DE4345137A1

DE4345137A1 - Kühlwirbelrohr

Info

Publication number: DE4345137A1
Application number: DE19934345137
Authority: DE
Inventors: Juergen U Keller
Original assignee: KELLER JUERGEN U UNIV PROF DR
Current assignee: KELLER JUERGEN U UNIV PROF DR
Priority date: 1993-12-23
Filing date: 1993-12-23
Publication date: 1995-06-29

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung, in welcher ein eingebrachtes siedendes Arbeitsfluid einem exothermen Entspannungsprozeß unterzogen wird.

Stand der Technik

In Kühleinrichtungen der bekannten Art werden sogenannte Kältemaschinen, d. h. technische Anlagen verwendet, in welchen durch Zufuhr von Arbeit oder Wärme innerhalb ei nes Kreisprozesses Kälte erzeugt wird. Nach dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann ein Wärmefluß von selbst nur von einem hohen zu einem tiefen Temperaturniveau er folgen. Bei der Kälteerzeugung, d. h. bei einem Wärmefluß entgegen diesem Temperaturgefälle ist mithin ein Energie aufwand erforderlich, um die bei niedriger Temperatur auf genommene Wärme auf eine höhere Temperatur zu bringen. Die zum Wärmetransport erforderliche Arbeit kann einem gas- oder dampfförmigen Arbeitsmedium, dem sogenannten Arbeitsfluid, in Form von Wärme oder mechanischer Arbeit zugeführt werden.

Je nach Art des Arbeitsprozesses unterscheidet man Kompressions-, Kälte-, Dampfstrahlkälte-, Kaltgas- und Absorptionskältemaschinen, die sämtlich kontinuierlich arbeiten, sowie die Adsorptionskältemaschine mit periodi schem Arbeitsablauf.

Die Erfindung bezieht sich auf Kühleinrichtungen, die be liebige kondensierbare Arbeitsfluide einsetzen, wobei Kompressionsprozesse mit oder ohne Lösungsmittelkreisläu fen vorgesehen sind und Adsorptions- bzw. Absorptionspro zesse durchgeführt werden können.

Beispielsweise wird bei einer Kompressionskältemaschine, die aus einem Verdampfer, einem Kompressor, einem Konden sator und einem Drosselventil besteht, ein Kreisprozeß durchlaufen, der in der Idealform einem umgekehrten re versibel verlaufenen Carnot-Prozeß entspricht, für den im wesentlichen gilt, daß die für die Kälteerzeugung auf zuwendende Arbeit proportional der Temperaturdifferenz zwischen Kondensator und Verdampfer ist. Bei diesen be kannten Kompressionskältemaschinen saugt der motorgetrie bene Kompressor aus dem Verdampfer das verdampfte Kälte mittel an und komprimiert es. Im Verdampfer wird die Wärme bei einem bestimmten Druck einem zu kühlenden Gut entzogen und vom Kältemittel auf genommen. Nach der Kom pression folgt im Kondensator bei einem unterschiedlichen Druck und einer unterschiedlichen Temperatur die Konden sation des Kältemittels mit der Übertragung von Wärme an die Umgebung oder an ein Kühlmittel. Das verflüssigte Kältemittel strömt danach durch das Drosselventil, ent spannt dabei auf den Verdampferdruck und verdampft an schließend wieder im Verdampfer. Dieser einfache Kreis prozeß kann auch zweistufig erfolgen, dabei wird die Tem peraturdifferenz erhöht, wie dies bei Wärmepumpen der Fall ist.

Wenn sich auch derartige Kältemaschinen mit Kühleinrich tungen in der in Frage stehenden Art in vielerlei Hin sicht bewährt haben, so läßt doch ihre Leistungszahl die u. a. durch den adiabaten Entspannungsprozeß in der Dros selvorrichtung bzw. in einer Entspannungsdüse begrenzt wird, zu wünschen übrig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kühlein richtung so weiterzubilden, daß durch ihren Einsatz die Leistungszahl von Wärmepumpen und Kältemaschinen erhöht werden kann. Dabei sollte insbesondere versucht werden, die isenthalpe Zustandsänderung des Arbeitsfluides beim Entspannen in einer Drossel durch eine exotherme, also mit Wärmeabgabe verbundene Zustandsänderung zu ersetzen um dadurch die Kältekapazität des Arbeitsmediums zu ver größern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-5, Anspruch 6 betrifft vorteilhafte Verwendungen der Einrichtung.

