PROCEDURE FOR INTRODUCING GAS INTO A GAS-LIQUID MIXTURE

Abstract: 1. Process for gas-absorption by a gas liquid mixture, characterised in that the mixture is accelerated to a velocity above the sonic velocity for this two-phase mixture by reducing its pressure below that of the gas to be absorbed ; the gas is then absorbed by this mixture jet that has been accelerated above the velocity of sound, and the kinetic energy stored in the gassed jet is then converted into pressure by a condensing shock-wave, after which the residual kinetic energy is converted into rotational energy by a turbine.

Description: Verfahren zur Förderung und/oder Begasung von Gas-Flüs sikeit-Gemischen bzw. von leicht verdampfbaren Flüssig seiten Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Förderung und/oder Begasung von Gas-Flüssigkeit-Gemischen bzw. von leicht verdampfbaren Flüssigkeiten. Bei bekannten Verfahren dieser Art wird das Prinzip der Wasserstrahlpumpe zum Ansaugen des Gases und nachfolgender Verdichtung desselben angewendet. Haben Treibstrahl und Saugstrahl denselben Aggregatzustand, so bedingt der Impulsverlust bei der Vermischung des schneller strömenden Treibmittels mit dem langsamer strömenden Fördermittel den bekannt schlechten Wirkungsgrad der Wasser strahlpumpen und aller nach demselben Prinzip Ärbeiten- den Vorrichtungen. Ist das Fördermittel gasförmig, dann ist der Impulsverlust nur gering, jedoch der Verlust im Diffusor sehr gross, so dass auch in diesem Fall der Wirkungsgrad der bekannten, nach diesem Prinzip arbeitenden Vorrichtungen sehr schlecht ist. Um die grundlegenden Beziehungen der Erfindung zu erläutern, sei auf die Problematik der strömenden Mischungen von Zweiphasengemischen, z.B. von Luft und Wasser, eingegangen. In derartigen Mischungen kann die "Schall- geschwindigkeit" kleine Werte annehmen, wobei unter "Schallgeschwindigkeit" jene Grösse zu verstehen ist, wel che für die Bildung der Mach'schen Zahl ausschlaggebend ist (siehe VDI-Zeitung 99, 1957, No. 30, 21. Oktober, "Überschallströmungen von hoher Machzahl bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten"; weiters Carl Pfleiderer, Seite 1535 und 1536; und schliesslich Grundlagen für Pumpen" von em.Prof. Dipl.-Ing. W. Pohlenz, VEBVerlag Technik, Berlin 1975, Seiten 49 und 41). Auch Ostwatitsch weist darauf bin, dass in Schaumströmun gen bei nffberschallge schwindigke iten'' alle Erscheinungen auftreten, die aus einphasiger Überschallströmung bekannt sind (siehe "Gasdynamik", Dr. Klaus Ostwatitsch, wien, Springer Verlag 1952, Seite 440). Die Analogie zwischen Zweiphasenströmung und einphasiger Strömung eines kompressiblen Fluids ist vollkommen. So benötigt man zur Beschleunigung einer Zweiphasenströmung von "Unter- schallt'- zu nffberschallgeschwindigkeit ebenfalls eine konvergente-divergente Düse (Lavaldüse) bzw. ist der entgegengesetzte Vorgang nur mittels eines Verdichtungsstosses bzw. einer Reihe von Verdichtungsstössen möglich. Die Vorgänge im Verdichtungsstoss sind bei der Zweiphasenströmung ebenfalls äusserst komplex, wobei das Uberraschende dabei ist, dass der Zusammenhang zwischen Stosseintrittsund Stossaustrittsgeschwindigkeit sowie Druckanstieg durch einen Wärmefluss vermittelt wird (siehe 'tUechnische Fluidmechanik von Herbert Sieglach, VDI Verlag 1982, Seiten 