WO2000022300A1 - Vorrichtung zum thermischen behandeln und zum antreiben eines gasförmigen mediums - Google Patents

Vorrichtung zum thermischen behandeln und zum antreiben eines gasförmigen mediums Download PDF

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WO2000022300A1 PCT/EP1999/007388 EP9907388W WO0022300A1 WO 2000022300 A1 WO2000022300 A1 WO 2000022300A1 EP 9907388 W EP9907388 W EP 9907388W WO 0022300 A1 WO0022300 A1 WO 0022300A1
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liquid
heat
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Christian Schneider
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Christian Schneider
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    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B21/00—Combinations of two or more machines or engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/1607—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with particular pattern of flow of the heat exchange media, e.g. change of flow direction

Definitions

  • the invention relates to a device for thermal treatment and for driving a gaseous medium.
  • heat exchangers are used to heat or cool the gaseous medium.
  • the latter is driven through the heat exchanger by a conveyor.
  • Axial or rotary piston compressors, screw compressors or are suitable as conveying devices
  • the volume on the heat exchanger side is referred to as harmful volume. This is because its size reduces the efficiency of the technical process. It is therefore endeavored to keep this volume as small as possible.
  • a liquid delivery device connected to the third chamber for periodically filling and emptying the flow channels between a maximum and a minimum liquid level.
  • the invention integrates the working volume of the drive device for the gaseous medium into a heat exchanger, the working volume being determined by the level difference. reference of the liquid in the flow channels (and their number) is defined.
  • the result is a working cylinder-heat exchanger combination in the form of a self-contained assembly.
  • the main advantage is that the harmful volume within the heat exchanger is reduced to zero.
  • the gaseous medium is driven by a large number of liquid pistons that rise and fall in the flow channels.
  • the actual drive device is therefore integrated in the working cylinder-heat exchanger combination, which leads to structurally favorable conditions.
  • the main advantage of liquid pistons is that no piston seals are required.
  • the compressors mentioned above cannot do without such seals.
  • the higher the pressure of the gaseous medium the more reliably the seals have to work, with the result that the required friction work increases, which in turn deteriorates the efficiency of the process.
  • the device according to the invention is therefore particularly suitable for those applications in which the gaseous second medium is at a high pressure.
  • the higher the pressure the smaller the cross section of the flow channels will be chosen, with the result that the wall thickness of the flow channels can be kept low despite the high pressures.
  • the heat conduction is accordingly good.
  • the orientation of the flow channels can be chosen arbitrarily. Depending on the viscosity of the liquid and depending on the pressure of the gaseous medium, a practically horizontal alignment is even conceivable. However, it is preferable to align the flow channels essentially vertically, since under these circumstances the viscosity of the liquid and the pressure of the gaseous medium are irrelevant to the functioning of the device.
  • the length of the flow channels advantageously corresponds essentially to the distance between the maximum and the minimum liquid fill level.
  • the length of the flow channels is therefore largely adapted to the working volume, which is otherwise dependent on the number of flow channels.
  • the latter in turn determines the required heat requirement, the heat exchanger being designed in such a way that it covers this heat requirement while absorbing the working volume.
