DE102004049980A1

DE102004049980A1 - Strahlpumpe und rotierender Abscheider als Kraftmaschine und zum Antrieb einer Wärmepumpe

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Publication number: DE102004049980A1
Application number: DE102004049980A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2006-04-20

Abstract

Die Energie eines Dampfstrahles wird mit dem zunächst üblichen Wirkungsgrad in die Strömungsenergie einer angesaugten Flüssigkeit umgewandelt. Die Verluste durch unelastischen Stoß und Verwirbelung werden aber in dieser Vorrichtung stark reduziert, da die erzeugte Wärme in dem nachfolgenden Diffusor durch teilweise Verdampfung von Flüssigkeit in Bewegungsenergie umgesetzt wird. DOLLAR A Das entstandene Dampf-Flüssigkeitsgemisch strömt an die Innenwand eines rotierenden Gefäßes, das sich mit der gleichen Geschwindigkeit dreht wie das eintretende Gemisch. Damit bleibt der Impuls des eintretenden Gemischs weitgehend erhalten. Die Flüssigkeit wird durch die Fliehkraft vom Dampf getrennt und kann durch Düsen entgegen der Drehrichtung aus dem rotierenden Zylinder ausströmen. Die Rückstoßkraft der austretenden Flüssigkeit kann unmittelbar an der Achse z. B. zum Antrieb eines elektrischen Generators genutzt werden. DOLLAR A Die abgetrennte Flüssigkeit kann auch in der Drehrichtung des inneren Gefäßes aus diesem entnommen werden und der Impuls z. B. in einer Strahlpumpe, die als Wärmepumpe arbeitet, genutzt werden. DOLLAR A Mehrere als Wärmepumpe arbeitende Vorrichtungen können zusammengeschaltet werden, so dass tiefe Temperaturen bis hin zur Verflüssigung der Luft erzielt werden können.

Description

Allgemein
In der vorliegenden Erfindung dient die Bewegungsenergie eines Dampfstrahls zunächst dazu, um in einer Strahlpumpe eine Flüssigkeit anzusaugen und diese zu beschleunigen. Die Geschwindigkeit der beschleunigten Flüssigkeit ist sehr viel kleiner als die des Treibdampfes (unterkritisch). Nach dem Austritt aus der Strahlpumpe wird die Flüssigkeit in einem Diffusor entspannt. Dabei verdampfen Anteile der Flüssigkeit. Die Verdampfung von Anteilen der Flüssigkeit wird aus dem Wärmevorrat der Flüssigkeit entnommen. Auf diese Weise wird die Wärme genutzt, die bei der Verwirbelung und den unelastischen Stößen in der Strahlpumpe entsteht und die sonst als Verlustwärme abgeführt würde. Der entstehende Dampf bewirkt einen Schub, der die Flüssigkeit beschleunigt. Die entstandene Mischung aus Dampf und Flüssigkeit wird in einem rotierenden Gefäß (Abscheider genannt) in ihre Bestandteile getrennt. Der Impuls der abgetrennten Flüssigkeit kann beim Austritt aus dem rotierenden Gefäß direkt an der Achse oder in einer Strahlpumpe genutzt werden.

Der Abscheider besteht aus einem rotierenden Innengefäßes, das sich mit etwa gleicher Geschwindigkeit dreht wie der eintretende Strahl s Dampf und Flüssigkeit. Der Impuls des Dampf- Flüssigkeitsstrahles bleibt somit erhalten. Der Dampf wird durch die Mitte des Gefäßes abgezogen und in einem Kondensator kondensiert. Die abgetrennte Flüssigkeit fließt in dem leicht konisch geformten Gefäß auf die der Eintrittsdüse entgegengesetzte Seite und tritt dort durch Düsen in ein umhüllendes Gefäß aus.

Wenn der rotierende Abscheider als Kraftmaschine genutzt werden soll, dann sind die Düsen in der Gegenrichtung zur Drehbewegung des rotierenden Gefäßes angeordnet.

