EP1380348A2 - Zerstäubungseinrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Flüssigkeit-Gas Gemisches - Google Patents

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EP1380348A2 EP03405488A EP03405488A EP1380348A2 EP 1380348 A2 EP1380348 A2 EP 1380348A2 EP 03405488 A EP03405488 A EP 03405488A EP 03405488 A EP03405488 A EP 03405488A EP 1380348 A2 EP1380348 A2 EP 1380348A2
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04F5/42—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow characterised by the input flow of inducing fluid medium being radial or tangential to output flow

Definitions

  • the invention relates to a device for generating a liquid-gas mixture according to the preamble of the first claim.
  • the invention is also based on a method for producing a liquid-gas mixture according to the preamble of the independent method claim.
  • EP 0 990 801 describes an atomizing device for generating a Liquid-gas mixture known in a process for isothermal Compression is used.
  • the isothermally compressed gas preferably Air
  • Air is fed to a gas turbine plant, the efficiency of which can be improved.
  • An atomizing device consists of several Ring nozzles arranged concentrically to one another, via connecting channels are interconnected. To the water emerging from the ring nozzles air is supplied through the openings formed between the ring nozzles.
  • the atomizing nozzle covers the entire opening of the Laval nozzle to create a homogeneous spray mist over the entire opening to form individual liquid droplets.
  • Another atomizing nozzle exists also from several concentrically arranged ring nozzles, the are connected to each other via connecting channels and the opening of the Laval nozzle covers.
  • the addition of water and air is set here that a foam-like mixture forms in the air bubbles of liquid are included.
  • the invention has for its object in an atomizing device and a method of the type mentioned to increase the efficiency of atomization.
  • the atomizing device consists of a nozzle body exists, which is an at least approximately central tube for the gaseous Medium and a nozzle chamber surrounding this central tube for supplying liquid, the liquid supply comprising means for Has generation of a swirled liquid flow in the nozzle chamber and the swirled liquid flow coaxially enclosing the gaseous medium emerges from the nozzle body through a nozzle opening.
  • a swirling spreading in the direction of flow creates a hollow cone-shaped spray.
  • vacuum zone becomes gaseous medium through the central tube fed.
  • the in one Swirl flow liquid exiting the atomizing device is a central one Forms a vacuum zone into which a larger amount of gas flows than before known atomizing nozzles.
  • the in one Swirl flow liquid exiting the atomizing device is a central one Forms a vacuum zone into which a larger amount of gas flows than before known atomizing nozzles.
  • Water 15 which is supplied to an atomizing device 2 either from a high water reservoir or, as shown, by means of a water pump 1 via a water line 11 under pressure, is made into a liquid in the atomizing device 2 with the addition of air 13 supplied by means of a supply line 16 in the nozzle inlet area of a mixing tube 3 -Air mixture 4 atomized, in which finely divided small liquid droplets are contained.
  • the mixing tube 3 is designed as a vertically arranged chute through which the liquid-air mixture 4 flows vertically downward, accelerated by gravity.
  • the diffuser 3a In the area of the tapered inner contour of the diffuser 3a, kinetic energy is extracted from the liquid droplets, as a result of which the air contained in the liquid-air mixture 4 is compressed.
  • the diffuser 3a is connected downstream to a high-pressure chamber 5, in which the highly compressed air separates from the liquid in an air-water separator 12.
  • the isothermally pre-compressed air is fed to a further compressor stage 7 via a corresponding high-pressure feed line 6, which is subsequently connected to a combustion chamber 8 in which the pre-compressed air is ignited mixed with fuel.
  • the hot gases expanding in the combustion chamber drive the turbine 9, which in turn is connected to a generator 10 for generating electricity.
  • the separated water is returned to the atomizing device 2 by means of the pump 1 and the water line 11.
  • the length of the mixing tube 3 required for the compression does not depend on the performance of the gas turbine, but very much on the atomization quality with which the atomization device 2 atomizes the liquid into finely distributed liquid droplets.
  • the length also depends on the nozzle efficiency and on the pressure ratio with which the liquid to be atomized is supplied to the atomizing device 2.
  • the length of the mixing tube 3 thus decreases with decreasing droplet diameter or decreasing compression efficiency. Typical nozzle lengths with moderate atomization quality are approx. 20 m, whereas nozzle lengths with high atomization quality can be shortened to 6 to 10 m.
