DE1938935C3 - Vorrichtung zum Kühlen eines Gases - Google Patents

Vorrichtung zum Kühlen 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 Temperatur des aus dem Injektorrohr austretenden Gasstrahles.
Ben bekannten Vorrichtungen dieser Art (BE-PS 7 11 457, US-PS 33 14 244) wird das abgekühlte Gas mit Wärmeaustauschern in Berührung gebracht, die z. B. dazu dienen, einen R^um zu kühlen. Bei <Ι'·η bekannten Vorrichtungen ist im Injektorrohr eine aerodynamische Weiche angeordnet, hinter der sich zwei divergierende Leitungen (Aufnahmerohre) befinden. Die aerodynamisehe Weiche leitet das Gas abwechselnd in das eine oder das andere dieser Aufnahmerohre. Die 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 Konoensationsprodukte entnehmen zu können.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen dem Injektorrohr und dem Aufnahmerohr eine von der Kammer 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 hai im Vergleich mit Kühleinrichtungen, die Wärmeaustauscher enthalten, den Vorteil, daß eine sehr wesentliche Reduzierung dcj Bauaufwandes erzielt wird, da sowohl die Einrichtungen für zwei Kreisläufe als auch die 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 von in Erdgas enthaltenden kondensierbaren Bestandteilen. Bei diesem Anwendlingfall kann der natürliche Druck des Erdgases zur Lieferung der notigen Energie ausgenutzt werden. Das unter Druck ausströmende Lrdgas wird in das Injektorrohr der Vorrichtung geleitet und in der Vorrichtung in einen pulsierenden Strom umgewandelt.
Ausführungsform und Ausgestaltungen :1er Erfindung sind in den Unteransprüchen angesehen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispicle der Erfindung dargestellt Iv. /en:'.
Fig. I eine schematische Darstellung der wesentlichen Teile einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, zum Teil im Schnitt,
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Ausführungsform mit aerodynamischer Weiche und einer gemeinsamen Kammer für zwei Aufnahmerohre,
F i g. 3 eine der F i g. 2 entsprechende Darstellung bei einer Ausführungsform, bei der für jedes Aufnahmerohr eine besondere Kammer vorgesehen ist, eo
Fig.4 eine schematische Schnittdarstellung nach Linie IV-IV in Fig. 5 einer Vorrichtung mit einer Vielzahl von Aufnahmerobren,
F i g. 5 einen Schnitt nach Linie V-V in F i g. 4 und
Fig.6 eine Detaildarstellung der Vorrichtung nach den Fig.4 und 5 in einem gegenüber diesen Figuren vergrößerten Maßstab.
Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung hat eine Druckgasquelle 1, die als Behälter dargestellt ist, aber auch ganz anderer Art sein kann, z. B. ein Kompressor. Der aus einem regelbaren Reduzierventil 2 aurtreter.de Gasstrom wird durch einen rotierenden Ventilhahn 3 oder durch ein ähnliches Organ in einen pulsierenden Strom umgewandelt und fließt durch ein Injektorrohr 4, dessen äußeres Ende 5 in einer Kammer 6 liegt und gegenüber der Eintrittsöffnung 8 eines Aufnahmerohres 7 angeordnet ist, das an seinem anderen Ende durch eine regelbare Blende 9 abgeschlossen ist. An der Kammer 6 befinden sich eine oder mehrere Anzapfungen 10. Wie gezeigt, ist das relativ lange Aufnahmerohr 7 wenigstens an seinem dem Injektorrohr 4 gegenüberliegenden Ende genau koaxial zum Injektorrohr und sein Durchmesser ist größer als der des Injektorrohres, um mit einem Minimum an Verlusten den pulsierenden, vom Injektorrohr 4 ausgehenden und die Unterbrechung zwischen 5 und 8 durchquerenden 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 Gastemperatur verbunden ist.
