EP1034029B1 - Verfahren und vorrichtung zur erhöhung des druckes beziehungsweise steigerung der enthalpie eines mit überschall strömenden fluids - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erhöhung des druckes beziehungsweise steigerung der enthalpie eines mit überschall strömenden fluids Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for increasing the pressure or Increase in the enthalpy of a fluid flowing at supersonic speed, with steam mixed with liquid and this mixture to supersonic speed is accelerated, after which a condensation surge is triggered.
  • compressible two-phase flows behave in such a way that the State variables - with the exception of entropy, temperature and the resting temperature - change opposite in the subsonic and supersonic range (see E.Truckenbrodt, "Fluid Mechanics", Volume 2, Springer Verlag 1980, page 68). It means e.g. the supply of heat to a supersonic flow is a delay, but to a Subsonic flow an acceleration.
  • condensation surge depends on the condensing surge Amount of water vapor (see Dr. Klaus Oswatitsch: Gasdynamik; Springer Verlag 1952, page 57).
  • the condensation surge occurs when a fluid flows that is oversaturated Contains water vapor, and is the result of a sudden condensation of the Steam, which takes place very quickly and in a narrow zone, which acts as a "condensation impact surface" referred to as.
  • the stability of the condensation surge against small disturbances in the direction perpendicular to their surface depends on the thermodynamic Condition of the steam before the impact. This just has to correspond to the beginning of a rapid condensation of the steam. A detailed Derivation of this process can be found in L.D. Landau and E.M. Lifschitz: Hydrodynamics: Akademie publishing house, Berlin 1966.
  • the mechanism of the pressure increase is that condensation
  • the vapor creates vacuum spaces from the speed of sound incoming fluid are filled up suddenly.
  • the resulting kinetic Energy is converted into pressure.
  • the strength of the pressure increase due to the condensation depends on the temperature difference between steam and liquid or from the liquid temperature when mixed with the steam and depending on the location of the shock.
  • a steam accelerating nozzle, a feed nip for a liquid medium, a converging mixing nozzle and a diffuser is provided, a parallel flow section being arranged between the mixing nozzle and the diffuser in which a gap dividing the parallel flow section is arranged the length of the gap measured in the direction of flow between the 0.5 to 0.9 times the diameter of the parallel flow section. Because of this gap size it is achieved that a sufficient amount of additional liquid automatically is sucked in without the flow of the vapor / liquid mixture affect.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of the device according to the invention.
  • Figs. 2 and 3 are diagrams in which the measurement results with those mentioned Device can be achieved, are shown graphically.
  • Laval nozzle 1 with a Laval nozzle is designated, the convergent part 2 an opening angle ⁇ of about 25 - 60 ° and their divergent part 3 an opening angle ⁇ of about 3 - 20 °.
  • This Laval nozzle 1 is a mixing nozzle 4 from convergent and cylindrical areas downstream, the convergent area ⁇ a Has angles of about 15 to 30 °.
  • the length L1 of the cylindrical area is about 1 to 3 times its diameter. In this convergent area the diverging part of the Laval nozzle 1 projects into it, between the end of the Laval nozzle and the inner wall of the mixing nozzle a gap 5 is left open which mixes the liquid supplied via line 6 with the vapor becomes.
  • a parallel flow part 8 to which a parallel flow part 9 of a diffuser 10 is connected downstream.
  • the length L2 of the parallel flow part 9 is approximately 1 to 5 times its inner diameter D2.
  • the opening angle of the divergent areas the diffuser 10 is approximately 15-45 °.
  • the gap 11 is connected to an annular space 12, via which an Line 13 secondary liquid can be introduced into the flowing gas / liquid mixture is.
  • these steps are triggered by that the steam passes through the Laval nozzle, the mixing nozzle and the diffuser.
  • the steam in the Laval nozzle is accelerated to supersonic speed, wherein in the supersonic portion of the nozzle, the steam is released to a pressure that is less than atmospheric pressure.
