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Düse zur Beschleunigung zweiphasiger Strömungen Die Erfindung bezieht
sich auf eine Düse zur Beschleunigung zweiphasiger Strömungen mit konvergent-divergentem
Querschnittsverlauf, wobei der Beginn der Entspannung sowohl im Flüssigkeitsbereich
als auch im zweiphasigen Bereich der Strömung liegen kann. Düsen dieser Art spielen
beispielsweise in Systemen zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie eine
Rolle. Sie dienen gleichzeitig dazu, den thermodynamischen Wirkungsgrad des im System
ablaufenden Prozesses dadurch zu erhöhen, daß ein interner Wärmetausch stattfindet,
um die in der Wärmequelle aufzuheizende Flüssigkeit vorzuwärmen. Dabei wird die
Düse ohne großen Druckverlust amP der Kühlseite gekühlt, so daß der zweiphasigen
Strömung während der Entspannung Enthalpie durch Kondensation eines Anteiles der
gasförmigen Phase entzogen wird.
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Es ist zweckmäßig, sich die Verhältnisse an dem Beispiel eines Dampfkraftwerkes
klarzumachen. Im Dampfkraftwerk wird das Speisewasser, das aus dem Kondensator strömt,
im Prinzip in der Wärmequelle verdampft, um dann in der Turbine Arbeit zu verrichten.
Wollte man das Kondensat unmittelbar durch die Wärmequelle zum Zwecke der Verdampfung
strömen lassen, so würde im ersten Teil der Wärmequelle die Flüssigkeit bis auf
die Siedetemperatur aufgeheizt werden müssen. Dies ist aus thermodynamischen Gründen
unzweckmäßig, da dabei eine anfangs große, dann stetig abnehmende Temperaturdifferenz
zwischen der Wärmequelle und dem einströmenden Kondensat auftritt. Man vermeidet
diese thermodynamischen Verluste dadurch, daß man in den einzelnen Stufen der Turbine
Dampf entzieht, diesen Dampf kondensieren läßt und die anfallende Wärme zur Vorwärmung
des Kondensates
verwendet. Durch diesen systeminternen Wärmetausch
wird der thermodynamische Prozeß dem Carnotprozeß angenähert; im Falle unendlich
vieler Wärmestufen gelangt das Kondensat bereits mit Siedetemperatur in die Wärmequelle
und braucht dort nur noch verdampft zu werden.
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In einem System zur unmittelbaren Umwandlung von thermischer in elektrische
Energie, beispielsweise mit einem flüssigen Metall als Arbeitsmedium, das als zweiphasige
Strömung Arbeit in einem magneto-hydrodynamischen Wandler verrichtet, liegen die
Verhältnisse thermodynamisch gesehen grundsätzlich analog. Um auch hier den thermodynamischen
Prozeß einem Carnotprozeß anzugleichen, ist es notwendig, das in die Wärmequelle
einlaufende flüssige Metall möglichst weit intern vorzuwärmen, damit der Temperaturbereich
der Wärmequelle möglichst eng begrenzt ist. Im Ideal fall sollte die Wärmequelle
auf konstanter Temperatur Wärme lediglich zur Verdampfung des flüssigen Metalles
abgeben, was aber aus technischen Gründen oft nicht praktikabel ist. Der systeminterne
Wärmetausch zur Vorwärmung des in die Wärmequelle strömenden flüssigen Metalles
kann nun nicht wie beim Dampfkraftwerk durch Entnahme von Dampf zwischen den einzelnen
Entspannungsstufen der Turbine geschehen, weil keine Turbine vorhanden ist. Hierfür
bietet sich als einfache Lösung, die im Prinzip einer unendlichstufigen Vorwärmung
entspricht, an, der sich in der Düse entspannenden zweiphasigen Strömung Wärme über
die Düsenoberfläche zu entziehen und dem flüssigen Metall, das in die Wärmequelle
strömt, zuzuführen.
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Das Problem einer solchen gekühlten Düse liegt nun darin, daß die
zur Wärmeübertragung dienende Oberfläche der Düse begrenzt ist. Die Düsenoberfläche
begrenzt damit praktisch auch den Umfang des systeminternen Wärmetausches. Es kommt
hinzu, daß eine normale konvergent-divergente Düse gerade im Bereich hoher Temperaturen,
nämlich kurz hinter dem engsten Querschnitt, nur eine geringe Oberfläche pro Längeneinheit
aufweist, verglichen zu dem Teil der Düse, der im unteren Temperaturbereich vor
ihrem Ende liegt. Es ist also bei einer normalen konvergentdivergenten
Düse
nicht möglich, gerade im Bereich hoher Tempe° raturen gleichgroße Wärmeströme je
Längeneinheit der Düse zu überragen, wie es im unteren Teil der Düse im Bereich
tiefer er Temperaturen möglich ist. Dadurch bedingt ist die Vorwärmung des in die
Wärmequelle strömenden flüssigen Metalles unzureichend; es besteht stets eine größere
Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle selbst und dem eintretenden Flüssigkeitsstrom.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Weg anzugeben,
bei dem diese Nachteile vermieden werden. Dies läßt sich durch eine Düse zur Beschleunigung
zweiphasiger Strömungen mit konvergent-divergentem Querschnittsverlauf nach der
Erfindung erreichen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Erzielung wenigstens
annähernd gleichgroßer Wärmeströme je Längeneinheit der Düse von der zweiphasigen
Strömung auf ein an der Düsenoberfläche vorbeigeführtes Arbeitsmedium die Düse aus
einem zylindrischen Mantel besteht, in den ein konvergent-divergenter Verdrängungskörper
eingesetzt ist. Dabei ist die für den internen Wärmetausch notwendige Mantelfläche
pro Längeneinheit jedoch über die Länge der Düse konstant. Eine solche "inverse"
Düse oder Ringspaltdüse kann pro Längeneinheit die gleichen Wärmeströme übertragen,
wenn die Wärmeübergangszahlen auf der Seite der zweiphasigen Strömung über die Länge
der Düse konstant sind, und damit eine wesentlich bessere Vorwärmung erreichen.