Als Kern der Erfindung wird es angesehen, den adiabaten Entspannungsprozeß in der Drossel bzw. in einer Entspan nungsdüse durch einen im allgemeinen nichtadiabaten, ins besondere durch einen exothermen dynamischen Entspan nungsprozeß zu ersetzen, was in einem Doppelkammer-Wir belrohr, d. h. einem modifizierten Wirbelrohr nach Ranque- Hilsch geschieht.

Wirbelrohre, in denen komprimierte Gase entspannt werden, sind seit mehreren Dekaden bekannt, auf die Basisveröf fentlichungen von G. Ranque (Journal de physique et le radium, 4 (1933), Nr. 7) sowie R. Hilsch, Z. F. Naturfor schung 1 (1946), Nr. 28-214 wird Bezug genommen.

Auch bei der Entspannung hochkomprimierter Flüssigkeiten treten in einem Wirbelrohr grundsätzlich thermische Sepa rationseffekte auf. Diese sind aber im allgemeinen we sentlich kleiner als bei Gasen und Dämpfen. (Vgl. J.U. Keller, Ki Klima, Kälte, Heizung, 7-8/1993, p.300-304.)

In Versuchen wurde nachgewiesen, daß bei der Entspannung siedender Flüssigkeiten in Wirbelrohren ein Teil der Flüssigkeit spontan verdampft. Der dabei entstehende Dampf kann durch die Wirkung der Schwerkraft zwar von der Restflüssigkeit absepariert werden, besitzt aber im all gemeinen keine große Strömungsgeschwindigkeit mehr, so daß sich ein thermischer Separationseffekt in der Regel nur sehr schwach, wenn überhaupt, ausbildet. Leitet man aber den Dampf unter erneuter Druckabsenkung in ein gün stigerweise konzentrisch angeordnetes 2. Wirbelrohr, so kann sehr wohl ein thermischer Separationseffekt, d,.h. die Trennung in einen Heißgasanteil und einen teilweise rückkondensierenden Kaltgasanteil beobachtet werden.

Das auf diese Weise entstandene Doppelkammer-Wirbelrohr erlaubt es also, hochkomprimierte und/oder siedende Flüs sigkeit in einen Heißgasstrom und einen Kaltfluidstrom, bestehend aus Gas und Flüssigkeit, umzuwandeln.

Durch Kühlung des Heißgasstromes kann bei Wärmepumpenpro zessen zusätzlich Nutzwärme gewonnen werden. Bei Kälte prozessen wird die Kälteleistung in entsprechender Weise erhöht, da das Arbeitsmedium nach Wiedervereinigung mit dem Kaltstrom mit einer der abgegebenen Kühlwärme ent sprechend verminderten Enthalpie in den Verdampfer eines Kühlkreislaufes eintreten kann. Dadurch wird die aufga bengemäß angestrebte Erhöhung der Leistungszahl von Wär mepumpen und Kältemaschinen möglich.

Der Warmgasstrom wird dabei über einen Kühlrohrabschnitt geleitet und in einem unterhalb des Doppelkammer-Wirbel rohres angeordneten Mischrohrabschnittes mit dem Kalt fluidstrom vereinigt.

Das so gebildete Kühlwirbelrohr, bestehend im wesentli chen aus dem Doppelkammer-Wirbelrohr und einem Kühlrohr, kann anstelle einer Drossel oder eines Expansionsventils in einen beliebigen verfahrenstechnischen Prozeß, also z. B. in einen Kältekreisprozeß oder Wärmepumpenprozeß mit Kompressions- oder Absorptionstechnik eingesetzt werden.

Nachfolgend wird nunmehr auf die Unteransprüche Bezug ge nommen.

