-
Verfahren zum Betrieb einer Entspannungs- und Verdichtungsdüse mit
zwei strömenden Mitteln von verschiedenem Raumgewicht Es hat sich bei zahlreichen
Versuchen herausgestellt, daß in einem Rohr auch bei turbulenter Strömung zwei Strömungsmittel
von verschiedenem Raumgewicht hintereinander oder nebeneinander strömen können,
ohne sich miteinander zu vermischen. Auch auf langen Strecken findet nur eine verhältnismäßig
geringe Vermischung statt, wenn nicht besondere Mischvorrichtungen angebracht werden.
Unter Ausnutzung dieser Erkenntnis stehen bei dem neuen Verfahren zum Betrieb einer
Entspannungs- und Verdichtungsdüse mitzwei strömenden Mitteln von verschiedenem
Raumgewicht erfindungsgemäß beide Strömungsmittel in der Entspannungsdüse und/oder
in einer zwischen beiden Düsen angeordneten Ausgleichstrecke miteinander in Berührung,
so daß ein Druck- und Geschwindigkeitsausgleich erfolgt, während sie in der Verdichtungsdüse
voneinander getrennt werden, so daß das schwerere auf einen höheren Druck verdichtet
wird als das leichtere.
-
Es wird also potentielle Energie des leichteren Strömungsmittels auf
das schwerere übertragen, indem zunächst in der Entspannungsdüse potentielle Energie
beider Strömungsmittel in Strömungsenergie verwandelt wird, und zwar beim leichteren
mehr als beim schwereren. Dabei (in der Entspannungsdüse) oder danach (in dem Zwischenstück)
wird infolge der fortwährenden Berührung beider Strömungsmittel die Geschwindigkeit
des schwereren herauf- und die des leichteren herabgesetzt. Nachdem sich eine mittlere
Geschwindigkeit eingestellt hat, werden beide Strömungsmittel voneinander getrennt
in die Verdichtungsdüse eingeleitet. Am Ende dieser Düse ist dann der Verdichtungsdruck
des schwereren Mittels naturgemäß höher als der des leichteren. Er liegt über dem
Druck beim
Eintritt in die Entspannungsdüse, während der. Druck
des leichteren Mittels am' Ende der Verdich= tungsdüse niedriger ist als be-imEintritt
in die Entspannungsdüse. _ ,.
-
Das Verfahren soll an Hand der Abbildung näher erläutert werden. In
dem Rohrstück i strömt, z. B. am Punkt 2, kalte Luft mit einem Druck von beispielsweise
i atü und einer Temperatur von 15' C. In der anderen Hälfte des Rohrstückes,
z. B. am Punkt 3, strömt heiße Luft mit einer Tempera: tur von 6oo° C und ebenfalls
einem Druck von i atü mit der gleichen Geschwindigkeit wie die kalte Luft. Bei der
Einschnürung im Rohrstück4 werden die kalte und die warme Luft beschleunigt.
-
Da in jedem Querschnitt ein Druckausgleich stattfindet, ist die Beschleunigung
der heißen Luft wegen ihres kleineren spezifischenGewichres,größer als die der kalten.
Durch die Berührung der nebeneinanderströmenden Mittel wird die kalte Luft beschleunigt,
die warme verlangsamt, bis es schließ- -li.ch am Ende der Entspannungsdüse 4 oder
im Zwischenstück 5 wieder zu einem Geschwindigkeitsausgleich kommt, d. h., von der
heißen Luft ist Arbeit an die kalte Luft abgegeben worden, die sich nun in Form
von Strömungsenergie in der kalten Luft befindet. Falls die Düse4 lang genug ist,
findet bereits ein Geschwindigkeitsausgleich am Ende dieser Düse statt. Das Rohrstück
5 kann dann wegbleiben, und die Verdichtungsdüse 6 kann unmittelbar an die Entspannungsdüse
4 angesetzt werden. In der Verdichtungsdüse 6 aber werden die strömenden Mittel
durch die Trennscheibe 7 getrennt, so da.ß sich im linken Teil dieser Düse die kalte
Luft verdichtet und links von der Trennwand 7 im Rohrstück 8 mit höherem',Druck
weiterströmt als die heiße Luft, die im rechten Teil der Düse 6 verdichtet wird
und dann rechts von der Trennwand 7 im Rohrstück 8 weiterströmt; d. h., heiße und
kalte Luft, die' mit gleichem Druck und gleicher Geschwindigkeit in das Rohrstück
i eingetreten sind, werden in zwei Teilströme zerlegt, von denen nach der Rückverdichtung
im Rohr 8 der kältere einen höheren, der wärmere einen niedrigeren Druck hat als
beim Eintritt in das Rohr i.