  • the over the outer contour of the Laval nozzle in the liquid sucked in the mixing nozzle mixes with the steam and it is created a homogeneous mixture of vapor and liquid that has a much lower speed of sound has as pure liquid or pure vapor (see "Guide through the Fluid Dynamics ", 8th edition, Friedrich Viehweg & Sohn 1984, pages 390 - 395).
  • the mixture remains at supersonic speed. It is created in the gap between the mixing nozzle and the diffuser as a result of the acceleration of flow, a pressure that is less than atmospheric Pressure is.
  • a throttle valve At the outlet of the diffuser is a throttle valve, not shown creates a back pressure, which is slowly increased until a vertical shock in the parallel flow part 9 of the diffuser, in which the Steam condensed completely via the shock. That leads to the desired one Pressure increase in the flow.
  • a secondary flow is created via the gap 11 between the mixing nozzle and the diffuser introduced from liquid into the condensation zone before the compression shock, which further accelerates the condensation process and increases the pressure.
  • the condensation process is completely completed with the shock.
  • the condensation of the steam is associated with thermal energy, about 600 cal / g become free.
  • the heat is derived from the liquid flowing out of the diffuser added.
  • Table 1 The data in Table 1 are graphical in the diagram connected as FIG. 2 played. This diagram clearly shows the increase in pressure as a result added secondary liquid is recognizable. When using 7 bar, 7.5 bar or 8 bar steam pressure, the pressure in the flowing liquid rises from 17 bar up to 21 bar at 16%, from 18 to 23 bar at 18% and from 19 to 25 bar with 18% addition of secondary fluid.

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Abstract

Es handelt sich um ein Verfahren and eine Vorrichtung zur Erhöhung des Druckes bzw. Steigerung der Enthalpie eines mit Überschall stömenden Fluids, wobei Dampf mit Flüssigkeit vermischt und dieses Gemisch auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird, wonach dann ein Kondensationsstoß ausgelöst wird und wobei vor Auslösung des Kondensationsstoßes zusätzlich Flüssigkeit in das mit Überschallgeschwindigkeit strömende Gemisch eingebracht wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung des Druckes bzw. Steigerung der Enthalpie eines mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Fluids, wobei Dampf mit Flüssigkeit vermischt und dieses Gemisch auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird, wonach dann ein Kondensationsstoß ausgelöst wird.
Zunächst sei einmal auf die grundlegende Problematik der strömenden Mischungen von Zweiphasengemischen, z.B. Luft/Wasser oder Dampfflüssigkeit od.dgl., eingegangen.
In derartigen Mischungen kann die "Schallgeschwindigkeit" kleine Werte annehmen, wobei unter "Schallgeschwindigkeit" jene Größe zu verstehen ist, welche für die Bildung der Mach'schen Zahl ausschlaggebend ist (siehe VDI-Zeitung 99, 1957, Nr. 30, 21. Oktober, "Überschallströmungen von hoher Machzahl bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten" von Carl Pfleiderer, Seite 1535 und 1536; und "Grundlagen für Pumpen von "em. Prof.Dipl.-Ing. W. Pohlenz, VEB Verlag Technik, Berlin 1975, Seiten 49 und 41).
Auch Ostwatitsch weist darauf hin, daß in Schaumströmungen bei "Überschallgeschwindigkeiten" alle Erscheinungen auftreten, die aus einphasiger Überschallströmung bekannt sind (siehe "Gasdynamik", Dr. Klaus Ostwatitsch, Wien, Springer Verlag 1952, Seite 440). Die Analogie zwischen Zweiphasenströmung und einphasiger Strömung eines kompressiblen Fluids ist vollkommen. So benötigt man zur Beschleunigung einer Zweiphasenströmung von "Unterschall"- zu "Überschallgeschwindigkeit" ebenfalls eine konvergente-divergente Düse (Lavaldüse) bzw. ist der entgegengesetzte Vorgang nur mittels eines Verdichtungsstoßes bzw. einer Reihe von Verdichtungsstößen möglich. Die Vorgänge im Verdichtungsstoß sind bei der Zweiphasenströmung ebenfalls äußerst komplex, wobei das Überraschende dabei ist, daß der Zusammenhang zwischen Stoßeintritts- und Stoßaustrittsgeschwindigkeit sowie Druckanstieg durch einen Wärmefluß vermittelt wird (siehe "Technische Fluidmechanik" von Herbert Sieglach, VDI Verlag 1982, Seiten 214 - 230, sowie W.Al-bring, "Angewandte Strömungslehre", 4. Auflage, Verlag Theodor Steinkopff, Dresden 1970, Seiten 183 - 194). Durch das Maß der Wärmemenge, die im Stoß vom Unterschall zum Überschall fließt, ist die Stoßintensität bestimmt.
