DE3715157A1

DE3715157A1 - Apparatus for separating and removing gas from a gas/liquid mixture

Info

Publication number: DE3715157A1
Application number: DE19873715157
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Dr Kreeb; Wolf-Juergen Dipl Ing Denner; Rasmus Von Dipl I Hirschhausen
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1987-05-07
Filing date: 1987-05-07
Publication date: 1988-11-17
Also published as: DE3715157C2

Abstract

The apparatus for separating and removing gas from a mixture of gas and liquid comprises a cylinder (1) having orifices (3, 4, 6) for the intake of the mixture and outlet of the gas and the liquid. The cylinder (1) is bottle-shaped, the orifices (3, 4) for the mixture intake and gas outlet being arranged in the bottom (2) and the orifice (6) for the liquid outlet being arranged at the neck (7). The orifice (3) for the mixture intake, to generate a primary flow (16) in the cylinder (1), is arranged tangentially to the cylinder wall (8) and the orifices (4, 6), opposite each other, for the gas and liquid outlet are arranged axially in the cylinder (1). The orifice (4) in the bottom (2) is furnished with a tube (9) which expands in a funnel shape towards the cylinder interior (10). The funnel opening (11) is furnished with a hydrophobic membrane (12). An axially orientated conical vortex limiter (13) is arranged in front of the orifice (6) in the neck (7) to generate an axial secondary flow (17) in the cylinder (1). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen und Ab scheiden von Gas aus einem Gemisch aus Gas und Flüssigkeit, bestehend aus einem Zylinder mit Öffnungen für den Einlaß des Gemisches und Auslaß des Gases und der Flüssigkeit.The invention relates to a device for separating and Ab separating gas from a mixture of gas and liquid, consisting of a cylinder with openings for the inlet of the mixture and outlet of the gas and the liquid.

Um eine sichere Funktion der in Raumfahrzeugen verwendeten Triebwerke in Verbindung mit den dazu benötigten Treib stoffen zu gewährleisten, werden Abscheidevorrichtungen zur Trennung und Abscheiden von Flüssigkeiten und Gasblasen aus den Treibstoffen eingesetzt. Mit derartigen sogenannten Gas abscheidern wird sichergestellt, daß die in den Treibstoffen enthaltenen und für die Verbrennung bzw. Reaktion uner wünschten Flüssigkeitsteilchen und Gasblasen (Zweiphasen gemisch) abgeschieden werden und dadurch der Durchsatz und der Verbrennungs- bzw. Reaktionsprozess innerhalb der in den Triebwerken vorgesehenen Kammern störungsfrei abläuft.To ensure the safe functioning of those used in spacecraft Engines in connection with the necessary propulsion to ensure substances, separators are used Separation and separation of liquids and gas bubbles the fuels used. With such gas separator ensures that the fuel contained and for the combustion or reaction un wanted liquid particles and gas bubbles (two phases mixed) and thereby the throughput and the combustion or reaction process within the in the Engine provided chambers runs smoothly.

Wegen der in der Raumfahrt fehlenden natürlichen Schwerkraft werden hierzu zwei Kategorien von möglichen Trenn- bzw. Ab scheidemethoden angewendet, wozu Pumpenabscheider oder Zen trifugen oder Zyklone mit Wirbelanordnung zählen.Because of the lack of natural gravity in space travel two categories of possible separation or ab separation methods used, including pump separators or Zen centrifuges or count cyclones with vortex arrangement.

Derartig arbeitende und eine künstliche Schwerkraft erzeu gende Pumpen- und Zentrifugalabscheider wurden eingesetzt in den Programmen bei Apollo, Space Shuttle Orbiter und Spacelab ECLSS und sind in einem Dornier System-Papier RFC-NT-DOS-SY-003, Seiten 6 bis 18, 21 bis 24, 28, 46 und 64 vom 25.09.1986, sowie MCR-69-468, Seiten 1 bis 6 be schrieben.Working in this way and creating an artificial gravity Pump and centrifugal separators were used in the programs at Apollo, Space Shuttle Orbiter and Spacelab and ECLSS are in a Dornier system paper RFC-NT-DOS-SY-003, pages 6 to 18, 21 to 24, 28, 46 and 64 from 25.09.1986, and MCR-69-468, pages 1 to 6 be wrote.

Bei all diesen bekannten Abscheidevorrichtungen ist von Nachteil, daß eine Phasentrennung unter Schwerelosigkeit unterbleibt und erst durch eine künstlich erzeugte Schwer kraft eintritt. Diese Vorrichtungen sind daher mit beweg lichen (z.B. rotierenden) Teilen versehen, mit welchen die künstliche Schwerkraft erzeugt und die Phasentrennung be wirkt wird. Sie sind daher für den Einbau und die Verwendung in Raumfahrzeugen zu groß, schwer, kompliziert (Zusatz antrieb) und kostenaufwendig. Außerdem arbeiten diese Vor richtungen hinsichtlich der Trennwirkung nur unzureichend.In all these known separators is of Disadvantage that phase separation under weightlessness is omitted and only through an artificially created heavy force entry. These devices are therefore moving provided (e.g. rotating) parts with which the creates artificial gravity and phase separation be will work. They are therefore for installation and use in spacecraft too big, heavy, complicated (addition drive) and expensive. They also work before directions with regard to the separating effect are insufficient.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher in schwereloser Umgebung eine gasförmige Phase aus einem Zweiphasengemisch sicher und ohne konstruktiven Aufwand abgeschieden und getrennt werden kann.The object of the invention is to provide a device with which in a weightless environment a gaseous phase from a two-phase mixture safely and without constructive Effort can be separated and separated.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Eine vorteilhafte Wei terbildung ergibt sich aus dem Unteranspruch.To solve the task, the are the characteristic Features of claim 1 provided. An advantageous Wei further education results from the subclaim.