  • FIG. 2 shows the atomizing nozzle 2 in longitudinal section and in FIG. 3 in cross section.
  • the water 15 is conducted to the annular nozzle chamber 18 surrounding the air supply line 16 via water supply lines 17 running tangentially to the central air supply 16.
  • the nozzle chamber tapers towards the annular nozzle opening 19.
  • Water 15 is conveyed to the nozzle chamber 18 by means of the pump 1 through the water feeds 17.
  • a swirled flow is formed, which is accelerated in the tapering cross section towards the nozzle outlet opening 19.
  • a hollow cone-shaped swirling spray 21 is formed, which forms a vacuum zone 22 in the area enclosed by it.
  • the mixing results in a blistering mixture in which the air is enclosed in liquid droplets, which in turn leads to isothermal compression of the air. Due to the high amount of entrained air, the high atomization quality and the short mixing time to produce the blistered mixture, the height of the Laval nozzle can be greatly reduced.
  • To generate the swirl flow in the nozzle chamber can also be a tangential water supply or more than two tangential water supplies are used.
  • the interpretation of the tangential Water supply in terms of their position and their internal dimensions takes place according to the desired outside angle of the spray, the desired Amount of entrained air, the available water pressure and the Flow rate of the water.
  • Other means can also be used in the area of the nozzle chamber arranged to generate a swirled liquid flow in the nozzle chamber e.g. deflection channels arranged in or outside the nozzle chamber.

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Abstract

Bei einer Zerstäubungseinrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas Gemisches (4) wird das Gemisch (4) insbesondere zur Verdichtung in eine Düsenanordnung (3) eingeleitet, in der die kinetische Energie des Gemisches (4) zum grössten Teil durch Druckanstieg der Luft in Kompressionsenergie umgewandelt wird. Die Zerstäubungseinrichtung (2) umfasst eine zentrale Luftzuführung (16) und eine die Luftzuführung umschliessende Düsenkammer (18) zur Zuführung von Flüssigkeit. An oder in der Zerstäubungseinrichtung sind Mittel (17) zur Erzeugung einer verdrallten Flüssigkeitsströmung in der Düsenkammer (18) angeordnet und die verdrallte Fiüssigkeitsströmung tritt über eine die Luftzuführung umschliessende Düsenöffnung (19) aus. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas Gemisches nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.
Die Erfindung geht ebenfalls aus von einem Verfahren zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas Gemisches nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruches.
Stand der Technik
Aus der EP 0 990 801 ist eine Zerstäubungseinrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas Gemisches bekannt, welche in einem Verfahren zur isothermen Kompression zur Anwendung kommt. Das isotherm verdichtete Gas, vorzugsweise Luft, wird einer Gasturbinenanlage zugeführt, deren Wirkungsgrad dadurch verbessert werden kann. Eine Zerstäubungseinrichtung besteht aus mehreren konzentrisch zueinander angeordneten Ringdüsen, die über Verbindungskanäle miteinander verbunden sind. Zu dem aus den Ringdüsen austretenden Wasser wird Luft über die durch die zwischen den Ringdüsen gebildeten Öffnungen zugeführt. Die Zerstäubungsdüse deckt dabei die gesamte Öffnung der Lavaldüse ab, um über die gesamte Öffnung einen homogenen Sprühnebel, bestehend aus einzelnen Flüssigkeitströpfchen zu bilden. Eine weitere Zerstäubungsdüse besteht ebenfalls aus mehreren konzentrisch zueinander angeordneten Ringdüsen, die über Verbindungskanäle miteinander verbunden sind und die Öffnung der Laval-Düse abdeckt. Die Zugabe von Wasser und Luft wird hier jedoch so eingestellt, dass sich ein schaumartiges Gemisch bildet, in dem Luftblasen von Flüssigkeit eingeschlossen sind.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Zerstäubungseinrichtung und einem Verfahren der eingangs genannten Art die Effizienz der Zerstäubung zu erhöhen.
Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erreicht.