Weiters verhalten sich kompressible Zweiphasenströmungen so, daß sich die Zustandsgrößen - mit Ausnahme der Entropie, der Temperatur und der Ruhetemperatur - im Unter- und Überschallbereich entgegengesetzt verändern (siehe E.Truckenbrodt, "Fluidmechanik", Band 2, Springer Verlag 1980, Seite 68). Es bedeutet z.B. die Wärmezufuhr zu einer Überschallströmung eine Verzögerung, dagegen zu einer Unterschallströmung eine Beschleunigung.
Die Stärke des sogenannten Kondensationsstoßes hängt dabei von der kondensierenden Wasserdampfmenge ab (sieh Dr. Klaus Oswatitsch: Gasdynamik; Springer Verlag 1952, Seite 57).
Der Kondensationsstoß entsteht bei der Strömung eines Fluids, das übersättigten Wasserdampf enthält, und ist das Ergebnis einer plötzlichen Kondensation des Dampfes, welche sehr schnell und in einer schmalen Zone erfolgt, die als "Kondensationsstoßfläche" bezeichnet wird. Die Stabilität des Kondensationsstoßes gegenüber kleinen Störungen in der zu ihrer Fläche senkrechten Richtung hängt vom thermodynamischen Zustand des Dampfes vor dem Stoß ab. Dieser muß gerade eben dem Beginn einer schnellen Kondensation des Dampfes entsprechen. Eine detaillierte Herleitung dieses Vorgangs findet sich bei L.D. Landau und E.M.Lifschitz: Hydrodynamik: Akademie-Verlag, Berlin 1966.
Der Mechanismus der Druckerhöhung liegt darin begründet, daß bei der Kondensation des Dampfes Vakuumräume entstehen, die vom mit Schallgeschwindigkeit hereinströmenden Fluid schlagartig aufgefüllt werden. Die so entstehende kinetische Energie wird in Druck umgesetzt.
Die Stärke der Druckerhöhung infolge der Kondensation hängt vom Temperaturunterschied zwischen Dampf und Flüssigkeit bzw. von der Flüssigkeitstemperatur bei der Vermischung mit dem Dampf und von der Lage des Verdichtungsstoßes ab.
Bei Versuchen mit Wasser und Wasserdampf wurde nach der vollständigen Kondensation des Dampfes über dem Verdichtungstoß ein Druck gemessen, der groß genug ist, um die Vorrichtung als Förderpumpe einsetzen zu können.
Bei einer bekannten Ausbildung der eingangs genannten Art, wie sie beispielsweise aus der EP 0 555 498A1 hervorgeht, wird vor der Plazierung des Kondensationsstoßes Flüssigkeit abgezogen, um sicherzustellen, daß der Kondensationsstoß in dem dafür vorgesehenen Bereich stattfindet. Weiters erreicht man mit der bekannten Ausbildung, daß sich die im Diffusor weiterströmende Flüssigkeit nicht so stark erwärmt.
Beim Erfindungsgegenstand wird nun vor Auslösung des Kondensationsstoßes, zusätzlich Flüssigkeit in das mit Überschallgeschwindigkeit strömende Gemisch eingebracht. Dadurch wird erreicht, daß sich der im Kondensationsstoß auftretende Druck weiter erhöht, da durch den höheren Flüssigkeitsgehalt, eine höhere Strömungsenergie im Dampf/Flüssigkeitsgemisch enthalten ist.
