NO175166B

NO175166B - Innretning for tilveiebringelse av og utnyttelse av en trykkforskjell, bestående av en av to med sine mindre grunnflater koaksialt motliggende hulkjeglestumper dannet dobbeltkonus

Info

Publication number: NO175166B
Application number: NO872110A
Authority: NO
Inventors: John Herman Stark; Michel Vermot; Paul Werner Straub
Original assignee: Paul Werner Straub
Priority date: 1985-09-21
Filing date: 1987-05-20
Publication date: 1994-05-30
Also published as: EP0232391A1; US4792284A; AU588624B2; BR8606882A; ATE84124T1; EP0232391B1; WO1987001770A1; NO175166C; NO872110D0; AU6289386A; DE3687412D1; NO872110L

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en innretning for tilveiebringelse av og utnyttelse av en trykkforskjell, bestående av en av to med sine mindre grunnflater koaksialt motliggende hulkjeglestumper dannet dobbeltkonus, hvilken dobbeltkonus er omsluttet av en hulsylinder med en sideveis tilknytningsstuss i mantelflaten.

Innretningen ifølge oppfinnelsen baserer seg på anvendelsen av et modifisert venturirør. Denne nesten 200 år gamle, kjente innretning er i sin form et rotasjonslegeme som har en komplisert asymmetrisk kurve som generatrise. Kotasjons-legemet består av et rør som i samsvar med kurveformen avsmalner asymmetrisk i sin lengderetning og så utvider seg. Gjennomstrømmes venturirøret av et strømningsdyktig medium, så vil det inne i røret oppstå et undertrykk - i forhold til det ved inngangs- og utgangstverrsnittet målte trykk - idet trykkdifferansen ifølge den av Bernoulli i 1680 formulerte lov når et maksimum på det trangeste stedet i røret.

Venturirøret anvendes på flere områder, eksempelvis som instrument for måling av strømningshastigheten til væsker og gasser i rør, videre for måling av hastigheten til fly og skip, som vannstrålepumpe (fig. 2) for evakuering av beholdere, videre i forgassere for forbrenningsmotorer og i innretninger for gassvasking.

Ved anvendelsen av venturirøret som måleinstrument er det en ulempe at den ved målestedene avleste trykkdifferanse ikke er avhengig av strømningshastigheten på en enkel beregnbar måte. Flere andre faktorer, såsom eksempelvis viskositeten og tettheten til det strømmende medium, høyden til inngangs- og utgangstrykket og ikke minst den nøyaktige geometrien for dyseformen og veggruheten, er i avgjørende grad medbestem-mende for måleresultetet, slik at det i praksis for hver definert måleoppgave må tilveiebringes en bare innenfor trange grenser gjeldende justeringskurve. Visse forenklinger og normeringer av dyseformen (fig. 3) har riktignok medført bedringer og muliggjort en bedre reproduserbarhet av måle-resultatene, mens sammenhengen mellom strømningshastighet og målt trykkdifferanse er allikevel fremdeles komplisert også ved den normerte venturi-modell.

Man har nå funnet at det kan oppnås overraskende og av hittil kjent litteratur ikke utledbare fordeler dersom man erstatter den vanlige venturirør-form med en dobbelkonus som vist i fig. 5a, hvis geometiske forhold tilfredsstiller de følgende betingelser:

hvor

©1er inngangskonusens åpningsvinkel

©2er utgangskonusens åpningsvinkel

F er den ovenfor angitte funksjon

d er diameteren til den mindre av de motliggende

hulkj eglestumpflater

D er de to kjeglestumpers største diameter, og

h er den frie avstand mellom de to hulkjeglestumper, idet dessuten hulsylinderens innerdiameter T skal ligge mellom l,5d og 100d og tilknytningsstussens bredde S skal ligge mellom O.OOld og 10d, og avstanden h fremkommer ved en ensidig beskjæring av utgangs-hulkjeglestumpen på en slik måte at den mindre grunnflate med diameter d ved inngangshulkjeglen faller sammen med de to hulkjeglers tenkte skjæringsplan, og spissen til utgangs-hulkjeglen avkortes med strekningen h, slik at den minste diameteren i utgangshulkjeglen ved beskjæringen økes til verdien

idet her dg er den minste diameter i utgangskonusen, Dg er den største diameter og Lg er dens lengde.

