec, even a small double cone with a narrowest passage of 9 cm and an opening angle of 6 "on both sides enables energy utilization of 57%.
With double cones of larger dimensions, even higher utilization rates can be achieved. The structural outlay for a plant as shown in FIG. 16 is very low in comparison to conventional dams. In particular, the double cone according to the invention is suitable for utilizing an arbitrarily small fraction of the total energy available in a river. With increasing energy requirements, subsequent expansions by adding additional units are possible at any time without great design effort.
Figure 17: Application of the double cone according to the invention as a device for the automatic control of a system in which a water turbine is fed simultaneously by several reservoirs located at different levels.
The three reservoirs (68) (69) and (70), which are at different heights, are connected by lines (71), (72) and (73) to the main feed line of the turbine (79). The double cones (74) and (75) are used to control the sequence of the three pools. The line (73) of the highest basin (70) opens into the longitudinal axis of the double cone (74), that of the next lower basin (69) in its side suction port. Another double cone (75) is arranged analogously at the inlet (71) of the basin (68). The regulating effect of the two double cones is based on the fact that the water flow in their longitudinal axis initially exerts a suction effect on the side inlet, whereby the pressure difference is compensated so that water from the system under less pressure can get into the main line.
On the other hand, the axial flow is also slowed down by the lateral inflow in the double cone. The consequence of this is an automatic leveling to a certain proportion of the flows in the two lines (72) and (73) on the double cone (74) and in an analogous manner also on the two lines on the double cone (75).
(80) illustrates the generator driven by the turbine; (81) is the underwater pool into which all the water finally drains after its energy has been released. To ensure that the water from the higher pools (70) and (69) does not flow into the lower pool (68) when the turbine is shut down, the two check valves (77) and (78) are in lines (71) and (72 ) built-in.
FIG. 18: The possibility already mentioned in the previous example, FIG. 17, of using the double cone according to the invention as a control element is illustrated in another way in this figure:
A liquid stream (82) flows through the longitudinal axis of the double cone (84) to the outlet (83). A side stream (86) of the same liquid, which is controlled by a valve (not shown in the figure), can be fed into the lateral connection piece of the double cone. As a result of the special hydrodynamic properties of the double cone, even a small bypass stream causes the main stream (82) to be braked disproportionately. I.e.
each control of the secondary flow results in an increased control of the main flow in the opposite sense. In Fig. 18, the two devices (85) and (87) mean flow meters; due to their different size, the difference in the intensities in the main and secondary flow is indicated. The example can of course also be applied to the control of a gas flow.