Beim Austritt der Flüssigkeit aus den Düsen wird ein Rückstoß erzeugt, der unmittelbar an der Achse des rotierenden Gefäßes z.B. für den Antrieb eines Generators genutzt werden kann.

Wenn der rotierende Abscheider zum Betrieb einer Wärmepumpe dienen soll, dann wird die Flüssigkeit mit der Geschwindigkeit des rotierenden Gefäßes aus diesem entnommen. Die entnommene Flüssigkeit treibt eine Strahlpumpe an, mit der Dampf angesaugt und Wärme gepumpt wird.

Die aus dem rotierenden Gefäß ausgetretene oder entnommene Flüssigkeit wird wieder der Strahlpumpe zugeleitet.

Der Treibdampf, der die Strahlpumpe antreibt, gibt seine Bewegungsenergie an eine um ein Vielfaches größere Masse von angesaugter Flüssigkeit ab. Dadurch wird die Geschwindigkeit der angesaugten Flüssigkeit wesentlich geringer als die des Treibdampfes und damit bleibt auch die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Gefäßes in zulässigen Grenzen.

Es können mehrere solcher Vorrichtungen, die als Wärmepumpe arbeiten, hintereinander geschaltet werden, so dass Wärme über große Temperaturgefälle gepumpt werden kann. Auf diese Weise können auch tiefe Temperaturen bis hin zur Verflüssigung der Luft erzielt werden.