I og for seg er en innretning for utnyttelse av en trykkdifferanse og bestående av en slank dobbelkonus kjent fra US 2.080.624. En dobbelkonus som skjematisk vist i sin enkleste form i fig. 4, muliggjør ikke bare en lettere visning og beregning av de hydrodynamiske forhold og en bedre over-ensstemmelse av målte og beregnede data innenfor et bredt område, men muliggjør også overraskende en vesentlig høyere virkningsgrad. Det vil si at for en gitt strømningshastighet for det strømmende medium har man funnet en høyere trykkdifferanse mellom inngangstverrsnittet og det trangeste sted i dobbeltkonusen. Denne høyere trykkdifferanse betyr en bedre sugevirkning ved samme inngangstrykk. Derimot er dobbeltkonusens totale strømningsmotstand ved en gitt gjennomstrøm-ningsmengde av medium bestemt av trykkdifferansen mellom den totale dobbelkonus inngangs- og utgangstverrsnitt. Dette er avgjørende for virkningsgraden, dvs. for forholdet mellom trykket og sugevirkningen, slik dette eksempelvis er vist i den nedenfor oppstilte tabell 2.

Denne virkningsgrad kan delvis anslås ut i fra den numeriske verdi for funksjonen F. Jo lavere denne numeriske verdi ligger under den ovenfor angitte grenseverdi på 0,02, desto høyere vil dobbeltkonusens virkningsgrad være. Den er imidlertid også avhengig av lengden til såvel inngangs- som utgangskonusen.

Den høy virkningsgrad gjør seg særlig gjeldende ved lave aksiale strømningshastigheter, dvs. under forhold hvor de kjente innretninger erfaringsmessig mister sin virkning. Under henvisning til fig. 4, hvor dobbeltkonusen ifølge oppfinnelsen er vist skjematisk, er det i den nedenfor oppstilte tabell 1 gjengitt verdier for funksjonen F for en del utvalgte konfigurasjoner:

Av tabell 1 går det frem at verdien for funksjonen F reagerer meget sterkere på størrelsen til utgangsvinkelen enn på størrelsen til inngangsvinkelen: så lenge bare utgangsvinkelen er liten nok, kan man oppnå gode resultater også med forholdsmessig store inngangsvinkler. Av tabellen går det frem at åpningsvinkelen, i det minste på utgangssiden, ikke må overstige 10° . For klassifisering av kvaliteten til en dobbeltkonus ifølge oppfinnelsen gjelder de følgende omtrentlige retningsverdier

Funksjon F < 0,0035 utmerket

0,035 - 0,0155 meget god 0,0155 - 0,0250 god

0,0250 - 0,0500 tilfredsstillende 0,0500 - 0,1100 neppe tilstrekkelig

> 0,1100 utilfredsstillende

Med den foran nevnte og i kravene fastlagte begrensning F 0,02 sikres at dobbeltkonusen ifølge oppfinnelsen også vil tilfredsstille høye krav. Samtidig er det dermed også fore- tatt en avgrensning overfor tidligere kjente, tilsynelatende like innretninger.

Dobbeltkonusen ifølge oppfinnelsen har mange anvendelses-muligheter, eksempelvis som vakuumpumpe og som trykkpumpe, såvel som i mange derav avledede funksjoner, eksempelvis som et regulerende element. Da dens virkningsgrad som pumpe også bibeholdes selv ved små inngangstrykk og lave gjennomstrøm-ningshastigheter, vil den sammenlignet med samtlige vanlige strålepumper eller ejektorer by på vesentlige tekniske fordeler. Særlig gjelder at den eksempelvis kan anvendes for gjenvinning av energi fra langsomt strømmende vann.