  • a particularly simple construction results from the fact that the first chamber is delimited by a tubular housing, to which the upper and lower caps, which delimit the second and third chambers, are connected.
  • the liquid delivery device be formed by an axial piston pump, preferably driven by an eccentric.
  • this construction has the advantage that there is a very simple relationship between the cylinder diameter and the piston stroke of the liquid conveying device on the one hand and the cross section, the number and the length of the flow channels on the other hand.
  • the gaseous medium is subjected to the heat exchange in batches.
  • the inlet / outlet can be provided with a changeover valve, which connects the device alternately to a feed line and to a discharge line.
  • at least two of the devices according to the invention can be coupled with one another in a particularly favorable manner, the liquid-conveying devices then oscillating with a phase shift.
  • the heat transfer medium which ensures the heat exchange with the gaseous medium, can in turn be gaseous or liquid and flow through the first chamber. It is also possible to arrange a fixed heat transfer medium in a stationary position. This can be provided with an electrical heater in order to transfer heat to the gaseous medium.
  • the drawing shows a schematic vertical section through a device according to the invention.
  • the device has a housing 1 which delimits a first chamber 2.
  • the latter is flowed through by a heat transfer medium and has an inlet 3 and an outlet 4 for this purpose.
  • An upper cap 5 and a lower cap 6 connect to the housing 1.
  • the upper cap 5 defines an upper second chamber 7, while the lower cap 6 defines a lower third chamber 8.
  • the upper chamber 7 is connected to the lower chamber 8 via a plurality of flow channels 9 which penetrate the first chamber 2 vertically.
  • the upper chamber 7 has an inlet / outlet 10 for a gaseous medium, while the lower chamber 8 is connected to a liquid delivery device 11.
  • the liquid delivery device 11 has an axial piston pump 12 which is driven by an eccentric 13. In the position shown, the piston takes the
  • Axial piston pump 12 its middle position.
  • the flow channels 9 are therefore, as indicated, filled with liquid up to the middle height.
  • the liquid piston is in the flow-kanalen 9 is driven to its maximum climbing height, which is located at the upper end of the flow channels. 9
  • There- at the entire gaseous medium located in the flow channels 9 is displaced.
  • the liquid pistons move downward in the flow channels 9 to a minimum rise, which is at the lower end of the flow channels 9.
  • the gaseous medium enters the flow channels 9 and enters into heat exchange with the heat transfer medium located in the first chamber 2.
  • the gaseous medium is thus driven via the liquid pistons operating in the flow channels 9.
  • the flow channels 9 are designed as thin-walled tubes. They are also suitable for high pressures of the gaseous medium and ensure high heat conduction. Otherwise there is a very simple mathematical relationship between the cylinder diameter of the axial piston compressor 12 and its piston stroke (indicated by the top and bottom dead center) on the one hand and the diameter, the length and the number of the flow channels 9, on the other hand, the total volume of the flow channels the working volume is defined between the maximum and the minimum height of the liquid pistons.
  • the flow channels can thus have a cross-section other than tubular. It can also
  • Axial piston pump can be replaced by a different type of liquid delivery device.
  • the embodiment shown has proven to be particularly advantageous. Instead of the caps that delimit the upper or lower chamber, other embodiments are conceivable. It is essential that a gas collection space or a liquid collection space are formed above and below the first chamber.