Wenn sich im Grenzfall die Blende 9 in einer vollständig geschlossenem Position befindet, gibt das Aufnahrnerohr 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 du,xh das Injektorrohr 4 zugeführten 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 Große des kalten Gasstrome? zu ?,<, dosieren. Die Belndc 9 hat auch bei voll r öffnung einen wesentlich kleineren Durchgangsquerschnitt als das Aufnahnierohr 7.
F1 g. 2 zeigt eine Ausführungsfonn. die sich von FiK-I dadurch unterscheidet, daß sich das Injcl''orrohr 6; /u einer Gabel aufspalte* deren Arme mn 4,1 und 4h !■«■/cichnet sind, und daW der rotierende Ventilhahn durch eine aerodynamische Weich- bekannter Art ersetzt ist. Bekanntlich besteht eine solche Weiche im wesentlichen aus einer rechteckigen Düse 14 für die Umsetzung des Gasdruckes in Geschwindigkeit, an deren 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 geleitet wird, wird sich der aus der Düse austretende, abgeflachte, rechteckige Strahl zufällig an die eine oder andere der geneigten Wände 16a, 16b anlegen, die die Düse 14 verlängern und außen die Injektorrohr iweige 4a, 46 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, der die Zentrifugalkraft aufgrund der Ablenkung überwiegt. Da dieser Unterdruck durch die in der Wand 16a vorgesehene öffnung durch die Rohrschleife 15 an die gegenüberliegende Öffnung in der Wand /t>6 übertragen wird, wird das Gleichgewicht gestört und der Strahl legt sich gegen Jie Wand 166 an und so fort, so daß der Strahl zwischen meinen beiden Richtungen mit einer Frequenz pendelt, die eine Funktion der Länge der Rohrschleife 15 und :hrer Ansprechzeit ist. In den Injektorrohrzweigen 4a. 46 die mit eine.,1 kreisförmigen Querschnitt enden und an die geneigten Wände 16a, 166 anschließen, erhält man also zwei pulsierende Ströme gleicher Frequenz, die jedoch phasenverschoben sind.
Die Zweige 4a, 46 des Injektorrohres verlängern sich unter Einschaltung einer Unterbrechung 19a bzw. 196 durch Aufnahmerrohre 7a, 76 die durch regelbare Blenden 9a, 96 abgeschlossen und mit Wärmeaustauschern 18a, 186 ausgerüstet sind. Die Unterbrechungen 19a. 196der Rohre, die durch Plättchen 24 begrenzt sind, liegen in einer geschlossenen Kammer 17. von der ein Anzapfrohr 21 für den kalten Gasstrom abgeht. Die P'ättchen 24 bremsen oder reflektieren die Stoßwellen, die sich von den Öffnungen der Injektorrohre 4a, 46 ausbreiten.
Man kann selbstverständlich die einzige Kammer 17 durcn zwei voneinander unabhängige Kammern ersetzen, wie sie in F i g. 3 mit 17a, 176 bezeichnet sind, von denen jede ihre eigene Anzapfung 21 a, 216 besi'zt.
