DE19846481A1

DE19846481A1 - Device for thermal treatment and for driving a gaseous medium

Info

Publication number: DE19846481A1
Application number: DE1998146481
Authority: DE
Inventors: Christian Schneider
Original assignee: Individual
Current assignee: Ask High Technology Technische Entwicklungen GmbH
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1998-10-09
Publication date: 2000-05-04
Also published as: WO2000022300A1

Abstract

The inventive device has a first chamber (2) through which a heat transfer medium flows. Flow channels (9) also extend through the first chamber. The flow channels (9) connect an upper, second chamber (7) to a lower, third chamber (8). An inlet/outlet (10) for a gaseous medium is connected to the upper chamber, said gaseous medium engaging in an exchange of heat with the heat transfer medium. A liquid-conveying device (11) is connected to the lower chamber. This device is used for periodically filling and emptying the flow channels so that the gaseous medium is pushed out or drawn in. The device forms a combination working cylinder heat exchanger without a disadvantageous volume inside the heat exchanger.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln und zum Antreiben eines gasförmigen Mediums.The invention relates to a device for thermal Treat and drive a gaseous medium.

Bei technischen Prozessen dienen Wärmetauscher zum Er wärmen oder Abkühlen des gasförmigen Mediums. Letzteres wird von einer Fördereinrichtung durch den Wärmetauscher hin durchgetrieben. Als Fördereinrichtung eignen sich Axial- oder Rotationskolbenverdichter, Schraubenverdichter oder Turboverdichter. Sämtliche Fördereinrichtungen verfügen über ein entsprechendes Volumen, welches bei thermodynamischen Kreisprozessen als Arbeitsvolumen bezeichnet wird.Heat exchangers are used for technical processes warm or cool the gaseous medium. The latter will from a conveyor through the heat exchanger driven through. Axial or Rotary piston compressors, screw compressors or Turbocompressor. All funding institutions have a corresponding volume, which with thermodynamic Cyclic processes is called work volume.

Das wärmetauscherseitige Volumen hingegen wird als schädliches Volumen bezeichnet. Seine Größe vermindert näm lich die Effizienz des technischen Prozesses. Man ist daher bestrebt, dieses Volumen so klein wie möglich zu halten.The volume on the heat exchanger side, on the other hand, is as called harmful volume. Its size diminishes the efficiency of the technical process. One is therefore endeavors to keep this volume as small as possible.

Hierin liegt auch die Aufgabe der Erfindung, nämlich in der Verminderung des sogenannten schädlichen Volumens.This is also the object of the invention, namely in the reduction of the so-called harmful volume.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannte Vor richtung erfindungsgemäß versehen mit
To solve this problem, the aforementioned device is provided according to the invention

a first chamber for a heat exchange medium,
- A plurality of flow channels through which he pass through the first chamber and an upper second chamber with connect a lower third chamber,
- An inlet / outlet connected to the upper chamber for the gaseous medium and
- A liquid connected to the third chamber keitsfördervorrichtung for periodic filling and emptying ren of the flow channels between a maximum and a minimal liquid level.

Die Erfindung integriert das Arbeitsvolumen der An triebseinrichtung für das gasförmige Medium in einen Wärme tauscher, wobei das Arbeitsvolumen durch die Füllstandsdif ferenz der Flüssigkeit in den Strömungskanälen (und deren Anzahl) definiert wird. Es entsteht also eine Arbeitszylin der-Wärmetauscher-Kombination in Form einer in sich ge schlossenen Baugruppe. Der wesentliche Vorteil liegt darin, daß das schädliche Volumen innerhalb des Wärmetauschers auf Null reduziert wird.The invention integrates the work volume of the An Drive device for the gaseous medium in a heat exchanger, the working volume by the level diff reference of the liquid in the flow channels (and their Number) is defined. So there is a working cylinder the heat exchanger combination in the form of a ge closed assembly. The main advantage is that the harmful volume inside the heat exchanger is on Is reduced to zero.

Außerdem ergibt sich eine Verbesserung des Wirkungsgra des des Wärmetauschers, und zwar durch Verminderung der Tem peraturdifferenz zwischen dem Wärmeträgermedium und dem gas förmigen Medium. Je größer diese Temperaturdifferenz ist, desto stärker fällt der Wirkungsgrad ab, und zwar im Ver gleich zum idealen thermodynamischen Kreisprozeß, nämlich dem Carnotprozeß.There is also an improvement in the effectiveness of the heat exchanger, by reducing the tem temperature difference between the heat transfer medium and the gas shaped medium. The greater this temperature difference is the more the efficiency drops, namely in ver equal to the ideal thermodynamic cycle, namely the Carnot process.

