DE2751167B2

DE2751167B2 - Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit

Info

Publication number: DE2751167B2
Application number: DE2751167A
Authority: DE
Inventors: Max Edmund Arcadia Ellion; John Jerome Redondo Beach Montich; John Ward Los Angeles Putt
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1976-12-06
Filing date: 1977-11-16
Publication date: 1978-12-14
Also published as: DE2751167C3; DE2751167A1; US4272257A; CA1088878A; JPS5371373A; FR2372642A1; IT1090809B; FR2372642B1; GB1568275A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit, insbesondere bei Fehlen von eine Trennung bewirkenden Gravitationskräften, mit einer wenigstens eine enge öffnung aufweisenden Siebanordnung, die nur die Flüssigkeit, aufgrund von deren Oberflächenspannung aber nicht das Gas

passieren läßt

In rotierenden oder beschleunigten Raumfahrzeugen sind die Kräfte vorhanden, die eine Trennung der Flüssigkeit vom Gas oder Dampf in den Treibstofftanks bewirken. Wenn sich jedoch ein nichtrotierender Körper im freien Fall befindet, müssen spezielle Vorrichtungen angewendet werden, welche die Zufuhr der Flüssigkeit zu Verbrauchsstellen gestatten, ohne daß dabei das auf die Flüssigkeit wirkende Druckgas aus dem Tank austreten kann. Zu diesem Zwec': wurden mechanische Einrichtungen wie Kolben, Blasen und Faltenbälge, Elastomere und metallische Membranen sowie Rollmembranen in Betracht gezogen und geprüft. Alle diese Einrichtungen haben ihre Vor- und Nachteile, jedoch ist ihnen allen gemeinsam, daß die Probleme, die ihr Gewicht und ihre Zuverlässigkeit aufwerfen, noch weitere Entwicklungen erfordern. Sobald ein bewegliches Teil vorhanden ist, wie es bei den vorstehend aufgeführten Einrichtungen der Fall ist. ist die Zuverlässigkeit vermindert

Infolgedessen sind auf Kapillarwirkung beruhende Vorrichtungen zur Trennung von Gas und Flüssigkeit in Betracht gezogen worden. So ist es bekannt zur Ausnutzung der Oberflächenspannung zur Trennung bei Schwerefeldern von weniger als 10-* g ein feinmaschiges Netz aus Doppelköper (double dutch twill) zu benutzen. Die Oberflächen-Spannungskräfte, die aus den mikrometriscb kleinen öffnungen des Netzes oder Gitters resultieren, wurden dazu benutzt, eine Flüssigkeitsverbindung durch das Netz hindurch herzustellen, während der Durchtritt von Gas durch das Netz verhindert ist 6ei einem Doppelköper ist jeder Schußfaden nacheinander über zwei und unter zwei Kettfaden geführt Die Schußfäden sind dicht aneinandergerückt und so deformiert, daß die Maschenzahl mehr als doppelt so groß ist wie die Summe der Fadenzahl. Die resultierenden Durchlaßöffnungen haben eine dreieckige Gestak, und es sind keine öffnungen sichtbar, außer wenn das Netz unter einem Winkel betrachtet wird. Die Schuß- und Kettfäden haben einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,025 mm, während die Poren des fertig gewobenen Netzes eine Größe von etwa 0,010 mm aufweisen. Die mechanische Festigkeit solcher Netze ist nicht ausreichend, um diese Netze allein anwenden zu können. Die Netze müssen vielmehr unterstützt werden. Außerdem ist eine sorgfältige Handhabung erforderlich, um ein Biegen und Strecken des Netzes zu verhindern, da ein öffnen der Poren den Differenzdruck vermindert, der aufgenommen weiden kann. Einrichtungen, die solche feinen Maschennetze verwenden, sind in einem Aufsatz von S. C. De B rock et al. im »Journal of Spacecraft and Rockets«, Vol.8, Nr.2, Februar 1971, Seiten 83 bis 98, beschrieben.

