Beschreibung
Strahlpumpe
Die Erfindung betrifft eine Strahlpumpe mit einem geraden Leitungsabschnitt, zur Durchströmung mit einem Saugmedium, wobei ein Treibmedium in den Leitungsabschnitt einströmt.
Bei Strahlpumpen wird die Pumpwirkung durch ein Treibmedium erzeugt, das durch Impulsaustausch ein Saugmedium ansaugt und beschleunigt. Diese Pumpenart ist sehr einfach aufgebaut und benötigt keine bewegten Bauteile. Sie ist besonders robust und wartungsarm und somit vielseitig einsetzbar. Als Treibmedien bzw. Saugmedien können Fluide unterschiedlicher Aggregatzustände eingesetzt werden, z.B. gas-flüssig oder flüssig-flüssig. im Gegensatz zur Erfindung sind zahlreiche im Stand der Technik beschriebene Strahlpumpen mit einer Mischkammer aufgebaut, in die eine Treibdüse zentral hineinragt. Die Mischkammer hat einen Anschluss über den ein Saugmedium in die Mischkammer einströmt. Weiterhin hat die Mischkammer einen Ausgang. Der Saugmedium-Eingang und der Mischkammer-Ausgang sind bei herkömmlichen Strahlpumpen häufig in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet, so dass das Saugmedium umgelenkt wird und in einem ringförmigen Querschnitt um das Treibmedium herum in eine Mischzone strömt.
Ein solcher herkömmlicher Aufbau einer Strahlpumpe wird beispielsweise in der DE 713 255 beschrieben. Eine Flüssigkeit, welche ein Mantelgehäuse durchströmt, wird als Treibmedium für eine Strahlpumpe eingesetzt. Die Strahlpumpe weist eine Kammer auf, in die eine Treibdüse zentral hineinragt. Die Kammer hat einen Anschluss für eine Saugleitung und kann ein Gas ansaugen.
Ebenfalls ein herkömmliches Prinzip einer Strahlpumpe wird in der DE 199 55424 C2 beschrieben. Die eingesetzte Strahlpumpe weist eine Mischkammer auf mit einem Anschluss für ein Luftsaugrohr. Mittels einer Kreiselpumpe wird Wasser über eine zentral in die Kammer hineinragende Treibdüse gefördert. Das Treibmedium Wasser reißt dabei das Saugmedium Luft mit.
Ein anderes Konzept einer Strahlpumpe wird in der DE 37 04 935 A1 beschrieben. Eine Strahlpumpe befindet sich am Ende einer mittig in einem Tunnelrohr verlaufenden Druckleitung. An ihrem unteren Ende besitzt die Druckleitung eine Treibdüse, die in eine Fangdüse mündet.
Die EP 365 964 A1 zeigt ein Strahlrohr mit einer Leitung zur Zuführung eines Saugmediums. Ein Abschnitt ist als Ring ausgebildet. Er weist einen Zuführstutzen auf, der mit einer Wasserleitung in Verbindung steht. Ferner sind Austrittsdüsen vorgesehen, deren Achsen so ausgerichtet sind, dass sie einen gemeinsamen Schnittpunkt auf der Achse des Stahlrohrs besitzen.
Die DE 4446 935 C2 betrifft ein mehrstufiges Hochdruck-Strahlrohr zur nassmechani- sehen Behandlung körniger Materialien. Dieses weist einen eingangsseitigen Saugein- lass, einen ausgangsseitigen Strömungsauslass und mehrere Segment-Rohrabschnitte auf. Die Segment-Rohrabschnitte umfassen jeweils eine an eine Hochdruckfluidquelie anschließbare Ringkammer, die einen umlaufenden Düsenring mit einer Mehrzahl um- fangsseitig verteilt angeordneter Düsen zum Einspeisen eines fluiden Triebstrahls in Form eines kegelförmigen Schleiers in das Rohrinnere des jeweils nachfolgenden Segment-Rohrabschnitts trägt.