214-230, sowie W. Albring, "Angewandte Strömungslehre", 4. Auflage, Verlag Theodor Steinkopff, Dresden 1970, Seiten 183-194). Durch das Mass der Wärmemenge, die im Stoss vom Unterschall zum Überschall fliesst, ist die Stossintensität bestimmt. Weiters verhalten sich kompressible Zweiphasenströmungen so, dass sich die Zustandsgrössen - mit Ausnahme der Entropie, der Temperatur und der Ruhetemperatur - im Unterund Uberschallbereich entgegengesetzt verändern (siehe E. Truckenbrodt, "Fluidmechanik", Band 2, Springer Verlag 1980, Seite 68). Es bedeutet z.B. die Wärmezufuhr zu einer Mberschallströmung eine Verzögerung, dagegen zu einer Unterschallströmung eine Beschleunigung. Ein besonderes Problem bedeutet, der Strömung eines Zweiphasengemisches technische Arbeit zu- bzw. abzuleiten. Die dazu erforderlichen Vorrichtungen müssen ganz spe- ziell ausgerüstet sein, da herkömmliche Maschinen Gas Flüssigkeit-Gemische nicht bzw. nur mit untragbar schlechtem Wirkungsgrad fördern (siehe Franz Mayinger, "Strömung und Wärmeübergang in Gas-Flüs sigkeit-Gemi schen " , Springer Verlag, Wien-New York, 1982, Seite 8). Auch das Ansaugen eines Gases durch einen Treibstrahl erfolgt ur dann mit gutem Wirkungsgrad, wenn ganz bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Erfindungsgemäss wird nun eine mit Gas- bzw. Dampfblasen durchzsetzte Flüssigkeit, gegebenenfalls unter Absenkung ihres Druckes unter den Druck des anzusaugenden Gases, auf eine Geschwindigkeit beschleunigt, die höher als die diesem Zweiphasengemisch zugehörige Schallgeschwindigkeit ist, wonach gegebenenfalls von diesem auf Uberschall- geschwindigkeit beschleunigten Flüssigkeitsstrahl Gas angesaugt wird, und danach wird die diesem Flüssigkeitsstrahl innewohnende Geschwindigkeitsenergie durch einen Verdichtungs- und Kondensationsstoss teilweise in Druck umgewandelt, wonach die noch vorhandene Geschwindigkeits- energie in technische Arbeit umgewandelt wird. Diese Absenkung des Druckes der mit Gasblasen durchsetzten Flüssigkeit vom Bodendruck des Reaktorgefässes auf den Ansaugdruck des einzubringenden Gases erfolgt zum Teil in einem düsenartigen Saugstutzen und zum Teil in einem dem Saugstutzen nachgeschalteten Schaufelrad. Diese Druckabsenkung bewirkt zwangsläufig eine dem Druckgefälle entsprechende Geschwindigkeit des Zweiphasengemisches. Eine weitere Beschleunigung des Flüssigkeitsstrahles bis über die dem Zweiphasengemisch zugehörige Schallgeschwindigkeit erfolgt durch Eintragung von technischer Arbeit durch das genannte, dem Saugstutzen nachgeschaltete, dem Ansaugteil vorgelagerte Schaufelrad. Um die Förderung des Zweiphasengemisches durch das Schaufelrad zu ermöglichen, muss der Austrittswinkel ss2 der Laufradschaufeln gleich oder grösser 900 sein und es müssen ferner die beiden Deckplatten des Schaufelrades im Vertikalschnitt einen düsenartigen Kanal ergeben, wobei parallele Deckplatten einer divergenten Düse in der Ebene entsprechen. Ist die Relativgeschwindigkeit in den Kanälen des Schaufelrades ;kleiner oder höchstens gleich der Schallgeschwindigkeit, dann muss der Vertikalschnitt der Deckplatten konvergente Form besitzen; soll dagegen die Schallgeschwindigkeit im Schaufelrad überschrftten werden, dann muss der Vertikalschnitt der beiden Deckplatten konvergent-divergente Aus führung