DE10047829A1 - Vorrichtung zum Ansaugen von Gasen und Wärmepumpe mit einer solchen Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Vorrichtung dient zum Ansaugen von Gasen aus einem Rohr (30) mittels einer strömenden Flüssigkeit. Hierzu ist ein Behälter (10) für die Aufnahme der unter einer äußeren Kraft (Schwerkraft, Zentrifugalkraft, magnetische Kraft) strömenden Flüssigkeit vorgesehen, der an einer Verengung (24) in ein Ausflußrohr (18) mündet. Im Bereich der Verengung (24) ist mittels eines Kegels (26) eine Durchströmöffnung (28) gebildet. Das Rohr (30) für das anzusaugende Gas ist innerhalb des Behälters angeordnet und verläuft durch den Kegel (26) hindurch. DOLLAR A Die Wärmepumpe mit einer solchen Vorrichtung hat einen Verdampfer (56) zum Verdampfen eines bei niedrigen Temperaturen siedenden Kältemittels, einen nachgeordneten Verdichter zum Ansaugen und Verdichten des Kältemittels und einen Verflüssiger zum Kondensieren des Kältemittels und zur gleichzeitigen Wäremabgabe an ein Arbeitsmedium. Die Vorrichtung zum Ansaugen von Gasen dient hierbei als Mittel zum Ansaugen des Kältemittels vom Verdampfer (56) und zum Fördern des Kältemittels zusammen mit dem Arbeitsmedium in den Verflüssiger. Verdichter und Verflüssiger sind eine Baueinheit, gebildet durch ein allseitig geschlossenes Gehäuse (34) mit dem um eine vertikale Achse (36) rotierenden Behälter (10) mit den Ausflußrohren (18).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansaugen von Gasen aus einem Rohr mittels einer strömenden Flüssigkeit. Ferner betrifft die Erfindung eine Wärmepumpe mit einer derartigen Vorrichtung.

Eine Vorrichtung zum Ansaugen von Gasen der eingangs genannten Bauart ist als Wasserstrahlpumpe bekannt. Die strömende Flüssigkeit (z. B. Wasser) strömt hier mit großer Geschwindigkeit durch ein sich verengendes Rohr, welches in einem größeren Rohr angebracht ist, aus dem das Gas angesaugt werden soll, beispielsweise zur Evakuierung eines Behälters. Am düsenförmigen Ausgang des Wasserrohres erhöht sich die Strömungsgeschwindig­ keit des Wassers, wodurch ein Unterdruck erzeugt wird, der das Gas absaugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ansaugen von Gasen mittels einer strömenden Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen, bei der kein Wasserstrahl hoher Geschwindigkeit erforderlich ist, um den Unterdruck zu erzeugen.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Danach ist ein Behälter für die Aufnahme der unter einer äußeren Kraft (Schwerkraft, Zentrifugalkraft, magnetische Kraft) strömenden Flüssigkeit vorgesehen, der an einer Verengung in ein Ausflußrohr hinein mündet. Im Bereich der Verengung wird mittels eines Kegels eine Durchströmöffnung gebildet. Deren Querschnittsfläche entspricht im wesentlichen dem Querschnitt des Ausflußrohres. Das Rohr für das anzusaugende Gas ist innerhalb des Behälters angeordnet und verläuft durch den Kegel hindurch.

Die Flüssigkeit in dem Behälter wird ständig nachgefüllt, so daß ein etwa gleichbleibender Pegel erhalten bleibt. Der Druck an der Oberfläche der Flüssigkeit im Behälter entspricht dem Druck am Ende des Ausflußrohres. Aus noch zu erläuternden Gründen stellt sich im Bereich der Verengung, wo das Rohr für das anzusaugende Gas in das verhältnismäßig lange, vom Behälter ausgehende Rohr mündet, ein Druck ein, der sich zyklisch verändern kann und meist kleiner als der Druck auf der Oberfläche der Flüssigkeit ist. Hierdurch wird aus dem Ansaugrohr Gas mitgerissen, das in Form von Blasen mit der Flüssigkeit durch das Ausflußrohr strömt und gleichzeitig auf Umgebungsdruck komprimiert wird.

In Weiterbildung der Erfindung kann die Lage des Kegels innerhalb der konisch ausgebildeten Verengung eingestellt werden, um auch bei einer minimalen Druckflußmenge dafür zu sorgen, daß die Flüssigkeitssäule im Ausflußrohr aufrechterhalten wird.