Demgemäß besteht ein Bedarf nach einer zuverlässigen Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit, die insbesondere dazu geeignet ist, in Raumfahrzeugen bei sehr geringem, beliebig gerichtetem Schwerefeld eine einwandfreie Trennung eines flüssigen Treibstoffes von einem den Treibstoff unter Druck setzenden Gas zu bewirken. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Vorrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Siebanordnung wenigstens zwei mit je einer Fläche aneinanderliegenden Platten aufweist, von denen die eine in ihrer an der Fläche der anderen Platte anliegenden Fläche mindestens eine gegenüberliegende Ränder der Platte verbindende Nut aufweist, deren von

der Fläche der anderen Platte begrenzter Querschnitt die öffnung der Siebanordnung bildet.

Anders ausgedrückt ist der Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit, die eine Platte mit einer Aussparung und eine Deckplatte umfaßt, um einen engen Kanal zu schaffen, dessen Größe so bemessen ist, daß sie einen kontinuierlichen, gasfreien Flüssigkeitsstrom zuläßt, auch wenn die Quelle des Stroms eine zweiphasige Flüssigkeits-Dampf-Mischung ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zuverlässig und verursacht nicht die Schwierigkeiten bei ihrer Behandlung wie die bekannte Vorrichtung mit gewobenem Netz. Die Erfindung beruht auf der Wirkung der Oberflächenspannung ds Trennkraft beim Durchtritt der Flüssigkeit durch enge Kanäle. Von besonderem Vorteil ist, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Herstellung sehr viel besser reproduzierbar ist als die bekannten feinmaschigen Netze. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Kanäle für die Flüssigkeit durch das Ätzen von Nuten in die Oberflächen von Platten hergestellt, die dann zu Plattensätzen gestapelt werden, so daß die ^orricluung eine Vielzahl von Kanälen mit gleichem Querschnitt und gleicher Länge aufweist, deren Oberflächenqualität genau eingehalten werden kann, so daß die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr viel besser vorherbestimmbar sind als es bei den bekannten Netzen der Fall ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können be! anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigt

Fig. 1 die perspektivische, teilweise abgebrochene Darstellung eines Raumflugkörpers, welche die Einrichtungen zur Lagesteuerung des Raumflugkörpers veranschaulicht,

F i g. 2 eir ; schematische Darstellung der Einrichtung zur Lagesteuerung des Raumflugkörpers nach F i g. 1,

Fig.3 einen Querschnitt durch den Treibmitteltank, der die Einrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit für das Treibmittel enthält,

Fig.4 teilweise in Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt ein Trennelement di:r Vorrichtung nach F i g. 3 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 durch das Element nach Fig. 4 in nochmals vergrößertem Maßstabund

Fig.6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 durch die Anordnung nach Fig. 5 in nochmals vergrößertem Maßstab.

Fig. 1 veranschaulicht einen Raumflugkörper 10 in Form eines Nachrichten-Satelliten,, der externe Tafeln mit Sonnenzellen aufweist und die zum Empfang und Wiederabstrahlen von Radiowellen erforderlichen elektronischen Einrichtungen und Antennen aufweist. Der dargestellte Raumflugkörper ist bezüglich seiner drei Hauptachsen stabilisiert und befindet sich auf einer Umlaufbahn, auf der er die Bewegung des freien Falls ausführt. Die Orientierung bezüglich seiner drei Hauptachsen erfolgt durch selektives Feuern von Lagedüsen, von denen zwei Sätze 12 und 14 dargestellt sind. Es ist eine ausreichend große Anzahl von Lagedüsen in einer solchen Ausrichtung vorgesehen, daß dem Raumflugkörper bei Bedarf eine Lagekorrektur um jede seiner drei Achsen erteilt werden kann.

Das schematische Diagramm nach F i g. 2 zeigt einen Treibmitteltank 16, der eine Entiüftungsleitung 18 aufweist, durch die hindurch Gas aus dem Tank entweichen kann und die es ermöglicht, den gefüllten Tank unter Druck zu setzen. Eine Fülleitung 20 ist mit einem geeigneten Füllventil versehen, welches es ermöglicht, ein System von Verteilungsrohren zu füller und dadurch dem Tank zum Füllen Flüssigkeit

ίο zuzuführen. Während des Füllens entweichen Dämpfe aus dem Tank durch die Entlüftungsleitung 18, die auch als Einlaß für ein Druckgas dient, nachdem der Tank vollständig gefüllt und entlüftet worden ist. Die Entlüftungsleitung 18 ist zu ihrer Befestigung mechanisch mit einem Verteiler 40 verbunden, dient jedoch nur zur Entlüftung des Tanks 16 und steht nicht mit dem Inneren der Verteilungsrohre in Verbindung.