Dobbeltkonusens tekniske fordeler kan demonstreres på en iøynefallende måte, eksempelvis med utgangspunkt i dens anvendelse som vannstrålepumpe, i sammenligning med en vanlig strålepumpe:

En ytterligere interessant egenskap ved dobbeltkonusen ifølge oppfinnelsen er dens avhengighet av det i systemet herskende trykk: Under identiske geometriske betingelser og med lik væskegjennomstrømning vil trykkdifferansen mellom inngangstverrsnittet og den på det trangeste sted anbragte sidetil-knytning være høyere jo høyere det i systemet herskende totaltrykk er. I samme grad vil også strømningsmotstanden gjennom dobbeltkonusen endre seg, idet strømningsmotstanden avtar med økende trykk. Dette er helt overraskende og var ikke å forvente ut i fra de kjente hydrodynamiske teorier, i hvert fall ikke for inkompressible medier.

En ytterligere overraskende effekt ved dobbeltkonusen ifølge oppfinnelsen er at - ved lik strømningshastighet - den mellom inngangstverrsnittet og det smaleste sted innstilte trykkdifferanse vil være større i åpne systemer enn i et lukket system med tvungen sirkulasjon, dvs. at en i med en bestemt hastighet strømmende vann neddykket dobbeltkonus vil gi en høyrere trykkdifferanse enn en lik dobbeltkonus, hvor det med samme hastighet tilveiebringes en strømning ved hjelp av en pumpe. Særlig gjelder denne forbindelse også at dobbeltkonusen forblir virksom selv ved lavt inngangstrykk henholdsvis lav strømningshastighet.

I sin enkleste form (fig. 4) består dobbeltkonusen av to med sine mindre grunnflater i aksial retning forbundne hulkjeglestumper. For å oppnå en god virksomhet, velges åpningsvinkelen til henholdsvis inngangs- og utgangskjeglen slik at funksjonen F ifølge tabell 1 får en gunstig verdi. Egnede, åpningsvinkler for de to kjegler ligger mellom 1 og 10 vinkelgrader; forholdet mellom diameterne ved inngangen henholdsvis utgangen og diameteren på det trangeste i dobbeltkonusen, hvilket forhold vil være funksjon både av åpningsvinkelen såvel som av lengden til hver hulkjeglestump, ligger innenfor grensene 1:1 til 1:200.

En dobbeltkonus ifølge fig. 4 har riktignok bare en teoretisk verdi: for at man skal kunne utnytte den trykkdifferanse som oppnås ved gjennomstrømningen i dobbeltkonusen må man på det smaleste sted ha en åpning, hvorigjennom det på dette sted herskende undertrykk kan komme til virkning på omgivelsene.

Som slik åpning egner seg eksempelvis en sirkelrund åpning med en radielt rettet tilknytningsstuss. Denne anordning vil imidlertid ha den ulempen som ligger i en viss asymmetri, noe som særlig vil ha en ugunstig innvirkning nå en sterkere strømning går inn i den aksiale hovedstrøm gjennom sideåpn-ingen.

For den praktiske anvendelse har man derfor utviklet en spesiell utførelsesform, som har vist seg å være gunstig for den tekniske anvendelse. Denne utførelsesform muliggjør særlig en fordeling av den på det smaleste sted inngående sidestrøm symmetrisk over det aksiale strømningstverrsnitt. I denne utførelsesform (fig. 5) er de to hulkjeglestumper adskilt fra hverandre på det smaleste sted, på en slik måte at de to mindre grunnflater har en innbyrdes avstand h. Samtidig er de to hulkjeglestumper koaksialt forbundne med et sylindrisk rørstykke, hvilket rørstykke omslutter det åpne område og holder de to delstykker sammen rent mekanisk. Det sylindriske forbindelsesrør har en eller flere radielt rettede tilknytningsstusser på sin mantelflate. Betegnes de to hulkjeglestumpers minste diameter med lite d, så vil man for dimensjonene i området ved kjegledysen få de omtrentlige følgende gunstigste verdier:

