DE1938935B2 - Vorrichtung zum kuehlen eines gases - Google Patents

Vorrichtung zum kuehlen eines gases

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kühlen eines Gases, bei der ein aus einem Injektorrohr austretender Strahl zu kühlenden Gases pulsierend in ein offenes Aufnahmerohr eintritt, das gegenüber dem Injektorrohr angeordnet ist, und bei der eine Kammer vorgesehen ist, welche die Enden des Injektorrohres und des Aufnahmerohres umgibt, wobei das im Aufnahmerohr aufgefangene pulsierende Gas unter der Wirkung der wellenförmig aufeinanderfolgenden Stöße sich auf eine Temperatur erwärmt, die höher ist als die Tempe.-atur des aus dem Injektorrohr austretenden Gasstrahles.
Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art (BE-PS 7 I 1 457, US-PS 33 !4 2-14) wird das abgekühlte Gas mit Wärmeausiauschern in Berührung gebracht, die z. B. dazu dienen, einen Raum zu kühlen. Bei den bekannten Vorrichtungen isi im lnjektorrohr eine aerodynamische Weiche angeordnet, hinter der sich zwei divergierende Leitungen (Aufnahmeröhre) befinden. Die aerodynamische Weiche leitet das Gas abwechselnd in das eine oder das andere dieser Aufnahmeröhre. Pie bekannten Vorrichtungen sind nicht dazu bestimmt und geeignet, um direkt abgekühltes Gas zu entnehmen, das über das Injektorrohr zugeführt wurde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß das aus dem Injektorrohr austretende Gas in abgekühltem Zustand entnommen werden kann, beispielsweise um aus dem Gas Kondensationsprodukie entnehmen zu können.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen dem Injektorrohr und dem Aufnahmerohr eine von der Ka-nmer umgebene Unterbrechung vorgesehen und entspanntes, abgekühltes Gas aus der Kammer über mindestens eine Anzapfung entnehmbar ist, die außerhalb des Bereiches des aus dem Injektorrohr austretenden Gasstrahles aus der Kammer austritt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat im Vergleich mit Kühleinrichtungen, die Wärmeaustauscher enthalten, den Vorteil, daß eine sehr wesentliche Reduzierung des Bauaufwandes erzielt wird, da sowohl die Einrichtungen für zwei Kreisläufe als auch (.lie baulich besonders aufwendigen Wärmeaustauscher vermieden werden. Die Erfindung ist auf verschiedenen Gebieten anwendbar, so z. B. zur Klimatisierung von Fahrzeugen oder zur Verflüssigung von Gas. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Trennung voi. πι F.rdg?.? enthaltenden kondensierbaren Bestandteilen. Bei die scm Anwendungfall kann der nüriichc Druck de: Erdgases zur !.lef'urung der nötige!-! Energie ausgenutz werden. Das unter Druck ausströmende Erdgas wird u das Injektorrohr der Vorrkhuing geleitet und in dei Vorrichtung in einen pulsierenden Strom uir.pewandelt.
■Visfuhrungsform und Ausgestaltungen der Erfindun; sind in den Unteransprüchen angegeben
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele de t-rfindungdaigestellt. Ks zeigt
IU.
tig. I eine schema-.isehe Darstellung tier wesentlichen Teile einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, zum Teil im Schnitt,
Fig. 2 eine schematiche Schnittdarstellung durch eint Ausführungsform mit aerodynamischer Weiche und einer gemeinsamen Kammer für zwei Aufnahmeröhre,
F i g. 3 eine ik-r F i g. 2 entsprechende Darstellung bei einer Ausführungsform, bei der für jedes Atif;iahmerohr eine besondere Kammer vorgesehen ist,
Fig.4 eine schematiche Schnittdarstellung nach Linie IV-IV in F i g. 5 einer Vorrichtung mit einer Vielzahl von Aufnahmerohren,
F i g. 5 einen Schnitt nach Linie V-V in F i g. 4 und
Fig. b eine Detaildarsteilung der Vorrichtung nach den Fig.4 und 5 in einem gegenüber diesen Figuren vergrößerten Maßstab.
