Verfahren und Vorrichtung zum Fördern, Verdichten oder Verdünnen von Gasen und Dämpfen und zur Flüssigkeitsförderung. Die bekannten Schleuderräder mit zwei Schaufelreihen arbeiten mit Druckunterschie den derart, dass der Treibstrahl als Injektor wirken soll, und an der Mischungsstelle einen Unterdruck unter den Vorstufendruck er zeugt und so den Förderstrahl ansaugt und mitreisst. Die so hervorgerufene Wirkungs weise kommt günstigstenfalls derjenigen des bekannten Saugstrahlverfahrens gleich, das erfahrungsgemäss nur einen so geringen Wir kungsgrad aufweist, dass seine Verwendungs möglichkeit wirtschaftlich fast ausgeschlos sen ist.
Mit dem Verfahren nach vorliegender Erfindung kann dagegen eine grosse Druck steigerung erreicht werden. Wird es zum Beispiel zur Kompression von Luft benützt, so erreicht man mit demselben in einer Stufe eine Drucksteigerung maximal bis auf den 3,606fachen Betrag des Vorstufendruckes. In Anwendung zur Flüssigkeitsförderung kann jeweils eine Drucksteigerung in einer Stufe erreicht werden, welche die doppelte Förder- höhe der unter gleichen Betriebsverhältnissen laufenden gewöhnlichen Zentrifugalpumpe ausmacht.
Dies wird zunächst dadurch ermöglicht, dass bei dem neuen Verfahren der Förder- strahl nicht angesaugt und mitgerissen wird, wie beim bekannten Saugstrahlverfahren, sondern es wird seine dynamische Druckhöhe zur Arbeitsleistung ausgenützt. Der Treib- strahl legt dem Förderstrahl in allen Fällen, umgekehrt wie vorher, einen Mündungsdruck vor, der statisch höher ist als der Vorstufen druck. Dabei senkt der Treibstrahl den Ko.mpression.sdruck der jeweiligen Stufe in allen Fällen wesentlich ab, allgemein so@veit, dass ihn der Förderstrahl noch überwinden kann.
Während bei dem bisherigen Saugstrahl verfahren der Treibstrahl die ganze Arbei', leistet, arbeitet bei dem vorliegenden Verfah ren auch der Förderstrahl mit, und da hei!': Saugen, sondern nur ein Drücken stattfindet, so kann das neue Verfahren als Druckstrahl verfahren, und die Vorrichtung als Druck strahlapparat, bezw. Druckstrahlkompressor, bezw. Druckstrahlzentrifugalpumpe bezeich net werden.
Der Energiegewinn gegenüber dem Saug strahlverfahren ergibt sich dadurch, dass der Treibstrahlmündungsdruck nicht so tief wie vorher, nämlich unter den Vorstufendruck, abgesenkt werden muss, so dass das Schleuder rad spezifisch langsamer umlaufen kann als vorher. Der in der Zeit darstellbare Arbeits vorgang des Druckstrahlverfahrens ist daher sehr wesentlich von dem bisherigen Saug strahlverfahren verschieden.
Zur beispielsweisen Erläuterung der Wir kungsweise des Verfahrens für elastische Flüssigkeiten diene folgende physikalische Erwägung: Wird das Verhältnis zwischen Förder- und Treibstrahlmündungsdruck gleich ge wählt wie das Verhältnis zwischen Treib- strahlmündungsdruck und Kompressions druck, so wird die Ausflussgeschwindig keit im Bereiche der Druckdifferenz des För- der- und Treibstrahls gleich gross.
Bezeichnet p0 : Vorstufen- oder Förderstrahlmündungs- druck, p : Treibstrahlmündungsdruck, p1 : Stufen- oder Kompressionsdruck in atm., so verhält sich nach obiger Annahme p0 : p = p : p1, oder der Treibstrahlmün- dungsdruck :
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das heisst: Der Treibstrahlmündungsdruck ist gleich der Quadratwurzel des Produktes aus Vorstufen druck und Kompressionsdruck. Am vorteil haftesten wird der Vorstufendruck bis zur Ausmündung des Förderstrahls erhalten, weil dann die grösste Drucksteigerung ein tritt.