Abstract

Die Vorrichtung weist eine erste Kammer (2) auf, die von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird. Ferner erstrecken sich Strömungskanäle (9) durch die erste Kammer hindurch. Die Strömungskanäle verbinden eine obere zweite Kammer (7) mit einer unteren dritten Kammer (8). An die obere Kammer ist ein Ein-/Auslass (10) für ein gasförmiges Medium angeschlossen, welches mit dem Wärmeträgermedium im Wärmeaustausch tritt. An die untere Kammer ist eine Flüssigkeitsfördervorrichtung (11) angeschlossen. Diese dient dazu, die Strömungskanäle periodisch zu befüllen und zu entleeren, wodurch das gasförmige Medium ausgeschoben bzw. eingesaugt wird. Die Vorrichtung bildet eine Arbeitszylinder-Wärmetauscher-Kombination ohne schädliches Volumen innerhalb des Wärmetauschers.

Description

Vorrichtung zum thermischen Behandeln und zum Antreiben eines gasförmigen Mediums
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln und zum Antreiben eines gasförmigen Mediums.
Bei technischen Prozessen dienen Wärmetauscher zum Erwärmen oder Abkühlen des gasförmigen Mediums. Letzteres wird von einer Fördereinrichtung durch den Wärmetauscher hindurchgetrieben. Als Fördereinrichtung eignen sich Axial- oder Rotationskolbenverdichter, Schraubenverdichter oder
Turboverdichter. Sämtliche Fördereinrichtungen verfügen über ein entsprechendes Volumen, welches bei thermodynamisehen Kreisprozessen als Arbeitsvolumen bezeichnet wird.
Das wärmetauscherseitige Volumen hingegen wird als schädliches Volumen bezeichnet. Seine Größe vermindert nämlich die Effizienz des technischen Prozesses. Man ist daher bestrebt, dieses Volumen so klein wie möglich zu halten.
Hierin liegt auch die Aufgabe der Erfindung, nämlich in der Verminderung des sogenannten schädlichen Volumens. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß versehen mit
- einer ersten Kammer für ein Wärmetauschermedium,
- einer Mehrzahl von Strömungskanälen, die durch die erste Kammer hindurchgehen und eine obere zweiten Kammer mit einer unteren dritte Kammer verbinden,
- einem an die obere Kammer angeschlossenen Ein-/Auslaß für das gasförmige Medium und
- einer an die dritte Kammer angeschlossenen Flüssigkeitsfördervorrichtung zum periodischen Befüllen und Entlee- ren der Strömungskanäle zwischen einem maximalen und einem minimalen Flüssigkeitsfüllstand.
Die Erfindung integriert das Arbeitsvolumen der Antriebseinrichtung für das gasförmige Medium in einen Wärmetauscher, wobei das Arbeitsvolumen durch die Füllstandsdif- ferenz der Flüssigkeit in den Strömungskanälen (und deren Anzahl) definiert wird. Es entsteht also eine Arbeitszylinder-Wärmetauscher-Kombination in Form einer in sich geschlossenen Baugruppe. Der wesentliche Vorteil liegt darin, daß das schädliche Volumen innerhalb des Wärmetauschers auf Null reduziert wird.
Außerdem ergibt sich eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Wärmetauschers, und zwar durch Verminderung der Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeträgermedium und dem gas- förmigen Medium. Je größer diese Temperaturdifferenz ist, desto stärker fällt der Wirkungsgrad ab, und zwar im Vergleich zum idealen thermodynamischen Kreisprozeß, nämlich dem Carnotprozeß.
Angetrieben wird das gasförmige Medium durch eine Mehr- zahl von Flüssigkolben, die in den Strömungskanälen aufsteigen und absinken. Die eigentliche Antriebseinrichtung ist also in die Arbeitszylinder-Wärmetauscher-Kombination integriert, was zu baulich günstigen Verhältnissen führt.
