DE69114783T2

DE69114783T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung des hydrodynamischen Druckes von Flüssigkeitsstrahlen.

Info

Publication number: DE69114783T2
Application number: DE69114783T
Authority: DE
Inventors: Efim Fuks; Vadim Fuks; Sergey Lunev; Vladimir Lunev
Original assignee: APRIL DYNAMICS IND 1990 Ltd
Current assignee: APRIL DYNAMICS IND 1990 Ltd
Priority date: 1990-08-12
Filing date: 1991-08-12
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2011-08-13
Also published as: DE69114783D1; IL95348A0; EP0471321A1; EP0471321B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Strömungstechnik und ist dazu geeignet, eine Flüssigkeit für verschiedene Anwendungen zu Erwärmen und Überzuverdichten.
Bei bekannten Verfahren zum Erzeugen eines hydrodynamischen Drucks einer Fluidströmung wird eine Flüssigkeit mit einem Gas (Dampf) gemischt und die gasförmige Phase anschließend vollständig oder teilweise verflüssigt.
Diese Verfahren finden breite Anwendung in verschiedenen Industriebereichen und werden in Einspritzvorrichtungen realisiert.
Ein Nachteil dieser Verfahren ist, daß gemäß der Theorie ein Flüssigkeitsdruck am Auslaß der Einspritzvorrichtung nicht größer sein kann als der Mittelwert aus dem Flüssigkeits- und dem Gasdruck am Einlaß der Einspritzvorrichtung.
Bei einem bekannten Verfahren zum Erzeugen eines hydrodynamischen Drucks einer Fluidströmung wird ein Dampf-Flüssigkeit-Zweiphasengemisch erzeugt, ein Strömungsbereich dieses Gemischs erzeugt, in dem die Geschwindigkeit höher ist als die Schallgeschwindigkeit für dieses Gemisch, und die Gasphase in einem Verdichtungs- oder Schockwellen-Verflüssigungsbereich (Bereich abrupter Druckerhöhung) verflüssigt oder gelöst (vergl. z.B. Deich, M.E. und Philippov, G.A., "Gasodynamics of 2-phase mediums", Moskau, 1968, Seiten 267- 274). Durch dieses Verfahren kann der Fluiddruck hinter dem Schockwellen-Verflüssigungsbereich bzw. im Nach-Schockbereich bezüglich dem Arbeitsmediumdruck etwa um den Faktor 1.5 erhöht werden.
Ein Beispiel eines solchen Systems ist in der EP-A- 0150171 dargestellt, in der eine Überschall-Einspritzvorrichtung beschrieben wird, bei der in einem sich mit Überschall bewegenden Gas-Flüssigkeitsgemisch ein Gasabsorptionsprozeß ausgenutzt wird, wodurch ein Schockwellenbereich erhalten wird. Der Grad der hierbei erhaltenen Druckerhöhung ist jedoch ungenügend.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, durch das der hydrodynamische Druck einer Flüssigkeitsströmung im Nach-Schockbereich wesentlich erhöht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem mindestens ein Teil der Flüssigkeit aus dem Schockwellenbereich seitlich entzogen wird.
Nachstehend wird ein Beispiel zum Durchführen dieses Verfahrens in einem Fall betrachtet, bei dem wasserhaltiger Dampf als Gasphase verwendet wird. Eine Wasser-Dampfgemischströmung kann auf zwei Weisen erzeugt werden:
a) Vermischen einer Wasser- und einer Dampfströmung.
b) Veranlassen, daß Flüssigkeit verdampft, indem eine Hochgeschwindigkeitsströmung der Flüssigkeit erzeugt wird.
Für eine feindispergierte homogene Flüssigkeit-Dampf- Strömung ergibt sich eine Schallgeschwindigkeit von 10 bis 40 m/sec. Durch Erzeugen einer Strömung dieses Gemischs mit einer Strömungsgeschwindigkeit, die größer ist als die Schallgeschwindigkeit dieses Mediums, wird eine sich mit Überschall bewegende Dampf-Flüssigkeit-Zweiphasenströmung erhalten.
Dies ist eine metastabile Struktur, die zu einem Übergang von der sich mit Überschall bewegenden Dampf- Flüssigkeitsströmung zu einer Flüssigkeitsströmung im Unterschallbereich führt.
Dieser Übergang findet im Schockwellen-Verflüssigungsbereich (Bereich abrupter Druckerhöhung) statt. Im Schockwellenbereich tritt eine schnelle und vollständige Verflüssigung der Dampfphase der Strömung auf. Die Dampfenergie kann nicht sofort vollständig in Wärme umgewandelt werden, so daß ein Teil dieser Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird.
Dadurch wird eine Erhöhung des hydrodynamischen Drucks der Fluidströmung im Nach-Schockbereich verursacht.
Hydrodynamische Effekte, die durch vollständiges oder teilweises seitliches Entziehen von Flüssigkeit aus dem Schockwellen-Verflüssigungsbereich (Bereich abrupter Druckerhöhung) auftreten, führen zu einer Erhöhung des hydrodynamischen Drucks im Nach-Schockbereich.
Wenn die Flüssigkeit vollständig entzogen wird, wird im Nach-Schockbereich ein hoher hydrostatischer Druck erzeugt.
Durch Verwendung des beschriebenen Verfahrens in einer mehrstufigen Vorrichtung (indem die vorstehend erwähnten Operationen wiederholt durchgeführt werden), kann ein sehr hoher Absolutdruck der Fluidströmung erreicht werden.
Durch teilweises oder vollständiges Vermischen des entzogenen Anteils der Strömung mit der ankommenden Flüssigkeit, um eine Dampf-Flüssigkeit-Zweiphasenströmung zu erzeugen, kann sowohl Flüssigkeits- als auch Dampfenergie eingespart werden.
Die nachstehende Tabelle zeigt Testergebnisse eines Industriemusters einer Pumpenheizvorrichtung, durch die das beschriebene Verfahren realisiert wird.
Druck am Strömungseinlaß (bar) 1 2 3
Druck am Wasserauslaß (bar) bei teilweisem Entzug 6 9 16
Druck am Wasserauslaß (bar) bei vollständigem Entzug 9 14 20
Die Zeichnung zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung, bei der das beschriebene Verfahren verwendet wird. Dadurch wird eine von verschiedenen Möglichkeiten dargestellt, durch die das vorstehende Verfahren realisiert werden kann.
Die dargestellte Vorrichtung weist eine Düse 1 mit einer Einlaßöffnung 2 zum Zuführen von Dampf, einen bezüglich der Düse koaxial angeordneten Körper 3 mit einer Einlaßöffnung 4 zum Zuführen einer Flüssigkeit und eine Mischkammer 5 auf. Die Mischkamnmer 5 weist eine Auslaßöffnung 6 für die Flüssigkeit und einen Zusatzauslaß (seitliche Ablaßöffnung) 7 auf.