Zu jedem Zahlenwert des Verhältnisses p0 / p = p / p1 gehört eine bestimmte Aus flussgeschwindigkeit zwischen Treibstrahl- mündungsdruck und Vorstufe, die sich je weils in bekannter Weise berechnen lässt. Im Hochdruckgebiet gilt für den Mün dungsdruck p beim Ausfluss aus gut abge rundeten Mündungen für Gase nach Zeuner die folgende Gleichung:
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wobei k für jede Gasart einen besonderen Wert hat und in weiten Druckgrenzen mit genügender Genauigkeit als konstant anzu sehen ist.
Für Luft ist p = 0,5266. p1 (2) Im Hochdruckgebiet ist dieses Verhältnis p/p1 = 0,5266 konstant.
Im Niederdruckgebiet verändert sich das selbe in den Grenzen 1 bis 0,5266. Umgekehrt erhält man
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1,899 = ca. 1,9 atm. (3) Aus dem jeweiligen Zahlenwert des obigen Verhältnisses lässt sich analog Gleichung 3 für jede Stufe der gemeinsame Ausmün- dungsdruck und durch wiederholte Anwen dung der jeweilige Kompressionsdruck ermit teln.
Unter der Voraussetzung also, dass der Förderstrahl mit der entsprechenden Schall geschwindigkeit ausströmt, und in der Mün dungsebene noch einen Druck von 1 atm. hat, was durch geeignete Wahl der Förder- schaufeln möglich ist, wird derselben einen Treibstrahlmündungsdruck von rund 1,9 atm. überwinden können. Zu einem Treibstrabl- mündungsdrucke von 1,9 atm. gehört ans dem gleichen Grunde ein Stufendruck von
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atm. als er ster Stufendruck. Dasselbe gilt für alle fol genden Stufen.
Daraus ergibt sich weiter für Luft die folgende Tabelle für den Förder- und Treib- strahlmündungsdruck, sowie Kompressions- druck eines aus vier Laufrädern gleichen Durchmessers bestehenden Druckstrahlappa rates der bei konstanter Temperatur von 30 C durch Wasserkühlung mit einer abso luten Austrittsgeschwindigkeit von rund 819 m/Sek. rotiert.
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Vorstufen Lauf- <SEP> Förderstrahl- <SEP> Treibstrahl- <SEP> Stufendruck
<tb> rad <SEP> Mündungsdruck <SEP> Mündungsdruck
<tb> 1. <SEP> 1,000 <SEP> atm. <SEP> 1,899 <SEP> atm. <SEP> 1,8992 <SEP> = <SEP> 8,606 <SEP> atm.
<tb> 2. <SEP> 8,606 <SEP> atm. <SEP> 1,899 <SEP> = <SEP> 6,848 <SEP> atm. <SEP> 1,8994 <SEP> = <SEP> 18,004 <SEP> atm.
<tb> 3. <SEP> 13,004 <SEP> atm. <SEP> 1,8995 <SEP> = <SEP> 24,694 <SEP> atm. <SEP> 1,8996 <SEP> = <SEP> 46,898 <SEP> atm.
<tb> 4. <SEP> 46,893 <SEP> atm. <SEP> 1,8997 <SEP> = <SEP> 89,048 <SEP> atm. <SEP> 1,8993 <SEP> = <SEP> 169,100 <SEP> atm. Der Druckstrahlapparat kann demnach einzeln, sowie auch für die Gesamtheit meh rerer hintereinander geschalteter Laufräder stets das Quadrat des Stufendruckes des ge wöhnlichen Schleuderrades bei gleichen Be triebsverhältnissen erreichen.
Die Anzahl der Druckstufen kann belie big gewählt werden. Für alle Gase und Dämpfe gelten die gleichen Beziehungen, nur muss für die Konstante k für jede Gas- oder Dampfart der richtige Wert eingesetzt werden.
Handelt es sich um die Verdünnung von Gasen, so ist der Enddruck die äussere Atmo sphäre und der Anfangsdruck das zu errei chende Vakuum.
Handelt es sich um Flüssigkeitsförde rung, so macht man zweckmässig die absolute Austrittsgeschwindigkeit des Förder- und Treibstrahls in der Ausmündung unter Be rücksichtigung der Reibungswiderstände mindestens gleich der Ausflussgeschwindig keit, die der halben Förderhöhe als statische Druckhöhe zum Ausflusse entspricht. Der Treibstrahlmündungsdruck wird dann gleich dem Drucke der in halber Förderhöhe herrscht; während der Förderstrahlmün- dungsdruck möglichst gleich dem Vorstufen druck gemacht wird.