Die in der F i g. 1 dargestellte Vorrichtung hai eine Druckgasquelle 1, die als Behälter dargestellt ist, aber auch ganz anderer Art sein kann, /.. B. ein Kompressor, Der aus einem regelbaren Reduzierventil 2 austreterde Gasstrom wird durch einen rotierenden Ventiihahn 1 oder durch ein ähnliches Organ in einen pulsierenden Strom umgewandelt und fließt durch ein lnjckiorrohr 4, dessen äußeres Ende 5 in einer Kammer 6 hegt und gegenüber der Eimriusöffnung 8 eines Aufnahmerohres 7 angeordnet ist, das an seinem anderen Fnde durch eine regelbare Blende 9 abgeschlossen ist. An der Kammer 6 befinden sich eine oder mehrere Anzapfungen to. Wie gezeigt, ist das relativ lange Aufnahmerohr 7 wenigstens an seinem dem lnjektorrohr 4 gegenüberliegenden Ende genau koaxial zum lnjektorrohr und sein Durchmesser ist größer als der des lnjekiorrohres, um mit einem Minimum an Verlusten den pulsierenden, vom Injektorrohr 4 ausgehenden und die Unterbrechung zwischen 5 und8durchquerenden Strom aufzunehmen.
Unter der Wirkung der wellenförmig aufeinanderfolgenden Stöße des in das Aufnahmerohr 7 eingeleiteten pulsierenden Gases, wobei jeder Stoß wie ein gasförmiger in das Aufnahmerohr gestoßener Kolben wirkt und eine Dämpfung längs seines Weges im Aufnahmerohr erfährt, entsteht im Aufnahmerohr eine Erwärmung. Umgekehrt entsteht an der Unterbrechungsstelle zwischen den Rohrenden 5 und 8, die von der mit Anzapfungen 10 versehenen Kammer 6 umgeben ist, eine Gasentspannung, die mit einer Verminderung der Gasternperatur verbunden ist.
Wenn sich im Grenzfall die Blende 9 in einer vollständig geschlossenen Position befinde:, gibt das Aufnahmerohr 7 nichts mehr ab und verhält sich wie ein einfacher Wärmegenerator. Der ganze Strom geht dann durch die Kammer 6 und die Anzapfungen 10 mit einem wesentlichen Temperaturabfall im Vergleich mit der Temperatur des durch das lnjektorrohr 4 zugefü'nrten Gasstromes. Die Erfahrung zeigt, daß man bei offener Blende 9 in der Kammer 6 einen wesentlich stärkeren Grad der Abkühlung erhält, allerdings auf Kosten einer gewissen Gasmenge, die durch die Blende 9 austritt. Die Regelung der Blende 9 erlaubt es demnach auch, die Temperatur und die Größe des kalten Gasstromes zu dosieren. Die Belnde 9 hat auch hei voller öffnung einen wesentlich kleineren Durchgangsquerschnitt als das Aufnahmerohr 7.
F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform. die sien ■. ><n F i g. 1 dadurch unterscheidet, daß sich da·, lnjektorrohr zu einer Gabel aufspaltet, deren Arme mit 4a und 4b bezeichnet sind, und daß der rotierende Ventilhahn .lurch eine aerodynamische Weiche bekannter Art
ersetzt ist. Bekanntlich besteht eine solche Weiche im wesentlichen aus einer rechteckigen Düse 14 für die Umsetzung des Gasdruckes in Geschwindigkeit, an tieren Mündung sich zwei gegenüberliegende und durch eine Rohrschleife 15 verbundene Öffnungen befinden.