Im Einzelnen
Beschreibung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmekraftmaschine mit Verdampfer, Strahlpumpe und rotierendem Abscheider, wobei ein (nicht dargestellter) Generator an die Achse des rotierenden Abscheiders angeschlossen sein kann.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe, wobei ein im rotierenden Abscheider erzeugter Flüssigkeitsstrom eine Stahlpumpe antreibt, mit deren Hilfe Wärme gepumpt werden kann.
3 zeigt einen Schnitt durch den rotierenden Abscheider mit Generator.
4 zeigt eine Abwandlung des rotierenden Abscheiders zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstromes.
5 zeigt eine Zusammenschaltung mehrerer Vorrichtungen zum Wärmepumpen.
Der rotierende Abscheider besteht aus einem Gehäuse (1,4; 3,19), in dem ein Innengefäß (1,5; 3,21) drehbar gelagert ist. Das Innengefäß hat die Form eines leicht konisch geformten Zylinders. Die Innenwand dieses Gefäßes ist mit senkrecht angeordneten Lamellen (3,20) versehen. Im oberen Teil des Gehäuses führt eine Rohrleitung (1,3; 3,17) unter den oberen Rand des Innengefäßes. Am unteren Ende des Innengefäßes sind Düsen (1,6; 3,22) angebracht, die in die Gegenrichtung zur Austrittsrichtung der Rohreitung am oberen Rand des Innengefäßes zeigen. Gegenüber diesen Düsen befindet sich eine Auffang-Rinne (3,23), die in die Wand des Gehäuses eingelassen ist.
Anstelle dieser Düsen (1,6; 3,22), aus denen Flüssigkeit aus dem rotierenden Gefäß austritt, kann nach 4 auch am unteren Ende des inneren Gefäßes eine Auffang-Vorrichtung (2,11; 4,25) am Boden des Innengefäßes angebracht sein, durch die Flüssigkeit aus dem inneren Gefäß entnommen werden kann. Die Auffang-Vorrichtung kann aus einer Rohrleitung bestehen, die ähnlich wie die Rohrleitung mit der Eintrittsdüse vom oberen Ende des Gefäßes bis zum Boden des Innengefäß hinabreicht.
Funktion
1. Kraftmaschine
Nach 1 wird in einem Verdampfer (1,1) ein Dampf erzeugt, mit dessen Hilfe in einer Strahlpumpe (1,2) Wasser angesaugt wird. Der Dampf kondensiert teilweise oder auch völlig durch Wärmeabgabe an das Wasser. Die Bewegungsenergie des Dampfes wird zu einem Teil in Bewegungsenergie des Wassers umgewandelt. Nach dem für Strahlpumpen üblichem Wirkungsgrad beträgt der Prozentsatz der derart umgewandelten Energie nicht mehr als 30 %. Die übrige Bewegungsenergie des Treibdampfes ist durch unelastischen Stoß und Verwirbelung in Wärmeenergie umgewandelt worden und wird zusammen mit der nicht in Bewegungsenergie umgewandelten Wärme des Treibdampfes an das angesaugte Wasser abgegeben. Die auf diese Weise übertragene Wärme geht nun aber nicht für die Umwandlung in Strömungsenergie verloren. Das aus der Strahldüse austretende Wasser hat eine unterkritische Geschwindigkeit und wird beim Eintritt in die den angeschlossenen Diffusor (1,3) entspannt. Dadurch verdampft ein Teil der Flüssigkeit und beschleunigt diese. Der Vorgang ist ähnlich einer Beschleunigung eines Geschosses in einem Gewehrlauf. Die an die Strahlpumpe sich anschließende Rohrleitung sollte darum auch eine entsprechende Länge haben, damit der Dampf sich entspannen kann. Die üblicherweise in Strahlpumpen auftretenden Verluste werden damit reduziert bzw. aufgehoben. Nicht in Bewegungsenergie umgesetzte Wärme bleibt weitgehend dem System erhalten. Eine verbleibende Restwärme des mitgeführten und in dem rotierenden Abscheider abgetrennten Wasser bewirkt eine Vorerwärmung des von der Strahlpumpe angesaugten Wassers und kann wiederum in Bewegungsenergie umgesetzt werden.
Die Strömungsgeschwindigkeit der aus der Strahlpumpe austretenden Flüssigkeit kann je nach der Menge des angesaugten Wassers verändert werden, so dass sie für die Umdrehungsgeschwindigkeit des Abscheiders optimal ist und vor allem zu große Umdrehungsgeschwindigkeiten verhindert werden.
Eventuell kann auch weitere Flüssigkeit in einer zusätzlichen Strahlpumpe angesaugt werden, die der ersten Strahlpumpe nachgeschaltet ist.
Die Mischung aus Dampf und Flüssigkeit gelangt über eine Zuleitung (3,17) in den rotierenden Abscheider und strömt tangential an die Innenwand des rotierenden Gefäßes (3,21). Das rotierende Gefäß dreht sich mit etwa der gleichen Geschwindigkeit mit der das einströmende Dampf-Flüssigkeits-Gemisch einströmt. Damit wird der Impuls der Flüssigkeit in dem Gemisch beibehalten. Der Dampfanteil des Gemischs wird durch die Mitte des Gefäßes und einen Abzug (3,18) im oberen Teil des umhüllenden Gefäßes abgezogen und kondensiert in einem externen Wärmetauscher (1,7). Die abgetrennte Flüssigkeit fließt zwischen den senkrecht angeordneten Lamellen (3,20) in dem nach unten sich verbreiternden Gefäß zu dessen Boden und sammelt sich dort.
