DE858260C

DE858260C - Verfahren zur Verbesserung und Anwendung des Wirbelrohreffektes

Info

Publication number: DE858260C
Application number: DEH9540A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl-Phys Rotter
Original assignee: Andreas Hofer Hochdruck Apparatebau GmbH
Current assignee: Andreas Hofer Hochdruck Apparatebau GmbH
Priority date: 1951-08-24
Filing date: 1951-08-24
Publication date: 1952-12-04

Description

Verfahren zur Verbesserung und Anwendung des Wirbelrohreffektes

Der W i rbel rohreif ekt wurde von Georges R a n q u e

(Journal de 1'hysiclue [7] 112 [i933]) gefunden. Die

dazu benutzte \"orrichtung ist in den Abb. i und 2

dargestellt. \laii läßt in einem zylindrischen Rohr t

Luft von mehreren Atmosphären Druck durch die

Düse 2 einströmen. Die Luft entspannt sich teil-

weise in der Düse und teilweise während der rotie-

renden Strömung in Richtung zur Rohrachse hin.

Infolge Energiclustausch im Zentrifugalfeld wird

die kinetische Energie der nach dem Zentrum strö-

menden Luft teilweise nach den Randschichten

transportiert und tritt dort als Wärme auf. Der in

der Nähe der Rohrachse befindliche energiearme

Luftanteil strömt durch eine in unmittelbarer Nähe

der Diisü befindliche Blende 3 als Kaltluft ab. In

den 1Landscliichteii strömt die Luft nach dem ent-

gegengesetzten Rohrende hin und entweicht dort

durch ein \-entil4 als Warmluft.

Später hat R. H i 1 s c h (Zeitschrift für Naturforschung6i [i946]) durchAufsuchenoptimalerAbmessung an vorbeschriebener Versuchsanordnung beispielsweise erreicht, dlaß bei einem Druck von 6 atii und einem Kaltluftanteil von etwa einem Drittel der durch die Düse 2 einströmenden Luftnietige die Kaltlufttemperatur um 45° niedriger war als die Temperatur der einströmenden Luft. G. B u r k h a r d t (Zeitschrift für Naturforschung 3 a, ,46 bis 5i [i948]) versucht auf mathematischem Wege optimale Abmessungsverhältnisse zu ermitteln.