Für den Wirkungsgrad der Kühleinrichtung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, unter dem Ausgang des inneren Wir belrohres ein genau einstellbares Ventil anzuordnen und ferner, beim Übergang vom Doppelkammer-Wirbelrohr zum Mischrohrabschnitt und vor der Einleitung des Kühlrohres in das Mischrohr von außen verstellbare Irisblenden anzu ordnen, um die Druckverhältnisse und die Massenströme in den Wirbelrohrkammern optimal einstellen zu können.

Der Kühlrohrabschnitt sollte von außen durch fluide Wär meträger gekühlt werden.

Die Ausbildung der Düsenringe, durch welche das Arbeits fluid in die Wirbelrohrkammern strömt, ist von entschei dender Bedeutung für den erzielbaren Dampfstrom und Tem peraturseparationseffekt.

Der Kühlrohrabschnitt geht rechtwinklig in den Misch rohrabschnitt über. Dabei reißt der Kaltfluidstrom den gekühlten Heißgasstrom nach Art einer Wasserstrahlpumpe mit.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Kühleinrichtung, die ein Doppelkammer-Wirbelrohr enthält;

Fig. 2 eine Teilschnittdarstellung durch das Doppelkammer-Wirbelrohr

Fig. 3 eine Querschnittdarstellung durch den Düsenbe reich gemäß Schnitt A-F in Fig. 2.

Fig. 1

Die dargestellte Kühleinrichtung "Kühlwirbelrohr" 1 weist ein Doppelkammer-Wirbelrohr 6 auf, in welches ein Ar beitsfluid 3, nämlich eine unterkühlte oder siedende Flüssigkeit oder auch ein Flüssigkeit-Dampf-Gemisch, durch eine Versorgungsleitung 4 eintritt. Im Doppelkam mer-Wirbelrohr wird ein Teil des Fluides verdampft und durch thermische Separation (Ranque-Hilsch-Effekt) in einen Heißgasstrom oder Warmstrom 15 und einen Kaltgas strom 17 geteilt. Der Warmstrom 15 wird in einem Expansi onsrohr 22 verzögert und tritt danach in ein Kühlrohr 23 ein, in dem er gekühlt wird. Danach strömt er durch eine verstellbare Blende B₂ in ein unter dem Doppelkammer-Wir belrohr 6 angeordnetes Mischrohr 30, wo er mit einem von oben herabfließenden Kaltfluidstrom 12 und Kaltgasstrom 17 gemischt wird. Dieser Mischstrom verläßt als entspann ter, gekühlter Naßdampf die Kühleinrichtung 1.

Der Konuswinkel des Expansionsrohres 22 beträgt etwa 8 - 10°. Das Kühlrohr ist mit einer Kühlberippung 24 verse hen. Es kann entweder allein durch diese oder aber auch durch andere, möglicherweise zusätzliche Maßnahmen, etwa Kühlfluide, gekühlt werden.

Fig. 2

Gleiche Teile wie in Fig. 1 tragen gleiche Bezugszei chen. Das dargestellte Doppelkammer-Wirbelrohr 6 besteht aus einem Grundkörper 31, der einen Ringkanal 5, eine äu ßere Wirbelkammer 8, eine innere Wirbelkammer 1′4, ver schiedene Gewindebohrungen und Bohrungen 32 für Verbin dungsschrauben enthält. Durch die Gewindebohrungen können von oben ein Diffusor 33, ergänzt durch eine Wirbelbremse 21 und ein Heißdampfaustrittsrohr 34 montiert werden. Von unten kann der zweiteilige Kondensatauffangbehälter 35 eingeschraubt und mit Zylinderschrauben 36 befestigt wer den. Durch diese Art der Konstruktion ist gewährleistet, daß das Regulierventil 18 einfach zugänglich ist.

