DE10050697A1

DE10050697A1 - Verfahren und Vorrichtung zur isothermen Kompression eines gasförmigen Mediums

Info

Publication number: DE10050697A1
Application number: DE2000150697
Authority: DE
Inventors: Alexander Ni; Peter Jansohn; Hans Wettstein
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2002-04-18

Abstract

Bei einem Verfahren zur Kompression eines gasförmigen Mediums (4) mittels eines Kompressors (1) wird ein flüssiges Medium (2) zerstäubt und bildet mit dem gasförmigen Medium (4) eine Zweiphasenströmung. Die Zweiphasenströmung strömt mit Überschallgeschwindigkeit durch einen Diffusor (9). In einer nachfolgend angeordneten Düsenanordnung (10) wird die Geschwindigkeit von Überschall auf Unterschall reduziert, wodurch das gasförmige Medium (4) komprimiert wird. Zusätzlich können in dem Bereich, in dem die Strömung mit Überschall strömt, Öffnungen (6) vorhanden sein, durch die ein weiteres gasförmiges Medium (7) angesaugt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur isothermen Kompression eines gasförmigen Mediums gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 8.

STAND DER TECHNIK

Verfahren zur Kompression von Luft durch die Anreicherung der Luft mit kleinen Wassertropfen sind durch verschiedene Publikationen bekannt geworden. Das Ziel dieser Anreicherung liegt darin, den Impuls der Wassertropfen auf die Luft zu über tragen und in dieser Weise zu komprimieren.

Die beiden Schriften EP-A1-916 826 und EP-A1-990 801 offenbaren zwei derartige Verfahren zur isothermen Kompression von vorzugsweise Luft. Die isotherm ver dichtete Luft wird im Anschluss direkt in eine Brennkammer einer Gasturbine geleitet. Zur isothermen Verdichtung wird Wasser in Düsen zerstäubt und mit Luft gemischt. Das Zweiphasengemisch wird mit Überschall durch eine Düsenanordnung geleitet, so dass sich die Geschwindigkeit auf Unterschall reduziert und das gasförmige Me dium komprimiert wird. In einer nachfolgenden Hochdruckkammer werden beide Me dien getrennt und separat abgeleitet.

Aus Cunnigham, Liquid Jet Pumps for Two-phase Flows, Journal of Fluids Engi neering, June 1995, Vol. 117, S. 309 ist eine Flüssigkeitsstrahlpumpe (Liquid Jet Pump) bekannt, in welcher Wasser zerstäubt und mit Luft gemischt wird. Das Zwei phasengemisch strömt mit Überschallgeschwindigkeit durch einen Zylinder und einen darauffolgenden Diffusor. Die Kompression des Mediums erfolgt dadurch, dass die Strömung an einer Stelle in eine Unterschallströmung umschlägt. Diese Art der Kompressoren hat in Laborversuchen einen maximalen Wirkungsgrad von 40% ge zeigt. Nachteilig ist allerdings, dass sich hinter dem Diffusor eine Schockwelle bildet, welche eine Einbusse im Druck und somit einen geringen Wirkungsgrad mit sich bringt.