Kern der Erfindung ist es also, dass die Zerstäubungseinrichtung aus einem Düsenkörper besteht, welcher ein zumindest annähernd zentrales Rohr für das gasförmige Medium und eine dieses zentrale Rohr umschliessende Düsenkammer zur Zuführung von Flüssigkeit umfasst, wobei die Flüssigkeitszuführung Mittel zur Erzeugung einer verdrallten Flüssigkeitsströmung in der Düsenkammer besitzt und die verdrallte Flüssigkeitsströmung koaxial das gasförmige Medium umschliessend durch eine Düsenöffnung aus dem Düsenkörper austritt.
An der Düsenöffnung der Zerstäubungseinrichtung wird somit mittels an oder in der Zerstäubungseinrichtung angeordneter Mittel zur Erzeugung einer verdrallten Flüssigkeitsströmung ein sich in Strömungsrichtung ausbreitender wirbelnder hohlkonusförmiger Spray erzeugt. In die sich im Inneren des hohlkonusförmigen Sprays gebildete Unterdruckzone wird über das zentrale Rohr gasförmiges Medium eingespeist.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die in einer Drallströmung aus der Zerstäubungseinrichtung austretende Flüssigkeit eine zentrale Unterdruckzone bildet, in die eine grössere Gasmenge einströmt als bei bisher bekannten Zerstäubungsdüsen. Durch die Erhöhung der Menge an mitgerissenem gasförmigen Medium wird auch die Wirksamkeit des Gesamtsystems erhöht. Die Zerstäubungsqualität wird durch die verbesserte Zerstäubung aufgrund des hohlkonusförmigen Sprays und der geringeren Dicke des aus der ringförmigen Düsenöffnung austretenden Flüssigkeitsfilms erhöht. Die verbesserte Zerstäubung führt ihrerseits dazu, dass die Länge der Laval-Düse reduziert werden kann, da eine geringere Mischungszeit für die Erzeugung eines blasigen Gemisches benötigt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
Es zeigen:
Fig. 1
Schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage mit vorgeschalteter isothermer Kompression;
Fig. 2
einen Teillängsschnitt durch eine Zerstäubungseinrichtung;
Fig. 3
einen Teilquerschnitt durch die Zerstäubungseinrichtung entlang Linie A-A der Fig. 2.
Es sind nur die für das unmittelbare Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Gemäss Fig. 1 wird bei einer schematisch dargestellten Gasturbinenanlage isotherme Kompression zur Vorverdichtung verwendet. Wasser 15, das entweder aus einem hochgelegenen Wasserreservoir oder wie dargestellt mittels einer Wasserpumpe 1 über eine Wasserleitung 11 druckbeaufschlagt einer Zerstäubungseinrichtung 2 zugeführt wird, wird in der Zerstäubungseinrichtung 2 unter Zugabe von mittels einer Zuführungsleitung 16 zugeführter Luft 13 im Düseneinlassbereich eines Mischrohrs 3 zu einem Flüssigkeits-Luft-Gemisch 4 zerstäubt, in dem feinst verteilt kleine Flüssigkeitströpfchen enthalten sind. Das Mischrohr 3 ist als vertikal angeordneter Fallschacht ausgebildet, durch den das Flüssigkeits-Luft-Gemisch 4 vertikal nach unten strömt, beschleunigt durch die Gravitation. In dem Bereich der sich sich verjüngenden Innenkontur des Diffusors 3a wird den Flüssigkeitströpfchen kinetische Energie entzogen, wodurch die im Flüssigkeits-Luft-Gemisch 4 enthaltene Luft komprimiert wird. Der Diffusor 3a ist stromabwärts mit einer Hochdruckkammer 5 verbunden, in der sich die hochkomprimierte Luft von der Flüssigkeit in einem Luft-Wasser-Seperator 12 separiert. Über eine entsprechende Hochdruckzuleitung 6 wird die isotherm vorverdichtete Luft einer weiteren Verdichterstufe 7 zugeführt, die nachfolgend mit einer Brennkammer 8 verbunden ist, in der die vorverdichtete Luft vermischt mit Brennstoff entzündet wird. Die in der Brennkammer expandierenden Heissgase treiben die Turbine 9 an, die ihrerseits mit einem Generator 10 zur Stromerzeugung verbunden ist. Das separierte Wasser wird mittels der Pumpe 1 und der Wasserleitung 11 wieder der Zerstäubungseinrichtung 2 zugeführt. Zur Kühlung des zugeführten Wassers kann dieses mittels eines in der Wasserleitung 11 angeordneten Wasserkühlers 14 gekühlt werden.