In der DE 21 50 711 A1 wird eine Wasserstrahlpumpe beschrieben. Diese besteht aus einer Mischdüse, einem Hochdruckwasser-Eintrittsstutzen, einem Ansaugstutzen und einem an die Mischdüse angeschlossenen Düsenrohr. Das mit Druck in den Eintrittsstutzen eingeleitete Hochdruckwasser tritt durch in Richtung eines Kegelmantels orien- tierte Austrittskanäle mit vorgeordnetem Verteilerringkanal in die Mischdüse ein. Die Achsen der Austrittskanäle weisen auf eine innerhalb des Düsenrohres liegende Kegelspitze.
Die DE 603 14 434 T2 zeigt eine Strömungsmaschine, die ein Gehäuse beinhaltet, das einen Durchlass definiert, der einen Einlass und einen Auslass bereitstellt. Der Durchläse hat einen konstanten kreisförmigen Querschnitt. Der Einlass ist an dem vorderen Ende eines Vorsprungs gebildet, der sich in das Gehäuse erstreckt und außerhalb davon einen Verteilerkanal für die Einführung eines Transportfluid definiert. Der Verteilerkanal ist mit einem Einlass versehen. Der Vorsprung definiert im Inneren davon einen Teil des Durchlasses. Das Ende des Vorsprungs ist entfernt von dem Einlass und verjüngt sich an seiner äußeren Oberfläche und definiert eine ringförmige Düse zwischen ihm und einem entsprechend verjüngten Teil der inneren Wand des Gehäuse. Die Düse steht in Strömungskommunikation mit dem Verteilerkanal. Die DD 153 905 A5 betrifft eine mehrstufige Strahlpumpe zur Förderung von Schüttgütern. Die Strahlpumpe setzt sich aus mindestens zwei reihenweise verbundenen Ring- strahirohren zusammen. Die Strahlrohre sind untereinander derart verbunden, dass die Kammern der einzelnen vorangehenden Strahlrohre, die als Mischkammer oder Diffu- sor ausgebildet sind, die Saugkammern für die nachfolgenden Strahlrohre bilden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strahlpumpe mit einem geraden Leitungsabschnitt zu schaffen, durch die ein Saugmedium fließt, wobei ein Treibmedium in diesen Leitungsabschnitt so eingeleitet wird, dass die Strahlpumpe einen möglichst hohen Wirkungsgrad hat und die Gefahr eines Verstopfens, insbesondere bei partikelhaltigen Fluiden verringert wird. Weiterhin soll die Strahlpumpe für unterschiedliche Medien einsetzbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Strahlpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Erfindungsgemäß umfasst der Leitungsabschnitt ein Leitungsstück, das Bohrungen aufweist. In den Bohrungen sind hülsenartige Elemente zur Zuführung des Treibmediums angeordnet. Die hülsenartigen Elemente ragen vorzugsweise in den Leitungsabschnitt hinein. Somit kommt keine Kammer zum Einsatz sondern ein gerades Leitungsstück, welches durch seine Formgebung strömungsoptimal an die hülsenförmigen Elemente angepasst ist.
Vorzugsweise hat das Leitungsstück einen Bereich mit einem kreisförmigen Strömungsquerschnitt. Weiterhin kommt im Gegensatz zu herkömmlichen Strahlpumpen keine zentral hineinragende Treibdüse zum Einsatz. Vielmehr weist das Leitungsstück erfindungsgemäß an seiner inneren Mantelfläche Öffnungen auf. In den Öffnungen sind hül- senartige Elemente zur Zuführung des Treibmediums angeordnet. Diese ragen in das Leitungsstück hinein.
Vorzugsweise sind diese Elemente zumindest bereichsweise hohlzylinderförmig ausgeführt. Durch das Innere der hohlzylinderartigen Elemente strömt das Treibmedium. Die Elemente können an einem Ende düsenartig ausgebildet sein.
Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung sind die hülsenartigen Elemente rotationssymmetrisch über den Umfang in einem Strömungsraum des Leitungsstücks angeordnet. Durch die Anordnung mehrerer Treibdüsen entlang eines Umfangs an einer inneren Mantelfläche eines Leitungsstücks wird eine Konstruktion geschaffen, bei der das Saugmedium in einem kreisförmigen Querschnitt strömt und das Treibmedium an den Außenrändern dieses Kreisquerschnitts zugeführt wird. Weiterhin sind die hülsenförmigen Elemente vorteilhafterweise so in das Gehäuse integriert, dass Strömungsverluste minimiert werden.