Die Durchströmöffnung kann ein Ringspalt sein oder durch Kanäle gebildet werden, die in dem Kegel ausgebildet sind.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung eignet sich zum Ansaugen von Gasen und zum Mischen von Gasen und Flüssigkeiten. Sie kann mit Vorteil in einer Wärmepumpe Verwendung finden, die einen Verdampfer zum Verdampfen eines bei niedrigen Temperaturen siedenden Kältemittels, einen nachgeordneten Verdichter zum Ansaugen und Verdichten des Kältemittels und einen Verflüssiger zum Kondensieren des Kältemittels und zur gleichzeitigen Wärmeabgabe an ein Arbeitsmedium aufweist. In einer derartigen Wärmepumpe dient die Vorrichtung gemäß der Erfindung als Mittel zum Ansaugen des Kältemittels vom Verdampfer und zum Fördern des Kältemittels zusammen mit dem Arbeitsmedium in den Verflüssiger.

Verdichter und Verflüssiger bilden bei einer derartigen Wärmepumpe eine Baueinheit in Form des Behälters, der um eine vertikale Achse rotiert. In diesem Fall ist die äußere Kraft eine Zentrifugalkraft. Von dem Behälter treten in Weiterbildung der Erfindung mehrere Ausflußrohre aus, die einen entgegen der Drehrichtung gekrümmten Verlauf haben.

Weitere Merkmale der Wärmepumpe ergeben sich aus den Unteransprüchen 7 bis 11.

Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schemazeichnungen zur Erläuterung der Wirkungs­ weise der Vorrichtung zum Ansaugen und Verdichten von Gasen,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebil­ dete Vorrichtung zum Ansaugen von Gasen,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer Wärmepumpe, bei der die Vorrichtung gemäß Fig. 2 eingesetzt ist,

Fig. 4 einen Querschnitt in der Ebene IV-IV der Fig. 3 und

Fig. 5 einen Querschnitt in der Ebene V-V der Fig. 3.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Behälter 10, der mit einer Flüssigkeit 12 ständig nachgefüllt wird. An eine mittige Öffnung 14 im Boden 16 des Behälters 10 schließt sich ein verhältnismäßig langes Ausflußrohr 18 an, in dem die unter dem Einfluß der Schwerkraft aus dem Behälter 10 fließende Flüssigkeit eine Flüssigkeitssäule bildet. Der Umgebungsdruck p₀ am unteren Ende des Ausflußrohres 18 entspricht dem Atmosphärendrcuk p₀ an der Flüssigkeitsoberfläche im Behälter 10.

Die Flüssigkeit im Behälter 10 übt infolge ihres Gewichtes einen nach unten gerichteten Druck aus, dem die Reaktion des Bodens 10 das Gleichgewicht hält und der sich als zusätzlicher Druck zu dem auf die Flüssigkeitsoberfläche wirkenden Druck p₀ addiert. Beim Ausfließen der Flüssigkeit durch die Öffnung 14 wandelt sich dieser zusätzliche Druck in den dynamischen Druck um, so daß der statische Druck in der durch die Öffnung 14 strömende Flüssigkeit den Wert p₀ hat.

Der Gesamtdruck, den die Flüssigkeitssäule im Ausflußrohr 18 infolge ihres Gewichtes nach unten ausübt, beschleunigt die Flüssigkeit beim Durchtritt durch die Öffnung 14 und erhöht die Geschwindigkeit der Flüssigkeitssäule. Dabei entsteht an der Öffnung 14 nach dem Reaktionsprinzip der Mechanik ein Widerstand zur Beschleunigung, so daß ein Gegendruck entsteht, der nach oben wirkt und den Zuwachs der Geschwindigkeit verhindert. Der entstandene Gegendruck und der von der Flüssigkeitssäule nach unten ausgeübte Druck wirken in entgegengesetzten Richtungen, wodurch auf die Flüssigkeit in der Flüssigkeitssäule eine auseinanderziehende Wirkung ausgeübt wird, die entgegengesetzt zur zusammendrückenden Wirkung des Umgebungsdruckes p₀ arbeitet. Dadurch ist der statische Druck p in der Flüssigkeitssäule kleiner als p₀.