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Experimente haben gezeigt, daß der Enthalpieentzug aus der zweiphasigen
Strömung durch Kondensation eines Teils der gasförmigen Phase hauptsächlich durch
den Wärmewiderstand des Düsenmantels und durch Wärmeübergang vom Mantel an das vorzuwärmende
Arbeitsmittel begrenzt wird. Die Düse wird deshalb vorteilhaft mit einem Mantel
versehen werden, der aus einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, beispielsweise
aus Tantal.
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Eine solche Düse weist auf der anderen Seite größere innere Verluste
auf, da im Vergleich zu einer normalen konvergent-divergenten Uberschalldüse die
reibende Oberfläche mehr als verdoppelt ist. Außerdem bewirkt der innere Verdrängungskörper,
der aus Gründen der Festigkeit und Korrosion ebenfalls aus metall
bestehen
sollte, einen Temperaturausgleich, da sein Anfang an der engsten Stelle des Querschnittsverlaufes
auf hohen Temperaturen liegt, während sich das spitz auslaufende Ende auf niedriger
Temperatur befindet. Wie Versuche ergaben, vergrößern sich die Reibungsverluste
um einen Faktor größer als 2. Zieht man jedoch in Betracht, daß der Wirkungsgrad
einer Zweiphasen-Düse weniger durch die Wandreibung als vielmehr durch innere Reibung
und Ungleichgewicht der zwei Phasen stets tiefer liegt als der einer einphasigen
Düse für gasförmige Strömungen, so ist verständlich, daß die Gesamtverluste der
Düse nach der Erfindung nur um weniges höher sind als die in einer normalen konvergent-divergenten
Düse. Der Temperaturausgleich durch den Verdrängungskörper kann dabei noch sehr
stark gedrosselt werden, wenn für ihn ein Werkstoff geringer Wärmeleitfähigkeit,
wie beispielsweise rostfreier Stahl, verwendet wird.
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Ausführungsbeispiele von Düsen nach der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt. Fig. 1 zeigt eine Düse nach der Erfindung, die aus einem zylindrischen
Mantel 1 besteht, in den ein konvergent-divergenter Verdrängungskörper 2 eingesetzt
ist.
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Während der Mantel 1 aus einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt
ist, wird für den Verdrängungskörper ein Material niedriger Wärmeleitfähigkeit verwendet.
Um den Mantel 1 herum ist ein Zylinder 2 mit einem Eintrittstutzen 4 und einem Austrittstutzen
5 gelegt. Die zweiphasige Strömung tritt bei 6 in die Düse ein. In entgegengesetzter
Richtung strömt zwischen Mantelfläche und Zylinderfläche 3 das vorzuwärmende Arbeitsmittel,
das in den Eintrittstutzen 4 ein und aus dem Aus trittstutzen 5 aus tritt. Es kann
dann der nicht dargestellten Wärmequelle zugeleitet werden. Die zweiphasige Strömung
gibt dabei Wärme über die Mantelfläche 1 an das Arbeitsmedium ab.
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Die in Fig. 2 dargestellte Düse unterscheidet sich von der in Fig.
1 dargestellten Düse durch den Verdrängungskörper, der mit 7 bezeichnet ist. Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Ringspalt zwischen Verdrängungskörper und
Mantel im Bereich des engsten Querschnittes nicht über den gesamten Umfang laufen
zu lassen, sondern Stege einzubauen, um eine gute Zentrierung von
Verdrängungskörper
und Außenmantel zu erreichen. Gleichzeitig wird dadurch die Spaltdicke in der Umgebung
des engsten Querschnittes partiell vergrößert, was zur Senkung der Reibungsverluste
führt. Dementsprechend weist der Verdrängungskörper 7 in Fig. 2 Stege 8 auf, über
die es an dem Mantel 1 befestigt ist. Fig. 2a zeigt ein Querschnittsbild an der
Stelle I. Ein Querschnittsbid an der Stelle II ist in Fig. 2b dargestellt.
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Eine andere Form der Düse ist in Fig. 3 dargestellt. In dieser Figur
ist bei sonst gleichen Bezifferungen der Verdrängungskörper mit 9 bezeichnet. Er
besteht aus einem annähernd zylindrischen Körper, in den mehrere Nuten - im Beispiel
sind es vier Nuten, die mit 10 bezeichnet sind, - eingefräst werden.
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Dabei nimmt sowohl die Tiefe der Nuten als auch ihre Breite vom engsten
Querschnitt bis zum Ende der Düse zu, so daß am Ende nur noch dünne Stege zur Zentrierung
übrigbleiben. Fig. 3a zeigt wiederum das Querschnittsbild an der Stelle I und Fig.
3b das Querschnittsbild an der Stelle II. Diese Düse weist nicht mehr die anfangs
genannten Vorteile in vollem Umfang auf, da die zum Wärmetausch zur Verfügung stehende
Fläche vor allem im Bereich des engsten Querschnitts und damit im Bereich hoher
Temperaturen reduziert ist. Dennoch ist eine solche inverse" Düse mit keilförmigen
Ausschnitten vorteilhaft, weil sie im Vergleich zur normalen konvergent-divergenten
konischen Düse eine vergrößerte Oberfläche hat und wesentlich einfacher herzustellen
ist.
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5 Seiten Beschreibung 6 Patentansprüche 2 Blatt Zeichnungen mit 3
Fig.