DE1810501A1 - Verfahren und Einrichtung zum Verdichten eines leichten Gases - Google Patents

Description

Verfahren und Einrichtung zum Verdichten eines leichten Gases.

Turbokompressoren sowohl der radialen als auch der axialen Bauweise eignen sich schlecht für die Verdichtung von Gasen mit niedriger Molmasse, da für ein gefordertes Verdichtungsverhältnis relativ viele Stufen benötigt werden. Kompressoren, die nach dem Verdrängerprinzip arbeiten (z.B. Hubkolbenverdichter, Vielzellenverdichter, Drehkolbenverdichter usw.) weisen diesen Nachteil zwar nicht auf, sie haben dafür jedoch andere, nicht minder schwerwiegende Nachteile, wie Schwierigkeiten bei der Schmierung und relativ kleine Förderleistung.

Die Aufgabe, große Mengen leichter Gase zu verdichten, hat bisher also noch keine zufriedenstellende Lösung gefunden.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Verdichten eines leichten Gases anzugeben, die die oben geschilderten Nachteile vermeiden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß durch Einführen einer vorher beschleunigten Flüssigkeit in das Gas eine Gas-Flüssigkeits-Mischung hergestellt, diese Mischung dann verlangsamt und das Gas schließlich von der Mischung abgetrennt wird.

Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich unter Umständen auch zur Verdichtung von schweren Gasen.

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Das durch die Erfindung angestrebte Ziel wird also mittels eines Verfahrens erreicht, bei dem mit der Strömung eines zweiphasigen Mediums gearbeitet wird, nämlich eines Mediums mit einer flüssigen Phase und einer gasförmigen Phase, die die Form von mit der flüssigen Phase inniggemischten Bläschen hat. Zur Verdichtung des Gases mischt man also das Gas mit einer Flüssigkeit, die im wesentlichen den gleichen Druck wie das Gas hat aber vorher beschleunigt wurde, anschließend verlangsamt man die Mischung in einem Diffuser, wo sie verdichtet wird, und man trennt schließlich die beiden Phasen in einem Separator.

Das so verdichtete Gas gelangt dann zum Verbrauch während die Flüssigkeit, die sich im. Augenblick unter einem Druck befindet, der im wesentlichen gleich dem des verdichteten Gases ist, einer Pumpe zugeführt wird, um ihr erneut die Energie zu erteilen, die sie an das Gas abgegeben hat.

Die Pumpe kann durch einen Elektromotor, eine Dampfturbine oder irgendeine beliebige andere Antriebsmaschine, die eine mechanische Antriebsleistung abzugeben vermag, angetrieben werden.

Die Flüssigkeit strömt darauf durch einen Entspannungskanal, wo sie wenigstens annähernd auf den Anfangsdruck des zu verdichtenden Gases gebracht wird, und gelangt dann wieder über die Misch vorrichtung in den Kreislauf.

Bei einer Abwandlung des beschriebenen Verfahrens wird die Mischung außerdem einem Druckgradienten ausgesetzt, der durch ein Zentrifugalkraftfeld erzeugt wird, und die Flüssigkeit wird in diesem Kraftfeld verdichtet.

In allen Fällen wird die durch die Verdichtung entstehende Wärme mittels einer Kühlvorrichtung abgeführt. Die Kühlvorrichtung kann sich im Flüssigkeitskreislauf selbst befinden oder man kann an einer gewünschten Stelle aus dem Hauptflüssigkeitskreislauf Flüssigkeit abzweigen, durch die Kühlvorrichtung leiten und sie dann an einem anderen Punkt des Kreislaufes, bei dem ein niedrigerer Druck als an der Entnahmestelle herrscht, dem Hauptflüssigkeitskreislauf wieder zuführenj die Druckdifferenz dient dabei zur Kompensation von Verlusten durch den Strömungswiderstand der Kühl vorrichtung.

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Als Pumpe, die bewegliche Laufschaufeln und feststehende Leitschaufeln enthält, wird vorzugsweise eine Spezialausführung verwendet, die den Druck der Flüssigkeit nicht nennenswert erhöht, ihre kinetische Energie jedoch vergrößert, was mit sehr gutem Wirkungsgrad geschehen kann. Gemäß einer Abwandlung ist vorgesehen, diese Maschine ganz oder teilweise mit dem folgenden Entspannungskanal zu kombinieren; bei dieser Anordnung verringert sich der Druck also in der Maschine ohne daß die Maschine dabei aufhört, mechanische Energie aufzunehmen: Die Entspannung in dem folgenden Teil des Strömungskanals wird dann geringer oder ganz zu null.

