DE1817055A1 - Flow machine for mechanical separation of - gaseous isotope mixtures - Google Patents

Abstract

The flow of agent in the machine is radial and, with high circumferential speed, tangential to the vertical axis. At a suitable point in the guide body, is a separateing device dividing the main current into two streams. Spec., condensers of this type are used in the gas turbine process which permits an at least partial recovery of the condensed material necessary for separation.

Description

Strömungsmaschine. zum gleichzeitigen Umsatz zwischen thermischer und mechanischer Energie und zur Durchführung von Isotopen-- und anderen Gemisch-Trennungen.11 Zur Trennung von Isotopen sind ausser dem Diffusionsverfahren zwei strbmungstechnische Verfahren bekannt geworden- das Zentrifugen und das Trenndüsenverfahren (Vergl.u.a.Plenarvortrag von Prof.Dr.Becker anlässlich der Tagung der Deutschen Physikali schen Gesellschaft in Karlsruhe am 4.10.1968). Bei den beiden letztgenann@en Verfahren werden Teilströme eines gasförmigen Isotopengemisches mit mechanischen Mitteln abgetrennt. Sie erfordern im Vergleich zum Diffusionsverfahren einen geringeren Kapital aber grösseren Energieaufwand zum Antrieb der Verdichter in den parallel- bezw. hintereinander geschalteten Kaskaden Fig.1 veranschaulicht das Prinzip des Trenndüsenverfahrens:Das Isotopengemisch tritt bei "a" in eine Düse bu ein, die aussen von der Führungswand "c" begrenzt wird0 Durch einen Abschälen "d" wird der von einer zweiten Führungswand "e" umgelenkte Gas-. Turbo machine. for simultaneous conversion between thermal and mechanical energy and to carry out isotope and other mixture separations. 11 In addition to the diffusion process, two types of fluidic flow are used to separate isotopes Process become known - the centrifuge and the separation nozzle process (see also plenary lecture by Prof Dr Becker on the occasion of the conference of the German Physical Society in Karlsruhe on October 4th, 1968). In the latter two processes, partial flows a gaseous isotope mixture separated by mechanical means. You require Compared to the diffusion process, a lower capital but greater energy consumption to drive the compressor in the parallel or cascades connected in series Fig. 1 illustrates the principle of the separation nozzle process: The isotope mixture occurs at "a" into a nozzle bu, which is bounded on the outside by the guide wall "c "0 By peeling off "d", the one deflected by a second guide wall "e" Gas-.

strom in zwei Teilströme zerlegt, wobei die leichtere Fraktion "f" nach innenDdie schwerere Fraktion "g" nach aussen abgelenkt wird.stream divided into two partial streams, with the lighter fraction "f" inward, the heavier fraction "g" is deflected outward.

Es ist ferner durch deutsche Patentanmeldungen (u.a.PLA 61/8330) und durch zahlreiche9 im Ausland bereits erteilte Patente (u.a, Schweizer Patent 430935 v.28.2.1967) eine Strömungsmaschine bekannt geworden, in der die Strömung des Arbeitsmittels zumindest im Bereich des Aussendurchmessers im Schnitt senkrecht zur Achse gesehen stellenweise tangential verläuft9 wobei der Über gang zwischen Lauf=und Leitelementen im Bereich einer vorwiegend achsial oder radial verlaufenden Strömungskomponente liegen kann.It is also supported by German patent applications (including PLA 61/8330) and through numerous9 patents already granted abroad (including Swiss patent 430935 v.28.2.1967) a flow machine became known in which the flow of the working medium seen at least in the area of the outer diameter in a section perpendicular to the axis runs tangentially in places9 whereby the transition between running = and guide elements in the area of a predominantly axially or radially running flow component can lie.