Jedenfalls verlaufen die Vorgänge stets so, daß die Kältemenge einerseits der Wärmemenge andererseits entspricht.
Eine wesentliche Verbesserung des Wirbelrohreltektes wird erfindungsgemäß durch das im folgen deu beschriebene Verfahren erzielt, dessen Arbeitsweise an Hand der schematischen Abb.3 bis 9 erläutert ist. Dieses Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß man in einem Wirbelrohr das an der lZandzone befindliche warme Gas zwangsläufig von dem in Nähe der Rohrachse befindlichen kalten Gas trennt und/oder das in der Nähe der Rohrachse befindliche kalte Gas mittels eines entsprechend klein bemessenen Gasstrahls durch eine Blende fördert und/oder von dort absaugt, während der Warmgasanteil gekühlt wird, sobald er zur Vermehrung des Kalt- asanteils beitragen soll.
Bei der Arbeitsweise nach Abb. 3 und 4 wird das durch die Düse 2 einströmende Druckgas darin zum Teil entspannt und in einem in die Rohrkrümmung allmählich übergehenden Kanal 5 in drehende Bewegung versetzt, wie Pfeile in Abb. 4 zeigen. Durch einen Kegel 6 wird. das in der Randzone befindliche Gas gehindert, in das Gebiet des Kaltgases in der Rohrmitte einzudringen, wie der durch Pfeile gekennzeichnete Strömungsverlauf in Abb.3 angibt, so <laß <las Kaltgas mit tieferer Temperatur als bei <lern bisher bekannten Wirbelrohr durch die Blende 3 abströmt. Durch diese Arbeitsweise wird zugleich die bisher notwendige Baulänge des Wirbelrohres erheblich verkürzt.
h:ine weitere wesentliche Verbesserung des Wirbelrohreffektes wird bei einer abgeänderten Arbeitsweise gemäß Abb. 5 und 6 erreicht. Das durch die Düse 2 einströmende, darin zum Teil entspannte Druckgas wird in einem in die Rohrkrümmung allmählich übergehenden Kanal 5 in drehende Bewegung versetzt. Durch einen zum Rohr i konzentrisch angeordneten hohlen Kern 7 wird das in der Randzone befindliche Gas, auf welches die Zentrifugalkraft einwirkt, veranlaßt, dem Druckgefälle vom Ringraum 8, zwischen Rohr i und Kern 7, nach dem Innenraum 9 des Kerns 7 zu folgen, durch öffnung r i in die Zone des auf niedrigen Druck entspannten Kaltgases einzutreten und mit diesem gemeinsam durch die Blende 3 abzuströmen. Die erforderliche Abkühlung des in den Ringraum 8 eintretenden heißen Gasanteils wird durch am Rohr i angebrachte Kühlflächen io bewirkt. Durch dieses Verfahren ist es nunmehr möglich, bei entsprechender Formgebung und Bemessung des Ringraumes 8, der öffnung i i und des Abstandes, letzterer von der Blende 3, nur einen geringen Bruchteil der Gasmenge aus der äußersten Randzone abzuführen, die dann gemäß der Wärmebilanz eine um so höhere Temperatur hat. Letztere ermöglicht einen großen Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel, so daß durch Wiedervereinigung der beiden Gasmengen eine Gesamtabkühlung bestehenbleibt, die der ausgetauschten Wärmemenge entspricht. Dabei wird die beim ursprünglichere Wirbelrohr erzielte maximale Temperatursenkung erheblich übertroffen.
Das vorstehend beschriebene Verfahren läßt sich in verschiedener Weise erweitern und kann erfindungsgemäß beispielsweise auf die Verflüssigung von Gasen ausgedehnt werden. Die Arbeitsweise des Verfahrens verläuft dann, wie Abb.7 schematisch zeigt, folgendermaßen. Das von einem nicht dargestellten Kompressor gelieferte Druckgas tritt bei 12 in einen Gegenstromwärmetauscher 13, in welchem es vorgekühlt wird. Im stationären Zustand bereits hierbei verflüssigte Gasanteile werden durch ein Ventil 14 mittels Bedienung eines Handrades 15 abgelassen. Der nicht verflüssigte Gasanteil wird in einem Wirbelrohr 16 entspannt. Dieses Wirbelrohr kann von der Bauart nach Abb.5 insofern abweichen, als die Kühlung wegfällt und man die durch den Ringraum 8 (Abb. 5 und' 6) strömende geringe heiße Gasmenge durch ein Ventil 17 abläßt. Die verflüssigten Gasanteile sammeln sich im Behälter 18, und der nicht verflüssigte und der wieder verdampfte Gasanteil strömen durch den Gegenstromwärmetauscher 13, das entgegenströmende Druckgas abkühlend, und durch einen Stutzen i9 ab.