Die Flüssigkeit, die in einem geschlossenen Kreislauf umläuft, kann beliebiger Art sein, selbstverständlich muß sie physikalisch und chemisch mit dem zu verdichtenden Gas verträglich sein. Man kann daher um die Geschwindigkeitsänderungen der Flüssigkeit klein zu halten, eine Flüssigkeit relativ hoher Dichte verwenden, wobei dann flüssige Metalle interessant werden, unter Umständen genügt jedoch auch gewöhnliches Wasser.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindungj

Fig. 2 einen Axialschnitt eines Teiles eines Axialverdichters, der bei einer Einrichtung der vorliegenden Art verwendet werden kann;

Fig. ~? eine abgewickelte Darstellung von Leit- und Laufschaufeln;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Geschwindigkeiten des strömenden Mediums in der Verdichterbeschaufelung;

Fig. 5 eine Schnittansicht einer Hälfte eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und

Fig. 6 eine Schnittansicht eines etwas abgewandelten dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Die in Fig. 1 als Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellte Einrichtung enthält eine Mischvorrichtung 1

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mit einer Anzahl von gelochten Röhren, die parallel zueinander durch eine Speiseleitung 2 mit dem zu verdichtenden Gas gespeist werden, das auf diese Weise in eine vorher beschleunigte Flüssigkeit eingeführt wird, Am Ausgang der Mischvorrichtung wird die Flüssigkeits-Gas-Mischung in einem gebogenen Diffuserkanal verlangsamt, wobei eine Verdichtung stattfindet. Anschließend gelangt die Mischung in einen Separator 3, wo die Blasen des verdichteten Gases durch eine gestrichelt gezeichnete freie Fläche entweichen. Das abgetrennte verdichtete Gas strömt dann durch eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Leitung5 ab.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung enthält einen Zentrifugalseparator, in der die Mischung etwa zwei Drittel eines Kreisbogens durchläuft, selbstverständlich können auch andere bekannte Abtrennvorrichtungen und auch andere Mischvorrichtungen verwendet werden.

Die Flüssigkeit strömt dann zu einer Pumpe 6, die von einem Motor 7 angetrieben wird und der Flüssigkeit wieder die für die Verdichtung des Gases verbrauchte Energie zuführt. Ein Teil der Fluss;gkeitsströmung kann eine Kühlvorrichtung 9 durchlaufen, deren Eingang mit einer Abzweigleitung 8 und deren Ausgang mit einer Rückleitung 10 verbunden sind.

Selbstverständlich könnten die Wärmetauscherflächen der Kühlvorrichtung unmittelbar in der Hauptflüssigkeitsleitung angeordnet sein.

Die in der Pumpe 6 komprimierte Flüssigkeit beschleunigt . sich während ihrer Entspannung in einem Kanal 11 bevor sie wieder in die Mischvorrichtung 1 eintritt.

Gemäß einer Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispieles kann der Entspannungskanal 11 verkleinert werden oder entfallen, wenn die Beschleunigung bereits in der Maschine 6 stattfindet, wie noch näher erläutert werden wird.

Für die Maschine 6 kann man eine Pumpe bekannten Typs verwenden, da jedoch der Druck der Flüssigkeit, den diese nach ihrer Abtrennung von dem komprimierten Gas hat, vor der erneuten Mischungsbildung in kinetische Energie umgesetzt werden soll; verwendet man vorzugsweise eine Maschine, bei der die mechanische

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Energie unmittelbar in kinetische Energie der Flüssigkeit und nicht in Druck umgesetzt wird. Die Flüssigkeit verläßt die Maschine dann mit dem am Einlaß herrschenden Druck, jedoch mit höherer Geschwindigkeit.

Gemäß einer Abwandlung kann man auch die Flüssigkeit auf den relativ niedrigen Druck, der am Einlaß der Mischvorrichtung herrscht, ganz innerhalb der gleichen Maschine entspannen, die Auslaßgeschwindigkeit ist dann entsprechend höher. Es handelt sich dann also um eine Maschine, die Energie verbraucht, wie eine Pumpe, aber den Druck herabsetzt, wie eine Turbine. Eine solche Maschine kann einen sehr guten Wirkungsgrad haben, da Maschinen, die mit Entspannung arbeiten, einen besseren Wirkungsgrad haben als Maschinen, die mit Verdichtung arbeiten. In der Maschine entspannt sich die Flüssigkeit also von einem Druck P₁ auf einen Druck Pp, sie nimmt jedoch außerdem noch Energie auf und hat daher am Auslaß eine höhere Geschwindigkeit als wenn sie nur in einer einfachen Rohrleitung von dem einen auf den anderen Druck entspannt worden wäre. Eine solche mit Entspannung arbeitende Maschine ersetzt also mit Vorteil die in Fig. 1 dargestellte klassische Pumpe und mindestens einen Teil des Entspannungskanales 11.