Die Fülleitung dient auch dazu. Flüssigkeit durch Treibmittelleitungen 24 und 26 sowie Steuerventile 28 und 30 den Lagedüsen 12 und 14 zuzuführen.

Fig.3 ist ein Schnitt durch den Tank 16, der die Verteilungsrohre für das flüssig.. Treibmittel veranschaulicht In diesem Fall sind vLr bogenförmige Verteilungsrohre 32, 34, 36 und 38 dargestellt. Diese Verteilungsrohre sind im Scheitelpunkt des Systems durch den Verteiler 40 miteinander verbunden, der mechanisch von der daran angebrachten Entlüftungsleitung getragen wird. Die Verteilungsrohre sind so gebogen, daß sie der Innenseite der Wand des Tanks 16

jo dicht benachbart sind. An ihrem Auslaßende sind die Verteilungsrohre an das Gehäuse 42 einer Blasenfalle 44 angeschlossen. Dabei münden die Verteilungsrohre nahe dem Boden des Gehäuses. Die Blasenfalle 44 ist in dem Tank eingeschlossen und weist als Auslaß die Fülleitung 20 auf.

In jedem Verteilungsrohr sind ein oder mehrere Vorrichtungen zur Trennung von Gas und Flüssigkeit angeordnet. Das Verteilungsrohr 32 enthält vier solcher Vorrichtungen 46, 48, 50 und 52. Die anderen Verteilungsrohre enthalten die gleiche Anzahl solcher Vorrichtungen, obwohl sie an anderen Stellen längs dieser Verteilungsrohre angeordnet sein können. F i g. 4 veranschaulicht die zur Trennung von Gas und Flüssigkeit dienende Vorrichtung 48 im einzelnen.

A^r> Wie aus F i g. 4 ersichtlich, weist die Vorrichtung 48 einen Kern 54 auf, der im wesentlicher die Form eines zylindrischen Rohres hat. An den Enden des Kerns 54 sind Aussparungen 58 und 60 vorhanden, in welche die Rohre hineinpassen, welche die die Vorrichtungen

ίο verbindenden Abschnitte der Verteilungsrohre bilden. Die Verbindung zwischen dem Kern und den Rohrabschnitten kann beispielsweise durch Schweißen erfolgen. An einem Ende des Kerns ist eine Schulter 62 angebracht, die sich außerhalb eines mit Perforationen

Ti .ersehenen Abschnitts des Kerns befindet.

Auf den Kern ist eine Anzahl Scheiben oder Platten

64 aufgesteckt, von denen die äußerste an der Schulter 62 anliegt. Durch einen auf den Kern 54 aufgeschobenen Ring 66 wird der Stapel der Platten 64 zusammenge-

r.n preßt. Wenn der [-!wünschte Druck erreicht ist, wird der Ring 66 auf dem Kern durch Schweißen oder Klemmen befestigt. Danach sind die Platten 64 auf dem Kern mit dem gewünschten Axialdruck sicher gehalten.

Wie F i g. 5 veranschaulicht, handelt es sich bei den

> Platten 64 um kreisförmige Scheiben, die eine ringförmige Inner Hache 68 und eine ringförmige Außenfläche 70 aufweisen, die beide zur gleichen Achse konzentrisch angeordnet sind. Die Platten sind ferner

durch senkrecht zur Achse stehende, ebene Stirnflächen begrenzt. Eine dieser Stirnflächen ist glatt, während die andere radiale Nuten 72 aufweist, die in Fig. 6 vergrößert dargestellt sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die Nuten in Radialrichtung zwischen den ringförmigen Innen- und Außenflächen eine Länge von 1,25 mm, an der ringförmigen Außenfläche in Umfangsrichtung eine Breite von 0,5 mm und in Axialrichtung eine Tiefe von 0,0) mm.