Die Druckstrahlzentri fugalpumpe wird dann gegenüber der ge wöhnlichen Zentrifugalpumpe, wie schon er wähnt, jeweils eine Drucksteigerung in einer oder mehreren Stufen erreichen, die die dop pelte Förderhöhe der unter gleichen Be triebsverhältnissen laufenden gewöhnlichen ausmacht. Ferner ist betreffs der Dimensionierung des Druckstrahlkompressors zur Gasverdich tung unter den oben angenommenen Verhält nissen zu bemerken, dass die Förder- bezw.
Treibschaufeln so gewählt werden müssen, dass die vorbezeichneten Mündungsdrücke und Geschwindigkeiten jeweils erreicht werden, wobei allgemein die Kontinuitätsgleichung wie folgt erfüllt sein muss: G . v = F . w, wobei bezeichnen: G = Durchflussgewicht in kg pro Sekunde; v - spez. Volumen in m3/kg; F - Durchflussquerschnitt in m2; 2v = Durchflussgeschwindigkeit in mjSek. Das Durchflussgewicht ist, falls keine Zwischenentnahme stattfindet, für alle Stu fen konstant.
Dabei muss das Durchfluss- gewicht des Treibstrahls mindestens so gross sein, dass die kinetische Energie des aus För- der- und Treibstrahl gemischten Schleuder strahls an ,der Mischungsstelle gleich oder grösser wird als die isothermische Kompres sionsarbeit, die erforderlich ist, um das ge gebene Durchflussgewicht des Förderstrahls vom Vorstufendruck auf den jeweiligen Stu fendruck zu komprimieren. Unter Berück sichtigung der eben genannten Bedingungen lässt sich der jeweilige Querschnitt des Schau felkanals bestimmen.
'ras die Dimensionierung der Schaufel kanäle der Druckstrahlzentrifugalpumpe be trifft, so sind diese Kanäle, ähnlich wie vor her, so zu wählen, dass die hierzu vorbezeich- neten Mündungsdrücke und Geschwindigkei ten jeweils erreicht werden, bei konstant blei- bendem Durchflussgewicht bezw. hei kon stant bleibender Durchflussmenge: F . w = Durchflussmenge = konstant, wenn bezeichnen F : Querschnittsfläche des Schaufelkanals im mê.
w : absolute Strömungsgeschwindigkeit in m/Sek.
Daraus lässt sich dann zu jedem Werte von w der zugehörige Querschnitt des Schaufel kanals aus der gegebenen Grösse der Durch flussmenge bestimmen. Dabei ist noch zu berücksichtigen, dass das Durchflussgewicht des Treibstrahls mindestens so gross sein muss, dass die kinetische Energie des aus Förder- und Treibstrahl gemischten Schleuderstrahl in der Ausmündung gleich oder grösser wird als die kinetische Energie, die erforderlich ist, um das gegebene Durchflussgewicht des Förderstrahls vom Vorstufendruck auf den jeweiligen Stufendruck zu fördern.
Die Vorrichtung zur Ausübung des neuen Verfahrens besteht in einem Schleuderrad mit zwei Schaufelreihen, zwischen denen die Scheidewand nicht bis an die Peripherie reicht, so dass eine gemeinsame Ausmündung entsteht. Die Schaufelreihen können zueinan der verschieden angeordnet sein. Die eine die den Förderstrahl bildet, ist mit der Vor stufe, die andere, die den Treibstrahl erzeugt. mit dem Kompressionsraum verbunden; dabei umschliesst die Diffusorwandung das Lauf rad beiderseits und bildet einen geschlosse nen Kanal. Dabei kann die Spirale ein- oder mehrmal übereinander, oder nebeneinander gewunden angeordnet sein, und sie kann auch eine geradlinige Fortsetzung haben.
Die Zeichnung stellt mehrere Ausfüh rungsbeispiele der Vorrichtung dar.
