NO127879B - - Google Patents

Description

Varmeseparator.

Den foreliggende oppfinnelse går ut på en innretning som kan betegnes som termisk separator eller varmeseparator, idet den, når den gjennemstrømmes av en strøm av komprimert gass med en viss begynnelsestemperatur, gjør det mulig å dele denne strøm i en første delstrøm med lavere temperatur og en annen delstrøm med høyere temperatur. Forøvrig kan den annen delstrøm være svak eller til og med null, hvorved apparat-

et går over til å bli en gasskjøler.

Ved denne innretning nyttiggjør man seg bølgefenomener i rør som mottar gass-strømmen med begynnelsestemperatur efterat denne strøm på forhånd har fått formen av en pulserende strøm med bestemt frekvens,

som rørene er tilpasset.

Når det gjelder et sonart rør av den type som man befatter seg med i akustikken, vet man at interferensen mellem den innfallende og den reflekterte bølge i røret gir opphav til en stående bølge med trykk-buker og -knuter fordelt langsefter røret. I en trykkbuk blir fluidet skiftevis komprimert og ekspandert, og dermed skiftevis oppvarmet og avkjølet. På denne prosess overlagrer seg i innretningen ifølge oppfinnelsen den midlere strømning av fluidet som passerer sonarrøret, altså den midlere hastighet av dette fluidum, så den del av fluidet som blir komprimert og oppvarmet i en trykkbølge, fra og med en viss verdi av denne hastighet blir forskjellig fra den som senere ekspanderes og avkjøles i sonen for denne buk. Ut fra dette forhold er man kommet på den tanke at man ved å skille disse to deler bør kunne få en del av strømmen i oppvarmet og den annen del i avkjølet tilstand.

Varmeseparatoren ifølge oppfinnelsen omfatter en anordning til å levere pulserende strøm av gass til en eller to like røranordninger, forsynt med hver sin inntaksdel som mottar den pulserende gass-strøm,

og det karakteristiske ved oppfinnelsen er at hver inntaksdel leder den pulserende gass-strøm til et forbindelsessted mellem to grener som har forskjellig lengde ut til separate frie ender, og at hver røranordning avhengig av den gjennemledede gass og pulsasjonsfrekvensen er konstruert slik at der både ved det nevnte forbindelsessted og ved den frie ende av den ene rørgren fremkommer en trykkbuk, mens der ved den frie ende av den annen rørgren fremkommer et trykk-knutepunkt, slik at der fås koldere gass ved den sistnevnte ende.

Kilden for pulserende gass kan være vilkårlig og omfatte et hvilket som helst organ som omdanner gass-strømmen fra en kompressor eller fra et reservoar for trykkgass til en pulserende strøm.

I en foretrukken utførelsesform er det organ som omdanner en kontinuerlig strøm av gass under trykk til en pulserende strøm, en aerodynamisk vippe av kjent type som virker ved skiftende avbøyninger av gass-strålen, slik at den opprinnelig kontinuerlige strøm i dette tilfelle ved utgangen fra vippen leverer to symmetriske pulserende strømmer som gjør det mulig å mate to likeledes symmetriske rørsystemer, hvis varme utløp selvsagt kan forbindes innbyrdes, og likeledes de kolde.

Som ikke-begrensende eksempel vil der nu under henvisning til tegningen bli beskrevet en utførelsesform av oppfinnelsen.

Fig. 1 er et skjematisk riss av innretningen.

Fig. 2 er et riss i større målestokk av den aerodynamiske vippe som benyttes i utførelsen på fig. 1. ...Fdg, -3 viser- rørene- ved denne-utførelsesform redusert til deres

.akser-for -.-bsdr-e- å-iliuctrere deres--relative lengder.

Fig. 4 viser det samme som fig. 1, med en tilføyelse av en forbindelse av de varme og likeledes av de kolde utløp.

I utførelsesformen på fig. 1 er utløpet fra en kilde for trykk-fluidum tilsluttet en dyse 1 som danner en rektangulær spalte som ved ekspansjon av gassen leverer en stråle med en viss hastighet. På fig. 1 er dysen tenkt skåret i et plan loddrett på spaltens langsider. Til hver sin side fra banen for strålen fra dysen strekker der seg to symmetrisk plaserte skråvegger 2 og 2a. Skråningen av disse vegger i forhold til dyseaksen er liten nok til at strålen søker å klistre seg til den ene eller den annen av dem på grunn av det fenomen som er vel-kjent under betegnelsen Young- eller Coanda-effekt. Et sløyfeformet rør 3 danner innbyrdes forbindelse mellem to åpninger anordnet ved for-enden av hver sin av skråveggene 2, 2a ved utgangen fra dysen 1.