Ein Anteil des Gesamtdruckes wandelt sich durch den Zuwachs der Geschwindigkeit in den dynamischen Druck um, während der andere Anteil die Reduzierung des statischen Druckes in der Flüssigkeitssäule bewirkt. Daraus folgt, daß je kleiner der Zuwachs der Geschwindigkeit ist, desto größer der Anteil des Gesamtdruckes ist, der für die Reduzierung des statischen Druckes in der Flüssigkeitssäule verbraucht wird und dadurch der Druck p kleiner wird.

Mit dem Abstand von der Öffnung 14 nimmt der Gesamtdruck ab, den die Flüssigkeitssäule nach unten ausübt, und der Wert des Druckes p nähert sich dabei dem Wert p₀, bis er am unteren Ende des Ausflußrohres 18 den Wert p₀ erreicht.

Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung gemäß der Erfindung baut auf dem soeben anhand der Fig. 1 beschriebenen Prinzip auf. Der Behälter 10, der ständig mit Flüssigkeit 12, z. B. Wasser, nachgefüllt wird, geht über eine konische Verengung 24 in das Ausflußrohr 18 über. In den Bereich der Verengung 24 ist ein Kegel 26 eingesetzt, der mit der Verengung 24 eine Durchströmöffnung 28 bildet.

Durch den Kegel 26 hindurch verläuft koaxial zum Ausflußrohr 18 ein Rohr 30, über welches Gas angesaugt und in das Ausflußrohr 18 geleitet wird.

Die Lage des Kegels 26 innerhalb der konisch ausgebildeten Verengung 24 kann eingestellt werden, so daß bei minimaler Durchflußmenge der Flüssigkeit die Flüssigkeitssäule in dem Ausflußrohr 18 aufrechterhalten wird. Dadurch wird zusätzlich der Geschwindigkeitszuwachs der Flüssigkeitssäule reduziert, wodurch ein noch kleinerer Druck p in der Flüssigkeitssäule erreicht wird.

Fig. 2 zeigt, daß die Durchströmöffnung 28 ein Ringspalt ist. Andere Formen für die Durchströmöffnung 28 sind möglich, beispielsweise in Form von Kanälen, die in den Kegel 28 eingearbeitet sind, wenn dieser mit seiner konischen Außenfläche an der konischen Verengung 24 anliegt.

Unter dem Einfluß der Schwerkraft strömt die Flüssigkeit 12 aus dem Behälter 10 über die Durchströmöffnung 28 in das Ausflußrohr 18, in dem sich eine nach unten bewegende Flüssigkeitssäule bildet. Dabei entsteht in der Flüssigkeitssäule in der bereits erläuterten Weise der Druck p, der kleiner als der Umgebungsdruck p₀ und am kleinsten im Bereich 21 des Überganges der Verengung 24 in das Ausflußrohr 18 ist und mit der Entfernung von der Verengung 24 zunimmt, bis er am unteren Ende des Ausflußrohre 18 den Wert p₀ annimmt.

Am Ausgang des Rohres 30 bildet die Flüssigkeit eine Flüssigkeitsoberfläche, die sich im Bereich mit dem Druck p befindet. Wenn der Druck p₁ im Rohr 30 größer als der Druck p ist, verformt sich die Flüssigkeitsoberfläche nach unten und bildet einen Gassack 20, der von der ihn umströmenden Flüssigkeit nach unten gezogen wird.

Bei der Verformung der Flüssigkeitsoberfläche des Gassackes steigt die Geschwindigkeit der Flüssigkeitssäule im Ausflußrohr 18 an, wodurch in der bereits erläuterten Weise der Druck p zunimmt. Der angestiegende Druck drückt den Gassack 20 am Ausgang des Rohres 30 zusammen, so daß er schließlich abreißt und als Gasblase 22 in den Flüssigkeitsstrom des Ausflußrohres 18 eintritt, in dem diese Gasblase durch den entlang des Ausflußrohres 18 ansteigenden Druck bis zum Druck p₀ zusammengedrückt wird.