Jede der dargestellten Vorrichtungen kann sowohl für ein elastisches, als auch für ein tropfbar flüssiges Medium dienen; nur müssen die Bemessungen der Schaufelkanäle für jeden Fall, wie oben angegeben, berech net sein, damit die Wirkung gemäss dem Verfahren eintritt. Bei Vorrichtungen zur Verdichtung elastischer Flüssigkeiten wird zweckmässig jedes Gehäuse mit einem Was- serkühlmantel versehen, um den isothermi- schen Zustand zu erhalten. Wenn im folgen den "Flüssigkeit" gesagt und nicht besonders bemerkt ist, dass nur ein tropfbar flüssiges Medium gemeint ist, so gilt das Gesagte auch für elastische Medien.
Abb. ja und 1b zeigen in zwei Schnitten einen Druckstrahlapparat, bei welchem die Flüssigkeit (in Abb. la) linksseitig in die Kanäle zwischen den Förderschaufeln 1 ein tritt. Diese Schaufeln 1 sitzen an der Schau- felra.dscheibe 2, die auf der Welle 3 auf gekeilt und voll ist, und auf der gegenüber liegenden Seite die Treibschaufeln 4 trägt. In der Achsrichtung sind beide Schaufel reihen mit einer Wand 5 geschlossen, die möglichst dicht an der bearbeiteten Innen fläche des Gehäuses 6 entlang läuft. Die Welle 3 ist rechtsseitig durch das Gehäuse 6 geführt und vermittelst Stopfbüchse abge dichtet und ausserhalb der Stopfbüchsen ent sprechend gelagert.
Der Diffusor 7 bildet einen geschlossenen Kanal, dessen Wandun gen das Laufrad 2 an den Stellen 9a beider seits umschliessen, so dass in radialer Rich tung keine direkte Verbindung mit dem zen tralen Druckraume 8 besteht. Vielmehr hat der letztere erst am Ende der Diffusorspirale Verbindung mit dem Stufendruckraum, bezw. mit dem Diffusor 7.
Der Diffusorkanal ist aus Abb. 1b er sichtlich, welche die Seitenansicht einer Ge häusehälfte des Apparates darstellt. Der Endflansch 9 des Diffusors umschliesst die beiden Öffnungen des Diffusors 7 und des Druckraumes 8 und dient zum Anschliessen des Druckrohres. Auch könnte sich an die sen Flansch eine geradlinige Verlängerung des Diffusorkanals anschliessen.
Abb. <B>je</B> zeigt im Axialschnitt einen Druckstrahlapparat, der sich vom ersterläu terten nur dadurch unterscheidet, dass die zentrale Kammer 10 und die Treibschaufeln 4 durch das besondere Abzweigrohr 11 mit dem Druckraum verbunden sind. Das Rohr 11 zweigt vom Ende des Diffusors, oder, wie in Abb. 1b durch gestrichelte Linien angedeu- tet ist, von dem an den Flansch 9 angeschlos senen Ruhr ab.
Abb. 2 veranschaulicht einen teilweisen Achsialschnitt eines zweistufigenDruckstrahl- apparates mit einseitiger Einströmung und zwei Laufrädern von gleichem Durchmesser. Der Diffusorkanal 15 mündet in den Druck raum 16 zwischen den beiden Laufrädern 13 und 14 aus und der Diffusorkanal 17 endigt im Druckraum 18.
Dient ein solcher Apparat zum Fördern von tropfbarer Flüssigkeit, so fördert jedes Laufrad auf die gleiche Förderhöhe h, so dass die Gesamtförderhöhe dieses Apparate 2h beträgt, wobei die absolute Austritts geschwindigkeit des aus Förder- und Treib- strahl gemischten Schleuderstrahls gleich der Ausflussgeschwindigkeit ist, die der Flüssig keitssäule
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entspricht. Dieser zweistufige Apparat leistet demnach das doppelte an Förderhöhe wie die unter gleichen Betriebs verhältnissen laufende gewöhnliche zwei stufige Zentrifugalpumpe.