Virkemåten av en slik vippe er kjent. Når den komprimerte gass til å begynne med sendes ut gjennem dysen 1, vil den flate stråle som avgis fra denne, klistre seg på slump til den ene eller den annen av skråveggene 2, 2a, f.eks. til veggen 2a som vist på fig. 2. Den antar overhastighet på denne vegg, idet den her frembringer et undertrykk som holder likevekt med den sentrifugalkraft som skyldes avbøyningen. Da dette undertrykk via åpningen i veggen 2a og sløyfen 3 blir overført til den motstående åpning i veggen 2, blir likevekten brutt, og strålen vil klistre til veggen 2 o.s.v., slik at strålen vil svinge mellem sine to stillinger med en frekvens som er en funksjon av lengden av sløyfen 3 og av dens reaksjonstid. I rørstussene 4 og 4a, som slutter seg til skråveggene 2 og 2a og ender med sirkelrundt tverrsnitt, blir der dermed sluttelig oppfanget to pulserende strømmer som har samme frekvens, men er innbyrdes faseforskjøvet. Til stussene 4 og 4a slutter der seg to rørstystemer 5 og 5a. Disse systemer er innbyrdes symmetriske, og hvert av dem omfatter et første stykke A B som den respektive pulserende strøm fra stussen 4 eller.4a kommer inn i, og, fra og med punktet B, to grenstykker B C og B D av forskjellig lengde, stykket B C, som er det korteste i utførelsen på fig. 1, er sterkt innsnevret ved C med en tverrvegg som bare har en liten sentral åpning méd et areal mindre enn 30% av tverrsnittet av rørstykket B C. Det lengre stykke B D er fritt åpent ved D.

Under disse forhold, og hvis de tre lengder AB, B C og B D er hensiktsmessig tilpasset frekvensen av den pulserende strøm fra den aerodynamiske vippe såvel som størrelsen av denne strøm, altså gass-hastigheten, går størsteparten av strømmen ut avkjølet ved D og resten oppvarmet ved C.

Man kan forsøke først å gi en tilnærmet beskrivelse av fenomenet, idet man antar at de klassiske begreper for sonarrør som har vært.studert innen akustikken, er anvendelige på røret ABC, som er nesten lukket ved C, og på røret A B D, som er åpent ved D. Bølgelengden X

av grunnsvingningen, som er bestemt ved hvert av rørene,- er lik —, hvor V er lydens hastighet i gassen ved den temperatur hvormed den for-later vippen, og N er frekvensen av den pulserende strøm, og det skal dessuten antas at A B = ^—, B D ■= ^ ogBC = -|—.

Under disse forhold befinner der seg et trykk-knutepunkt nær A, en buk ved B og C og et knutepunkt ved D.

Betrakter man f.eks. ved B det øyeblikk da trykket er maksimum (overtrykk), blir trykkbølgen som forplanter seg fra B til C, reflek-tert ved C uten å skifte fortegn, da røret er praktisk talt lukket ved C. Da B C = |, opptrer denne reflekterte trykkbølge påny ved B én periode senere når den innfallende bølge påny er i trykkfase.

Parallelt hermed har trykkbølgen fra B forplantet seg i B D og reflekteres ved D under skiftning av fortegn, da røret er åpent ved D. Undertrykkbølgen som kommer tilbake, opptrer, påny ved B halvannen periode senere. Denne bølge er således i overtrykkfase når den når B, like-dan som den innfallende bølge.

Når man betrakter hva som foregår i grenpunktet B, kan man sette opp følgende tabell:

1) Efter en tid T (T = perioden):

a) den innfallende bølge, er på. overtrykk ved B,

b) trykkbølgen som forlot B på tidspunktet 0, kommer tilbake til C med overtrykk,

c) undertrykksbølgén som forlot B på tidspunktet 4?,

kommer tilbake til D med overtrykk.