Grundsätzlich ist festzuhalten, dass die für die Kompression erforderliche Länge des Mischrohrs 3 nicht von der Leistung der Gasturbine abhängt, sondern sehr stark von der Zerstäubungsqualität, mit der die Zerstäubungseinrichtung 2 die Flüssigkeit in feinst verteilte Flüssigkeitströpfchen zerstäubt. Ebenso hängt die Länge vom Düsenwirkungsgrad sowie vom Druckverhältnis ab, mit dem die zu zerstäubende Flüssigkeit der Zerstäubungseinrichtung 2 zugeführt wird. So nimmt die Länge des Mischrohrs 3 mit abnehmendem Tröpfchendurchmesser oder abnehmendem Kompressionswirkungsgrad ab. Typische Düsenlängen bei mässiger Zerstäubungsqualität betragen ca. 20 m, wohingegen Düsenlängen bei hoher Zerstäubungsqualität auf 6 bis 10 m verkürzt werden können. Bei Verwendung einer Gasturbine, deren Luftmassendurchfluss bei ca. 400 kg pro Sekunde liegt, betragen typische Eintrittsdüsenöffnungen bei Laval-Düsen ca. 2 m und Austrittsdurchmesser etwa 3 m. Grundsätzlich ist es auch möglich, Gasturbinen, Dampfturbinen sowie Abgasrekuperatoren zusammen mit der isothermen Kompression zu kombinieren. Ferner ist festzuhalten, dass die Verwendung der isothermen Kompression zu einem deutlichen Anstieg der Leistungsdichte sowie des Wirkungsgrades von Gasturbinen, verglichen mit einstufig gekühlten Systemen, führt. Weitere Ausführungsformen und Anordnungen können der EP 0 990 801 A1 entnommen werden, welche hiermit einen integrierenden Bestandteil dieser Beschreibung bildet.
In Fig. 2 ist die Zerstäubungsdüse 2 im Längsschnitt und in der Fig. 3 im Querschnitt dargestellt. In einem Düsenkörper 20 wird über tangential zur zentralen Luftzuführung 16 verlaufende Wasserzuführungen 17 das Wasser 15 zur ringförmigen, die Luftzuführungsleitung 16 umgebende, Düsenkammer 18 geleitet. Die Düsenkammer verjüngt sich zur ringförmigen Düsenöffnung 19 hin.
Durch die Wasserzuführungen 17 wird Wasser 15 zur Düsenkammer 18 mittels der Pumpe 1 gefördert. Infolge der tangentialen Einleitung des Wassers in die Düsenkammer 18 bildet sich eine verdrallte Strömung aus, die in dem sich verjüngenden Querschnitt zur Düsenaustrittsöffnung 19 hin noch beschleunigt wird. Beim Austritt aus der Zerstäubungseinrichtung 2 entsteht ein hohlkonusförmiger wirbelnder Spray 21, der in dem von ihm umschlossenen Bereich eine Unterdruckzone 22 bildet. Durch diese Unterdruckzone 22 wird Luft 13 über die Luftzuführung angesogen und mitgerissen. Die Menge der durch die Druckzone mitgerissenen Luft ist dabei deutlich höher als bei bisher bekannten Zerstäubungdüsen. Der Spray 21 ist direkt am Düsenausgang 19 noch ein flüssiger Film, der starken Oberflächenspannungskräften ausgesetzt ist, welche zu Instabilitäten aufgrund der grossen spezifischen Oberfläche führen. Dies führt stromabwärts der Düsenöffnung zu einer schnellen Zerstäubung. Der gut zerstäubte Spray 21 vermischt sich mit der mitgerissenen Luft 13 und bildet eine zweiphasige Mischung 4 von Luft und Flüssigkeit. Wie oben beschrieben benötigt der Vermischungsprozess eine bestimmte Länge und die Wirksamkeit der Vermischung ist umgekehrt proportional zur Tropfengrösse, d.h. je kleiner die Tropfen desto höher ist die Wirksamkeit. Bei einer angemessenen Verweildauer in der Laval-Düse führt die Vermischung zu einer blasigen Mischung, in der die Luft in Flüssigkeitstropfen eingeschlossen ist, was wiederum zur isothermen Verdichtung der Luft führt. Durch die hohe Menge an mitgerissener Luft, die hohe Zerstäubungsqualität und die geringe Mischungszeit zur Erzeugung der blasigen Mischung kann deshalb die Höhe der Laval-Düse stark reduziert werden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Zur Erzeugung der Drallströmung in der Düsenkammer können auch nur eine tangentiale Wasserzuführung oder mehr als zwei tangentiale Wasserzuführungen verwendet werden. Die Auslegung der tangentialen Wasserzuführungen bezüglich ihrer Position und ihrer Innendimensionen erfolgt entsprechend dem gewünschten Aussenwinkel des Sprays, der gewünschten Menge an mitgerissener Luft, dem verfügbaren Wasserdruck und der Fliessrate des Wassers. Im Bereich der Düsenkammer können auch andere Mittel zur Erzeugung einer verdrallten Flüssigkeitsströmung in der Düsenkammer angeordnet werden, z.B. in oder ausserhalb der Düsenkammer angeordnete Umlenkkanäle.