Im Gegensatz zu den herkömmlichen Varianten nach dem Stand der Technik wird das Treibmedium nicht durch eine in einer Mischkammer zentral angeordneten Düse zuge-
führt, sondern über an einer inneren Mantelfläche angeordnete hüisenartige Elemente. Dies führt dazu, dass das Saugmedium nicht wie bei vielen herkömmlichen Strahlpumpen als Ringquerschnitt um einen zentralen Treibmediumstrahl strömt und dann vermischt wird, sondern dass erfindungsgemäß das Saugmedium in einem zentralen Kreisquerschnitt durch das Leitungsstück strömt und an den Außenrändern dieses Kreisquerschnitts über hülsenartige Elemente das Treibmedium in den zentralen Saugmediumstrahl eingedüst wird.
Durch die erfindungsgemäße Konstruktion wird eine Verstopfungsgefahr erheblich mi- nimiert. Mit der erfindungsgemäßen Strahlpumpe lassen sich insbesondere partikel- haltige Saugmedien besonders effizient fördern, ohne dass es zu Verstopfungen kommt.
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Strahlpumpe einen deutlich höheren Wirkungs- grad auf. Es kommen mehrere Treibdüsen entlang des Umfangs der inneren Mantelfläche des Leitungsstücks zum Einsatz, anstelle nur einer zentralen Treibdüse gemäß zahlreicher herkömmlicher Konstruktionen. Dies führt zu einer erheblichen Verbesserung des Impulsaustausches. Vorzugsweise sind die hülsenartigen Elemente an einem Ende düsenartig ausgebildet. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung weisen die hülsenartigen Elemente zunächst einen kreisförmigen Strömungsquerschnitt auf, der sich dann zur Austrittsöffnung kegelförmig verjüngt. Vorzugsweise sind die hülsenartigen Elemente einstückig ausgebildet. Dabei kann es sich beispielsweise um Dreh- oder Gussteile handeln.
Auch das Leitungsstück ist bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung einstückig ausgebildet.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung sind die mittleren Strömungsachsen der hülsenartigen Elemente in einem Winkel zur mittleren Strömungsachse des Lei-
tungsstücks von kleiner als 90°, vorzugsweise kleiner als 60° und insbesondere kleiner als 45° ausgebildet.
Die Gestaltung der Verbindung zwischen den hülsenartigen Elementen und des Lei- tungsstück erfolgt derart, dass sich stromab der in das Leitungsstück hineinragenden hülsenartigen Elemente keine, bzw. nur sehr geringe, Totwassergebiete bilden. Dies wird dadurch erreicht, dass sich die innere Mantelfläche des Leitungsstücks stromab verjüngt (beispielsweise unter dem gleichen Winkel wie die hülsenartigen Elemente), bevor sie mit dem anschließenden Leitungsstück zusammentrifft. Hierdurch wird eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrads erzielt.
Der sich an die hülsenartigen Elemente anschließende Raum des Leitungsabschnitts weist vorzugsweise einen Bereich auf, in dem sich der Strömungsquerschnitt verkleinert. Der Strömungsquerschnitt erreicht einen minimalen Querschnitt und erweitert sich dann wieder in Form eines Diffusors.
Vorzugsweise schließt sich an das erste Leitungsstück ein zweites Leitungsstück an, das so ausgebildet ist, dass die mittlere Strömungsachse des ersten Leitungsstücks mit der mittleren Strömungsachse des zweiten Leitungsstücks eine gemeinsame gerade mittlere Strömungsachse des gesamten Leitungsabschnitts bildet. Das zweite Leitungsstück bildet die Mischzone für das Saugmedium mit dem Treibmedium. Das zweite Leitungsstück kann ebenfalls einstückig ausgebildet sein.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Achsen der hül- senartigen Elemente auf einen gemeinsamen Punkt auf der mittleren Strömungsachse des Leitungsabschnitts ausgerichtet. Das aus den Düsen der hülsenartigen Elemente austretende Treibmedium ist am Düsenaustritt somit auf einen gemeinsamen Punkt gerichtet, der auf der mittleren Strömungsachse liegt. Vorzugsweise sind die hülsenartigen Elemente achssymmetrisch zueinander angeordnet. Die Bohrungen im Leitungsstück sind so ausgebildet, dass die Öffnungen spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Nach dem Einfügen der hülsenartigen Ele-
mente in die Öffnungen sind somit auch die hülsenförmigen Elemente spiegelsymmetrisch zur Mittelachse des Leitungsstücks angeordnet.