Man ser at de tre bølger motvirker hverandre ved B og her søker å undertrykke enhver strømning, men der fordi undertrykket av den bølge som kommer tilbake, fra C, er mindre sterkt siden enden C ikke er full-stendig lukket, vil gå en liten strøm til C, og denne vil være varm fordi den tas fra den komprimerte gass.

2) Efter tiden T + |:

a) den innfallende bølge er på undertrykk ved B,

b) den undertrykksbølge som forlot B på tidspunktet + ^,

kommer tilbake fra C i form av en undertrykksbølge,

c) den undertrykksbølge som forlot B på tidspunktet 0, kommer tilbake fra D i form av en undertrykksbølge.

Man bør merke seg at undertrykksbølgen fra C er mindre sterk

på grunn av den partielle åpning ved enden C.

Disse betraktninger gjør det forståelig at der oppstår en strøm-ning av gass mot D, og at denne strømning er kold, siden den tas fra den ekspanderte gass.

I virkeligheten . er de svingningsfenomener med suksessive sammen-trykninger og utvidelser som utspiller seg i hvert av rørsystemene 5 og 5a, meget mer kompliserte og følger av forskjellige årsaker sannsynligvis ikke de lover for sonare rør som har vært studert i akustikken, når det gjelder intervallene mellem knutepunkter og buker. For det første strømmer gassen gjennem rørene, og først og fremst i delen A B D, med en betydelig hastighet,, slik at farten av den reflekterte bølge, som

må vandre mot strømningen, blir mindre enn farten av den innfallende bølge, noe som forstyrrer den klassiske stilling av knutepunkter og buker, et forhold som gjør seg desto sterkere bemerket jo høyere strømningshastigheten er, noe som forøvrig er ønskelig for det til-strebede formål. For det annet er hastighetene i rørene B C og B D ikke de samme, siden røret B C er varmt og røret B D koldt.

For den forsøksapparatur som har vært realisert av søkerne, kan følgende data oppgis: Gassén er luft. Den sendes gjennem den aerodynamiske vippe ved hjelp av en liten kompressor og kommer til vippen med et trykk av 1,9 bar, mens atmosfæretrykket er 1 bar. Strømmen som trer inn i vippen, har en stykke av 4,7 g pr. sek. Det sirkelformede rørtverrsnitt har et 2 areal av 50 mm . Vippens arbeidsfrekvens er 1160 Hz. Åpningen i dysen 1 har stort sett form av et rektangel med sidelengder henholdsvis 12 og 1 mm. Avstanden fra denne åpning til grenpunktet B, definert som skjæringspunktet mellem røraksene, er 90 mm. Lengden B C, regnet langs aksen, er 105 mm, mens lengden B D er 219 mm. Tverrveggen ved C har et hull som er lite nok til at den gassmengde som strømmer ut ved C, er 1/100 av den som trer ut ved D.

Man har fastslått at temperaturen av den varme utgangsstrøm ved C er 140° C høyere enn temperaturen ved inngangen til vippen, mens temperaturen av den kolde strøm som går ut ved D, er 10° C lavere enn inngangstemperaturen.

En økning av gassens strømningshastighet, d.v.s. av strømmens styrke ved samme tverrsnitt av rørene, må sannsynligvis antas å ville medføre en økning av disse temperaturforskjeller, særlig når det gjelder den kolde grenatrøm. Det samme gjelder ved en økning av frekvensen av den pulserende strøm. Men lengdene av rørene bør selvsagt tilpasses enhver ny verdi av strømningshastigheten og (eller) frekvensen såvel som gassens art, noe som f.eks. kan gjøres empirisk med ut-gangspunkt i det apparat som der ovenfor er angitt data for.

Det synes ikke å være av interesse å øke rørtverrsnittene for å la betydelige mengder strømme igjennem. Løsningen består fortrinnsvis i å koble flere apparater parallelt for å oppta de store kvanta.

Det kan bemerkes at den beskrevne innretning har fordelen av ikke å innbefatte noene bevegelig del. Dog vil det være mulig uten å avvike fra oppfinnelsens ramme å erstatte den aerodynamiske vippe med et hvilket som helst annet organ som er istand til å gi en pulserende strømning, f.eks. en kran med roterende kik.