Angetrieben wird das gasförmige Medium durch eine Mehr zahl von Flüssigkolben, die in den Strömungskanälen aufstei gen und absinken. Die eigentliche Antriebseinrichtung ist also in die Arbeitszylinder-Wärmetauscher-Kombination inte griert, was zu baulich günstigen Verhältnissen führt.The gaseous medium is driven by a Mehr number of liquid pistons rising in the flow channels towards and sinking. The actual drive device is So inte in the cylinder-heat exchanger combination griert, which leads to structurally favorable conditions.

Der wesentliche Vorteil der Flüssigkolben besteht darin, daß keine Kolbenabdichtungen erforderlich sind. Die oben er wähnten Verdichter kommen ohne derartige Abdichtungen nicht aus. Je höher der Druck des gasförmigen Mediums ist, desto zuverlässiger müssen die Abdichtungen arbeiten, mit der Folge, daß die erforderliche Reibarbeit ansteigt, wodurch wiederum der Wirkungsgrad des Prozesses verschlechtert wird. Die Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich daher in be sonderem Maße für solche Anwendungsfälle, in denen das gas förmige zweite Medium unter einem hohen Druck steht. Je hö her der Druck ist, desto kleiner wird man den Querschnitt der Strömungskanäle wählen, mit der Folge, daß die Wand stärke der Strömungskanäle trotz der hohen Drücke gering ge halten werden kann. Die Wärmeleitung ist entsprechend gut.The main advantage of liquid pistons is that that no piston seals are required. The above he mentioned compressors do not come without such seals out. The higher the pressure of the gaseous medium, the more The seals with which the Consequence that the required friction work increases, whereby again the efficiency of the process deteriorates. The device according to the invention is therefore suitable in be especially for those applications where the gas shaped second medium is under high pressure. The higher the pressure is, the smaller the cross section choose the flow channels, with the result that the wall Strength of the flow channels is low despite the high pressures can be held. The heat conduction is accordingly good.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, die Strö mungskanäle als dünnwandige Rohre auszubilden.The Strö design ducts as thin-walled pipes.

Grundsätzlich kann die Ausrichtung der Strömungskanäle beliebig gewählt werden. Je nach Viskosität der Flüssigkeit und je nach Höhe des Drucks des gasförmigen Mediums ist so gar eine praktisch horizontale Ausrichtung denkbar. Vorzie hen ist es allerdings, die Strömungskanäle im wesentlichen vertikal auszurichten, da unter diesen Umständen die Visko sität der Flüssigkeit und der Druck des gasförmigen Mediums für die Arbeitsweise der Vorrichtung keine Rolle spielen.Basically, the orientation of the flow channels can be chosen arbitrarily. Depending on the viscosity of the liquid and depending on the pressure of the gaseous medium even a practically horizontal orientation is conceivable. Prefer hen it is, however, the flow channels essentially Align vertically, because under these circumstances the visco liquidity and the pressure of the gaseous medium play no role in the operation of the device.

Vorteilhafterweise entspricht die Länge der Strömungska näle im wesentlichen dem Abstand zwischen dem maximalen und dem minimalen Flüssigkeitsfüllstand. Die Länge der Strö mungskanäle ist also weitgehend an das im übrigen von der Anzahl der Strömungskanäle abhängige Arbeitsvolumen ange paßt. Letzteres wiederum bestimmt den erforderlichen Wärme bedarf, wobei der Wärmetauscher so ausgelegt ist, daß er diesen Wärmebedarf unter Aufnahme des Arbeitsvolumens deckt.The length of the flow chamber advantageously corresponds channels essentially the distance between the maximum and the minimum liquid level. The length of the stream Mungskanal is largely to the rest of the Number of flow channels depending on the working volume fits. The latter in turn determines the heat required Requires, the heat exchanger is designed so that it covers this heat requirement while absorbing the work volume.

Eine besonders einfache Konstruktion ergibt sich da durch, daß die erste Kammer von einem rohrförmigen Gehäuse begrenzt wird, an das sich obere und untere, die zweite bzw. die dritte Kammer begrenzende Kappen anschließen.This results in a particularly simple construction through that the first chamber from a tubular housing is limited to the upper and lower, the second and connect caps delimiting the third chamber.