Det har videre vist seg at effekten til dobbeltkonusen ifølge oppfinnelsen kan økes ytterligere med en lett modifisert utførelsesform: Ifølge krav 1 (fig. 5a) blir dobbeltkjeglen for oppnåelse av en høyere effekt delt asymmetrisk, idet, med utgangspunkt i en dobbeltkonus ifølge fig. 4, den totale avstand h mellom de to kjeglestumper oppnås ved en ensidig beskjæring av utgangskjeglen: den mindre grunnflate i inngangs-kjeglestumpen vil da falle sammen med den opprinnelige grunnflate og beholder sin opprinnelige diameter d; kjeglestumpen på utgangssiden beskjæres med en strekning h; dens grunnflate blir derved forflyttet en strekning h i strømningsretningen fra inngangskjeglen. Diameteren til dens mindre grunnflate økes derved til verdien

hvor Dg er den største diameter i utgangs-kjeglestumpen og Lg er dens lengde.

Oppfinnelsen og dens mulige tekniske anvendelser skal belyses nærmere under henvisning til fig. 1-6, uten at dette skal være begrensende for oppfinnelsens ramme.

Fig. 1 viser et venturirør i vanlig utførelse fig. 2 viser en vannstrålepumpe hvor venturirøret er

anvendt,

fig. 3 viser den normerte form til et venturirør ISO 15

(1983),

fig. 4 viser grunnformen til en (asymmetrisk) dobbeltkonus ),

fig. 5 viser den symmetriske utførelsesform av en

dobbeltkonus,

fig. 5a viser en forbedret asymmetrisk utførelsesform

ifølge patentkrav 1, og

fig. 6 viser en anvendelse av en dobbeltkonus som

trykkpumpe.

På tegningene viser fig. 1 den vanlige form for et venturirør i lengdesnitt. Det strømmende medium går gjennom inngangs-konusen 1, gjennom det trangeste sted 3 og ut gjennom utgangskonusen 2. Det laveste trykk vil man få i innsnevringen 3. Fig. 2 viser den vanlige anvendelse av venturirøret som vannstrålepumpe. Vann strømmer gjennom dysen 4 mot vanturi-røret 5. Som følge av undertrykket suges luft eller et annet strømningsdyktig medium inn ved 6. Fig. 3 viser den normerte utførelse av et venturirør ifølge normbladet ISO 15 (1983). Mediet strømmer fra det sylindriske inngangsrør 7 til inngangskjeglen 8, hvis kjeglevinkel utgjør ca. 21°. Det sylindriske dysestykket 9, hvis lengde omtrent er slik diameteren, er, på samme måte som inngangsrøret 7,

e

forsynt med sideåpninger 11. Det strømmende medium går videre gjennom det koniske utgangsrør 10, som har en åpningsvinkel på mellom 7,5 og 15°.

Fig. 4 viser dobbeltkonusen ifølge oppfinnelsen i sin enkleste grunnform, med inngangskjegle 12 og utgangskjegle 13. Det laveste trykk oppstår ved innsnevringen 14. Fig. 5 viser en utførelsesform av dobbeltkonusen ifølge oppfinnelsen, som angitt i krav 9, i lengdesnitt. Inngangs-konusen 15 har lengden , en største diameter og en åpningsvinkel 0^; utgangskonusen 16 har lengden Lg, en største diaméter Dg og en åpningsvinkel Øg; de to kjeglestumpers minste grunnflater, som begge har diameteren d, er anordnet i en innbyrdes avstand h i et sylindrisk for-bindelsesrør 17. Dette sylindriske røret, som har en innerdiameter T, er forsynt med en sideveis tilknytningsstuss 18, hvis innerdiameter er S. Fig. 5a viser en forbedret utførelsesform av dobbeltkonusen ifølge oppfinnelsen, som angitt i krav 10: Anordningen av de to hulkjeglestumper er utført på samme måte som i fig. 5, men den opprinnelige snittsirkel (15b) for de to kjegler er nå forskjøvet en strekning h/2 i motstrømretningen, og utgangs-kjeglestumpen 16a er forkortet med lengden h. Inngangskjegle-stumpen 15a har altså sin opprinnelige minste diameter d^= d, mens den minste diameter for utgangskjeglestumpen 16a er noe større og utgjør