Der wesentliche Vorteil der Flüssigkolben besteht darin, daß keine Kolbenabdichtungen erforderlich sind. Die oben erwähnten Verdichter kommen ohne derartige Abdichtungen nicht aus. Je höher der Druck des gasförmigen Mediums ist, desto zuverlässiger müssen die Abdichtungen arbeiten, mit der Folge, daß die erforderliche Reibarbeit ansteigt, wodurch wiederum der Wirkungsgrad des Prozesses verschlechtert wird. Die Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich daher in besonderem Maße für solche Anwendungsfälle, in denen das gasförmige zweite Medium unter einem hohen Druck steht. Je höher der Druck ist, desto kleiner wird man den Querschnitt der Strömungskanäle wählen, mit der Folge, daß die Wandstärke der Strömungskanäle trotz der hohen Drücke gering gehalten werden kann. Die Wärmeleitung ist entsprechend gut.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, die Strömungskanäle als dünnwandige Rohre auszubilden. Grundsätzlich kann die Ausrichtung der Strömungskanäle beliebig gewählt werden. Je nach Viskosität der Flüssigkeit und je nach Höhe des Drucks des gasförmigen Mediums ist sogar eine praktisch horizontale Ausrichtung denkbar. Vorziehen ist es allerdings, die Strömungskanäle im wesentlichen vertikal auszurichten, da unter diesen Umständen die Visko- sität der Flüssigkeit und der Druck des gasförmigen Mediums für die Arbeitsweise der Vorrichtung keine Rolle spielen.
Vorteilhafterweise entspricht die Länge der Strömungskanäle im wesentlichen dem Abstand zwischen dem maximalen und dem minimalen Flüssigkeitsfüllstand. Die Länge der Strö- mungskanäle ist also weitgehend an das im übrigen von der Anzahl der Strömungskanäle abhängige Arbeitsvolumen angepaßt. Letzteres wiederum bestimmt den erforderlichen Wärmebedarf, wobei der Wärmetauscher so ausgelegt ist, daß er diesen Wärmebedarf unter Aufnahme des Arbeitsvolumens deckt. Eine besonders einfache Konstruktion ergibt sich dadurch, daß die erste Kammer von einem rohrförmigen Gehäuse begrenzt wird, an das sich obere und untere, die zweite bzw. die dritte Kammer begrenzende Kappen anschließen.
Ferner wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschla- gen, daß die Flüssigkeitsfördervorrichtung von einer vorzugsweise über einen Exzenter angetriebenen Axialkolbenpumpe gebildet wird. Gegenüber anderen Fördervorrichtungen, die ebenfalls einsetzbar sind, hat diese Konstruktion den Vorteil, daß eine sehr einfache Beziehung besteht zwischen dem Zylinderdurchmesser und dem Kolbenhub der Flüssigkeitsfördervorrichtung einerseits und dem Querschnitt, der Anzahl und der Länge der Strömungskanäle andererseits.
Das gasförmige Medium wird dem Wärmeaustausch chargenweise unterworfen. Dementsprechend kann der Ein- /Auslaß mit einem Umschaltventil versehen sein, welches die Vorrichtung alternierend an eine Zuführungsleitung und an eine Abführungsleitung anschließt. Ganz besonders günstig hingegen lassen sich mindestens zwei der erfindungsgemäßen Vorrichtungen miteinander koppeln, wobei dann die Flüssigkeitsför- dervorrichtungen phasenversetzt oszillieren. Das Wärmeträgermedium, das den Wärmeaustausch mit dem gasförmigen Medium besorgt, kann seinerseits gasförmig oder flüssig sein und die erste Kammer durchströmen. Auch besteht die Möglichkeit, ein festes Wärmeträgermedium stationär an- zuordnen. Dieses kann mit einer elektischen Heizung versehen sein, um Wärme auf das gasförmige Medium zu übertragen. Bei umgekehrtem Wärmefluß kann das feste Wärmeträgermedium die vom gasförmigen Medium abgegebene Wärme speichern oder ableiten. Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen schematischen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse 1 auf, welches eine erste Kammer 2 begrenzt. Letztere wird im vorliegenden Fall von einem Wärmeträgermedium durchströmt und weist hierzu einen Einlaß 3 sowie einen Auslaß 4 auf.
An das Gehäuse 1 schließen sich eine obere Kappe 5 und eine untere Kappe 6 an. Die obere Kappe 5 begrenzt eine obere zweite Kammer 7, während die untere Kappe 6 eine untere dritte Kammer 8 begrenzt . Die obere Kammer 7 ist mit der unteren Kammer 8 über eine Mehrzahl von Strömungskanälen 9 verbunden, die die erste Kammer 2 vertikal durchsetzen. Die obere Kammer 7 weist einen Ein-/Auslaß 10 für ein gasförmiges Medium auf, während die untere Kammer 8 an eine Flüssigkeitsfördervorrichtung 11 angeschlossen ist. Die Flüssigkeitsfördervorrichtung 11 weist eine Axialkolbenpumpe 12 auf, die von einem Exzenter 13 angetrieben wird. In der dargestellten Position nimmt der Kolben der