Die Öffnungen sind vorzugsweise als Bohrungen ausgeführt, die sich von einer inneren Mantelfläche des Leitungsstücks in Richtung einer Stirnfläche des Leitungsstücks erstrecken. Da die hülsenartigen Elemente in einem Winkel von kleiner als 90° zur mittleren Strömungsachse des Leitungsstücks ausgerichtet sind führt dies zu elliptischen Öffnungen in der inneren Mantelfläche des Leitungsstücks. Bei dem Leitungsstück handelt es sich vorzugsweise um einen hohlzylinderartigen Körper, der zwei einander gegenüberliegende Stirnflächen aufweist. Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist an diesem hohlzyiinderförmigen Körper ein Einlasstrichter angeformt. Die hülsenartigen Elemente weisen vorzugsweise an einem Ende eine Verdickung auf. Diese Verdickung bildet einen Anschlag für die hülsenartigen Elemente. Dadurch werden die Elemente beim Einführen in die Bohrungen des Leitungsstücks positioniert.
Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die hülsenartigen Elemente ein Außen- gewinde aufweisen und in den Bohrungen des Leitungselements ein Innengewinde vorgesehen ist. Dadurch können die hülsenartigen Elemente in das Leitungsstück eingeschraubt werden. Alternativ kann das Leitungselement aus einem Stück gefertigt sein, so dass die Funktion der hülsenförmigen Körper durch eine entsprechende Gestaltung des Leitungselements übernommen wird.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die hülsenartigen Elemente variabel in ihrer Position in den Bohrungen angeordnet. Auf diese Weise können die hülsenartigen Elemente mehr oder weniger in das Leitungsstück hineinragen. Dies ermöglicht eine vielseitige Anwendung der Strahlpumpe für unterschiedliche Medien. Die Elemente werden gezielt für die jeweiligen Medien ausgerichtet. Diese Möglichkeit zur strömungstechnischen Optimierung führt zu einem hohen Wirkungsgrad, wobei
Verstopfungen durch eine gezielte Anpassung der Position der Elemente an die jeweiligen Medien vermieden werden.
Durch eine verschiebliche Anordnung der hülsenartigen Elemente kann die Strahlpum- pe an unterschiedliche Medien angepasst werden. So ist es beispielsweise denkbar, dass die hülsenartigen Elemente bei besonders partikelhaltigen Medien weiter oder weniger weit in das Leitungsstück hineinragen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst. Dabei zeigt
Figur 1 eine perspektivische Schnittzeichnung einer Strahlpumpe, Figur 2a eine schematische Axialschnittdarstellung mit Strömungsachsen,
Figur 2b eine Radialschnittdarstellung entlang der A-A Linie von Figur 2a.
Figur 1 zeigt eine Strahlpumpe mit einem Leitungsstück 1. Das Leitungsstück 1 ist Teil eines geraden Leitungsabschnitts, der sich aus mehreren Teilen zusammensetzt. Neben dem Leitungsstück 1 umfasst der Leitungsabschnitt ein Leitungsstück 2, das die Mischzone bildet.
Die beiden Leitungsstücke 1 , 2 bilden einen geraden Leitungsabschnitt. Erfindungsge- maß strömt das Saugmedium mit einem kreisförmigen Strömungsquerschnitt während das Treibmedium über hülsenartige Elemente eingedüst wird. Dazu sind an der inneren Mantelfläche des Leitungsstücks 1 Öffnungen eingebracht, durch die die hülsenartigen Elemente 3 in den Leitungsabschnitt hineinragen. Beim Ausführungsbeispiel sind vier hülsenartige Elemente 3 einander gegenüber angeordnet, von denen drei in Fig. 1 zu sehen sind. Jeweils einander gegenüber positionierte hülsenartige Elemente 3 sind spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den hülsenartigen Elementen 3 um Rohr- eiemente, die an ihrer Spitze konisch zulaufen. Die Spitze der Elemente 3 bildet eine düsenartige Öffnung, durch die das Treibmedium einströmt. Die hülsenartigen Elemente 3 sind einstückig ausgebildet.