Die Wirkungsweise einer solchen Weiche ist bekannt. Wenn das komprimierte Gas anfangs in die Düse 14 geleitel wird, wird sich der aus der Düse austretende, abgeflachte, rechteckige Strahl zufällig an die eine oder andere der geneigten Wände 16;/, 16b anlegen, die die Düse 14 verlängern und außen die Injektorrohrzweige 4;/, 4b begrenzen. Nimmt man an, daß sich der Strahl gegen die Wand 16a legt, so nimmt er längs dieser Wand eine Übergeschwindigkeit an, wobei er dort einen Unterdruck erzeugt, tier die Zentrifugalkraft aufgrund der Ablenkung überwiegt. Da dieser Unterdruck durch die in der Wand 16;/ vorgesehene Öffnung durch die Rohrschleife 15 an die gegenüberliegende Öffnung in der Wand 16b übertragen wird, wird das Gleichgewicht gestört und der Strahl legt sich gegen die Wand 16b an und so fort, so daß der Strahl zwischen seinen beulen Richtungen mit einer Frequenz pendelt, die eine Funktion der Länge der Rohrschleife 15 und ihrer Ansprechzeit ist. In den Injektorrohrzweigen 4;/, 4b die mit einem kreisförmigen Querschnitt enden und an die geneigten Wände 16;/, 16b anschließen, erhält man also zwei pulsierende Ströme gleicher Frequenz, die jedoch phasenverschoben sind.
Die Zweige 4;/. 4b des Injektorrohrcs verlängern sich unter Einschaltung einer Unterbrechung 19;/ bzw. 19b durch Aufnahmeröhre Tit. Tb die durch reizelbare Blenden 9;/. 9b abgeschlossen und mit Wärmeaustau schern 18;/, 18b ausgerüstet sind. Die Unterbrechungen 19;/, 19bder Rohre, die durch Plättchen 24 begrenzt sind. liegen in einer geschlossenen Kammer 17. von der ein Anzapfrohr 21 für den kalten Gasstrom abgehl. Die Plättchen 24 bremsen oder reflektieren die Stoßwellen, die sich von den Öffnungen der Injektorrohre 4;/, 4b ausbreiten.
Man kann selbstverständlich die einzige Kammer 17 durch zwei voneinander unabhängige Kammern ersetzen, wie sie in Fi g. 3 mit 17;/. 17b bezeichnet sind. \on denen jede ihre eigene Anzapfung 21;/, 21b besitzt.
Die in den Fig.4 bis 6 dargestellte Vorrichtung hat ein Injektorrohr 31, das mit einem unter Druck stehenden Gas über ein Rohr 32 gespeist wird und cm rechteckiges Ansatzrohr 33, das eine geringe Breite c und eine Höhe h aufweist. Das unter Druck stehende und das Ansatzrohr 33 durchströmende Gas bildet hinter dem Ansatzrohr 33 in dem durch die Einiriitsöffnungen 35 eines Bündels 36 von Aufnahmerohren 38 begrenzten Raum 34 einen Strahl. Die Eintrittsöffnungen 35 sind ebenfalls rechteckig mit der 1 lohe h und der Breite e ; sie sind Seite an Seite angeordnet und bilden einen zur Achse X-X' (Fig. o) des Injektorrohrcs 31 symmetrischen Bogen. Sie sind durch scharfe Kanten 37 voneinander getrenn!. Die Aufnahmeröhre 38. die das Bündel 36 bilden, laufen fächerförmig ,'usammen und haben jedes einen Teil 38.i mit derselben rechteckigen Form wie ihre Eintrittsöffnungen 15. der m einen ' i.;:\;!en Teil 38b mündet, der bei 18c verschlossen im
Zwei Steuerkreise 19, 40 sind /<i beulen Seiten Jos Injektorrohres 11 angeordnet und munden jeder m die Kammer 14 durch eine öffnung 41. die von dem Ansatzrohr >! durch eine gemeinsame Wand 11.ι und von einer Austrittsöffnung 42 der Kammer durch eine Wand 43 mit eine: scharfen »'ante 44 getrennt sind. leder dieser Steuerkreise hat ein Rohr 45 das einerseits
mit der öffnung 41 und andererseits mit einem Gefiiü 46 verbunden ist und eine Einschnürung 47 hat. Von jeder Austrittsöffnung 42 zweigt eine Anzapfung 48 ab, durch die entspanntes und abgekühltes Gas aus der Kammer 34 entnommen werden kann. s