Die Flüssigkeit, die sich am Boden gesammelt hat, strömt durch Düsen (1,6; 3,22), die im Zwischenraum zwischen den Lamellen angebracht sind, aus dem rotierenden Gefäß aus. Die Düsen sind entgegen der Drehbewegung des Innengefäßes ausgerichtet. Die aus den Düsen ausströmende Flüssigkeit strömt in eine Rinne (3,23), die an der Innenwand des äußeren Gefäßes (1,4; 3,19) umläuft.
Durch den Austritt der Flüssigkeit aus den Düsen wird ein Rückstoß erzeugt, der im Leerlauf das Gefäß auf eine höhere Geschwindigkeit als das einströmende Dampf-Flüssigkeitsgemisch beschleunigen würde. Eine Bewegung der Flüssigkeit in der Richtung, die der Rückstoßkraft entgegengerichtet ist, wird durch die senkrechten Lamellen verhindert. Die Rückstoßkraft, die auf das Gefäß wirkt, wird zweckmäßig durch einen auf der Achse angebrachten elektrischen Generator (3,24) so weit abgebremst, dass die Geschwindigkeit der austretenden Flüssigkeit ebenso groß ist wie die Umdrehungsgeschwindigkeit des inneren Gefäßes. Die aus den Düsen austretende Flüssigkeit wird dann im Idealfall ohne Geschwindigkeit in Drehrichtung oder in der entgegengesetzten Richtung in die Auffangrinne fließen.
Aus der Auffangrinne wird die Flüssigkeit von der Strahlpumpe (1,2) angesaugt, die mit Dampf aus dem Verdampfer (1,1) angetrieben wird.
Die im Kondensator (1,7) kondensierte Flüssigkeit wird durch eine Pumpe dem Verdampfergefäß (1,1) zugeführt. Diese Pumpe kann eine Injektorpumpe (1,9) sein, die mit dem Dampf aus dem Verdampfergefäß betrieben wird. Die Pumpe kann auch zeitweise, durch ein Regelventil (1,10) gesteuert, arbeiten und, eventuell durch einen Schwimmer gesteuert, Flüssigkeit aus einem Vorratsgefäß (1,8) ansaugen.
2. Wärmepumpe
Die Flüssigkeit, die sich am Boden des inneren Gefäßes sammelt, kann auch in der Drehrichtung (anstatt in der Gegenrichtung) aus diesem entnommen werden. Das kann entweder dadurch geschehen, dass die Flüssigkeit durch entsprechende Düsen aus dem inneren Gefäß des rotierenden Abscheiders ausströmt oder dass die Flüssigkeit durch einen geeigneten feststehenden Einsatz entnommen wird.
Wenn die Flüssigkeit aus Düsen ausströmt, so sind diese in der Drehrichtung angeordnet und die Flüssigkeit strömt in eine umlaufende Auffangrinne.
Wenn ein Einsatz verwendet wird, dann wird die entnommene Flüssigkeit entweder nach oben aus dem Gefäß abgeführt oder durch das Innere einer durchbohrten Achse. Die ausströmende oder entnommene Flüssigkeit hat in jedem Fall einen Impuls, der fast so groß ist wie der Impuls der in das innere Gefäß einströmenden Flüssigkeit.
Mit dem Impuls der austretenden Flüssigkeit kann eine Strahlpumpe als Teil einer Wärmepumpe betrieben werden.
2 zeigt eine solche Anordnung.
Eine zweite Strahlpumpe (2,12), die mit der beschleunigten Flüssigkeit aus dem rotierenden Abscheider betrieben wird, saugt nach bekanntem Verfahren einen Dampf aus einem Verdampfergefäß (2,13), dem somit Wärme entzogen wird.
Die Mischung des Dampfes und der Flüssigkeit, die aus der Strahlpumpe austreten, gelangt in einen weiteren rotierenden Abscheider (2,16).
Damit bleibt der Bewegungsimpuls der aus der Strahlpumpe austretenden Flüssigkeit weitgehend erhalten, während der Dampf in der Mitte des Zylinders abgeführt wird und in einem externen Wärmetauscher (2,15) kondensiert. Die im externen Wärmetauscher (2,15) kondensierte Flüssigkeit wird über ein Regelventil (2,14) einem Verdampfergefäß (2,13) zugeführt.
Die im rotierenden Abscheider (2,16) der Wärmepumpe abgetrennte Flüssigkeit fließt in dem leicht konisch nach unten sich verbreiternden Zylinder nach unten und wird dort entweder durch Düsen in Drehrichtung oder durch eine Entnahmevorrichtung im Inneren abgeführt und der ersten Strahlpumpe (1,2) zugeführt, die den ersten rotierenden Abscheiders antreibt.
Mehrere solcher Vorrichtungen können nach 4 zusammengeschaltet werden, sodass die Abwärme einer Stufe zum Teil als Heizwärme der nächsten Stufe dient. Auf diese Weise können auch niedrige Temperaturen bis hin zur Verflüssigung der Luft erzielt werden. Als Stoffe in den einzelnen Stufen eignen sich z.B.
Nitrosylhalogenide, Nitrylhalogenide und Nitroxyhalogenide sowie NF₃ oder verschiedene Silane.