Ein ähnliches Verfahren und eine ähnliche Vorrichtung ist auch aus US 5,083,429 bekannt. Zerstäubtes Wasser wird durch eine Kompressionsröhre geleitet, welche sich aus einem divergierenden, einem konvergierenden und wiederum aus einem divergierenden Abschnitt zusammensetzt. Die Zweiphasenströmung wird auf Über schallgeschwindigkeit beschleunigt, in einem zylindrischen Zwischenbereich wird eine Schockwelle erzeugt und das Luft/Flüssigkeits-Gemisch danach auf Unter schallgeschwindigkeit abgebremst. In den verschiedenen Bereichen des Kompres sors wird dem gasförmigen Medium Wärme entzogen oder hinzugefügt, um einen Effekt in bezug auf die Kompressionsleistung zu bekommen. Insbesondere sind bei dieser Ausführungsform die Machzahlen und auch der Wirkungsgrad sehr be schränkt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kompression eines kompressiblen Mediums, welches vorzugsweise Luft, Helium oder CO₂ ist, durch die Beladung mit feinen Flüssigkeitstropfen derart auszugestalten, daß höhere Wir kungsgrade als mit den aus den Stand der Technik bekannten Verfahren erzielt wer den können. Die Erfindung hat ebenfalls die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Durchfüh rung des Verfahrens zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Kompression eines gasförmigen Mediums gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß dem Diffusor eine konvergente-divergente Düsenanordnung nachgeordnet ist, in welcher sich die Geschwindigkeit des Flüssigkeit/Gas-Gemisches von Überschall auf Unterschall reduziert, wobei sich der Druck des gasförmigen Mediums erhöht und es komprimiert wird.

Die Aufgabe wird gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 7 zusätzlich durch einen Kompressor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Verfahrensansprüche dadurch gelöst, daß der Kompressor aus einem Diffusor besteht und aus einer dem Diffusor nachfolgenden, konvergenten-divergenten Düsenanordnung besteht, wobei am Anfang des Diffusors eine Zerstäubungseinrichtung angeordnet ist.

Vorteilhaft werden mit dieser Anordnung erhöhte Wirkungsgrade bei der Kompressi on erzielt, insbesondere, da keine Schockwelle bei dem Übergang von der Über schallströmung zur Unterschallströmung in dem gasförmigen Medium auftritt. Durch die Einrichtung des Diffusors als ein erster Teil des Kompressors werden erhöhte Machzahlen und somit ein erhöhter Wirkungsgrad als bisher bekannt erreicht.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform ist in dem Bereich des Kompres sors, in dem die Zweiphasenströmung mit Überschallgeschwindigkeit strömt, minde stens eine zusätzliche Öffnung vorhanden, in welcher ein weiteres gasförmiges Me dium angesaugt wird. Diese zusätzliche Öffnungen können so ausgelegt sein, dass sie sich ringförmig über den gesamten Umfang erstrecken.

Im Gegensatz zu den bekannten Ausführungsformen wird das Verhältnis des Mas senflusses von flüssigem Medium zu gasförmigem Medium erhöht sein und in einem Bereich von 50 : 1 zu 100 : 1 liegen. Dies erhöht den Wirkungsgrad bei dem vorliegen den Kompressor und dem erfindungsgemässen Verfahren vorteilhaft.

Die dem Diffusor nachgeordnete, konvergente-divergente Düsenanordnung ist vor zugsweise als Lavaldüse oder als 2-Phasen-Laval-Düse ausgebildet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles durch folgende Figuren beschrieben, wobei

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Kompressors zeigt und

Fig. 2-5 charakteristische Werte (Druck p, Wasserkonzentration a, Machzahl M, Geschwindigkeit u) für den ersten, divergierenden Teil mit einer zusätz lichen, externen Gasansaugung darstellen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemässen Kompressor 1 zur isothermen Kompres sion eines gasförmigen Mediums 4. Dabei wird ein flüssiges Medium 2 in einer Zer stäubereinrichtung 3 in feine Tropfen 8 zerstäubt. Das entstehende Gas/Flüssigkeits- Gemisch 5 wird mit hoher Geschwindigkeit in den Kompressor 1 geleitet. Dieser Kompressor 1 besteht aus einem Diffusor 9 und einer dem Diffusor 9 nachgeordne ten Düsenanordnung 10. In der Fig. 1 besteht der Kompressor 1 aus den zwei Be reichen I und II.

Die Geschwindigkeitsverhältnisse im Kompressor 1 sind so ausgelegt, dass sich in dem Bereich I eine Überschallströmung einstellt. Zu dem Bereich II hin geht die Strömung kontinuierlich von einer Überschallströmung in eine Unterschallströmung über, ohne dass eine Schockwelle und die damit verbundenen Verluste entstehen. Die Abbremsung der Luft bewirkt im Bereich II eine Kompression des gasförmigen Mediums 4 durch die Impulsübertragung der feinen Tropfen 8 auf das Medium 4.

