DE4219096C2 - Zyklon zur Phasentrennung eines Arbeitsmittels im Teilprozeß der Kondensatentspannung mit hohem Dampfüberschuß - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zyklon zur Phasentrennung eines Arbeitsmittels im Teilprozeß der Kondensatentspan­ nung mit hohem Dampfüberschuß und einem in der Zyklon­ mitte angeordnetem Heißflüssigkeitsstrahler, dessen Diffusor, nahe dem unteren Zyklonboden in eine Strahl­ aufteilungseinrichtung mündet, in welcher der beim funktionellen Betrieb erzeugte und vergrößerte, zwei­ phasige Arbeitsmittelmassenstrom um mindestens 180° umgelenkt wird entsprechend den Merkmalen des Gattungsbegriffs des Anspruchs 1.

Ein solcher Zyklon ist zur Optimierung des Strömungsab­ laufes in dem Entspannungsprozeß einer Kompressions­ wärmepumpe, insbesondere nach der DE 38 34 302 C2, vor­ teilhaft einsetzbar.

Es ist bekannt, wie in der vorstehend genannten Patent­ schrift beschrieben, den auf der Saugseite einer Kom­ pressions-Wärmepumpe befindlichen Dampf mit einer Heiß­ flüssigkeitsstrahlpumpe mit Hilfe des unter Druck ste­ henden flüssigen Kondensats nach dessen Nutzwärmeabgabe in einem Zyklon auf höheren Druck und Temperatur zu entspannen. Ein Teil des Kondensats wird in einer Misch­ düse des hierbei verwendeten Heißflüssigkeitsstrahlers als auch im Diffusor verdampft. Am Ende des Pumpvor­ ganges weist das austretende Naßdampfgemisch einen Dampfüberschuß auf Kosten von verdampftem Kondensat durch die beim Strömungsablauf sich einstellenden Reak­ tionen der unterschiedlichen Phasen des Arbeitsmittels untereinander auf. Die in einer Mischdüse und einem Diffusor ablaufenden Strömungsvorgänge sind gegenüber dem theoretischen reversibel fixierten Ablaufgeschehen irreversibel und bedingen bei der Heißflüssigkeits­ strahlpumpe eine größere Menge an Treibflüssigkeit (Ch. Mostofizadeh: Thermische Wärmepumpe, Elektrowärme in­ tern. Edition A, 35 (1977) A1 Januar).

Wird hier vergleichsweise eine Dampfstrahlpumpe einge­ setzt, so ist diese unter den gegebenen Umständen we­ sentlich weniger effektiv als der Heißflüssigkeits­ strahler, da letzterer bei richtiger Wahl und Ausbil­ dung von Mehrstrahldüse, Mischdüse und Diffusor ther­ modynamisch eine Enthalpieangleichung im Misch- und Verdichtungsablauf des Strömungsgeschehens der unter­ schiedlichen Phasenkomponenten ermöglicht. Dies kann z. B. darstellungsgemäß unschwer aus der Fixierung von einer Isothermen parallel zu der zugehörigen Mischgera­ den in einem h,s-Diagr. (s. z. B. Bild 1 Mostofizadeh) veranschaulicht werden. Bei Verwendung einer Dampf­ strahlpumpe befinden sich die Zustände von Saug- und Treibdampf auf der Taulinie, wodurch ein gleicher Enthalpieumsatz bzw. Enthalpieausgleich auf der Iso­ thermen nicht möglich ist.

Nach der DE 38 34 302 C2 wird das Kondensat als Treib­ strom einer Mehrstrahldüse mit zentripetaler, d. h. ein­ rollender Ablaufcharakteristik zugeführt, bei welcher der gesamte abfließende Treibstrom des Kondensats durch die Mehrstrahligkeit gegenüber dem Vollquerschnitt eines Einzelstrahles dem angesaugten Kaltdampfstrom eine we­ sentlich größere Reaktionsfläche in der Mischdüse bietet. In Verbindung mit dem spiralförmigen Strömungs­ ablauf bis in den Diffusor hinein beschleunigt dies unter anderem die Angleichung der Enthalpien von Treib- und Saugstrom und sichert eine hohe Effektivität.