Dient ein solcher Apparat zur Kompres sion von Luft und drehen sich die Schleuder räder zum Beispiel mit einer solchen Um laufgeschwindigkeit, dass die Resultierende aus derselben und der Relativgeschwindig keit in Richtung der Schaufel, das heisst die absolute Austrittsgeschwindigkeit des För- der- und Treibstrahls (siehe Schema in Abb. 5) der beiden Räder in der Ausmündung zirka 319 m/Sek. beträgt, so erzeugt das erste Rad 13, das aus der Atmosphäre schöpft, bei isothermiseher Kompression mit Wasserküh lung auf 30 C im Raume 15 einen Druck von 3,606 atm., wobei der Treibstrahlmün- dungsdruck auf 1,899 atm. abfällt. Im zwei ten Rad wird dieser Druck von 3,606 atm.
auf 13,00 atm. erhöht, während der Treib- strahlmündungsdruck 6,848 atm. beträgt.
Abb. 3 zeigt einen teilweisen Achsial schnitt eines zweistufigen, aus zwei sym metrischen Hälften bestehenden Druckstrahl apparates mit beiderseitiger Einströmung und mit in Richtung der Strömung zuneh- mendem Laufraddurchmesser. Jeder Diffu sorkanal 19 mündet in den Druckraum 22 zwischen den beiden Laufrädern 20 und 21 aus. Ebenso endigen die Diffusorkanäle 23 im Druckraum 24 zwischen den Laufrädern 21. Die Wirkungsweise von Stufe zu Stufe ist analog der vorbeschriebenen.
Abb. 4 zeigt im Achsialschnitt einen Druckstrahlapparat, mit beiderseitiger Ein strömung. Sein Laufrad 25 auf ausserhalb des Gehäuses gelagerter Welle 26 trägt sym metrisch zu beiden Seiten je einen Förder- schaufelkranz 27, und darüberliegend je einen Treibschaufelkranz 28 und läuft in der Mitte des ebenso aus zwei symmetrischen Hälften zusammengesetzten Gehäuses 29. Die För derstrahlkanäle sind seitlich durch die nicht bis an den Umfang reichenden Um mantelungen 30 geschlossen, die sich gegen die Welle hin zu den Zuströmungsrohren 31 verengen, welche beiderseits die Druckräume 32 gegen das Gehäuse 29 abdichten. Hier können noch Labyrinthdichtungen angeord net werden, die aber nicht gezeichnet sind.
Die ,darüber angelagerten Treibschaufel- kanäle sind aussen mit einer Wand 33 ge schlossen, die möglichst dicht an der bearbei teten Innenfläche des Gehäuses entlang läuft. Die Druckräume 32 sind symmetrisch an geordnet und mit dem Ende des gemeinsamen Diffusors 34 verbunden.
Abb. 5 stellt in teilweisem Achsialschnitt und einem senkrecht zur Drehachse stehen den Schnitt mit äusserem Geschwindigkeits parallelogramm einen Druckstrahlapparat mit beiderseitiger Einströmung dar, bei dem Förder- und Treibschaufelkranz nebeneinan der auf der gleichen Seite liegen. Der Appa rat ist symmetrisch ausgebildet. Er besitzt ein Laufrad 35, .das in der Mitte des Ge häuses 36 läuft und zu beiden Seiten die Förderstrahlkanäle 37 und daneben auf der selben Seite die Treibstrahlkanäle 38 trägt, die beide seitlich jeweils mit einer Wand 39 geschlossen sind.
Letztere verengt sieh zu den Einströmungsrohren 40 für die Förder- schaufeln, die aussen jeweils gegen das Ge- häuse abdichten. Hier können nötigenfalls noch Labyrinthdichtungen angebracht wer den. Die Einströmung zu den Treibschaufel- kanälen erfolgt durch die Schlitzlöcher 41, die beiderseits in der Wand 39 vorhanden sind. Die Schaufeln sind vorwärts ge krümmt und, wie aus dem senkrecht zur Drehachse stehenden Schnitt ersichtlich ist, so gelagert, dass jeweils der Förderstrahl ver möge seines Geschwindigkeitsdruckes noch innerhalb des Schleuderrades in die gemein same Ausmündung eindringen kann.
Das Gehäuse kann zum Beispiel wie das in Abb. 4 dargestellte ausgebildet sein, wobei wiederum das Ende des geschlossenen Diffusorkanals durch gesonderte Verbindungskanäle mit den Druckräumen 42 verbunden ist. Das Schleu derrad dieses Apparates ist am Umfange nur partiell mit Schaufeln besetzt. Solche Schleu derräder kommen da in Betracht, wo es sich darum handelt, sehr hohe Drüeke und kleine Fördermengen zu erzeugen.