Ferner wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschla gen, daß die Flüssigkeitsfördervorrichtung von einer vor zugsweise über einen Exzenter angetriebenen Axialkolbenpumpe gebildet wird. Gegenüber anderen Fördervorrichtungen, die ebenfalls einsetzbar sind, hat diese Konstruktion den Vor teil, daß eine sehr einfache Beziehung besteht zwischen dem Zylinderdurchmesser und dem Kolbenhub der Flüssigkeitsför dervorrichtung einerseits und dem Querschnitt, der Anzahl und der Länge der Strömungskanäle andererseits.Furthermore, it is proposed in a further development of the invention conditions that the liquid delivery device from one before preferably via an eccentric driven axial piston pump is formed. Compared to other conveyors that can also be used, this construction has the advantage partly that there is a very simple relationship between the Cylinder diameter and the piston stroke of the liquid the device on the one hand and the cross section, the number and the length of the flow channels on the other hand.

Das gasförmige Medium wird dem Wärmeaustausch chargen weise unterworfen. Dementsprechend kann der Ein-/Auslaß mit einem Umschaltventil versehen sein, welches die Vorrichtung alternierend an eine Zuführungsleitung und an eine Abfüh rungsleitung anschließt. Ganz besonders günstig hingegen lassen sich mindestens zwei der erfindungsgemäßen Vorrich tungen miteinander koppeln, wobei dann die Flüssigkeitsför dervorrichtungen phasenversetzt oszillieren. The gaseous medium will charge the heat exchange subject wisely. Accordingly, the inlet / outlet with be a changeover valve which the device alternately to a supply line and a discharge management line connects. In contrast, very cheap can be at least two of the Vorrich invention couple with each other, then the liquid feed the devices oscillate out of phase.

Das Wärmeträgermedium, das den Wärmeaustausch mit dem gasförmigen Medium besorgt, kann seinerseits gasförmig oder flüssig sein und die erste Kammer durchströmen. Auch besteht die Möglichkeit, ein festes Wärmeträgermedium stationär an zuordnen. Dieses kann mit einer elektrischen Heizung versehen sein, um Wärme auf das gasförmige Medium zu übertragen. Bei umgekehrtem Wärmefluß kann das feste Wärmeträgermedium die vom gasförmigen Medium abgegebene Wärme speichern oder ableiten.The heat transfer medium that exchanges heat with the worried gaseous medium, can in turn be gaseous or be liquid and flow through the first chamber. Also exists the possibility of a stationary heat transfer medium assign. This can be equipped with an electric heater to transfer heat to the gaseous medium. At reverse heat flow, the solid heat transfer medium store heat given off by the gaseous medium or deduce.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen schema tischen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrich tung.The invention is based on a preferred Embodiment in connection with the accompanying Drawing explained in more detail. The drawing shows a schematic tables vertical section through a Vorrich invention tung.

Die Vorrichtung weist ein Gehäuse 1 auf, welches eine erste Kammer 2 begrenzt. Letztere wird im vorliegenden Fall von einem Wärmeträgermedium durchströmt und weist hierzu ei nen Einlaß 3 sowie einen Auslaß 4 auf.The device has a housing 1 which delimits a first chamber 2 . In the present case, the latter is flowed through by a heat transfer medium and has an inlet 3 and an outlet 4 for this purpose.

An das Gehäuse 1 schließen sich eine obere Kappe 5 und eine untere Kappe 6 an. Die obere Kappe 5 begrenzt eine obere zweite Kammer 7, während die untere Kappe 6 eine unte re dritte Kammer 8 begrenzt. Die obere Kammer 7 ist mit der unteren Kammer 8 über eine Mehrzahl von Strömungskanälen 9 verbunden, die die erste Kammer 2 vertikal durchsetzen. Die obere Kammer 7 weist einen Ein-/Auslaß 10 für ein gasförmi ges Medium auf, während die untere Kammer 8 an eine Flüssig keitsfördervorrichtung 11 angeschlossen ist. Die Flüssig keitsfördervorrichtung 11 weist eine Axialkolbenpumpe 12 auf, die von einem Exzenter 13 angetrieben wird.An upper cap 5 and a lower cap 6 connect to the housing 1 . The upper cap 5 defines an upper second chamber 7 , while the lower cap 6 defines a lower third chamber 8 . The upper chamber 7 is connected to the lower chamber 8 via a plurality of flow channels 9 which penetrate the first chamber 2 vertically. The upper chamber 7 has an inlet / outlet 10 for a gaseous medium, while the lower chamber 8 is connected to a liquid conveying device 11 . The liquid keitsfördervorrichtung 11 has an axial piston pump 12 which is driven by an eccentric 13 .