-
Das Verfahren läßt sich mit allen gas-und-dampfförmigeri sowie allen
flüssigen Mitteln durchführen. Es hat unter anderen den Vorteil, daß heiße, strömende
Mittel bei der Gewinnung von Arbeit aus Wärme im Gegensatz zu Kolbenmaschinen oder
Turbinen mit bewegten Teilen nicht in Bezührüng kommen. Die Düse kann aus keramischem
M-äterial gefertigt werden, so daß die höchsten, bei einer Verbrennung erzielbaren
Temperaturen angewandt werden können. Dadurch läßt sich die Wärmeausnutzung bei
Wärmekraftprozessen verbessern. Der Wirkungsgrad der Düse ist deshalb besonders
groß, weil beide Mittel nach obigem Beispiel zunächst gleiche Geschwindigkeit und
gleichen Druck haben können und erst in der Entspannungsdüse 4 verschiedeneGeschwindigkeiten
erlangen, die sich dann auf Grund der Reibung zwischen den beiden Strömungsmitteln
wieder ausgleichen, ohne daß die Ge--schwind.iglceitsunterschiede sehr groß werden.
Der Anteil der durch Reibung verlorengehenden Arbeit 'ist- deshalb geringer;- d.
h. der Wirkungsgrad des Systemfis besser als bei den üblichen Düsen mit g_roßem
Geschwindigkeitsunterschied zwischen ansaugendem und angesaugtem Mittel.
-
Im folgenden sollen einige Anwendungsbeispiele erläutert werden Wenn
dieAufgabe gestellt ist, Druckluft von z. B. 4 ata zu erzeugen, so wird zunächst
kalte Luft =durch einen Kompressor angesaugt und z. B. auf 2 ata verdichtet. Ein
Teilstrom dieser Luft wird dann hoch erhitzt, z. B. durch Einspritzen von Öl und
Verbrennen. Der heiße Teilstrom und der Rest der kalten verdichteten Luft werden
nun, wie vorstehend beschrieben, durch ein Düsensystem gemäß Abb. i geleitet. Dabei
wird der heiße Teilstrom auf Atmosphärendruck entspannt, während der andere über
2 ata hinaus verdichtet wird. Hat der heiße Teilstrom eine Temperatur von i2oo°
C, der kalte eine solche von 27° C, so ist das Raumgewicht der kalten Luft fünfmal
so groß wie das der warmen und die Arbeit, die bei der Entspannung von i kg warmer
Luft von 2 auf i ata gewonnen werden kann, fünfmal so groß wie die bei der Entspannung
von i kg kalter Luft verfügbare. Diese Entspannungsarbeit der heißen Luft wird nun
in der Düse ausgenutzt, um die kalte Luft von z auf 4 ata zu verdichten. Der hierfür
benötigte Teilstrom der heißen Luft wird je nach dem Wirkungsgrad des Düsensystems
etwa 25 bis -5o°/o des zu verdichtenden Luftgewichtes betragen. Der Kompressor hat
also demgemäß, wenn i kg Druckluft von 4 ata gewonnen werden soll, zunächst
1,25 bis 1,5 kg Luft auf 2 ata zu verdichten. Die weitere Verdichtung erfolgt
dann durch Entspannung des heißen Teilstromes auf Atmosphärendruck. Dabei kühlt
sich dieser Teilstrom ,etwa um 300° C ab. Die restliche in ihm enthaltene Wärme
kann durch Wärmeaustauscher od: dgl. wieder ausgenutzt werden, so daß entsprechend
weniger Wärme durch Verbrennung von. Öl aufgewandt werden muß.
-
Wenn es sich um die Gewinnung oder Ausnutzung hoher Drücke handelt,
läßt sich das Verfahren auch mehrstufig durchführen, indem mehrergDüsen derart-
hintereinandergeschaltet werden, daß beispielsweise hbißes, hochgespanntes Gas zunächst
in die erste und dann in die zweite Düse eintritt, während niedriggespannte Kaltluft
zunächst in die zweite und von dort in die erste Düse geleitet wird.
-
Besonders vorteilhaft ist es, bei Gleichdruck-Gasturbinen in der vorbeschriebenen
Weise die Verdichtung des Gas-Luft-Gemisches durchzuführen. Die für die Verdichtung
erforderliche mechanische Arbeit wird dabei geringer. als bei den üblichen Maschinen.
Die zusätzlich aufgewandte Wärme kann, soweit sie nicht in Arbeit verwandelt wird,
in Wärmeäustauschern ausgenutzt werden, so daß insgesamt ein Temperaturgefälle von-
1200' bis auf die normale Abgastemperatur von Zoo bis 300° ausgenutzt worden kann,
indem beispielsweise die bei adiabatnscher Abkühlung von i2oo auf 6oo° gewonnene
Arbeit in dem vorbeschriebenen Düsensystem zur Verdichtung der Luft ausgenutzt wird,
während
das Temperaturgefälle unter 6oo° wie üblich in der Entspannungsturbine zur Arbeitsleistung
dient.
-
Nach dem gleichen Verfahren können auch Flüssigkeiten, insbesondere
solche, die wegen chemischer Aggressivität od. dgl. durch normale Pumpen nicht gefördert
werden können, auf höheren Druck gebracht werden, indem eine solche Flüssigkeit
und z. B. Dampf oder Preßluft durch eine Düse geleistet werden. Wird die Düse mit
Wasser einerseits und Dampf oder Preßluft andererseits betrieben, so kann sie auch
als Antriebsmittel für Schiffe benutzt werden.
-
Es lassen sich noch viele Beispiele für die. Anwendung des neuen Verfahrens
finden, bei denen eine bessere Kraft- und Wärmeausnutzung und die Verwendung einfacherer
Einrichtungen möglich ist als bei den heute üblichen Verfahren.