Når mån bruker en aerodynamisk vippe, får man takket være selve konstruksjonen av vippen to pulserende strømmer, og for å utnytte disse behøver man to symmetriske rørsystemer. De varme og de kolde utganger fra disse to systemer kan forbindes seg imellem som vist på fig. 4,

hvor man ser to utjevningskamre 6 og 6a som er plasert bak åpningene i tverrveggene ved C og bestemt til å dempe pulsasjonene. Utløpene fra de to kamre er forenet til en rørledning 7, hvorfra den varme gass som avgis fra de to rørsystemer,trer ut.

På lignende måte ses ved 8 og 8a to utjevningskamre som er plasert bak endeåpningene ved D, og hvis utløp er ført sammen til en rør-ledning 9 som den avkjølede gass trer ut igjennem.

En ytterligere fordel ved innretningen ifølge oppfinnelsen er at den kan arbeide med forholdsvis lave forhold mellem trykket foran og bak, idet forholdet kan være fra 1,5 til 2, mens det velkjente Ranque-apparat krever meget høyere trykkforhold. Forøvrig virker Ranque-apparatet ved viskos medrivning mellem gass-skikt i hvirvlende bevegelse, mens innretningen ifølge oppfinnelsen arbeider med fluidumstempler representert ved kompresjons- og ekspansjonsbølger, idet hver gassporsjon som komprimeres, blir avkjølet ved ekspansjon og arbeider mot en annen gassporsjon, som den komprimerer og oppvarmer.

I Ranque-apparatet forbruker gassfriksjonen energi, noe som høyner temperaturen av den gjennemstrømmende gass som helhet og redu-serer virkningen av apparatet.

Denne friksjon foreligger ikke i apparatet ifølge oppfinnelsen, som derfor har høyere virkningsgrad.

Man kan forestille seg flere anvendelser av den beskrevne innretning, f.eks. ved klimatisering av rom i fartøyer eller lokaler, for lokal avkjøling av forskjellige innretninger som f.eks. ved brannvern-utrustning, kondensasjon av damper eller gasser m.v.

Forøvrig sier det seg selv at disse anvendelser ikke betegner begrensninger, og likeledes at det vil være mulig å foreta endringer ved de beskrevne innretninger, særlig ved erstatning med tekniske ekviva-lenter, uten derfor å overskride oppfinnelsens ramme.

Det kan nevnes at det er mulig å anordne flere termiske separa-torer i serie. For å øke den avkjøling som bevirkes av en separator, kan man f.eks. forbinde den kolde utgang D fra en første separator med inngangen A til den etterfølgende o.s.v.

Claims (5)

1. Varmeseparator med en anordning (1-3) til å levere pulserende strøm av gass til en eller to like røranordninger (5, 5a) forsynt med hver sin inntaksdel (4, 4a) som mottar den pulserende gass-strøm, karakterisert ved at hver inntaksdel (4, 4a) leder den pulserende gass-strøm til et forbindelsessted (B) mellem to grener (B C, B d) som har forskjellig lengde ut til separate frie ender (C, D), og at hver røranordning (5, 5a) avhengig av den gjennemledede gass og pulsasjonsfrekvensen er konstruert slik at der både ved det nevnte forbindelsessted (B) og ved den frie ende (C) av den ene rørgren (B C) fremkommer en trykkbuk, mens der ved den frie ende (D) av den annen rørgren (B D) fremkommer et trykk-knutepunkt, slik at der fås koldere gass ved den sistnevnte ende (D).
2. 2. Varmeseparator som angitt i krav 1, karakterisert ved at den nevnte ende (D) med knutepunkt er vidt åpen, mens enden (C) med trykkbuk er sterkt innsnevret.
3. 3. Varmeseparator som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at det er den lengste (B D) av de to grener som ender med et knutepunkt, mens den kortere (B C) ender med en buk.
4. 4. Varmeseparator som angitt i krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at anordningen (1-3) til å levere pulserende gass-strøm-ning omfatter en trykkgasskilde som leverer en kontinuerlig strøm av trykkgass gjennem en ekspansjonsdyse (1), og en fluidum-oscillator (3), anordnet ved dysens utløp, til skiftevis å dirigere den fra dysen ut-tredende kontinuerlige strøm til den nevnte inntaksdel (4) og bort fra den.
5. 5. Varmeseparator som angitt i et av kravene 1- 4, karakterisert ved at bukendene (C C) av de to røranordninger (5, 5a) er forbundet med hverandre og med en utgående ledning (7) for varmere gass og de to røranordningers knutepunktender (D D) likeledes er forbundet med hverandre og med en utgående ledning (9) for koldere gass.