Am Umfang der Platten 64 angebrachte Ohren 76 und 76' erlauben eine Ausrichtung der einzelnen Platten bezüglich ihrer Winkellage um ihre gemeinsame Achse in solcher Weise, daß die zwischen den Nuten vorhandenen Stege im Stapel übereinanderstehen und die Platten den beim Zusammenpressen des Stapels ausgeübten Druck aufnehmen können, ohne daß sich die Platten verziehen. Der Durchmesser der Innenfläche 78 ist ausreichend größer als der Außendurchmesser des Kerns 54, daß ein die Nuten zwischen benachbarten Platten durchströmendes Medium sich an der Außenseite des Kerns sammeln und von dort durch die Perforationen in das Innere des Kerns gelangen kann.

Die von den Nuten gebildeten Kanäle bilden eine Struktur, die bewirkt, daß Druckdifferenzen, die ausgeübt werden, um Flüssigkeit von der sich im Tank befindenden Flüssigkeits-Dampf-Mischung in das System der Verteilungsrohre zu drücken, nur Flüssigkeit durch diese Kanäle fördert, während ein Durchtritt von Gas durch die Wirkung der Oberflächenspannung an allen Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen innerhalb der Kanäle verhindert wird. Wenn also die Verteilungsrohre mit Flüssigkeit gefüllt und von Gas oder Dampf frei sind, nehmen sie nur noch Flüssigkeit aus dem Tank auf. Die Länge der Kanäle ist in Verbindung mit ihrer Tiefe eine Funktion der Vibrationen, denen die Anordnung ausgesetzt werden kann, ohne daß ein Gasdurchbruch stattfindet. Durch richtige Wahl der Abmessungen der Kanäle kann daher gewährleistet werden, daß bei den herrschenden Betriebsbedingungen den Verteilungsrohren ausschließlich Flüssigkeit zugeführt wird.

Bei der beschriebenen Anordnung wird der Blasenfalle 44 blasenfreie Flüssigkeit zugeführt. Die Blasenfalle 44 ist als sekundäre Sicherheits-Trennvorrichtung vorgesehen, die unter normalen Arbeitsbedingungen keine Dampf- oder Gasbläschen empfängt. Sie ist normalerweise voller Flüssigkeit und wird beim ersten Füllen des Tanks mitgefüllt und von Gas befreit. Der zusammen mit der Flüssigkeit vorliegende Dampf kann der Dampf der gleichen Flüssigkeit, aber auch ein anderes Gas sein, das zur Druckerzeugung, Unterdrükkung einer Dampfbildung, zur Steuerung der Entflammbarkeit od. dgl. dient.

Der Separator 80 besteht ebenfalls aus einem Kern mit einer Schulter und einem Ring und einem zwischen Schulter und Ring eingespannten Scheiben- oder Plattenstapel. Die gestapelten Platten sind ebenso ausgebildet wie die Platten 64, so daß durch ihre Kanäle nur Flüssigkeit vom Äußeren zum Inneren des Separators 80 gelangen kann. Die Fülleitung 20 ist an das Innere des Separators angeschlossen, so daß eine zweite Trennung stattfindet, wenn sie benötigt wird.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel macht verständlich, daß eine nach der Erfindung hergestellte Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit mit gut reproduzierbaren Eigenschaften hergestellt werden kann. Das feine Gitternetz, das nach dem Stand der Technik verwendet wird, ist der Gefahr von Beschädigungen ausgesetzt, die durch eine prüfende Betrachtung oder Sichtprüfung nur schwer festzustellen sind. Die Schaden bestehen in einer Vergrößerung der Poren infolge der Herstellungs- und Handhabungs-Vorgänge. Da der Trenndruck durch die größten Poren bestimmt wird, muß sehr große Sorgfalt aufgewendet werden, um eine betriebsfähige Vorrichtung zu erhalten. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Nuten oder Kanäle durch einen chemischen Ätzvorgang hergestellt und daher sehr viel gleichförmiger gestaltet werden. Weiterhin werden kritische Größen, wie Oberflächengüte und Kanalquerschnitt mit engen