erhalten. Durch die Festsetzung des Schtufel- winkels mit gleich oder grösser 90 wird erreicht dass die Relativgeschwindigkeit im Schaufe3rad bei gleichzeitig grosser Absolutgeschwindigkeit verheltnismäBig klein ist, so dass die Reibungsverluste im Schaufelrad klein gehalten werden. Das in das Schaufelrad verlegte Druckgefälle (Druck nach dem Rad ist kleiner oder höchstens gleich dem Druck vor dem Rad) zufolge des düsenartigen Vertikalschnittes bewirkt, dass die Geschwindigkeit der Gasblasen im Schaufelrad gleich oder grösser der Geschwindigkeit der flüssigen Phase ist. Dadurch wird unter allen Umständen vermieden, dass sich im Innenteil des Rades ein Gaspolster bildet, der eine weitere Förderung verhindert. Im Falle, dass die Gasblasen der Förderflüssigkeit voreilen, wird das für die Förderarbeit massgebende spezifi sche Gewicht der Förderflüssigkeit grösser, wodurch die spezifische Förderarbeit verringert wird (siehe C. Pflei- derer, nDie Ereiselpumpen für Flüssigkeiten und Gase", fünfte Auflage, 1961, Springer Verlag, Seite 9), wodurch günstigere Laufradformen entstehen. Gegebenenfalls wird von diesem so auf Uberschallgeschwindigkeit beschleunigten Flüssigkeitsstrahl Gas angesaugt. Diese Gaszufuhr bedingt eine nicht zu vernachlässigende Gewichtszunahme des Gas-?lüssigkeit-Strahles. Die Gewichtszunahme bedeutet, wie schon darauf hingewiesen, gegenteiliges Verhalten von Unterschallströmung und Über- schall strömung. Bedingt die Geschwindigkeitszufuhr bei Unterschallströmung eine Beschleunigung des Flüssigkeits- strahles, So erfolgt bei Uberschallströmung eine Verzögerung. Rat der Treibstrahl Unterschallgeschwindigkeit und soll er zusätzliches Gewicht aufnehmen, dann ist dies nur möglich, wenn er gleichzeitig beschleunigt wird. Die Energie zur Beschleunigung kann nur aus einer Druckabsen- kung gewonnen werden, die aber im Falle des Saugens nicht möglich ist, da der zu beschleunigende Flüssigkeitsstrahl mit dem anzusaugenden Gas bzw. der freien Atmosphäre (bei Luftansaugung) in Verbindung steht und somit der Druck konstant gehalten wird. Hat dagegen der Treibstrahl Über- schallgeschwindigkeit, so bedeutet die Gewichtsaufnahme eine Verzögerung. Durch die Verzögerung wird ein Teil der kinetischen Energie frei, der zur Beschleunigung des angesaugten Gases herangezogen wird. Es ist daher für einen guten Wirkungsgrad der Gesamtanlage unbedingt erforderlich, dass zur Gasansaugung der Treibstrahl Über- schallgeschwindigkeit hat und diese auch während des gesamten Ansaugevorganges behält. Nachdem vom Flüssigkeitsstrahl Gas angesaugt wurde, muss die ihm innewohnende Geschwindigkeitsenergie durch einen Verdichtungsstoss teilweise in Druckenergie umgewandelt werden. Dieser Verdichtungsstoss verläuft, solange die Machzahl der in den Stoss eintretenden Strömung klein ist, mit geringem Entropieanstieg, d.h. mit geringen Verlusten. Den Verdichtungsstoss nun zur Kompression in Verdichtern auszunützen, stellt das ideale Mittel zur Druckgewinnung dar, sofern die aus dem Verdichtungsstoss austretende kinetische Energie zurückgewonnen wird. Vorteilhafterweise kann die mit Gas- bzw. Dampfblasen durchsetzte Flüssigkeit eine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur aufweisen, wobei im Unterschallbereich des Verdichtungsstosses Wärme zugeführt und im Uberschall- bereich