Die Düsenanordnung 10 sowie der Einlaßbereich der Düsenanordnung 10, die vor zugsweise als eine Zwei-Phasen-Laval-Düse ausgebildet ist, ist derart konfiguriert, daß das Gas/Fiüssigkeits-Gemisch 5 mit einer Flüssigkeitstropfengeschwindigkeit von mindestens 50 m/s eintritt. Die Lavaldüse ist in Strömungsrichtung mit einer Druckkammer, welche in der Fig. 1 nicht dargestellt ist, verbunden, in der das aus der Düsenanordnung austretende Gas/Flüssigkeits-Gemisch 5 aufgefangen und ge trennt wird.

In der 2-Phasen-Lavaldüse wird das Flüssigkeits-Gas-Gemisch 5 auf eine sehr kleine Geschwindigkeit abgebremst.

Aufgrund der Abbremsung des Gemisches in der Lavaldüse steigt der Druck stark an. Auch die Schallgeschwindigkeit steigt mit zunehmendem Druck stark an. Ande rerseits sinkt die Strömungsgeschwindigkeit auf sehr kleine Werte ab. Wie in jeder Lavaldüse wird die Machzahl 1 im engsten Querschnitt durchschritten.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform wird in dem Bereich I, in welchem eine Überschallströmung herrscht, weitere Öffnungen 6 vorhanden sein, in denen ein weiteres gasförmiges Medium 7 angesaugt wird. Diese Öffnungen 6 können bei spielsweise ringförmig über den Umfang angeordnet sein.

Bei den gezeigten Beispielen der Fig. 2 bis 5 wird davon ausgegangen, dass es sich bei dem flüssigen Medium um Wasser und bei den gasförmigen Medien um Luft handelt. Selbstverständlich bezieht sich die Erfindung in gleichem Masse auf die Kompression von Helium oder CO₂. Bei dieser Ausführungsart werden die charakte ristischen Werte wie Wasserkonzentration α (Fig. 2), Druck p (Fig. 3), die Mach zahl M (Fig. 4) und die Geschwindigkeit u (Fig. 5) näher beschrieben, wobei zu sätzlich ringförmigen Öffnungen 6 zur Ansaugung von weiterer Luft 7 vorhanden sind.

Die Berechnungen beziehen sich auf einen Diffusor 9, welcher durch die Formel

r = r₀ + ax (1)

beschrieben wird, wobei r₀ der Ausgangsradius, a = 0.5 die Steigung und x die x-Koordinate darstellt. Es wurde weiter von einer ringförmigen Öffnung 6 mit einer Flä che von A = 0.5 m² ausgegangen.

Die vorstehend beschriebene Technik der isothermen Kompression bezieht sich auf die Erzeugung von Gas/Flüssigkeits-Gemischen 5, deren flüssiges Medium-zu- gasförmige Medium-Verhältnis bei einer Eintrittskonzentration von 90% liegt. Allge mein kann festgestellt werden, dass das Verhältnis des Massenflusses von flüssigem Medium 2 zu gasförmigen Medium 4 in einem Bereich von 50 : 1 zu 100 : 1 liegt und somit gegenüber den herkömmlichen, aus dem Stand der Technik bekannten Kom pressoren deutlich erhöht ist.

Dies wird aus der Fig. 2 deutlich, in welcher die Wasserkonzentration α mit

α dem Anteil von Luft pro m³ flüssiges Medium (2)

über der x-Koordinate dargestellt ist. Wie aus der Fig. 4 hervorgeht, verringert sich der Druck p in diesem Bereich gegenüber dem äusseren Druck. Diese Druckdiffe renz wird zur weiteren Ansaugung von externer Luft 7 genutzt, so dass sich, wie in der Figur sichtbar, die Wasserkonzentration α gegenüber der Eintrittskonzentration verringert. Selbstverständlich ist der Massenstrom der angesaugten, externen Luft 7 abhängig von der Grösse der ringförmigen Öffnung 6. Dieser zusätzliche Massen strom der externen Luft 7 sorgt für eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades des erfindungsgemässen Kompressors 1.