Das Prinzip dieser Strömungsmaschine ist an einem Beispiel in Fig.2 dargestellt, die den oben genannten Patenten bezw. -anmeldingen entnommen ist: Mit "a" ist der Verlauf der hier zentrifugalen Strömung in den gekrümmten Kanälen des Leitkörpers "h' bezeichnet. Sie wird aus einer im Mittelbereich vorwiegend radialen im Aussenbereich in eine vorwiegend tangentiale Richtung umgelenkt und verlässt den Leitkörper mit einer vorwiegend achsialen Komponente, sodass bei dieser Ausführung der Übergangsbereich dem einer konventionellen Achsialmaschine entspricht. Im Laufrad "i" folgt anechllsssend die Übertragung der StrUmungsenergie auf die Welle, wenn@@@ es sich um eine Kraftmaschine handelt.The principle of this flow machine is shown in an example in Fig. 2 shown, respectively, the above-mentioned patents. -anmeldingen is taken from: With "a" is the course of the centrifugal flow in the curved channels of the Guide body "h '". It is composed of a predominantly radial central area is deflected in the outside area in a predominantly tangential direction and leaves the guide body with a predominantly axial component, so that in this version the transition area corresponds to that of a conventional axial machine. In the impeller "i" is followed by the transfer of the flow energy to the shaft, if @@@ it is a prime mover.

Dem Trenndüsenverfahren und einer Strömungsmaschine ist gemeinsam, dass in beiden eine Expansion mit Druckabsenkung und Geschwindig keitssteigerung eines gasförmigen Strömungsmittels stattfindet.# Gegenstand der vorlieganden Anmeldung ist nun eine Strömungsmazeine der beschriebenen Bauart mit Zinrichtungen, die es ermöglichen, gleichzeitig mit dem Verdichtungs- oder Entspannungsvorgang eine Trennung von Isotopen oder von anderen Bestandteilen eines Gemisches durchzuführen. Zu diesem Zweck wird an geeigneter Stelle des Verlaufes der Zustandsänderung im Innern der Laufbezw. Leitkörper eine Abtrennvorrichtung eingebaut, die auch verstellbar sein kann.Fig.3 zeigt als Beispiel den Leitkörper "h" einer Zentripetal-Kraftmaschine, deren Kanäle - wie in Fig.2 -van innen nach aussen durchströmt und im Bereich des Aussenumfangs tangential umgelenkt werden. Die Kanäle verjüngen sich in diesem Bereich zu Düsen "b", die in diesem Fall als sich wieder erweiternde IQvaldüsen ausgeführt sind und an deren äusserer Begrenzungewand die Teilströme der schwereren Fraktion "g" entnommen werden.Fig.4 zeigt einen Schnitt durch die Zylinderfläche,in der die Düsen und die Austrittsöffnungen liegen, Fig.5.den gleichen Schnitt in vergrössertem Masstab:Der innenliegende, gekrümmte,gestrichelt gezeichnete Kanal "a" führt das gasförmige Isotopengemisch zur Düse "b", deren eine iie,grenzungswand "c" in die S r,,haufel einer konventionellen Achsialturbine ausläuft.An der äusseren Begrenzungswand "e" wird die schwere Fraktion "g" durch eine Kante ??d?? abgetrennt.Die leichte Fraktion "f" verlässt den Leitkbrper und tritt in den hier nicht dargestellten Laufkorper ein.The separation nozzle process and a fluid flow machine have in common that in both an expansion with pressure reduction and speed increase one gaseous fluid takes place. # Subject of the present application is now a flow machine of the type described with tin devices that it allow a separation at the same time as the compression or relaxation process of isotopes or of other components of a mixture. To this The purpose is at a suitable point in the course of the change of state inside the Running or Guide body built a separating device, which can also be adjustable can.Fig.3 shows as an example the guide body "h" of a centripetal engine, whose channels - as in Figure 2 -van flows through the inside to the outside and in the area of the The outer circumference can be deflected tangentially. The channels taper in this area to nozzles "b", which in this case are designed as IQval nozzles that expand again are and at the outer boundary wall the partial flows of the heavier fraction "g" are taken. Fig. 4 shows a section through the cylinder surface in which the Nozzles and the outlet openings are, Fig. 5. The same section in enlarged Scale: The inner, curved, dashed channel "a" carries this out gaseous isotope mixture to nozzle "b", one of which is the boundary wall "c" into the S r ,, haufel of a conventional axial turbine runs out. On the outer boundary wall "e" becomes the heavy fraction "g" with an edge ?? d ?? The light one Fraction "f" leaves the guide body and enters the running body, not shown here a.