Axialkolbenpumpe 12 seine Mittelstellung ein. Die Strömungskanäle 9 sind daher, wie angedeutet, bis zur mittleren Höhe mit Flüssigkeit gefüllt. Bei weiterer' Drehung des Exzenters 13 im Uhrzeigersinn werden die Flüssigkolben in den Strö- mungskanalen 9 bis zu ihrer maximalen Steighöhe angetrieben, wobei diese am oberen Ende der Strömungskanäle 9 liegt. Da- bei wird das gesamte in den Strömungskanälen 9 befindliche gasförmige Medium verdrängt . Bei weiterer Drehung des Exzenters 13 wandern die Flüssigkolben in den Strömungskanälen 9 nach unten bis zu einer minimalen Steighöhe, die am unteren Ende der Strömungskanäle 9 liegt. Das gasförmige Medium tritt dabei in die Strömungskanäle 9 ein und gelangt in Wärmeaustausch mit dem in der ersten Kammer 2 befindlichen Wärmeträgermedium.
Der Antrieb des gasförmigen Mediums erfolgt also über die in den Strömungskanälen 9 arbeitenden Flüssigkolben.
Dies bedeutet, daß der Antrieb innerhalb des von der ersten Kammer 2 und den Strömungskanälen 9 gebildeten Wärmetauschers stattfindet. Das sogenannte schädliche Volumen wird also hier auf Null reduziert. Im übrigen benötigen die Flüs- sigkolben keine Abdichtung, so daß also die Reibarbeit auch bei hohen Drücken des gasförmigen Mediums gering ist.
Im vorliegenden Fall sind die Strömungskanäle 9 als dünnwandige Rohre ausgebildet . Sie eignen sich auch für hohe Drücke des gasförmigen Mediums und gewährleisten eine hohe Wärmeleitung. Im übrigen ergibt sich ein sehr einfaches mathematisches Verhältnis zwischen dem Zylinderdurchmesser des Axialkolbenverdichters 12 und dessen Kolbenhub (angedeutet durch den oberen und den unteren Totpunkt) einerseits und dem Durchmesser, der Länge und der Anzahl der Strömungskanä- le 9 andererseits, wobei das Gesamtvolumen der Strömungskanäle zwischen der maximalen und der minimalen Steighöhe der Flüssigkolben das Arbeitsvolumen definiert.
Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So können die Strömungskanäle einen an- deren als rohrförmigen Querschnitt aufweisen. Auch kann die
Axialkolbenpumpe durch eine andersartige Flüssigkeitsfördervorrichtung ersetzt werden. Die dargestellte Ausführungsform hat sich allerdings als besonders vorteilhaft erwiesen. Anstelle der Kappen, die die obere bzw. untere Kammer begren- zen, sind andere Ausführungsformen denkbar. Wesentlich ist, daß oberhalb und unterhalb der ersten Kammer ein Gassammei- räum bzw. ein Flussigkeitssammelraum gebildet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum thermischen Behandeln und zum Antreiben eines gasförmigen Mediums, mit - einer ersten Kammer (2) für ein Wärmeträgermedium,
- einer Mehrzahl von Strömungskanälen (9) , die durch die erste Kammer (2) hindurchgehen und eine obere zweiten Kammer
(7) mit einer unteren dritten Kammer (8) verbinden,
- einem an die obere Kammer (7) angeschlossenen Ein- /Auslaß (10) für das gasförmige Medium und
- einer an die untere Kammer (8) angeschlossenen Flüssigkeitsfördervorrichtung (11) zum periodischen Befüllen und Entleeren der Strömungskanäle (9) zwischen einem maximalen und einem minimalen Flüssigkeitsfüllstand.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (9) von dünnwandigen Rohren gebildet werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (9) im wesentlichen vertikal ausgerichtet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Strömungskanäle (9) im wesentlichen dem Abstand zwischen der maximalen und der minimalen Flüssigkeitssteighöhe entspricht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (2) von einem rohrförmigen Gehäuse (1) begrenzt wird, an das sich obere und untere, die zweite bzw. die dritte Kammer (7, 8) begrenzende Kappen (5, 6) anschließen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsfördervorrichtung (11) von einer vorzugsweise über einen Exzenter (13) angetriebenen Axialkolbenpumpe (12) gebildet wird.
PCT/EP1999/007388 1998-10-09 1999-10-05 Vorrichtung zum thermischen behandeln und zum antreiben eines gasförmigen mediums WO2000022300A1 (de)

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