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schaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung besser vorhersagbar. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung frei von Verunreinigungen montiert und auch leichter gereinigt werden, wenn sie je verunreinigt werden sollte. Da die zur Trennung von Gas und Flüssigkeit dienenden, im Querschnitt rechteckigen Kanäle von zwei Bauteilen begrenzt werden, ist es möglich, diese Bauteile vor der Montage getrennt auf die bes .v.ögliche Weise zu reinigen. Während der Herstellung der Vorrichtung ist eine weitere Behandlung der einander gegenüberstehenden Flächen nicht erforderlich. Im Gegensatz dazu werden bei feinen Maschen- oder Gitternetzen Verunreinigungen zwischen den Lagen der in der Webstruktur enthaltenen Fäden oder Drähte gefangen.

Nach der Montage ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit mechanisch stabiler und infolgedesssen während der weiteren Behandlung, der Prüfung und des Betriebes weniger der Gefahr von Beschädigungen ausgesetzt. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung aus dem gleichen Material hergestellt werden wie der Tank. Die bekannten feinmaschigen Netze sind auf Materialien beschränkt, die verwebt werden können. Das einzige feinmaschige Netz, das zur Verfügung steht und einen ausreichend hohen Differenzdruck liefert, ist aus rostfreien Stahldrähten gewebt. Daher muß der Tank aus rostfreiem Stahl bestehen, wenn die Herstellung mechanischer Verbindungen erleichtert und eine galvanische Korrosion vermieden werden soll. Dagegen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Titanium bestehen, wodurch bezüglich des Treibmitteltanks unu der erfindungsgemäßen Vorrichtung Gewichtseinsparungen möglich sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Lage, die Flüssigkeit in den Verteilungsrohren auch dann zu halten, wenn Belastungen durch starke Vibrationen auftreten, die größer sind als sie bei Anwendung der bekannten gewobenen Netze zulässig waren und wie sie beispielsweise beim Einschießen des Satelliten in die Umlaufbahn auftreten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit, insbesondere bei Fehlen von eine Trennung bewirkenden Gravitationskräften, mit einer wenigstens eine enge öffnung aufweisenden Siebanordnung, die nur die Flüssigkeit, aufgrund von deren Oberflächenspannung aber nicht das Gas passieren läßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Siebanordnung wenigstens zwei mit je einer Räche aneinanderliegende Platten (64) aufweist, von denen die eine in ihrer an der Fläche der anderen Platte anliegenden Fläche mindestens eine gegenüberliegende Ränder der Platte verbindende Nut (72) aufweist, deren von der Fläche der anderen Platte begrenzter Querschnitt die öffnung der Siebanordnung bildet

2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet daß die aneinanderliegenden Flächen der beiden Planen (64) im wesentlichen eben ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Platte (64) in ihrer an der anderen Platte anliegenden Fläche eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Nuten (72) aufweist von denen jede eine öffnung der Siebanordnung bildet.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (64) mit geätzten Nuten (72) versehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der einen Platte die Form konzentrisch zueinander angeordneter Kreisring.: haben und eine innere bzw. äußere, zu einer gemeinsamen .chse konzentrische Ringfläche definieren und die Flächen der Platten (64) zu der gemeinsamen Achse senkrecht stehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß längs der Achse eine Vielzahl von ίο Platten (64) nebeneinander angeordnet ist und jede Platte eine glatte und eine mit Nuten (72) versehene Stirnfläche aufweist, die jeweils an der glatten Stirnfläche der benachbarten Platte anliegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- -ti zeichnet, daß die Platten (64) auf einem perforierten Rohr (Kern 54) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, jeweils aus einem perforierten Rohr und darauf angeordneten Platten (64) so bestehende Baueinheiten (46, 48, 50, 52) zu einem Sammelrohr (32) vereinigt sind, das sich in einem Flüssigkeitsbehälter (16) befindet und zum Abführen von Flüssigkeit aus dem Behälter eingerichtet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn- y> zeichnet, daß die Baueinheiten (46, 48, 50, 52) aus dem gleichen Material bestehen wie der Flüssigkeitsbehälter (16).