Fig. 6 viser anvendelsen av dobbeltkonusen ifølge oppfinnelsen som trykkpumpe. Ved hjelp av turbinen 23 blir vann pumpet i kretsløp gjennom dobbeltkonusen 24 og den lukkede trykkbeholder 25. I dobbeltkonusens sidestuss suges det inn ytterligere strømningsdyktig medium som følge av det tilveie-bragte undertrykk. Er - det luft som suges inn, så øker trykket i trykkbeholderen 25, mens vaeskevolumet forblir konstant. Suges det isteden inn vann, så øker trykket, samtidig som luftvolumet reduseres.

En sammenligning med den konvensjonelle vannstrålepumpe viser også her hvor overlegen den nye innretning er. Ved samme dimensjoner som i foregående eksempel oppnådde man, med et vanntrykk på 1000 mbar ved pumpeinnretningens innløp, et sluttrykk i trykkbeholderen på maksimalt 1000 mbar med vannstrålepumpen, mens man med den nye dobbeltkonus nådde over 5000 mbar, dvs. altså flere ganger det trykk som tilveiebringes av sirkulasjonspumpen.

Claims

1. Innretning for tilveiebringelse av og utnyttelse av en trykkforskjell, bestående av en av to med sine mindre grunnflater koaksialt motliggende hulkjeglestumper dannet dobbeltkonus, hvilken dobbeltkonus er omsluttet av en hulsylinder med en sideveis tilknytningsstuss i mantelflaten,karakterisert vedat dobbeltkonusen tilfredsstiller de geometriske betingelser 0,001 d h 20 d d D 200 d 1° Gi 10'1°0210° samt betingelser

hvor d = den minste diameter i de to hulkjeglestumpers tenke skjæringsplan h = avstanden mellom grunnflatene til de to hulkjeglestumpene D = den største diameter i de to hulkjeglestumper ©1= åpningsvinkelen til inngangshulkjeglen Bg = åpningsvinkelen til utgangshulkjeglen, og F = den ovenfor angitte funksjon, idet dessuten hulsylinderens innerdiameter T skal ligge mellom 1,5 og 100 d og tilknytningsstussens bredde skal ligge mellom 0,001 og 10d og avstanden h fremkommer ved en ensidig beskjæring av utgangshulkjeglestumpen på en slik måte at den mindre grunnflate med diameter d i inngangshulkjeglen faller sammen med de to hulkjeglers tenkte skjæringsplan, og spissen til utgangshulkjeglen avkortes med strekningen h, slik at den minste diameter i inngangshulkjeglen er lik d og den minste diameter i utgangshulkjeglen ved beskjæringen økes til verdien

idet her dg er den minste diameter i utgangskonusenm Dg er den største diametern og Lg er dens lengde, mens de og h har de ovenfor gitte betydninger.

2. Innretning ifølge krav 1, for tilveiebringelse av overtrykk,karakterisert vedat man i et lukket system fører et inkompressibelt strømbart medium i kretsløp etter hverandre gjennom en dobbeltkonus, en i det minste delvis ved et komprimerbart medium fylt trykkbeholder og tilbake igjen til en pumpe, hvorunder ytterligere strømbart medium suges inn i kretsløpet som følge av det i dobbeltkonusen tilveie-bragte undertrykk, hvorved trykket økes.