DE2027507A1 - Düse zur Beschleunigung zweiphasiger Strömungen - Google Patents

Düse zur Beschleunigung zweiphasiger Strömungen

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DE2027507A1 DE19702027507 DE2027507A DE2027507A1 DE 2027507 A1 DE2027507 A1 DE 2027507A1 DE 19702027507 DE19702027507 DE 19702027507 DE 2027507 A DE2027507 A DE 2027507A DE 2027507 A1 DE2027507 A1 DE 2027507A1
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Reinhart Dipl.-Phys. Dr.-Ing.; Schwefel Hans Paul Dipl.-Ing.; Lehmann Bernhard Dipl.-Ing.; Städtke Herbert Dipl.-Ing.; Moese Herbert; 1000 Berlin. FOIl 1-04 Radebold
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K44/00Machines in which the dynamo-electric interaction between a plasma or flow of conductive liquid or of fluid-borne conductive or magnetic particles and a coil system or magnetic field converts energy of mass flow into electrical energy or vice versa
    • H02K44/08Magnetohydrodynamic [MHD] generators
    • H02K44/085Magnetohydrodynamic [MHD] generators with conducting liquids
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 5 Seiten Beschreibung 6 Patentansprüche 2 Blatt Zeichnungen mit 3 Fig.

Claims (6)

P a t e n t a n s-p r ü c h e
1. Düse zur Beschleunigung zweiphasiger Strömungen mit konvergent-divergentem Querschnittsverlauf, dadurch gekennzeichnet, 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.
2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübergangs zahlen auf der Seite der zweiphasigen Strömung konstant sind.
3. Düse nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Mantel aus einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.
4. Düse nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper aus einem Werkstoff geringerer Wärmeleitfähigkeit besteht.
5. Düse nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich engen Querschnittes zwischen Verdrängungskörper und Mantel Stege sind.
6. Düse nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper aus einem wenigstens angenähert zylindrischen Körper besteht, in den mehrere Nuten eingefräst sind, deren Tiefe vom engsten Querschnitt an bis zum Ende der Düse zunimmt.
Leerseite
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006111315A1 (en) * 2005-04-18 2006-10-26 Unical Ag S.P.A. Protected carbon steel pipe for fire tube heat exchange devices, particularly boilers
CN101398275B (zh) * 2008-11-07 2010-06-02 西安交通大学 一种提高表面活性剂减阻流传热特性的方法和装置

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