Der Vorteil der Erfindung gegenüber herkömmlichen Vorrich tungen besteht darin, daß für das Abscheiden und Trennen keine bewegten Teile benötigt werden, wodurch der konstruk tive Aufbau klein, leicht, unkompliziert und somit kosten sparend ist.The advantage of the invention over conventional Vorrich tion is that for separation and separation no moving parts are required, which means that the construct tive structure small, light, uncomplicated and therefore cost is saving.

Durch die Sekundärströmung werden die Gasblasen direkt zur Gasauslaßöffnung transportiert. Auch bei nur wenigen in der Strömung vorhandenen Gasblasen folgen diese der Sekundär strömung und werden nicht wie bei einem herkömmlichen Zyklonabscheider weiter transportiert.Due to the secondary flow, the gas bubbles become directly Gas outlet port transported. Even with only a few in the Existing gas bubbles follow the secondary flow and are not like a conventional Cyclone separator transported further.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung weitgehend vom Durchfluß oder von der Zusammen setzung der zu trennenden Phasen unabhängig arbeitet.Another advantage is that the invention Device largely from flow or from together setting of the phases to be separated works independently.

Ein Ausführungsbeispiel ist folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert.An embodiment is described below and by Sketches explained.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen flaschenförmigen Zylinder mit Öffnungen für den Gemischeinlaß und Gasaus- und Flüssig keitsauslaß mit einer Primär- und Sekundär strömung eines Zweiphasengemisches, Fig. 1 is a bottle-shaped cylinder with openings for the mixture inlet and Gasaus- and liquid keitsauslaß with a primary and secondary flows of a two-phase mixture,

Fig. 2 den Primär- und Sekundärwirbel gemäß Fig. 1, Fig. 2 shows the primary and secondary vortex of FIG. 1,

Fig. 3 die Druckverteilung im Wirbelfeld. Fig. 3 shows the pressure distribution in the swirl field.

Aus Fig. 1 ist im Prinzip ein flaschenförmig ausgestalteter Zylinder 1 ersichtlich, in welchem am Boden 2 Öffnungen 3, 4 für den Einlaß eines Zweiphasengemisches (Gas-Flüssigkeit) (Einströmpfeil oben) und Auslaß des getrennten Gases 5 (Pfeil links) und eine Öffnung 6 für den Auslaß der abge schiedenen Flüssigkeit (Pfeil rechts) am Hals 7 angeordnet sind. Davon sind die Öffnung 3 für den Gemischeinlaß zur Zylinderwand 8 tangential und die einander gegenüberliegen den Öffnungen 4, 6 axial im Zylinder 1 angeordnet. Durch die im Boden 2 angeordnete Öffnung 4 ist ein Rohr 9 geführt, das zum Zylinderinnenraum 10 trichterförmig erweitert ist. Auf der Trichteröffnung 11 ist eine hydrophobe Membran 12 be festigt. Im Hals 7 ist ein dazu axial ausgerichteter kegel förmiger Wirbelbegrenzer 13 angeordnet, dessen Kegelspitze 14 vor der Mündung der Öffnung 6 endet. In der Öffnung 6 ist ein Strömungsgleichrichter 15 angeordnet.In Fig. 1, a bottle-shaped cylinder 1 can be seen in principle, in which at the bottom 2 openings 3 , 4 for the inlet of a two-phase mixture (gas-liquid) (inflow arrow above) and outlet of the separated gas 5 (arrow left) and an opening 6 for the outlet of the abge different liquid (arrow right) on the neck 7 are arranged. Of these, the opening 3 for the mixture inlet is tangential to the cylinder wall 8 and the openings 4 , 6 opposite each other are arranged axially in the cylinder 1 . A pipe 9 is guided through the opening 4 arranged in the base 2 and is expanded in a funnel shape to the cylinder interior 10 . On the funnel opening 11 , a hydrophobic membrane 12 is fastened. In the neck 7 there is an axially aligned conical vortex limiter 13 , the cone tip 14 of which ends before the mouth of the opening 6 . A flow straightener 15 is arranged in the opening 6 .