die gleiche Wärmemenge abgeführt wird. Dadurch wird eine erhebliche Verstärkung des Stosses erreicht (siehe auch 'tGasdynamik" von E. Becker, Verlag B.G. Teub ner, Stuttgart, 1966, Seite 197). Dadurch gelingt es dann, durch Wärmetransport technische Arbeit zu gewinnen. Es soll noch besonders darauf hingewiesen werden, dass inner halb des Gesamtverfahrens zwei Gefässe erforderlich sind, wobei das erste Gefäss abgekühlt und das zweite erwärmt wird. Die Wärmezufuhr im Unterschallbereich erfolgt durch Kondensation des Wasserdampfes aus Gas- und Luftblasen bei deren Volumsabnahme durch Kompression. Die Wärmeabfuhr im Überschallbereich erfolgt durch Verdamp fung bei steigender Temperatur. Da Wärmezufuhr und Wärme -abfuhr gleich gross sein müssen, ist es erforderlich, die in den Stoss eintretende Wasserdampfmenge zu regeln. Danach wird die Stossaustrittsgeschwindigkeit in einer Turbine in technische Arbeit umgewandelt. Da der Stoss nur von Überschall zu Unterschall möglich ist, muss die Stosseintrittsgeschwindigkeit im Überschallbereich liegen, wodurch die Stossaustrittsgeschwindigkeit noch erheblich ist, so dass zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades diese Stossaustrittsgeschwindigkeit verwertet werden muss. Es ist erforderlich, dass zur Verstärkung des Stosses im Unterschallbereich des Verdichtungsstosses Wärme zu- und im Überschallbereich die gleiche Wärmemenge abgeführt wird. Durch die den Stoss beschreibenden Gleichungen wird gezeigt, dass diese Zustände vor und nach dem Stoss in Schailnähe symmetrisch zum kritischen Zustand liegen (siehe "Gasdynamik", S. Ostwatitsch, Wien, Springer Ver lag, 1952, Seite 35). Dieselbe Symmetrie gilt auch für den Wärmetransport, so dass die zu- und abgeführten Wärme mengen genau einander entsprechen müssen. Das gegenseitige Verhältnis der zugeführten und der abge- führten Wärmemengen wird dadurch geregelt, dass man den Dampf gehalt der Gas- und/oder Luftbläschen vor Eintritt derselben in den Verdichtungsstoss durch variable Kühlung des Flüssigkeitsstrahles verändert. Die Wärmezufuhr zum Unterschallbereich des Stosses ist gegeben durch die Vo lumsverringerung des Gas- und/oder Luftanteils zufolge der Kompression. Die Wärmeabfuhr im Überschallbereich des Stosses kann eingestellt werden, indem man den Gas und/oder Luftanteil des Flüssigkeitsstrahles mehr oder weniger gesättigt in den Stoss eintreten lässt. Da der Dampfanteil nur von der Temperatur abhängt, kann derselbe mit der Temperatur geregelt und dem kondensierenden Dampfanteil im Unterschallbereich gleichgemacht werden. Da bei biologischen Verfahren im allgemeinen eine grosse Wärmemenge im Reaktor gebildet wird und diese Wärmemenge durch das erfindungsgemässe Verfahren nicht zur Gänze ver braucht wird, ist der Kühlflüssigkeitsanteil, der zu der genannten Kühlung verbraucht wird, keine Nehrleistung > an notwendiger Kühlung. Innerhalb des Verfahrens ist es besonders zweckmässig, dass der Gas- und/oder Luft ansaugende Flüssigkeitsstrahl schirm- bzw. pilzförmig ausgebildet wird. Da im allgemeinen vor der Saugstrecke ein Schaufelrad vorgesehen ist, ist es zweckmässig, dass sich der Flüssigkeitsstrahl nach Verlassen des Schaufelrades weiter radial ausdehnt. Damit wird erreicht, dass das Volumen des Strahles mit zunehendem Abstand vom