Vorteilhafterweise kann die Zufuhr der zusätzlichen Flüssigkeit durch den durch das strömende Gemisch erzeugten Unterdruck bewirkt werden, wodurch sich zusätzliche Mittel zum Fördern der zugesetzten Flüssigkeit erübrigen.
Bei einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher eine Dampfbeschleunigungsdüse, ein Zufuhrspalt für ein flüssiges Medium, eine konvergierende Mischdüse und ein Diffusor vorgesehen ist, wobei zwischen Mischdüse und Diffusor ein Parallelströmungsabschnitt angeordnet ist, in dem ein den Parallelströmungsabschnitt teilender Spalt angeordnet ist, beträgt die in Strömungsrichtung gemessene Länge des Spaltes zwischen dem 0,5 bis 0,9-fachen des Durchmessers des Parallelströmungsabschnittes. Durch diese Spaltgröße wird erreicht, daß eine ausreichende Menge an zusätzlicher Flüssigkeit selbsttätig eingesaugt wird, ohne die Strömung des Dampf/Flüssigkeitsgemisches zu beeinträchtigen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 2 und 3 sind Diagramme, in denen die Meßergebnisse, die mit der genannten Vorrichtung erzielt werden, graphisch wiedergegeben sind.
Mit 1 ist eine Lavaldüse bezeichnet, deren konvergenter Teil 2 einen Öffnungswinkel α von etwa 25 - 60° und deren divergenter Teil 3 einen Öffnungswinkel β von etwa 3 - 20° aufweist. Dieser Lavaldüse 1 ist eine Mischdüse 4 aus konvergenten und zylindrischen Bereichen nachgeschaltet, wobei der konvergente Bereich γ einen Winkel von etwa 15 bis 30° besitzt. die Länge L1 des zylindrischen Bereiches beträgt etwa das 1 bis 3-fache seines Durchmessers. In diesen konvergenten Bereich ragt der divergierende Teil der Lavaldüse 1 hinein, wobei zwischen dem Ende der Lavaldüse und der Innenwandung der Mischdüse ein Spalt 5 offengelassen ist, über welchen die über die Leitung 6 zugeführte Flüssigkeit mit dem Dampf vermischt wird. An den konvergenten Teil 7 der Mischdüse 4 schließt, wie schon angeführt, ein Parallelströmungsteil 8 an, dem ein Parallelströmungsteil 9 eines Diffusors 10 nachgeschaltet ist. Die Länge L2 des Parallelströmungsteils 9 beträgt etwa das 1 bis 5-fache seines Innendurchmessers D2. Der Öffnungswinkel der divergierenden Bereiche des Diffusors 10 beträgt etwa 15 - 45°.
Zwischen dem Parallelströmungsteil 8 der Mischdüse 4 und dem Parallelströmungsteil 9 des Diffusors 10, welche Teile alle koaxial hintereinander angeordnet sind, ist ein Spalt 11 freigelassen, dessen Spaltbreite B etwa das 0,5-fache des Durchmessers D1 des Parallelströmungsteils 8 der Mischdüse 4 aufweist.
Der Spalt 11 ist mit einem Ringraum 12 verbunden, über welchen über eine Leitung 13 Sekundärflüssigkeit in das strömende Gas/Flüssigkeitsgemisch einbringbar ist.
Das Verfahren durchläuft dabei die folgenden Schritte:
  • 1. Erzeugung eines Dampfflüssigkeitsgemisches, das sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegt,
  • 2. Erzeugung eines Gegendruckes, indem ein Verdichtungsstoß ausgelöst wird und der Dampfanteil des Gemisches vollständig kondensiert wird, wobei der Druck der Strömung schlagartig zunimmt,
  • 3. um den Kondensationsvorgang zu beschleunigen und dadurch den Druck weiter zu vergrößern, wird eine Sekundärflüssigkeit niedriger Enthalpie in die Kondensationszone vor dem Verdichtungsschluß injiziert.