Auf diese Weise wird der Ausgang des Rohres 30 zeitweise durch die Flüssigkeit geschlossen, bis sich wieder ein Sack 20 bildet und eine Gasblase 22 abreißt, die von dem Flüssigkeitsstrom im Ausflußrohr 18 mitgerissen wird. Dieser Vorgang wiederholt sich zyklisch, wobei wesentlich ist, daß der Druck p₁ im Rohr 30 über längere Zeit kleiner als der Druck p₀ ist, so daß aus dem Rohr 30 Gas abgesaugt wird.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen eine Wärmepumpe 32, bei der die Vorrichtung gemäß Fig. 2 verwendet ist.

Die Wärmepumpe 32 besteht aus einem allseitig geschlossenen, rotationssymmetrischen Gehäuse 34, in dem eine um eine vertikale Achse 36 rotierende Welle 38 gelagert ist. Fest mit dieser Welle 38 verbunden ist ein Behälter 10, von dessen Zylinderwand 40 vier gleichmäßig über den Umfang verteilte Ausflußrohre 18 (vgl. Fig. 4) ausgehen. In Fig. 4 ist die Drehrichtung ω des Behälters 10 angegeben, wodurch hier die im Beispiel der Fig. 2 wirkende Schwerkraft durch eine Zentrifugalkraft auf die Flüssigkeit 12 (Arbeitsmedium M) im Behälter 10 ersetzt wird. Die Ausflußrohre 18 haben gemäß Fig. 4 einen entgegen der Drehrichtung ω gekrümmten Verlauf, so daß beim Durchströmen der Flüssigkeit die Bahngeschwindigkeit unverändert bleibt und keine tangentiale Beschleunigung auf die Flüssigkeit wirkt.

Analog zum Beispiel der Fig. 2 geht der Behälter 10 über eine konische Verengung 24 in das jeweilige Ausflußrohr 18 über. In diese Verengung 24 ist ein Kegel 26 eingesetzt, durch den hindurch ein Rohr 30 zum Absaugen von Gas (Kältemittel K) verläuft. Jedem Ausflußrohr 18 ist ein radial ausgerichtetes Rohr 30 zugeordnet, so daß insgesamt vier sternförmig angeordnete Rohre 30 vorhanden sind, die von einem axial ausgerichteten Rohr 30' für das anzusaugende, gasförmige Kältemittel K vorgesehen sind. Das Rohr 30' ist fest mit dem um die Achse 36 rotierenden Behälter 10 verbunden.

In Fig. 4 ist angedeutet, daß in dem Behälter 10 zwischen den Verengungen 24, von denen die Ausflußrohre 18 ausgehen, radial verlaufende Führungswände 42 angebracht sind, welche die Flüssigkeit bei der Rotation mitnehmen und vermeiden, daß diese sich nicht mit dem Behälter 10 mitdreht.

Fig. 3 zeigt, daß das Gehäuse 34 gegenüber den Ausflußrohren 18 eine axial nach unten divergierende Leitwand 44 hat, welche das aus den Ausflußrohren 18 strömende Gemisch aus Kältemittel und Arbeitsmedium M in Richtung des eingezeichneten Pfeiles nach unten in Rückströmkanäle 46 umlenkt. Gemäß Fig. 5 haben diese Rückströmkanäle 46, die mit dem Boden 48 des Gehäuses 34 verbunden sind, einen von außen zum Zentrum in Drehrichtung ω des Behälters 10 gekrümmten Verlauf, wodurch die Rückführung des aus den Ausflußrohren 18 austretenden Gemisches in die radial nach innen weisende Öffnung 50 des Behälters 10 begünstigt wird.

Das über das zentrische Rohr 30' bei einem Druck p₁ angesaugte Kältemittel K ist in dem Arbeitsmedium M nicht lösbar. Bei der Rückströmung in den Behälter 10 stellt sich somit wegen der unterschiedlichen Dichte der beiden Medien eine Grenzschicht 52 ein, so daß das leichtere und damit radial innere Kältemittel K über eine nach oben gerichtete Leitung 54 einem Verdampfer 56 zugeführt werden kann. Hierzu steht von dem rotierenden Behälter 10 koaxial zu dessen Drehachse 36 ein Überlaufzylinder 58 für das verflüssigte Kältemittel K nach oben ab, dessen oberes Ende in einen im Gehäuse 34 angebrachten Sammelbehälter 60 führt. Dieser ist über die Leitung 54 mit dem Verdampfer 56 verbunden, in welchem das Kältemittel K durch die von außen zugeführte Wärmeenergie verdampft wird.