Bei der auf diese Weise bis zum unteren Ende des Diffu­ sors durchgeführten Verdichtung mittels eines Heiß­ flüssigkeitsstrahlers ist aus der DE 38 34 302 C2 nur andeutungsweise die Weiterführung des nunmehr vergrößer­ ten zweiphasigen Massenstromes nebst effektiver Tren­ nung der beiden Phasen gezeigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Phasen­ trennung im erweiterten freien Innenraum des Zyklonbe­ hälters zu optimieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Nach einer ersten energetisch mit sehr hoher Intensität ablaufenden Strahlverdichtung im unteren Bereich (s. Fig. 1) des Diffusors wird der Arbeitsmittelmassenstrom über ein relativ kurzes Zeitintervall des Zuströmens von heißem flüssigen Kondensat in den Heißflüssigkeits­ strahler unter nachfolgender Weiterführung des nunmehr vergrößerten aus zwei Phasen bestehenden Arbeitsmittel­ massenstroms durch die Strahlaufteilungseinrichtung zu den in Richtung Zyklonmitte abgewinkelten Düsenkanälen der Ringdüse (s. Fig. 3 Detail A) danach durch den diffusorartigen Doppeltrichter vom unteren Ende der Diffusoraußenwand über die daran angebrachten Kanäle eines segmentierten Ringkanals (s. Fig. 2) zum oberen Ende der Diffusoraußenwand geführt. Dabei erfolgt eine partielle weitere Wärmeaufnahme aus dem Diffusor, die zu einer zusätzlichen den Dampfüberschuß noch vergrößernden Verdampfung führt. Der Arbeitsmittelmassenstrom strömt dann in den größten freien Volumenraum des Zyklons ein, wobei fein verteiltes Kondensat an der großen inneren Mantelfläche des Zyklons teilweise kondensiert und unter Tropfenbildung über die Rinne in die Ringdüse als auch in die Kanäle und in den Kondensatsammler gelangt, womit die Trennung der beiden Phasen im Wechsel über die Zeitintervalle der Kondensatbeaufschla­ gung zweier Zyklone gewährleistet wird.

In der Strahlaufteilungseinrichtung erfolgt eine wei­ tere Strahlverdichtung.

Hinter der Umlenkung des zweiphasigen Arbeitsmittel­ massenstroms um ca. 180° in der Strahlaufteilungsein­ richtung ist eine Ringdüse vorgesehen, die den in der Ringdüse erneut verdichteten zweiphasigen Arbeitsmittel­ massenstrom in einen im Querschnitt diffusorartig sich erweiternden Doppeltrichter einleitet, der den zwei­ phasigen Arbeitsmittelmassenstrom an die Außenwand des Diffusors zurückführt.

Um gemäß der schon wie zuvor beschriebenen wechsel­ weisen Beaufschlagung zweier Zyklone in kurzen Zeit­ intervallen mit flüssigem Kondensat die erforderliche Effektivität im jeweils bei jedem Zeitintervall neu beginnenden Druckaufbau zu gewährleisten, wurde die Strahlaufteilungseinrichtung über die kon­ struktive Ausbildung so gestaltet, daß der Abfluß des zweiphasigen Arbeitsmittelmassenstroms in Richtung zum druckmäßig niedriger liegenden größten Volumenteil zu Beginn der Beaufschlagung erneut eine Beschleunigung und Ver­ zögerung erfährt. Der Arbeitsmittelmassenstrom wird dadurch einer mit wesentlich geringeren Intensität ab­ laufenden Verdichtung unterzogen, womit weiter nach der Zyklonmitte hin abgewinkelte Düsenkanäle der Ringdüse (s. Fig. 3 Detail A) mit Doppeltrichter einen ähnlichen Funktionsablauf ermöglichen. Der Arbeits­ mittelmassenstrom weist somit aber nach Absaugen von Naßdampf aus dem Rohranschluß im Wechsel der beaufschlagten Zeitintervalle laufend eine leichte Pulsation auf. Die Vorrichtungselemente der sekundären Verdichtungen verhindern bzw. verzögern in etwa mit abnehmender Wirkung nach Ende des Druckaufbaus strö­ mungsdynamisch den Rückfluß während der Intervallfolgen.

Der Doppeltrichter umschließt einen Ansaugraum, aus dem Kondensatdampf über die Kanäle aus dem Kondensatsammler durch eine den Diffusor ringförmig umschließende Düse in den Kanal unter Injektorwirkung einleitet.