Schaufelradmittelpunkt grösser wird. Die Volumszunahme wird dann durch das anzusaugende Gas- bzw. Luftvolumen aufgefüllt, so dass die radiale Erstreckung der Saugstrecke genau gegeben ist. Um die Lage des Verdichtungsstosses genau zu fixieren, ist es zweckmässig, entweder eine lavaldüsenartige Erweiterung oder aber eine Umlenkung des Flüssigkeitsstrahles durchzuführen. Aus der Gasdynamik ist es bekannt, dass die Lage des Verdichtungsstosses in einem divergenten Teil oder aber durch Umlenkung des Flüssigkeitsstrahles fixiert ist (siehe Bruno Eck, "Technische Strömungslehre", 7. Auflage, Springer Verlag 1966, Seiten 400 und 4o1). Verzichtet man auf die Gleichheit der Wärme zu- bzw. Wärmeabfuhr im Verdichtungsstoss, so kann die im Eonden- sationsstoss anfallende Kondensationswärme stromab dem mit Unterschallgeschwindigkeit strömenden Flüssigkeitsstrahl zugeführt werden, wodurch die Beschleunigung dieses mit Unterschallgeschwindigkeit strömenden Flüssigkeitsstrahles erreicht wird.

Claims: Patentansprüche 1 Verfahren zur Förderung und/oder Begasung von Gas-Flüs sigkeit-Gemischen bzw. von leicht verdampfbaren Flüssig keiten, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit Gas- bzw. Dampfblasen durchsetzte Flüssigkeit, gegebenenfalls un ter Absenkung ihres Druckes unter den Druck des anzusau genden Gases, auf eine Geschwindigkeit beschleunigt wird, die höher als die diesem Zweiphasengemisch zugehörige Schallgeschwindigkeit ist, wonach gegebenenfalls von die sem auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigten Blüssig- keitsstrahl Gas angesaugt wird, und dass danach die diesem Flüssigkeitsstrahl innewohnende Geschwindigkeitsenergie durch einen Verdichtungs- und Kondensationsstoss in Druck umgewandelt wird, wonach die noch vorhandene Geschwindig keitsenergie in technische Arbeit umgewandelt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Gas- bzw. Dampfblasen durchsetzte Flüssigkeit eine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur aufweist, wo bei im Unterschallbereich des Verdichtungsstosses Wärme zugeführt und im Überschallbereich die gleiche Wärmemenge abgeführt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des Wärmetausches im Verdichtungsstoss der Dampfgehalt der Gas- und/oder Luftbläschen im Flüssig keitsstrahl vor Eintritt desselben in den Verdichtungs stoss durch variable Kühlung des Flüssigkeitsstrahles ver ändert wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass der Gas und/oder Luft ansaugende Ffüs, sigkeitsstrahl schirm- bzw. pilzförmig aus einem die Be schleunigung auf Überschallgeschwindigkeit bewirkenden Schaufelrad austreten gelassen wird. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass der Verdichtungs- und Kondensations stoss durch eine lavaldüsenartige Erweiterung des Flüssig keitsstrahles bewirkt wird. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass der Verdichtungs- und Kondensations- stoss durch Umlenkung des Flüssigkeitsstrahles bewirkt wird. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Xondensationsstoss anfallende Kondensationswärme stromab dem mit Unterschallgeschwindigkeit strömenden Flüssigkeitsstrahl zugeführt wird.

Inventors: BRAUN, ERNST, DIPL.-ING.
Applicants: BRAUN, ERNST, DIPL.-ING.
Application year: 1985
Main classification: F03B17
IPC codes: F03B17, B01F5