Das verdampfte und somit wieder gasförmige Kältemittel K wird durch die Zentrifugalkraft des rotierenden Behälters 10 in der erläuterten Weise abgesaugt und in die Ausflußrohre 18 geleitet, wo es von dem Arbeitsmedium M auf den Druck p₀ zusammengedrückt wird. Der rotierende Behälter 10 bildet mit seinen Ausflußrohren 18 in dem Gehäuse 34 eine Baueinheit, die gleichzeitig als Verdichter und Verflüssiger für die Wärmepumpe wirkt. Das beim Austritt aus den Ausflußrohren 18 in die Rückströmkanäle 46 fließende Medium hat sich durch die Zunahme des Druckes von p₁ auf p₀ erwärmt und gibt seine Wärmeenergie Q im wesentlichen über den Boden 48 des Gehäuses 34 nach außen ab. Bedingung hierfür ist, daß der Druck p₀ dem Sättigungsdruck des Kältemittels K entspricht, so daß sich dieses in den als Kondensator (Verflüssiger) wirkenden Ausflußrohren 18 verflüssigt.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Ansaugen von Gasen aus einem Rohr mittels einer strömenden Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälter (10) für die Aufnahme der unter einer äußeren Kraft strömenden Flüssigkeit vorgesehen ist, der an einer Verengung (24) in ein Ausflußrohr (18) mündet, daß im Bereich der Verengung (24) mittels eines Kegels (26) eine Durchströmöffnung (28) gebildet ist, und daß das Rohr (30) für das anzusaugende Gas innerhalb des Behälters (10) angeordnet ist und durch den Kegel (26) hindurch verläuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Kegels (26) innerhalb der konisch ausgebildeten Verengung (24) einstellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmöffnung (28) ein Ringspalt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmöffnung (28) aus in dem Kegel (26) ausgebildeten Kanälen besteht.

5. Wärmepumpe mit einem Verdampfer zum Verdampfen eines bei niedrigen Temperaturen siedenden Kältemittels, einem nachgeordneten Verdichter zum Ansaugen und Verdichten des Kältemittels und einem Verflüssiger zum Kondensieren des Kältemittels und zur gleichzeitigen Wärmeabgabe an ein Arbeitsmedium, gekennzeichnet durch die Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Mittel zum Ansaugen des Kältemittels vom Verdampfer (56) und zum Fördern des Kältemittels zusammen mit dem Arbeitsmedium in den Verflüssiger.

6. Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Verdichter und Verflüssiger bestehende Baueinheit gebildet wird durch den in einem allseitig geschlossenen Gehäuse (34) um eine vertikale Achse (36) rotierenden Behälter (10), von dem mehrere Ausflußrohre (18) austreten, die einen entgegen der Drehrichtung (ω) gekrümmten Verlauf haben.

7. Wärmepumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Verdampfer kommende, axial ausgerichtete Rohr (30') für das anzusaugende, gasförmige Kältemittel mit dem rotierenden Behälter (10) fest verbunden ist und in dem Behälter (10) sternförmig in radial ausgerichtete Rohre (30) übergeht, von denen jedes einem Ausflußrohr (18) zugeordnet ist.

8. Wärmepumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Behälter (10) zwischen den Mündungsstellen der radial ausgerichteten Rohre (30) in die Verengung (24), von denen die Ausflußrohre (18) ausgehen, radial verlaufende Führungswände (42) angebracht sind.

9. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (34) Rückströmkanäle (46) für die Rückführung des aus den Ausflußrohren (18) austretenden Gemisches aus Kältemittel und Arbeitsmedium in den radial nach innen offenen, zentrisch angeordneten Behälter (10) ausgebildet sind.

10. Wärmepumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückströmkanäle (46) von einer gegenüber den Ausflußrohren (18) axial nach unten divergierenden Leitwand (44) des Gehäuses (34) ausgehen und an dessen Boden (48) einen von außen zum Zentrum in Drehrichtung des Behälters (10) gekrümmten Verlauf haben.

11. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Behälter (10) koaxial zu dessen Drehachse (36) ein Überlaufzylinder (58) für das verflüssigte Kältemittel (K) nach oben absteht, dessen oberes Ende in einen im Gehäuse (34) angebrachten Sammelbehälter (60) führt, welcher über eine Leitung (34) mit dem Verdampfer (56) verbunden ist.