Außer der sekundären Verdichtung in den abgewinkelten Düsenkanälen der Ringdüse und dem daran weiter­ führenden Doppeltrichter wird an dessen Übergang in die Gegenstromkanäle an der Außenwand von Diffusor die abschließende Formausbildung des innen­ liegenden Trichters vom Doppeltrichter so gehal­ ten, daß dieser einen Ansaugspalt zur Diffusoraußenwand bildet. Der Ansaugspalt stellt das Ansaugen von weniger strömungsenergiereichem, abdampfenden Arbeits­ mittel aus dem Kondensatsammler über dem Ansaugraum während des funktionellen Strömungsablaufs sicher. Der Durchtritt dieses Arbeitsmitteldampfes über die Kanäle erfolgt während der Zeitspanne der Kondensat­ beaufschlagung in den Zyklon zeitmäßig bei geringstem Kondensatanfall, womit im Strömungsablauf des Arbeits­ mittelmassenstroms, dieser bei erhöhtem Kondensatanfall eben durch diese Kanalführung von Kondensat überflutet wird und eine somit gegebenenfalls schädliche Verwirbelung mit der flüssigen Phase unterdrückt.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert:

Es zeigen:

Fig. 1 einen Zyklon mit Heißflüssigkeitsstrahler,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II, II und

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des mit A gekenn­ zeichneten Details in Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Zyklon mit einem aus einem Einlaß 1 für Kaltdampf, einem Einlaß 2 für flüssiges Kondensat, einem sich in Strömungsrichtung trichterförmig verengenden Abschnitt 3 und einem sich trichterförmig erweiternden langgestreckten Diffusor 4 bestehenden Heißflüssigkeitsstrahler, bei dem die Weiterführung des vergrößerten aus zwei Phasen bestehenden Massenstromes über Elementgruppen mit beschleunigender als auch ver­ zögernder Wirkung zum erweiterten freien Innenraum eines Zyklonbehälters 15 in Verbindung mit einer partiellen Wärmeaufnahme aus einem Diffusormantel 4′′ und einer an einer Zykloninnenwand 19 ablaufenden Kondensation, bis zum abschließenden Druckaufbau während eines Pumpinter­ valles über den Heißflüssigkeitsstrahler erfolgt.

Bei diesem Zyklon zur Phasentrennung eines Arbeitsmit­ tels im Teilprozeß der Kondensatentspannung mit hohem Dampfüberschuß beispielsweise in einer Kompressions­ wärmepumpe nach DE 38 34 302 C2 ist vorgesehen, daß im Zyklonaufbau entsprechend der Fig. 1 mit eingebautem Heißflüssigkeitsstrahler mit den Teilen 1, 2, 3 und 4 der aus zwei Phasen bestehende, durchlaufende Massenstrom des Ar­ beitsmittels in Weiterführung auf seinem Weg zum größ­ ten freien Volumen im Zyklonbehälter 15 des Zyklons weitere Beschleunigungen und Verzögerungen als auch einen partiellen Wärmezugang aus der Diffusormantelwand 4′′ bis zum endgültigen Druckaufbau während des Pumpin­ tervalles für das gesamte Zyklonvolumen über den Heiß­ flüssigkeitsstrahler erfährt. Die Kondensation vollzieht sich vorwiegend an der Zykloninnenwand 19.

Eine Strahlaufteilungseinrichtung besteht aus einem Strömungsteiler 5, einem trompetenartig sich erweitern­ den Oberteil 6 einschließlich eingelassener Kanäle 7 zur Kondensatableitung und einem unterhalb des Strö­ mungsteils 5 angeordneten Prallkegel 8. Der Prallkegel 8 lenkt in Verbindung mit dem Oberteil 6 den Heiß­ flüssigkeitsstrahl als nunmehr vergrößerten, zwei­ phasigen Arbeitsmittelmassenstrom um ca. 180° um. Der zweiphasige Arbeitsmittelmassenstrom tritt dann in eine Ringdüse 9 mit eingelassenen Kanälen 10 zur Kondensat­ ableitung ein, die den zweiphasigen Arbeitsmittelmassen­ strom in einem im Querschnitt diffusorartig ausgebil­ deten Doppeltrichter 11 in Ausstrahlungsrichtung der Ringdüsenöffnungen 9 leitet. Gleichzeitig wird dem durch den Doppeltrichter 11 strömenden zweiphasigen Arbeitsmittelmassenstrom weniger strömungsenergie­ reiches, abdampfendes Kondensat aus einem Kondensat­ sammler 13 über einen unterhalb des Doppeltrichters 11 befindlichen Ansaugraum 14 durch Injektorwirkung an dieser Ringdüse 9 mit angeschlossenem Doppeltrichter 11 bei Eintritt in einen Ringkanal 12 hinzugefügt. Der Ring­ kanal 12 tritt am oberen Ende des Diffusors 4 in einen Zyklonbehälter 15 aus, der an seinem oberen Ende einen Absaugstutzen 16 für die Ableitung der Dampfphase des verdichteten Massenstroms aufweist.