Man kann daher zu diesem Zweck eine Axialpumpe verwenden, wie sie schematisch in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Eine solche Pumpe enthält einen Rotor 12, einen Stator 13, Laufschaufeln 14 und Leitschaufeln 15. Die Achse der Maschine ist durch eine strichpunktierte Linie 16 dargestellt.

In Fig. 3 und Fig. 4 bedeuten V₁ den Vektor der Absolutgeschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit in die Laufschaufeln 14 eintritt und V, den Vektor der Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit aus den Leitschaufeln 15 austritt. Diese Geschwindigkeitsvektoren verlaufen im wesentlichen parallel zur Achse der Maschine. Wenn U die Umfangsgeschwindigkeit ist,· mit der die Laufschaufeln angetrieben werden, ergibt die Vektorgleichung "VT*-~ü*= W,*die Richtung und den Betrag der relativen Eintrittsgeschwindigkeit ~w7*an den Laufschaufeln 14. Die Laufschaufeln ■lenken die Strömung in dem relativen Bezugssystem gemäß W₂ ab, wobei eine tangentiale Ablenkung in Umfangsrichtung U, durch die

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Arbeit aufgenommen wird, sowie gleichzeitig eine Vergrößerung des. Betrages der Geschwindigkeit (Entspannung) infolge einer erheblichen Vergrößerung der Axialkomponente auftreten. Dies wird durch Verringerung des Querschnittes des axialen Strömungskanales in Durchsatzrichtung infolge einer geeigneten Konizität des Kanales, wie in Fig. 2 dargestellt ist, erreicht.

Die Flüssigkeit erreicht also die Leitschaufeln 15 mit der Geschwindigkeit V_ entsprechend der Vektorgleichung V_ = VL· + U.'

Die Leitschaufeln 15 lenken die Strömung wieder in umgekehrter Richtung längs des Vektors V^ um, wobei durch eine geeignete _; Konizität des Strömüngskanals (siehe Fig. 2) der Betrag der Ge- ; schwindigkeit durch eine wesentliche Vergrößerung der Axialge- : schwindigkeit zunimmt. ^!

Die beschriebene Anordnung ist nur ein Ausführungsbeispiel j

und man kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten, j

mehrere Stufen der dargestellten Art verwenden, oder die -Reihen- j

folge von Laufschaufeln und Leitschaufeln umkehren, oder zwei ^! Leitschaufelkränze verwenden zwischen denen sich die Laufschaufel befinden, um die erforderliche tangentiale Ablenkung aufzuteilen

Die beiden Fälle, nämlich das Arbeiten mit einem im wesent- ■ liehen konstanten Druck beim Durchsatz der Flüssigkeit durch die Maschine und bei einer vollständigen Entspannung, unterscheiden sich nicht grundsätzlich und lösen beide die Anordnung gemäß Fig. 2, 3 und 4 ab, denn in beiden Fällen ist die Austrittsgeschwindigkeit größer als die Eintrittsgeschwindigkeit, es bestehen lediglich Unterschiede im Betrag der Geschwindigkeitserhöhung.

In Fig. 2 ist eine Pumpe vom axialen oder Wendeltyp dargestellt, das gleiche Ergebnis, nämlich die Auslaßkomponente der Geschwindigkeit zu erhöhen, könnte man jedoch auch mit einer Zentrifugalpumpe oder Zentripetalpumpe erreichen, ohne den Rahmer der Erfindung zu überschreiten.

Die oben beschriebene Anordnung kann in der verschiedensten Form realisiert werden.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung mit torusförmiger Geometrie, bei der die verschiedenen Teile, die den Strömungskreis bilden, ring»

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förmig um eine Achse 16 angeordnet sind, die gleichzeitig die Achse der antreibenden Turbomaschine ist.

Fig. 5 enthält eine Anzahl von bereits erwähnten Teilen, die Kühlvorrichtung und ihre Anschlüsse an den Hauptkreislauf sind jedoch nicht dargestellt.

Die Mischvorrichtung 1 hat die Form eines zur Achse 16 konzentrischen Ringes und wird durch einen torusförmigen Kanal 18 gespeist, in den die Speiseleitung 10 für das zu verdichtende Gas mündet. Die Mischvorrichtung ist beispielsweise mit einer Anzahl von Röhren, die. von Löchern durchsetzt werden und quer zur Strömung verlaufen, dargestellt.