Da das Rohr 32 mit einem unter Druck stehenden Gas gespeist wird, schwingt der aus dem Ansat/rohr 33 in die Kammer 34 austretende Strahl mit einer durch die Steuerkreise 39 und 40 bestimmten Frequenz /wischen zwei bestimmten Lagen, die in Fig. 6 schematisch mit 49 und 50 bezeichnet sind. Bei dieser oszillierenden Bewegung streicht der Strahl über die Eintritlsöffnungen 35 und erzeugt in den Aufnahmerohren 38 Luftstöße, die das in diesen Rohren anfänglich in Ruhe befindliche Gas komprimieren und erwärmen. Gleichzeitig nimmt die Temperatur des antreibenden Gases ab. Das Gas wird nach der Passage der Düse in die Kammer zurückgeworfen und durch die Austriltsöffnungcn 42 und die Rohre 48 abgezogen. Diese Vorrichtung erlaubt es. einen wesentlichen Teil des Gasstromes. z.B. 90% des Stromes, wirkungsvoll abzukühlen. Der so erhaltene Abfall der Temperatur ist sehr viel größer als der Abfall, den man mit den zuvor beschriebenen Vorrichtungen erhält. Dieser überraschende Effekt ist mit der Oszillationsfrcquenz des Gasstrahles verknüpft. Es wurde festgestellt, daß für eine Vorrichtung gegebener Ausbildung und mit gegebenen Abmessungen ein Frequenzoptimum bestellt, bei dem eine maximale Abkühlung des antreibenden Gases unter der Bedingung erhalten wird, daß die Frequenz konstant bleibt.
Die Frequenz hängt in erster Linie von der Anordnung und den Abmessungen der Steucrkreise 39 und 40 ab, nämlich von der I .änge des Rohres 45, von der Lage und Größe der Einschnürungen 47 und von dem Volumen der Gefäße 46. Indessen beeinflussen auch andere Parameter die Frequenz und vor allem ihre Stabilität, besonders die Lunge der Teile 38;/ der Aufnahmeröhre 38 und die Temperatur dieser Rohre. Dem starken Abfall des Druckes und der Temperatur 4() des antreibenden Gases entspricht ein starker Anstieg der Temperatur in den Aufnahmemhren 38. Die Anmclderin hat festgestellt, daü man den Abfall der Temperatur vergrößern und die Stabilität der Frequenz verbessern kann, indem man das Rohrbündel 36 stark kühlt, z. B. mit einer Wasserumlaufkühlung 5t, die in den F ig. 4 und 5 mit ihrem Wassereintrilts- und austrittsrohr 51;/ und 51r> schematisch dargestellt ist. Die Teile 38;j der Aufnahmeröhre 38 müssen genügend lang sein, um die Frequenz bei ihrem Optimalwert stabilisieren /11 können.
Das Volumen des Aufnahmegerätes, das durch die Anzahl und das Volumen der Aufnahmerohre 38 bestimmt ist, muß der Durchflußmenge des behandelten Gases entsjprechen. Wenn diese Kapazität zu klein ist, vermindert sich der Effekt des Abfalles des Druckes und der Temperatur bei großen Durchflußmengen.
Zum Beispiel hat ein Apparat, der zum Behandeln von etwa 100 Gramm Gas pro Sekunde geeignet ist, ein Ansalzrohr 33 mit einer Breite c = 3 mm und einer Höhe Λ=21,3 mm. wobei das Rohr 25 mm vor den Eintrittsöffnungen 35 liegt, deren Breite c' = 3,8 mm beträgt. Mut einem solchen Gerät kann ein Abfall der Temperatur des antreibenden Gases in einer Größenordnung von 400C bei einer optimalen Oszillationsfrequenz um i)00 Hz erreicht werden, wenn das Bündel 36 sieben Aufnahmerohre 38 mit einer Länge von 3 mm und einem Teil 38a mit einer Länge von 30 cm hat.
Vorzugsweise wird eine ungerade Zahl von Aufnah merohren 38 vorgesehen, um die Instabilität des Strahles und demzufolge die Auslösung der Oszillation zu begünstigen.