Claims

1. Verfahren zum Erhöhen des hydrodynamischen Drucks einer Fluidströmung in einer Einspritzvorrichtung mit den Schritten:

a) Erzeugen eines Gas-Flüssigkeit- oder Dampf- Flüssigkeit-Zweiphasengemischs, das sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die höher ist als die Schallgeschwindigkeit für das Gemisch;

b) Erzeugen einer Schockwelle im Gemisch, indem veranlaßt wird, daß sich der Dampf oder das Gas in der Flüssigkeit verflüssigt oder auflöst, so daß die Geschwindigkeit des Gemischs nicht länger im Überschallbereich liegt, wodurch eine Schockwelle in einem Schockwellenbereich erzeugt wird, wobei der Druck der Strömung abrupt zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Flüssigkeit aus dem Schockwellenbereich seitlich entzogen wird, wodurch die durch die Schockwelle verursachte Druckerhöhung vergrößert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt a) den Schritt aufweist: Zuführen einer Flüssigkeit und eines Gases, so daß das Zweiphasengemisch ein Gas-Flüssigkeit-Gemisch ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt a) den Schritt aufweist: Zuführen einer Flüssigkeit und eines Dampfes, so daß das Zweiphasengemisch ein Dampf-Flüssigkeit-Gemisch ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt a) den Schritt aufweist: Zuführen einer Flüssigkeit und Erhöhen der Geschwindigkeit der Flüssigkeit, so daß die Flüssigkeit siedet.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegende Zweiphasengemisch durch Mischen einer Flüssigkeit mit einer sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegenden Gas- oder Dampfströmung gebildet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die zugeführte Flüssigkeit aus einem Anteil frischer Flüssigkeit und einem Anteil entzogener Flüssigkeit besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegende Zweiphasengemisch durch Mischen einer Flüssigkeit mit einer sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegenden Gas- oder Dampfströmung gebildet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte eines der vorstehenden Ansprüche wiederholt werden, wobei im Schritt zum Zuführen einer Flüssigkeit eine Hochdruckflüssigkeit zugeführt wird.

9. Einspritzvorrichtung zum Erhöhen des Drucks einer Fluidströmung, mit:

einem Gas- oder Dampfeinlaß (2);

einem Flüssigkeitseinlaß (4);

einer Einrichtung (1, 3) zum Erzeugen eines Gas- Flüssigkeit- oder eines Dampf-Flüssigkeit-Zweiphasengemischs, das sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die höher ist als die Schallgeschwindigkeit für das Gemisch;

einem Strömungskanal (5), der das sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegende Zweiphasengemisch von der Einrichtung zum Erzeugen des Zweiphasengemischs aufnimmt, wobei im Kanal eine Schockwelle im Gemisch erzeugt wird, indem veranlaßt wird, daß der Dampf oder das Gas sich in der Flüssigkeit verflüssigt oder auflöst, so daß die Geschwindigkeit des Gemischs nicht länger im Überschallbereich liegt, wodurch eine Schockwelle erzeugt wird, wobei der Druck der Strömung abrupt zunimmt,

gekennzeichnet durch einen Seitenabzugskanal (7) im Bereich der Schockwelle, durch den mindestens ein Teil der Flüssigkeit aus dem Bereich der Schockwelle entzogen wird, so daß die durch die Schockwelle verursachte Druckerhöhung vergrößert wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung zum Erzeugen eines Zweiphasengemischs eine Einrichtung zum Erzeugen eines Gas-Flüssigkeit-Zweiphasengemischs aufweist, das sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die höher ist als die Schallgeschwindigkeit für das Gemisch.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung zum Erzeugen eines Zweiphasengemischs eine Einrichtung zum Erzeugen eines Dampf-Flüssigkeit-Zweiphasengemischs aufweist, das sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die höher ist als die Schallgeschwindigkeit für das Gemisch.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, ferner mit einer Einrichtung (3, 4) zum Mischen einer Flüssigkeit mit einer sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegenden Gas- oder Dampfströmung, wodurch das sich mit Überschall bewegende Zweiphasengemisch gebildet wird.