Die in den F i g. 4 bis 6 dargestellte Vorrichtung hat ein Injektorrohr 31, das mit einem unter Druck stehenden Gas über ein Rohr 32 gespeist wird und ein rechteckiges Ansatzrohr 33, das eine geringe Breite e und eine Höhe h aufweist. Das unter Druck stehende und das Ansatzrohr 33 durchströmende Gas bildet hinter dem Ansatzronr 33 in dem durch die Eintrittsöffnungen 35 eines Bündels 36 von Aufnahmerohren 38 begrenzten Raum 34 einen Strahl. Die Eintrittsöffnunge.i 35 sind ebenfalls rechteckig mit der Höhe h und der Breite e'\ sie sind Seite an Seite angeordnet und bilden einen zur Achse X-X' (Fig.6) des Injektortohres 31 symmetrischen Bogen. Sie sind durch scharfe Kanten 37 voneinander getrennt. Die Aufnahmerohre 38, die das Bündel 36 bilden, bufen fächerförmig zusammen und haben jedes einen Teil 38a mit derselben rechteckigen Form wie ihre Eintrittsöffnungen 35, der in einen runden feil 386 mündet, der bei .38c· verschlossen ist
Zwei Sieuerkreise 39, 40 sind zu beiden Seiten des Injektorronres 31 angeordnet und münden jeder in die Kammer 34 durch .'ine Öffnung 41, die von dem Ansat/.rohr Π durch eine gemeinsame Wand 33a und von einer Austrittsöffnung 42 der Kammer durch eine Wand 43 mit einer scharfen Kante 44 getrennt sind, leder dieser Stein'rkreise hat pm Rohr 4S das einerseits
mit der Öffnung 41 und andererseits mit einem (iefaß 4b verbunden ist und eine Einschnürung 47 hat. Von jeder Austritlsöffnung 42 zweigt eine Anzapfung 48 ab. durch die entspanntes und abgekühltes Gas aus der Kammer 34 entnommen werden kann. <
Oa das Rohr 32 mit einem unter Druck stellenden (las gespeist wird, schwingt der aus dem Ansatzrohr 33 in tue Kammer }4 austretende Strahl mit einer durch die Sleiierkrcise 39 und 40 bestimmten Frequenz, zwischen zwei bestimmten Lagen, die in I i g. b schemalisch mil ι. 49 und 50 bezeichnet sind. Bei dieser oszillierenden Bewegung streicht der Strahl über die Eintrittsöffnungen 35 und erzeugt in den Aufnahmerohren 38 l.ufistöße, die das in diesen Rohren anfanglich in Ruhe befindliche Gas komprimieren und erwärmen. Gleichzeitig nimmt die Temperatur des antreibenden Gases ab. Das (ias wird nach der Passage der Düse in die Kammer .'.'.!ruckgeworfrTi »nil ilnrrh Hip Austriitsöff niingen 42 und die Rohre 48 abgezogen. Diese Vorrichtung erlaubt es. einen wesentlichen Teil des j0 Gasstromes. z.B. 40% 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 überra sehende Effekt ist mit der Oszillationsfrequcnz des ;j Gasstrahles verknüpft. Ls wurde festgestellt, daß für eine Vorrichtung gegebener Ausbildung und mit gegebenen Abmessungen ein Frequenzoptimum besteht, bei dem eine maximale Abkühlung des antreibenden Gases unter der Bedingung erhalten wird, daß die ^o Frequenz konstant bleibt.
Die Frequenz hängt in erster Linie von der Anordnung und den Abmessungen der Stcuerkreise 39 und 40 ab. nämlich von der Länge des Rohres 45. von der Lage und Größe der Einschnürungen 47 und von dem jj Volumen der Gefäße 46. Indessen beeinflussen auch andere Parameter die Frequenz und vor allem ihre Stabilität, besonders die Länge der Teile 38<i der Aufnahmerohre 38 und die Temperatur dieser Rohre. Dem starken Abfall des Druckes und der Temperatur des antreibenden Gases entspricht ein starker Anstieg der Temperatur in den Aufnahmerohren 38 Die Anmelderin hai festgestellt, dall man den Abfall der 'temperatur vergrößern und die Stabilität der I requenz verbessern kann, indem man das Rohrbündel 3β stark ktihlt. z. B. mit einer Wasserumlaiifkiihlung 51. die in den I 1 g. 4 und 5 mit ihrem Wassereintrilts- und aiistritts rohr 51a und 51/' schemalisch dargestellt ist. Die 'teile 38,7 eier Aufnahmeröhre 58 müssen genügend lang sein, um die Frequenz bei ihrem Optimalweit stabilisieren /\\ können.