Die Kanten 44 bilden mit der Wand 33;/ de; Ansatzrohres 33 die Eingänge der Steuerkreise 39, 40 Ihre Lage in Bezug auf das Injektorrohr und du. Eintrittsöfl'nungcn 35 hat einen bestimmenden Einflul auf die Auslösung der Oszillation des Strahles und an seine extremen Lagen 49, 50. Ein geringes Verset/ei dieser Kanten 44 im Vergleich zu ihrer optiimilei Position, wie sie in Fig. b maßstäblich dargestellt isi minder! den Abfall der Temperatur empfindlich.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Kühlen eines Gases, bei der ein aus einem Injektorrohr austretender Strahl zu kühlenden Gases pulsierend in ein offenes Atifnihmerohr eintritt, das gegenüber dem Injektorrohr angeordnet ist, und bei der eine Kammer vorgesehen ist, welche die Enden des lnjektorrohrc-.ΐ und des Aufnahmerohres umgibt, wobei das im Aufnahme- iu rohr aufgefangene pulsierende Gas unter der Wirkung der wellenförmig aufeinanderfolgenden Slöße sich auf eine Temperatur erwärm1,, die höher ist als die Temperatur des aus Jem Injektorrohr austretenden Gasstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß /wischen dem Injektorrohr (4; 31, 3.3) und den) Aufnahmerohr (7; 38) eine von der Kammer (6; 17; 34) umgebene Unterbrechung (5, 8; 19; 33, 35) vorgesehen und entspanntes, abgekühltes Giis aus der Kammer (f>; 17; 34) über mindestens eine Anzapfung (10; 21; 48) entnehmbar ist, die außerhalb des Bereiches des aus dem Injektorrohr (4; 31, 33) austretenden Gasstrahles aus der Kammer (6; 17;34) austritt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Aufnahmerohr in der Verlängerung des In jektorrohres angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmerohr (7) an seinem der Eintrittsöffnung (8) gegenüberliegenden Ende durch eine regelbare Einschnürung(9) abgeschlossen ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung (19) an den einander gegenüberliegenden Enden des Injektorrohres (4) und des Aufnahmerohres (7) jeweils durch Plättchen £24) begrenzt ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Vielzahl von Aufnahmerohren, die Seite an Seite als Haches Bündel angeordnet sind und von einer Kammer ausgehen, in die ein Gasinjektor einen Gasstrahl ausstößt, der über die Eintrittsöffnungen der Aufnahmeröhre streicht und in diesen GasstöBe erzeugt, wobei in der Kammer die Entspannung und Abkühlung des Gases stattfindet, dadurch, gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnungen (.15) der Aufnahmeröhre (38) durch scharfe Kanten (37) voneinander getrennt sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansatzrohr (33) des Gasinjekiors (31) und die Eintrittsöffnungen (35) der Aufnahmerohre (38) den Querschnitt eines schmalen Rechiek kes haben, dessen lange Seite senkrecht zur Bewegungsebene des Gasstrahles liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeröhre (38) von den Eintri'.tsöffnungen (35) an einen Teil (38;i,l mit dem gleichen rechteckigen Querschnitt wie die Eintritts- ;>ii;n;rs?ot (35) aufweiten.
7. W-rriehtung tuu-n e-'iem der Ansprüche 4 b'S o, dadurch gekennzeichnet, daß eine ungerade -\r.:';-.'ii vi>;' Aufpührnerohren (38Ϊ vorgesehen ist. <-o
>'. Wirrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis '.". iij.ii.irch gekennzeichnet daß zur oszillierenden Id. λ eglin e des Gasstrahles zwei Steuerk reise (V-i, 40; dienen.
°·. Vorrichtung "aen Anspruch 6. dadurch gekenn ty· /eicr.ru.-i. dali d'.e .Steuerkreise (39, 40) Rohre (4S\ aiilweiseii, «eiche an gegenüberliegenden Setter de1· G.iMniekio!"1· (3J< m die Kammer (?4) und ,<m anderen Ende über Einschnürungen (47) in Gefäße (46) münden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (34) an jeder Seite eine der Mündung der Rohre (45) benachbarte und von dieser durch eine scharfe Kante (44) getrennte Austrilisöffnung (42) aufweist.
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