Weiterhin, können bei dem Verfahren erfindungsgemüß mehrere Wirbelrohre in Druckstufen hintereinandergeschaltet werden, wie beispielsweise Abb.8 zeigt, indem jeweils das abströmende kalte Gas in die Düse des nächsten Wirbelrohres eintritt und sich so stufenweise entspannt, was eine entsprechend größere Temperatursenkung ergibt.
Ein ü abgeänderte Arbeitsweise des Verfahrens ergibt sich erfindungsgemäß durch die Schaltweise von mehreren Wirbelrohren gemäß Abb.9. Dabei wird einem Wirbelrohr 20 ein größerer Anteil Warmgas entnommen, in einem Kühler 2i abgekühlt und einem weiteren Wirbelrohr 22 zugeführt. Die von beiden Wirbelrohren abströmende Kaltgasmenge kann vereinigt werden oder das vom Wirbelrohr 22 abströmende Kaltgas kann, wie punktiert dargestellt, zur Vorkühlung des in das Wirbelrohr 20 einströmenden Druckgases benutzt werden.
Die Anwendungsweise des Wirbelrohreffektes und seine Kombinationsmöglichkeiten sind erfindungsgemäß nicht auf die Beispiele der Abb. 7 bis 9 beschränkt, sondern man kann Wirbelrohre z. B. auch zur Luftkonditionierung oder bei der leichten Regelmöglichkeit des Kalt- und Warmluftanteils zur Temperierung von Klimaanlagen, selbst bei niedrigem Druck und gegebenenfalls dann in ihrer bisherigen noch nicht verbesserten Form, anwenden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Verbesserung und Anwendung des Wirbelrohreffektes, dadurch gekennzeichnet, daß das an der Randzone eines Wirbelrohres befindliche Warmgas zwangsläufig von dem in der Nähe der Rohrachse befindlichen Kaltgas getrennt und letzteres mittels eines entsprechend klein bemessenen Gasstrahls durch eine Blende gefördert und von dort abgesaugt wird, während der Warmgasanteil gekühlt wird, ehe er zur Vermehrung des Kaltgasanteils beiträgt (Abb. 5 und' 6).
2. Verfahren zur Anwendung des Wirbelrohreffektes nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Zweck von Gasverflüssigung das Druckgas vor Eintritt in ein Wirbelrohr (16, Abb. 7) durch einen Gegenstromwärmetauscher (13, Abb.7) führt, in dem es mittels des im Wirbelrohr entspannten möglichst groß gehaltenen Kaltgasanteils im Gegenstrom vorgekühlt wird, während ein möglichst klein oder gleich Null gehaltener Warmgasanteil durch ein regelbares Ventil (i7, Abb.7) abgeführt wird.
3. Verfahren zur Anwendung des Wirbelrohreffektes nach Anspruch i und z, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Wirbelrohre hintereinandergeschaltet werden (Abb.8), derart, daß der Kaltgasanteil eines in einem Wirbelrohr teilweise entspannten Druckgases jeweils in einem nachfolgenden Wirbelrohr weiter entspannt wird.
4.. Verfahren zur Anwendung des Wirbelrohreffektes nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Entnahme eines größeren Anteils noch unter Druck stehenden Warmgases die aus einem Wirbelrohr (2o, Abb.9) über einen Kühler (2 i, Abb. 9) einem weiteren Wirbelrohr (22, Abb.9) zugeführt wird, wonach entweder die von beiden Wirbelrohren abströmenden Kaltgasmengen vereinigt werden oder das vom zweiten Wirbelrohr (22, Abb.9) abströmende Kaltgas zur Vorkühlung des in das erste Wirbelrohr (20, Abb. 9) einströmenden Druckgases dient.
5. Verfahren zur Anwendung des Wirbelrohreffektes nach Anspruch i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Verfahrens in Zusammenwirkung mit einer Klimaanlage die Lufttetnperatur und Luftfeuchtigkeit gesteuert wird.
6. Wirbelrohr zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Warmgasseite eines Wirbelrohres ein Kegel (6, Abb. 3) in Achsrichtung angeordnet ist, der die Schichten des Warmgases von denen des Kaltgases zwangsläufig trennt.
7. Wirbelrohr zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, das auf der Warmgasseite eines Wirbelrohres ein hohler Kern (7, Abb. 5) konzentrisch angeordnet ist, der die Schichten des Warmgases von denen des Kaltgases zwangsläufig trennt und das Warmgas an der mit Kühlelementen (io, Abb. 5) ausgerüsteten Rohrwand (i, Abb. 5) entlang führt, derart, daß das Gas gekühlt mit fallendem Druck nach dem Hohlraum (9, Abb. 5) des Kerns (7, Abb. 5) und durch eine Öffnung (i i, Abb. 5) mit dem Kaltgas gemeinsam durch eine Blende (3, Abb. 5) strömt.