Die Abtrennvorrichtung kann bei zentripetaler Strömung im Litkörper auch einer Nähe der Welle,bezw. bei vorwiegender Reaktion auch im Laufkörper angeordnet werden. Ein Unterschied zwischen dieser Abtrennvorrichtung und den bekannten Sammelkanilen und Austrittsöffnungen für Kondensat in konventionellen Achsial-(Sattdampf)-urbinen besteht darin, dass letzter im Übergangsbereich zwischen Lauf- und Leitelementen angeordnet sind und flüssige Gemischbestandteile aufneiimen und ableiten, die im Querstrom zur Haupt-Gasströmung nach aussen ausgeschleudert werden, während bei der vorliegenden Anmeldung die Abtrennvorrichtung im Innern- des Lauf- bezw. Leitkörpers liegt und ein dem Hauptgasstrom an der Trennatelle im wesentl.gleichlaufender Teilstrom abgetrennt wird Der technische Fortschritt der Erfindung gegenüber den beschriebenen Einzelapparaten besteht darin, dass es mit ihrer hilfe mUg--lich ist, einem vielstufigen Trennprozess einen mehrstufigen Gasturbinenprozess zu überlagern, in dem ein erheblicher Teil der eufgewendeten Verdichterarbeit rückgewonnen und damit das Trennverfahren verbilligt wird. Zwischen den Stufen konventioneller Achsial-oder Radialmaschinen lassen sich Trennvorrichtungen der besciu'ie benen AusfUhrung ohne erhebliche Beeinträchtigung der Strömungswege nicht einbauen. Bei Radialmaschinen wird ausserdem jede Schaufel, die am Aussenumfang mit einer Neigung zur Radialen ausläuft,durch Fliehkraft stark beansprucht.Bei den beschriebenen Tangentialmaschinen steht dagegender Platz zum Einbau einer Abtrennvorrichtung ohne Störung des Strömungsverlaufes zur Verfügung.Durch die Umlenkung der Strömungswege aus der radialen über eine tangentiale in eine vorwiegend achsiale Richtung ist ferner die konstruktive Möglichkeit gegeben, eine Pliehkraftbean -spruchung durch eine Überdeckung der Strömungswege auszuschalten.# Der Verlauf des Gssturbinenprozesses ist in Fig.6 veranschaulicht: Das gasförmige Isotopengemisch tritt bei "k" in den Kreislauf ein.In the case of centripetal flow, the separating device can be in the lit body also a proximity of the wave, respectively. if there is a predominant reaction, also arranged in the running body will. A difference between this separation device and the known collecting channels and outlet openings for condensate in conventional axial (saturated steam) turbines is that the last one in the transition area between running and guiding elements are arranged and take up liquid components of the mixture and derive that in the Cross-flow to the main gas flow are ejected to the outside, while at of the present application, the separating device in the interior of the barrel respectively. Guide body and a substream that is essentially concurrent with the main gas flow at the separation point The technical progress of the invention over that described is separated Single devices consists in the fact that with their help it is possible to create a multi-stage Separation process to superimpose a multi-stage gas turbine process in which a significant Recovered part of the compressor work and thus the separation process is cheaper. Between the stages more conventional Axial or Radial machines can use cutting devices of the specified execution without do not incorporate significant impairment of the flow paths. With radial machines is also every blade, which on the outer circumference with an inclination to the radial runs out, heavily stressed by centrifugal force, in the tangential machines described there is, on the other hand, space to install a separation device without disturbing the flow By diverting the flow paths from the radial to a tangential In a predominantly axial direction, there is also the structural possibility Eliminate the stress of the plane force by covering the flow paths. The course of the gas turbine process is illustrated in Fig. 6: The gaseous Isotope mixture enters the cycle at "k".