Der Diffuserkanal 17* in dem die Verringerung der Geschwindigkeit der Mischung und die Verdichtung stattfinden, hat die Form eines ringförmigen Raumes. Die Verringerung der Geschwindigkeit wird durch die zentrifugenartige Strömung gefördert, der im wesent Hohen halbmondförmige Querschnitte dargeboten werden.

Der Separator j5 hat die Form eines torusartigen Wirbelabscheiders mit einer freien Fläche 4, die ebenfalls torusförmig ist. .

Das verdichtete Gas wird durch die Leitungen 5 einem torusförmigen Sammelkanal 19 und einer Auslaßleitung 20 zugeführt, während die von den Gasblasen befreite Flüssigkeit durch einen ringförmigen Raum 21 zurückgeführt wird, wo sie eine erste Beschleunigung in Richtung auf eine Beschleunigungszone 22 erfährt. Diese Zone ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit in einem Ring angeordneten Leitschaufeln versehen, die der Flüssigkeit außer einer Erhöhung der Ausströmungsgeschwindigkeit auch gewünschtenfalls eine gewisse Tangentialablenkung erteilen können.

Die Flüssigkeit durchströmt dann den Rotor 12 der Pumpe, der mit Laufschaufeln Ik bestückt ist, anschließend Leitschaufeln 15, die wieder zur Beschleunigung dienen und schließlich gelangt sie wieder in die Mischvorrichtung 1.

Bei Fig. 5 ist der Läufer der Pumpe in dem Bereich des Strömungskreislaufes angeordnet, der sich am nächsten bei der'Symmetrieachse der Einrichtung befindet. Selbstverständlich könnte die

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Maschine auch an einem anderen Ort der Strömung, der weiter von der Achse entfernt ist, angeordnet sein und der Rotor der Maschine kann dann die Form eines Zentripetalrotors annehmen.

Im Hinblick auf die Antriebsmaschine spielt es im übrigen keine Rolle, ob man die beweglichen und die festen Teile vertauscht. Man kann also die als ruhend beschriebenen Teile umlaufen lassen und die als umlaufend beschriebenen Teile ruhen lassen. In diesem Falle tritt in den umlaufenden Teilen des Strömungskreislaufes ein Zentrifugalkraftfeld auf, das einerseits zum Verdichten der Mischung und andererseits zum Abtrennen der Gasbläschen aus der Flüssigkeit nutzbar gemacht werden kann. In diesem Falle ist es vorteilhaft, die Mischung im Bereich des Druckminimums zu bilden, d.h. in dem Bereich, der sich am nächsten bei der Drehachse befindet. Die Leitschaufeln können ihrerseits an irgendeinem Ort in der zur Mischvorrichtung zurückströmenden Flüssigkeit angeordnet sein.

Man gelangt auf diese Weise zu einer Anordnung., wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. In dieser Figur sind nur die mit der die Achse 16 aufweisenden Welle umlaufenden Teile schraffiert. Die Mischvorrichtung 1 besteht wieder aus gelochten Röhren und läuft mit um, sie wird durch einen ebenfalls umlaufenden Kanal 18 über die feste Speiseleitung 2 gespeist. In dem.umlaufenden ringförmigen Diffuserkanal- 17, der mit vorzugsweise radialen Schaufeln bestückt ist, findet eine Kompression durch die Zentrifugalkraft und die Verlangsamung der Strömung statt. Die Abtrennung des Gases erfolgt in einem umlaufenden Separator 5, in dem sich eine freie Oberfläche 4 bildet, die die Form eines etwas konischen Zylinders hat. Das verdichtete Gas wird durch die Leitungen 5 zu einem umlaufenden, torusförmigen Sammelraum 25 geleitet und gelangt dann zu dem Sammelkanal 19 und der Auslaßleitung 20, die beide feststehen.

Die von den Gasbläschen befreite Flüssigkeit wird durch einen ringförmigen Raum 21, wo sie eine gewisse Beschleunigung erfährt, zur Achse zurückgeleitet. Dieser Raum enthält vorzugsweise Leitbleche, die vorzugsweise radial verlaufen.

■ Anschließend tritt die Flüssigkeit in Leitschaufeln 24 ein, wo sie weiter beschleunigt, wird und ihr Druck sich verringert.