Bezugszeichenliste
1
Wasserpumpe
2
Zerstäubungseinrichtung
3
Mischrohr
3a
Diffusor
4
Flüssigkeits-Luft-Gemisch
5
Hochdruckkammer
6
Hochdruckzuleitung
7
Verdichter
8
Brennkammer
9
Turbine
10
Generator
11
Wasserleitung
12
Luft-Wasser-Seperator
13
Luft
14
Wasserkühler
15
Wasser
16
Luftzuführung
17
tangentiale Wasserzuführung
18
Düsenkammer
19
Düsenöffnung
20
Düsenkörper
21
hohlkonusförmiger Spray
22
Unterdruckzone

Claims (6)

  1. Zerstäubungseinrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas Gemisches (4), wobei das erzeugte Gemisch (4) vorzugsweise zwecks Verdichtung in eine Düsenanordnung (3) eingeleitet wird, in welcher die kinetische Energie des Gemisches (4) zu einem grossen Teil in Kompressionsenergie der gasförmigen Komponente umgewandelt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zerstäubungseinrichtung (2) aus einem Düsenkörper (20) besteht, welcher ein zumindest annähernd zentrales Rohr (16) für das gasförmige Medium und eine dieses Rohr (16) umschliessende rotationssymmetrische Düsenkammer (18) für das flüssige Medium umfasst, die Flüssigkeitszuführung (17) Mittel zur Erzeugung einer verdrallten Flüssigkeitsströmung in der Düsenkammer (18) besitzt und die Flüssigkeit in einer koaxial das Rohr (16) umschliessenden Düsenöffnung (19) aus dem Düsenkörper (20) austritt.
  2. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die die Flüssigkeitszuführung (17) tangential in die Düsenkammer (18) einmündet.
  3. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich die Düsenkammer (18) zu einer ringförmigen Düsenöffnung (19) verjüngt.
  4. Verfahren zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gas Gemisches (4) mittels einer Zerstäubungseinrichtung (2), wobei das erzeugte Gemisch (4) insbesondere zur Verdichtung in eine Düsenanordnung (3) eingeleitet wird, in welcher die kinetische Energie des Gemisches (4) zu einem grossen Teil in Kompressionsenergie der gasförmigen Komponente umgewandelt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Düsenöffnung (19) der Zerstäubungseinrichtung (2) eine verdrallte Flüssigkeitsströmung austritt und einen sich in Strömungsrichtung ausbreitenden wirbelnden hohlkonusförmigen Spray (21) erzeugt, und in die sich im Inneren des hohlkonusförmigen Sprays (21) gebildete Unterdruckzone (22) über eine zentrale Zuführung (16) das gasförmige Medium (13) eintritt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die verdrallte Flüssigkeitsströmung in einer das Rohr (16) zur Zuführung des gasförmigen Mediums umschliessenden Düsenkammer (18) erzeugt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die verdrallte Flüssigkeitsströmung in der Düsenkammer (18) mittels mindestens einer tangential in die Düsenkammer (18) einmündenden Flüssigkeitszuführung (17) erzeugt wird.
EP03405488A 2002-07-11 2003-07-02 Zerstäubungseinrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Flüssigkeit-Gas Gemisches Expired - Lifetime EP1380348B1 (de)

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