Aus der Fig. 4 geht hervor, dass im gesamten Bereich des Diffusors 9 eine Über schallströmung mit einer Machzahl M zwischen 4 und 5 vorliegt. Die Geschwindigkeit u steigt in dem Diffusor 9 kontinuierlich an.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Kompressor

2

Flüssiges Medium, vorzugsweise Wasser

3

Zerstäubungseinrichtung

4

Gasförmiges Medium, vorzugsweise Luft, Helium, CO₂

5

Flüssigkeit/Gas-Gemisch, vorzugsweise Wasser-Luft-Gemisch

6

Öffnung

7

Gasförmiges Medium, vorzugsweise Luft, Helium, CO₂

8

Tropfen

9

Diffusor

10

Düsenanordnung
I, II Bereiche des Kompressors

1

α, alpha Wasserkonzentration
A Fläche der Öffnung

6

M Machzahl
a Steigung
p Druck
r, r₀

Radius
u Geschwindigkeit
x x-Koordinate des Diffusors

9

Claims

1. Verfahren zur isothermen Kompression eines gasförmigen Mediums (4) mit tels eines Kompressors (1), wobei der erste Teil des Kompressors (1) aus ei nem Diffusor (9) besteht, in welchen das gasförmige Medium (4) geleitet wird und wobei am Einlaßbereich des Diffusors (9) ein flüssiges Medium (2) in Tropfen (8) zerstäubt wird und mit dem gasförmigen Medium (2) gemischt wird, so dass eine Zweiphasenströmung mit einem Flüssigkeit/Gas-Gemisch (5) entsteht, welche mit Überschallgeschwindigkeit in den Diffusor (9) ein strömt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Diffusor (9) eine konvergente-divergente Düsenanordnung (10) nachge ordnet ist, in welcher die Geschwindigkeit des Flüssigkeit/Gas-Gemisches (5) von Überschall auf Unterschall reduziert wird, wobei sich der Druck des gas förmige Mediums (4) erhöht und es komprimiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich des Kompressors (1), in dem das Flüssigkeit/Gas-Gemisches (5) mit Überschallgeschwindigkeit strömt, mindestens eine zusätzliche Öffnung (6) vorhanden ist, in welcher ein weiteres gasförmiges Medium (7) angesaugt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Massenflusses von flüssigem Medium (2) zu gasförmigen Medium (4) in einem Bereich von 50 : 1 zu 100 : 1 liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als flüssiges Medium (2) Wasser und als gasförmige Medien (4) Luft, Helium oder CO₂ verwendet werden.

5. Kompressor (1) zur Durchführung das Verfahrens nach einem der Ansprüche einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (1) aus einem Diffusor (9) besteht und aus einer dem Diffusor (9) nachfolgenden, konvergenten-divergenten Düsenanordnung (10) besteht, wobei am Anfang des Diffusors (9) vor dem Kompressor (1) eine Zerstäu bungseinrichtung (3) angeordnet ist.

6. Kompressor (1) nach Anspruche 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenanordnung (10) eine Laval-Düse ist.

7. Kompressor (1) nach Anspruche 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laval-Düse eine 2-Phasen-Laval-Düse ist.

8. Kompressor (1) nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich des Kompressors (1), in dem das Flüssigkeit/Gas-Gemisch (5) mit Überschallgeschwindigkeit strömt, mindestens eine zusätzliche Öffnung (6) zum Ansaugen eines weiteren gasförmigen Mediums (7) vorhanden ist.

9. Kompressor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Öffnungen (6) ringförmig um den Umfang angeordnet ist.