Claims

Vorrichtung und Verfahren zur Nutzung der Bewegungsenergie eines Dampf-Flüssigkeitsgemischs, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dampfstrahl in einer Strahlpumpe, ähnlich einer Injektorpumpe, eine Flüssigkeit ansaugt, dass die aus der Strahlpumpe austretende Flüssigkeit in einem Diffusor entspannt wird und Anteile der Flüssigkeit verdampfen, dass eventuell weitere Flüssigkeit durch eine zusätzliche Strahlvorrichtung hinzugefügt werden kann, dass die entstandene Mischung aus Dampf und Flüssigkeit an die Innenwand eines Gefäßes strömt, das sich im Laufe des Betriebes mit ähnlich großer Geschwindigkeit dreht wie das einströmende Dampf-Flüssigkeitsgemisch, dass in dem leicht konisch geformten rotierenden Gefäß Lamellen in senkrechter Richtung angebracht sind, dass die zum unteren Ende des Gefäßes fließende Flüssigkeit durch geeignete Düsen in eine ringförmige Rinne des äußeren Gefäßes ausströmt, dass die Düsen in der Gegenrichtung zur Drehbewegung des rotierenden Gefäßes angebracht sind und dass der Impuls des austretenden Flüssigkeitsstrahles direkt in einer Kraftmaschine oder einem elektrischen Generator genutzt werden kann, die mit der Achse des rotierenden Gefäßes verbunden sind, dass der Dampf aus dem Dampf-Flüssigkeitsgemisch, das in das innere Gefäß einströmt, durch die Mitte dieses Gefäßes abgeführt und in einem externen Kondensator kondensiert wird, dass das Kondensat mit Hilfe eine Pumpe dem Verdampfergefäß zugeführt wird, in dem der Dampf zum Betrieb der Strahlpumpe erzeugt wird, dass diese Pumpe eine Injektorpumpe sein kann.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die im inneren Gefäß abgetrennte Flüssigkeit durch Düsen in der Drehrichtung des inneren Gefäßes aus diesem austritt, dass der damit erzeugte Flüssigkeitsstrahl zu einem externen Antrieb z.B. in einer Strahlpumpe genutzt wird, dass die Strahlpumpe zum Betrieb einer Wärmepumpe dienen kann, dass die aus dieser Strahlpumpe austretende Flüssigkeit wiederum in einen rotierenden Abscheider strömen kann, um aus diesem der Strahlpumpe zugeführt zu werden, die den ersten rotierenden Abscheider beschickt.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1. und 2.., dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme der Flüssigkeit am unteren Ende des inneren Gefäßes durch eine Entnahmevorrichtung im Inneren des inneren Gefäßes geschehen kann, dass die Entnahmevorrichtung aus einem tellerförmigen Einsatz bestehen kann oder aus einer Rohrleitung, die von oben her in das innere Gefäß hineinragt und bis zu dessen Boden reicht, dass die Entnahme der Flüssigkeit auch durch die Achse des inneren Gefäßes geschehen kann.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 2. – 3., dadurch gekennzeichnet, dass mehrere derartige Vorrichtungen zusammengeschaltet sind, sodass die Abwärme der einen Stufe zum Teil als Heizwärme der nächsten Stufe dient, dass bei einer derartigen Zusammenschaltung zur Erzeugung niedriger Temperaturen die Abwärme der letzten Stufe an die Umgebung abgeführt wird, dass zur Erzeugung tiefer Temperaturen Stoffe wie Nitrosylhalognide, Nitrylhalogenide und Nitroxyhalogenide sowie NF₃ oder Silane verwendet werden können.