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Die Leitschaufeln haben den Zweck, auf die feststehenden Teile ein Moment zu übertragen, welches dasjenige kompensiert, welches auf die Welle übertragen werden muß, um die umlaufende Anordnung in Drehung zu versetzen. Selbstverständlich können diese Schaufeln auch an einem anderen Teil des Rückführungskreises für die Flüssigkeit (z.B. Wasser) angeordnet sein, z.B. weiter stromaufwärts und weiter entfernt von der Achse, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.

Die Flüssigkeit tritt dann erneut in umlaufende Schaufeln 25 ein, wo sie vollends beschleunigt wird und dabei eine geeignete Tangentialgeschwindigkeit erhält, bevor sie wieder in die umlaufende Mischvorrichtung 1 und den Kreislauf eintritt.

Die Geschwindigkeitsverhältnisse bei den Schaufeln 24 und 25 sind nicht dargestellt, eine solche Darstellung läßt sich jedoch entsprechend dem Vektordiagramm der Fig. 2, das anhand der Schaufeln 14 und 15 beschrieben wurde, herstellen, also bezüglich entsprechend gerichteter tangentialer Ablenkungen, bei denen Energie von der Welle aufgenommen wird einerseits und bezüglich einer Erhöhung der Durchsatzkomponente der Geschwindigkeit der Flüssigkeit andererseits.

Man könnte selbstverständlich in der Mischvorrichtung auch feststehende Röhren verwenden, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten, dabei besteht jedoch die Gefahr von erhöhten Verlusten auf Seiten der Flüssigkeit, da die Relativgeschwindigkeit verhältnismäßig groß ist.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Einrichtung sind die Relatives chwindigke it en bezüglich der Wände sehr gering und es läßt sich daher ein sehr guter Wirkungsgrad erreichen.

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Claims (14)

18111501 - 10 Patentansprüche

1.) Verfahren zum Verdichten eines leichten Gases, dad u r cn gekennzeichnet, daß eine Gas-Flüssigkeits-Mischung durch Einführen des Gases in eine vorher beschleunigte Flüssigkeit hergestellt wird, diese Mischung dann verlangsamt, und das Gas schließlich von der Mischung abgetrennt wird.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Flüssigkeit zeitweilig abgezweigt und gekühlt wird.

3.) Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Maschine durch die der Flüssigkeit "die erforderliche Energie wieder zugeführt wird.

4.) Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine eine Pumpe (6) bekannter Bauart ist, auf die ein Kanal (11) folgt, in dem die Flüssigkeit vor der Bildung der Mischung beschleunigt wird.

5.) Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine so angeordnete Schaufeln aufweist, daß die kinetische Energie der Flüssigkeit ohne wesentliche Erhöhung des Druckes der Flüssigkeit direkt erhöht wird,

6.) Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine so ausgebildet ist, daß sie die kinetische Energie der Flüssigkeit erhöht und gleichzeitig deren Druck erniedrigt, gegebenenfalls bis auf den Druck am Einlaß der Mischvorrichtung.

7.) Einrichtung nach Anspruch 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine die Durchsatzkomponente der Geschwindigkeit zwischen Einlaß und Auslaß wesentlich vergrößert.

8.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die feststehenden Teile rotationssymmetrisch um die Achse (16) der Pumpe angeordnet sind und daß die verschiedenen Elemente des Kreislaufs ring- oder torus-

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förmig sind.

9.) Einrichtung nach einem der Ansprüche j5 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator (j5) die Form eines Torus mit kreisförmigem Meridianschnitt hat und daß die freie Oberfläche der Flüssigkeit die gleiche Form aufweist.

10.) Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Raum (17) in dem die Verdichtung der Flüssigkeit stattfindet, umläuft und wie ein Zentrifugalverdichter mit vorzugsweise radialen Schaufeln versehen ist, derart, daß die. Zentrifugalkraft für die Verdichtung nutzbar gemacht wird.

11.) Einrichtung nach einem der Ansprüche ^ bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator (3) zylindrisch ist und daß die freie Oberfläche eine zylindrisch-konische, nicht torusförmige Form aufweist.

12.) Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der ebenfalls umlaufende Rückleitungskanal für die Flüssigkeit eine zur Achse hinstrebende Form hat und vorzugsweise mit Leitblechen oder .Schaufeln versehen ist, die vorzugsweise radial verlaufen.

13.) Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennze i ohne t , daß im Rückweg der Flüssigkeit zur Mischvorrichtung (l) feste Schaufeln (24) vorgesehen sind.

14.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis Ij5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischvorrichtung mit den anderen beweglichen Teilen des Kreises beweglich ist.

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