Die Vorteile der beschriebenen Massenstromführung in einem solchen Zyklon bestehen insbesondere darin, daß nach der Druckerhöhung am Diffusorende entsprechend der relativ kurzen Zeitintervalle des Massenzustromes aus dem Heißflüssigkeitsstrahler die damit ver­ bundenen Druckschwankungen zu einer leichten Pulsation führen, wobei die Druckspitze eines Impulses im Zyklon­ behälter 15 an der Zykloninnenwand 19 mit einem erhöhten Kondensatanfall verbun­ den ist. Das Kondensat wird über eine Rinne und Öffnungen bzw. Kanäle 10 in der Ringdüse 9, dem Ansaug­ raum 14 und den Kondensatableitkanälen 7 zum Kondensat­ sammler 13 geführt, um über die Leitungsanschlüsse 17, 18 des weiteren u. a. bezüglich der Kondensatverteilung dem Arbeitsmittelkreislauf zugeführt bzw. entsprechend der Maschinensteuerung wieder abgezogen zu werden.

Claims (4)

1. Zyklon zur Phasentrennung eines Arbeitsmittels im Teilprozeß der Kondensatentspannung mit hohem Dampfüberschuß mit einem in der Mitte eines Zyklon­ behälters (15) angeordneten, einen Diffusor (4) aufweisenden Heißflüssigkeitsstrahler, bei dem der Diffusor (4) in eine Strahlaufteilungseinrichtung mündet, in welcher der Arbeitsmittelmassenstrom unter Umlenkung von mindestens 180° durch mehrere Düsen- und Diffusorabschnitte über die Gesamtlänge der Kanalführung im relativ kurzen Zeitintervall der wechselseitigen Kondensatentspannungen bis zu der inneren Mantelfläche (15) des Zyklons zur Teilkondensation geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Wechsel relativ kurzer Intervallzeiten des Zuströmens von Arbeitsmittel,

• - der Arbeitsmittelmassenstrom bei abnehmender Intensität gegen Ende der Intervallzeit über Vorrichtungselemente zu einer pulsierenden Strömungscharakteristik gebracht wird
• - und an der Zyklonwand (19) eine Teilkondensation des im Zeitintervall zugeführten Kondensatmassenanteils unter Vermeidung von Rückströmen des Arbeitsmitteldampfes erfolgt.

2. Zyklon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der über die Ringdüse (9) und den Doppeltrichter (11) abfließende Arbeitsmittelmassenstrom, beim Übergang vom diffusorartig sich erweiternden Doppeltrichter (11) in den ringförmig die Diffusorwand (4′′) umgebenden Kanälen (12) unter Ansaugen und Mischen von weniger energiereichem (kälteren) Arbeitsmitteldampf über den Ansaugraum (14) aus dem Kondensatsammler (13) geführt wird und die höhere Temperatur von Diffusor (4) in Zyklonmitte gegenüber der Zykloninnenwand (19) unter Entzug von Verdampfungswärme angeglichen wird.

3. Zyklon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über Kondensatableitungskanäle (7) in der Strahlaufteilungsvorrichtung und der aus der Ringdüse (9) und der Außenwandung vom Doppeltrichter (11) gebildeten Rinne im unteren Bereich der Zyklonwand (19) und Kondensatableitungskanäle (10) bei starkem Kondensatanfall eine wirksame Trennung von der energiereicheren Dampfphase über die im vollen Rohrabflußquerschnitt gefluteten Kondensatableitungsrohre herbeigeführt wird.

4. Zyklon nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß funktionell im pulsierenden Strömungsablauf über das jeweils für zwei Zyklone vorgegebene Zeitintervall, mit Beginn des Zuströmens von flüssigem Kondensat, zeitmäßig dieses zu einer Druckspitze bei noch geringem Kondensatanfall an der Zykloninnenwand (19) führt und mengenmäßig das Maximum an Kondensat im jeweils zeitmäßig nicht beaufschlagten Zyklon sich ausbildet, wobei verstärkter Kondensatabfluß als dynamische Flüssigkeitssperre den unmittelbaren Potentialausgleich zwischen Dampf- und Flüssigphase bis zu Beginn eines erneuten Druckaufbaues durch Entspannung von heißem, flüssigen Kondensat verzögert.