    • Diese Schritte werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch ausgelöst, daß der Dampf die Lavaldüse, die Mischdüse und den Diffusor durchläuft. Dabei wird der Dampf in der Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, wobei im Überschallanteil der Düse der Dampf auf einen Druck entspannt wird, der kleiner ist als der atmosphärische Druck. Die über die Außenkontur der Lavaldüse in die Mischdüse angesaugte Flüssigkeit vermischt sich mit dem Dampf und es entsteht ein homogenes Gemisch aus Dampf und Füssigkeit, das eine viel kleinere Schallgeschwindigkeit hat als reine Flüssigkeit bzw. reiner Dampf (siehe "Führer durch die Strömungslehre", 8. Auflage, Friedrich Viehweg & Sohn 1984, Seite 390 - 395). Trotz der Bremswirkung durch das Ansaugen der Flüssigkeit verbleibt das Gemisch in Überschallgeschwindigkeit. Im Spalt zwischen Mischdüse und Diffusor entsteht infolge der Strömungsbeschleunigung ein Druck, der kleiner als der atmosphärische Druck ist. Am Ausgang des Diffusors wird über ein nicht dargestelltes Drosselventil ein Gegendruck erzeugt, welcher langsam gesteigert wird, bis ein senkrechter Verdichtungsstoß im Parallelströmungsteil 9 des Diffusors entsteht, in welchem der Dampf über den Verdichtungsstoß vollständig kondensiert. Das führt zu der erwünschten Druckerhöhung in der Strömung.
    Über den Spalt 11 zwischen Mischdüse und Diffusor wird eine Sekundärströmung aus Flüssigkeit in die Kondensationszone vor dem Verdichtunsstoß eingeleitet, wodurch der Kondensationsvorgang weiter beschleunigt und der Druck erhöht wird. Mit dem Verdichtungsstoß wird der Kondensationsvorgang komplett abgeschlossen. Die Kondensation des Dampfes ist mit Wärmeenergie verbunden, wobei etwa 600 cal/g frei werden. Die Wärme wird von der aus dem Diffusor abströmenden Flüssigkeit aufgenommen.
    Die Größenordnung des durch die zusätzlich zugeführte Flüssigkeit erzielbaren Druckanstieges wird anhand eines Beispiels in Tabelle 1 veranschaulicht.
    Figure 00070001
    Die Daten der Tabelle 1 sind in dem als Fig. 2 angeschlossenen Diagramm graphisch wiedergegeben. Aus diesem Diagramm ist deutlich die Drucksteigerung infolge zugesetzter Sekundärflüssigkeit erkennbar. Bei der Verwendung von 7 bar, 7,5 bar, bzw. 8 bar Dampfdruck steigt der Druck in der strömenden Flüssigkeit von 17 bar bis zu 21 bar bei 16%igem, von 18 bis 23 bar bei 18%igem und von 19 bis 25 bar bei 18%igem Zusatz von Sekundärfluid.

    Claims (3)

    1. Verfahren zur Erhöhung des Druckes bzw. Steigerung der Enthalpie eines mit Überschall strömenden Fluids, wobei Dampf mit Flüssigkeit vermischt und dieses Gemisch auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird, wonach dann ein Kondensationsstoß ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor Auslösung des Kondensationsstoßes zusätzlich Flüssigkeit in das mit Überschallgeschwindigkeit strömende Gemisch eingebracht wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr der zusätzlichen Flüssigkeit durch den durch das strömende Gemisch erzeugten Unterdruck bewirkt wird.
    3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher eine Dampfbeschleunigungsdüse, ein Zufuhrspalt für ein flüssiges Medium, eine konvergierende Mischdüse und ein Diffusor vorgesehen ist, wobei zwischen Mischdüse und Diffusor ein Parallelströmungsabschnitt angeordnet ist, in dem ein den Parallelströmungsabschnitt teilender Spalt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strömungsrichtung gemessene Länge (B) des Spaltes zwischen dem 0,5 und 0,9-fachen des Durchmessers (D1) des Parallelströmungsabschnittes (8) beträgt.
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