Das Arbeitsfluid 3 tritt durch die Eintrittsöffnung 2 und die Versorgungsleitung 4 in den Ringkanal 5 ein. Von dort strömt es unter Druckabfall durch Düsenkanäle 7 (Fig. 3) in die äußere Wirbelkammer 8, verdampft teilweise und wird unter dem Einfluß der Schwerkraft 9 in einen Kalt fluidstrom 12 und einen Dampfstrom 10 separiert. Der Kaltfluidstrom strömt durch Schlitze 11 im Boden der äu ßeren Wirbelkammer in den Sammelraum 19, vereinigt sich mit einem aus dem Ventil 18 austretenden Kaltgasstrom und verläßt das Doppelkammer-Wirbelrohr durch die Austritts öffnung 20. Der Dampfstrom 10 tritt durch Düsenkanäle 13 aus der äußeren Wirbelkammer 8 unter Druckabfall in die innere Wirbelkammer 14 und wird infolge seiner hohen Strömungsgeschwindigkeit unter Ausbildung einer Drall strömung durch die Wirkung der Fliehkraft thermisch sepa riert. Dabei entsteht achsnah ein Kaltgasstrom 17, der infolge seiner höheren Dichte und weiterem Druckabfall nach unten durch eine Austrittsdüse 37 und das Regulier ventil 18 in den Sammelraum 19 austritt. Der bei der thermischen Separation - Ranque-Hilsch-Effekt - entste hende wandnahe Heißgasstrom oder Warmstrom 15 steigt auf, wird im Diffusor 33 verzögert, durch die Wirbelbremse 21 weiter abgebremst und strömt durch das Austrittsrohr 34 in den Kühlrohrabschnitt 23 des Kühlwirbelrohres.

Die Kühleinrichtung 1 kann grundsätzlich zur Kühlung be liebiger Arbeitsfluide verwendet werden. Im konkreten An wendungsfall ist auf die Auswahl geeigneter Werkstoffe besonders zu achten. (Kavitation)

Fig. 3

Gleiche Teile wie in Fig. 1 und 2 tragen gleiche Be zugszeichen.

Dargestellt ist der Schnitt A-F durch das Doppelkammer- Wirbelrohr 6. Durch die Eintrittsöffnung 2 und die Ver sorgungsleitung 4 tritt das Arbeitsfluid 3 zunächst in den Ringkanal 5. Danach strömt es unter Druckabfall durch die Düsenkanäle 7 des äußeren Düsenringes in die äußere Wirbelkammer, verdampft durch die Entspannung teilweise und fließt unter dem Einfluß der Schwerkraft durch unter halb der Düsenkanäle 7 angeordnete Schlitze in einen Sam melraum 19 (s.Fig. 2). Der entstandene Dampf wird auch durch die Wirkung der Schwerkraft von der Flüssigkeit ge trennt, steigt nach oben in der äußeren Wirbelkammer auf und tritt unter weiterem Druckabfall durch die Dü senkanäle 13 des inneren Düsenringes 27 in die innere Wirbelkammer 14. Dort wird er durch einen Ranque-Hilsch- Effekt in einen nach oben aufsteigenden wandnahen Heiß gasstrom 15 und in einen nach unten durch eine Austritts öffnung 16 (s.auch Fig. 2) abfließenden, teilkondensier ten Kaltgasstrom geteilt.

Für die Einstellung optimaler Druck- und Temperaturver hältnisse ist die Ausgestaltung und Dimensionierung der Düsenringe 26 und 27 von entscheidender Bedeutung. Zur Regulierung des gestuften Druckabfalles im Wirbelrohr dienen das feinregulierbare Ventil 18 und die Blenden B1 und B2 (Fig. 1).

Bezugszeichenliste

1 Kühleinrichtung
2 Eintrittsöffnung
3 Arbeitsfluid
4 Versorgungsleitung
5 Ringkanal
6 Doppelkammerwirbelrohr
7 Düsenkanäle (Außenkammer)
8 Äußere Wirbelkammer
9 Schwerkraft
10 Dampfstrom
11 Schlitze
12 Kaltfluidstrom
13 Düsenkanäle
14 Innere Wirbelkammer
15 Heißgasstrom
16 Austrittsöffnung (Innenkammer)
17 Kaltgasstrom
18 Ventil
19 Sammelraum
20 Austrittsöffnung (Sammelraum)
21 Wirbelbremse
22 Expansionsrohr
23 Kühlrohrabschnitt
24 Kühlrippen
25 Ventilkegel
26 Düsenring (Außenkammer)
27 Düsenring (Innenkammer)
28 Austrittsöffnung eines äußeren Düsenkanals
29 Austrittsöffnung eines inneren Düsenkanals
30 Mischrohrabschnitt
31 Grundkörper
32 Bohrung(en)
33 Diffusor
34 Heißdampfaustrittsrohr
35 Kondensatauffangbehälter
36 Zylinderschraube (n)
37 Austrittsdüse