Im Zylinderinnenraum 10 wird eine Primärströmung 16 und eine Sekundärströmung 17 (siehe auch Fig. 2) erzeugt, welche zu einer Entmischung (Trennung) der flüssigen und gasförmigen Phase führt. Die Primärströmung 16 wird während des tangen tialen Einströmens durch die Öffnung 3 angeregt und weist eine hohe tangentiale Geschwindigkeitskomponente auf, die dazu führt, daß die im Zylinderinnenraum 10 rotierende Flüs sigkeit in Nähe der Zylinderwand 8 einen hohen Druck erzeugt, während sich längs der Zylinder- und Rotationsachse 18 ein Unterdruck ausbildet (siehe Fig. 3). Diese so erzeugten Druckunterschiede entsprechen dem Prinzip eines Zyklons. Durch die Reibung entlang der Zylinderwand 8 sowie durch auf der Oberfläche des Wirbelbegrenzers 13 entstehende Reibungs verluste wird aus der Strömung Energie entzogen, so daß im Bereich des Wirbelbegrenzers 13 die Tangentialgeschwindig keit wesentlich kleiner ist als an der Öffnung 3 für den Gemischeinlaß. Dadurch kann in der Rotationsachse 18 nicht ein so großer Unterdruck aufgebaut werden wie im Bereich der Öffnung 3. Resultierend aus dieser Druckdifferenz entsteht die Sekundärströmung 17, die längs der Zylinder und Rota tionsachse 18 zur hydrophoben Membran 12 gerichtet ist. Diese Sekundärströmung 17 transportiert die Gasblasen 19, welche aus dem Bereich der wandnahen Strömung zur Rotations achse 18 gewandert sind, zur hydrophoben Membran 12, wo sie, bewirkt durch den Druckunterschied, zwischen Innen- und Au ßendruck (p ca. 1 bar), ausgeschieden werden. Die hydrophobe Membrane 12 verhindert ein Austreten von Flüssigkeit durch die Öffnung 4 bzw. das Rohr 9 für den Gasauslaß.A primary flow 16 and a secondary flow 17 (see also FIG. 2) are generated in the cylinder interior 10 , which leads to separation (separation) of the liquid and gaseous phases. The primary flow 16 is excited during the tangential inflow through the opening 3 and has a high tangential velocity component, which leads to the fact that the liquid rotating in the cylinder interior 10 generates a high pressure in the vicinity of the cylinder wall 8 , while along the cylinder and axis of rotation 18 forms a negative pressure (see FIG. 3). The pressure differences generated in this way correspond to the principle of a cyclone. Due to the friction along the cylinder wall 8 and due to the friction losses arising on the surface of the vortex limiter 13 , energy is withdrawn from the flow, so that in the region of the vortex limiter 13 the tangential speed is substantially smaller than at the opening 3 for the mixture inlet. As a result, the vacuum in the axis of rotation 18 cannot be as great as in the region of the opening 3 . Resulting from this pressure difference is the secondary flow 17 , which is directed along the cylinder and axis of rotation 18 to the hydrophobic membrane 12 . This secondary flow 17 transports the gas bubbles 19 , which have migrated from the region of the flow close to the wall to the axis of rotation 18 , to the hydrophobic membrane 12 , where, caused by the pressure difference, between internal and external pressure ( p approx. 1 bar), excreted will. The hydrophobic membrane 12 prevents leakage of liquid through the opening 4 or the tube 9 for the gas outlet.

Diese im Zylinder 1 (Wirbelabscheider) so entstehende Strö mung gleicht den in einem Tornado oder in einer Sand- oder Wasserhose herrschenden Strömungsverhältnissen.This flow in cylinder 1 (vortex separator) is similar to the current conditions in a tornado or in sand or water pants.

Der in der Öffnung 6 vorgesehene Strömungsgleichrichter 15 bewirkt durch Beendigung der Drallströmung einen Druckrück gewinn und somit kleinere Verluste innerhalb des Zylinder innenraumes 10.The flow straightener 15 provided in the opening 6 brings about a pressure recovery by ending the swirl flow and thus smaller losses within the cylinder interior 10 .

Claims

1. Device for separating and separating gas from a mixture of gas and liquid, consisting of a cylinder with openings for the inlet of the mixture and outlet of the gas and the liquid, characterized by a bottle-shaped Ausgestal device of the cylinder ( 1 ), in which the openings ( 3 , 4 ) for the mixture inlet and the gas outlet in the bottom ( 2 ) and the opening ( 6 ) for the liquid outlet on the neck ( 7 ) are arranged, the opening ( 3 ) for the mixture inlet for generating a primary flow ( 16 ) in the cylinder ( 1 ) tangential to the cylinder wall ( 8 ) and the opposite openings ( 4 , 6 ) for the gas and liquid outlet are arranged axially in the cylinder ( 1 ), and that the opening ( 4 ) in the bottom ( 2 ) is provided with a tube ( 9 ) which extends in a funnel shape to the cylinder interior ( 10 ) and is provided with a hydrophobic membrane ( 12 ) on the funnel opening ( 11 ), and that in front of the opening ( 6 ) in the neck ( 7 ) To generate an axial secondary flow ( 17 ) in the cylinder ( 1 ) an axially aligned conical vortex limiter ( 13 ) is arranged.

2. Gas separator according to claim 1, characterized in that the opening in the neck is provided with a flow straightener ( 15 ).