Das Volumen des Aufnahmegerätes, das durch die Anzahl und das Volumen der Aufnahmeröhre 38 bestimmt ist. muß der Durchflußmcnge des behandelten Gases entsprechen. Wenn diese Kapazität zu klein ist. vermindert sich der F.ffckt des Abfalles des Druckes und der Temperatur bei großen Durchflußmengen.
/um Beispiel hat ein Apparat, der zum Behandeln von etwa 100 Ciramm Gas pro Sekunde geeignet ist. ein Ansatzrohr 33 mit einer Breite c = 3 mm und einer Höhe ή = 21.3 mm, wobei das Rohr 25 mm vor den Finiritisöffnungen 35 liegt, deren Breite c' = 3.8 mm beträgt. Mit einem solchen Gerät kann ein Abfall der Temperatur des antreibenden Gases in einer Größenordnung von 40rC bei einer optimalen Oszillationsfrequenz um 500 Hz erreich! werden, wenn das Bündel 36 sieben Aufnahmerohre 38 mit einer Länge von 3 mm und cinctr Teil 38a mit einer Länge von 30 cm hat.
Vorzugsweise wird eine ungerade Zahl von Aufnahmerohren 38 vorgesehen, um die Instabilität des Strahles und demzufolge die Auslösung der Oszillation zu begünstigen.
Die Kanten 44 bilden mit der Wand 33,·) des Ansalzrohres 33 die Eingänge der Steuerkreise 39, 40. Ihre Lage in Bezug auf das Injekiorrohr und die Eintrittsöffnungen 35 hat einen bestimmenden Einfluß auf die Auslösung der Oszillation des Strahles und auf seine extremen Lagen 49, 50. Ein geringes Versetzen dieser Kanten 44 im Vergleich zu ihrer optimalen Position, wie sie in F i g. 6 maßstäblich dargestellt ist. mindert 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 s 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 Temperatur des aus dem Injektorrohr austretenden Gasstrahles, dadurch gekenn- is zeichnet, daß zwischen dem Injektorrohr (4; 31, 33) und dem Aufnahmerohr (7; 38) eine von der Kammer (6; 17; 34) umgebene Unterbrechung (5, 8; 19; 33, 35) vorgesehen und entspanntes, abgekühltes Gas aus der Kammer (6; 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 Injektorrohres 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 ge':ennze.:"hnet, daß die Unterbrechung (19) an den eit?3nder gegenüberliegenden Enden des Injektorrohres (4) uniJ 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 flaches Bündel angeordnet sind und von einer Kammer ausgehen, in die ein Gasinjektor einen Gasstrahl ausstößt, der über die Eintrittsöffnungen der Aufnahmerohre streicht und in diesen Gasstöße erzeugt, wobei in der Kammer die Entspannung und Abkühlung des Gases stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnungen (35) der Aufnahmerohre (38) durch scharfe Kanten (37) voneinander getrennt sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansatzrohr (33) des Gasinjektors (31) und die Eintrittsöffnungen (35) der Aufnahmerohre (38) den Querschnitt eines schmalen Rechtekkes haben, dessen lange Seite senkrecht zur Bewegungsebene des Gasstrahles liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmerohre (38) von den Eintrittsöffnungen (35) an einen Teil (38a^ mit dem gleichen rechteckigen Querschnitt wie die Eintrittsöffnungen (35) aufweisen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis b. dadurch gekennzeichnet, daß eine ungerade Anzahl von Aiifnahmerohren (38) vorgesehen ist. fa
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß zur oszillierenden Bewegung des Gasstrahles zwei Steucrkrcisc (39, 40)diencn.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn- hs zeichnet, daß die Steuerkreise (39, 40) Rohre (45) aufweisen, welche an gegenüberliegenden Seiten des tors (31) in die Kammer (34) und am anderen Ende über Einschnürungen (47) in Gefäße (46) münden.
10. Vorrichtung nach Anspruch!?, 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 Austriusöffnung (42) aufweist.
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