Claims

1. Kühleinrichtung (1), Fig. 1, in welcher ein einge brachtes komprimiertes oder siedendes Arbeitsfluid (3) einem exothermen Entspannungsprozeß unterzogen wird,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) das Arbeitsfluid (3) wird über eine Versorgungs leitung (4) in den Ringkanal (5) eines Doppel kammerwirbelrohres (6) geführt, aus dem es durch Düsenkanäle (7) unter Druckabsenkung tangential an die Wandungen in die äußere Wirbelkammer (8) ein tritt, unter Bildung einer Drallströmung teilweise verdampft und unter Einwirkung der Schwerkraft (9) in einen nach oben steigenden Dampfstrom (10) und einen nach unten durch Schlitze (11) abfließenden Kaltfluidstrom (12) separiert wird;
b) der Dampfstrom (10) strömt durch verhältnismäßig enge, oberhalb angeordnete Düsenkanäle (13) tangen tial an die Wandungen in die innere Wirbelkammer (14), bildet eine Drallströmung und separiert sich unter dem Einfluß der Fliehkraft in einen nach oben aufsteigenden wandnahen Heißgasstrom (15) und einen durch eine Öffnung (16) nach unten abfließenden Kaltgasstrom (17);
c) der Kaltgasstrom (17) strömt durch eine Ventil (18) in einen Sammelraum (19) und verläßt zusammen mit dem Kaltfluidstrom (12) durch eine Austrittsöffnung (20) als Zweiphasenströmung das Doppelkammerwirbel rohr;
d) der Heißgasstrom (15)′ wird nach Passieren einer Wirbelbremse (21) in ein konisches Expansionsrohr (22) und danach in einen Kühlrohrabschnitt (23) mit Kühlrippen (24) geleitet und in einem unter halb des Doppelkammerwirbelrohres (6) ange ordneten Mischrohrabschnittes (30) mit dem Kalt fluidstrom (12) und Kaltgasstrom (17) vereinigt.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppelkammerwirbelrohr (6) ein justierbares Ventil (18) und 2 Irisblenden B₁, B₂ mit von außen verstellbaren Querschnitten besitzt.

3. Kühleinrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlrohrabschnitt (23) im wesentlichen einen konstanten Rohrquerschnitt besitzt und von außen mit wärmeabführenden Elementen (Kühlgasen oder Kühl flüssigkeiten) ausgestattet ist.

4. Kühleinrichtung nach einem der vorliegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppelkammerwirbelrohr (6) zwei Düsenringe (26) und (27) mit je mindestens 4 Düsenkanälen (7) bzw. (13) geeigneter Breite und Tiefe besitzt, deren Austrittsöffnungen (28) bzw. (29) parallel zu den sie aufnehmenden Wandbereichen des äußeren bzw. inneren Düsenringes verlaufen.

5. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltfluidstrom (12) zusammen mit dem Kaltgas strom (17) nach Durchströmen der Austrittsöffnung (20) den gekühlten Heißgasstrom (15) nach Art einer Wasser strahlpumpe in den Mischrohrabschnitt (30) einsaugt.

6. Verwendung einer Kühleinrichtung nach einem der vor hergehenden Ansprüche 1-5 in Wärmepumpen und Kälte maschinen mit Kompressionstechnik, Absorptionstechnik, Adsorptionstechnik oder einer Kombination dieser Techniken als Ersatz für adiabate Expansionsventile bzw. für adiabate Entspannungsdüsen.