Das (Umlauf) das wird in einer Arbeitsmaschine "l" verdichtet. Wird diese bereits iider beschriebenen Bauart ausgeführt,dann kann ihrentsprechend dem Zentrifugenverfahren- ein mit schweren Isotopen angereicherter Teilstrom gl entnommen werden.Das Restgas wird im Vorwärmer "m" und anschliessend durch Wärme zufuhr von aussen im Gaserhitzer "n" erwärmt und in der Tanentialmaschine "o" entspannt,der ein schwerer Teilstrom "g2" entnommen wird.Nach Abkühlung im Wärmetauscher ; im Kühler "p" wird das Restgas wieder dem Verdichter "l" des gleichen oder eines anderen Teilprozesses zugeführt.Die schweren Teilströme können nach entsprechender Druck-und Temperaturangleichung-letztere dargestellt in einem Wärmetauscher q"-ebenfalls weiteren Kaskadenstufen zugeführt werden.Das Verfahren ist natürlich auch zur Trennung anderer Gasgemische geeignet, bezw. zur Abscheidung oder Zuführung flüssiger Komponenten.The (circulation) that is compressed in a working machine "l". Will this already carried out iider described type, then you can according to the Centrifuge process- a partial stream gl enriched with heavy isotopes removed The residual gas is in the preheater "m" and then by supplying heat from heated outside in the gas heater "n" and relaxed in the tanential machine "o", the a heavy substream "g2" is withdrawn. After cooling in the heat exchanger; in the Cooler "p" will return the residual gas to the compressor "l" of the same or another Sub-process fed. The heavy sub-streams can after appropriate pressure and Temperature adjustment - the latter shown in a heat exchanger q "- also another Cascade stages are fed. The process is of course also used to separate others Gas mixtures suitable, respectively. for the separation or supply of liquid components.

Patentansprüche: 1.) Strömungsmaschine mit radialer, jedoch zumindest im Bereich hoher Umfangsgéschwindigkeit im Schnitt senkrecht zur Achse tangential verlaufender Strömung des Arbeitsmittels,dadurch gekennzeichnet,dass iE Innern des Lauf undßoder Leitkörpers an geeigneter Stelle Abtrennvorrichtungen zur Trennung des Hauptstromes in mindestens zwei Teilströme eingebaut sind0 2.) Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennvorrichtungen mit verstellbarem Abstand von der Fü1 rungswand ausgeführt werden.Claims: 1.) Turbomachine with radial, but at least in the range of high circumferential speed in the section perpendicular to the axis tangential running flow of the working medium, characterized in that iE inside the Barrel and / or guide body at a suitable point, separating devices for separation of the main flow are built into at least two partial flows0 2.) Turbo machine according to claim 1, characterized in that the separation devices with adjustable Distance from the guiding wall.

Claims (1)

3.) Strmungsmaschinenach Anspruch 1 und/oder 2,dadurch gekennzeichnt dass Verdichter und/oder Entspanner dieser Bauart in einen Gasturbinenprozess eingeschaltet werden, der eine zumindest teilweise Rückgewinnung der fr den lrnnprozess erforderlichen Verdich@@@tungsarbeit ermöglichst3.) flow machine according to claim 1 and / or 2, characterized that the compressor and / or expansion valve of this type is switched into a gas turbine process that at least partially recover the amount required for the internal process Verdich @@@ support work LeerseiteBlank page