Erfindungsgemäß sind in dem ebenfalls einstückig ausgebildeten Leitungsstück 1 Bohrungen eingebracht, die sich von einer inneren Mantelfläche zu einer stirnseitigen Fläche des Leitungstücks 1 erstrecken. Das Leitungsstück 1 umfasst einen hohlzylinder- förmigen Teil, der eine vordere stirnseitige Fläche und eine hintere stirnseitige Fläche aufweist. Die hülsenartigen Elemente 3 weisen jeweils eine Verdickung 5 auf, die einen Anschlag beim Einfügen in die Bohrungen des Leitungsstücks 1 bildet.
Durch den hohlzylinderförmigen Teil des Leitungsstücks 1 wird im Ausführungsbeispiel eine Stange 6 geführt. An einer Stirnseite des Leitungsstücks 1 ist ein Befestigungs- element 7 angebracht. Mittels eines Rings 8 kann über das Befestigungselement 7 das Leitungsstück 1 und das Leitungsstück 2 gegeneinander verspannt werden. Dazu ist auf der Stange 6 ein Außengewinde aufgebracht. Das als Schraube ausgeführte Befestigungselement 7 wird angezogen. Der Spannring 8 drückt gegen einen Anschlag des Leitungsstücks 2 und presst auf diese Weise das Leitungsstück 2 gegen das Leitungs- stück 1.
Das Leitungsstück 1 weist an der zu dem Leitungsstück 2 weisenden Stirnseite eine ringförmige Aussparung auf, in die ein ringförmiger Vorsprung des Leitungsstücks 2 eingreift.
Eine Abdichtung der hülsenartigen Elemente 3 zum Strömungsinnenraum wird von Dichteiementen 9 bewerkstelligt. Im Ausführungsbeispiel sind die Dichtelemente 9 als O-Ringe ausgeführt. Eine Abdichtung der beiden ineinandergreifenden Leitungsstücke 1 , 2 wird mittels eines Dichtelements 10 erreicht, das ebenfalls als O-Ringe ausgeführt ist. Eine Abdichtung
des Leitungsefements 2 und des Spannrings 8 wird mit einem Dichteiement 11 bewerkstelligt, das ebenfalls als O-Ring ausgeführt ist.
Im Ausführungsbeispiel weist das Leitungsstück 1 einen Einlasstrichter 2 auf, durch den das Saugmedium in die Strahlpumpe zentral einströmt. Die Querschnittsfläche des Einlasstrichters verjüngt sich in Strömungsrichtung. Das Leitungsstück 1 weist einen kreisförmigen Querschnitt mit einem konstanten Durchmesser auf. In dem Leitungsstück 1 sind Öffnungen eingebracht, durch welche die hülsenartigen Elemente 3 hineinragen. In der sich anschließenden Mischzone, die von dem Leitungselement 2 gebildet wird verjüngt sich zunächst der Strömungsquerschnitt und erweitert sich dann wieder diffusorartig.
In der schematischen Axialschnittdarstellung gemäß Fig. 2a erkennt man, dass die mittlere Strömungsachse 13 der hülsenartigen Elemente 3 gegenüber der mittleren Strö- mungsachse 4 der Leitungsstücke , 2 in einem Winkel α von weniger als 90°, vorzugsweise weniger als 60°, insbesondere weniger als 45° angeordnet sind. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel α zwischen der mittleren Strömungssachse 4 des Leitungsstücks 1 und den mittleren Strömungsachsen 13 der hülsenartigen Elemente 3 weniger als 30°.
Die mittleren Strömungsachsen 13 der hülsenartigen Elemente 3 sind alle auf einen Punkt 14 ausgerichtet. Dieser Punkt 14 befindet sich auf der mittleren Strömungsachse 4 des Leitungsabschnitts der von dem Leitungsstück 2 gebildet wird und somit in der Mischzone.
Figur 2b zeigt eine Radialschnittdarstellung entlang der A-A Linie gemäß Figur 2a. Erfindungsgemäß bildet das Saugmedium in dem Leitungselement 1 einen kreisförmigen Strömungsquerschnitt 15. Über die hülsenartigen Elemente 3 wird dann von außen das Treibmedium in diese zentrale Strömung des Saugmediums zugeführt