In der dargestellten Position nimmt der Kolben der Axialkolbenpumpe 12 seine Mittelstellung ein. Die Strömungs kanäle 9 sind daher, wie angedeutet, bis zur mittleren Höhe mit Flüssigkeit gefüllt. Bei weiterer Drehung des Exzenters 13 im Uhrzeigersinn werden die Flüssigkolben in den Strö mungskanälen 9 bis zu ihrer maximalen Steighöhe angetrieben, wobei diese am oberen Ende der Strömungskanäle 9 liegt. Da bei wird das gesamte in den Strömungskanälen 9 befindliche gasförmige Medium verdrängt. Bei weiterer Drehung des Exzen ters 13 wandern die Flüssigkolben in den Strömungskanälen 9 nach unten bis zu einer minimalen Steighöhe, die am unteren Ende der Strömungskanäle 9 liegt. Das gasförmige Medium tritt dabei in die Strömungskanäle 9 ein und gelangt in Wär meaustausch mit dem in der ersten Kammer 2 befindlichen Wär meträgermedium.In the position shown, the piston of the axial piston pump 12 assumes its central position. The flow channels 9 are therefore, as indicated, filled with liquid up to the middle height. With further rotation of the eccentric 13 clockwise, the liquid pistons in the flow channels 9 are driven up to their maximum rise height, which is at the upper end of the flow channels 9 . Since the entire gaseous medium located in the flow channels 9 is displaced. Upon further rotation of the eccentric 13, the liquid pistons migrate downward in the flow channels 9 to a minimum rise which is at the lower end of the flow channels 9 . The gaseous medium enters the flow channels 9 and passes into heat exchange with the heat in the first chamber 2 heat transfer medium.

Der Antrieb des gasförmigen Mediums erfolgt also über die in den Strömungskanälen 9 arbeitenden Flüssigkolben. Dies bedeutet, daß der Antrieb innerhalb des von der ersten Kammer 2 und den Strömungskanälen 9 gebildeten Wärmetau schers stattfindet. Das sogenannte schädliche Volumen wird also hier auf Null reduziert. Im übrigen benötigen die Flüs sigkolben keine Abdichtung, so daß also die Reibarbeit auch bei hohen Drücken des gasförmigen Mediums gering ist.The gaseous medium is thus driven via the liquid pistons operating in the flow channels 9 . This means that the drive takes place within the heat exchanger formed by the first chamber 2 and the flow channels 9 shear. The so-called harmful volume is therefore reduced to zero here. Otherwise, the liquid sigkolben need no seal, so that the friction work is low even at high pressures of the gaseous medium.

Im vorliegenden Fall sind die Strömungskanäle 9 als dünnwandige Rohre ausgebildet. Sie eignen sich auch für hohe Drücke des gasförmigen Mediums und gewährleisten eine hohe Wärmeleitung. Im übrigen ergibt sich ein sehr einfaches ma thematisches Verhältnis zwischen dem Zylinderdurchmesser des Axialkolbenverdichters 12 und dessen Kolbenhub (angedeutet durch den oberen und den unteren Totpunkt) einerseits und dem Durchmesser, der Länge und der Anzahl der Strömungskanä le 9 andererseits, wobei das Gesamtvolumen der Strömungska näle zwischen der maximalen und der minimalen Steighöhe der Flüssigkolben das Arbeitsvolumen definiert.In the present case, the flow channels 9 are designed as thin-walled tubes. They are also suitable for high pressures of the gaseous medium and ensure high heat conduction. Otherwise, there is a very simple ma thematic relationship between the cylinder diameter of the axial piston compressor 12 and its piston stroke (indicated by the top and bottom dead center) on the one hand and the diameter, length and number of the flow channels 9 on the other hand, the total volume of the flow chamber channels between the maximum and minimum height of rise of the liquid piston defines the working volume.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmög lichkeiten gegeben. So können die Strömungskanäle einen an deren als rohrförmigen Querschnitt aufweisen. Auch kann die Axialkolbenpumpe durch eine andersartige Flüssigkeitsförder vorrichtung ersetzt werden. Die dargestellte Ausführungsform hat sich allerdings als besonders vorteilhaft erwiesen. An stelle der Kappen, die die obere bzw. untere Kammer begren zen, sind andere Ausführungsformen denkbar. Wesentlich ist, daß oberhalb und unterhalb der ersten Kammer ein Gassammel raum bzw. ein Flüssigkeitssammelraum gebildet werden.Modifications are possible within the scope of the invention given. So the flow channels can one which have a tubular cross-section. It can also Axial piston pump through a different type of liquid delivery device to be replaced. The illustrated embodiment has proven to be particularly advantageous, however. On place the caps that delimit the upper and lower chamber zen, other embodiments are conceivable. It is essential that a gas collection above and below the first chamber space or a liquid collection space are formed.

Claims

1. Device for thermal treatment and for driving a gaseous medium, with

- a first chamber ( 2 ) for a heat transfer medium,
- a plurality of flow channels ( 9 ) which pass through the first chamber ( 2 ) and connect an upper second chamber ( 7 ) to a lower third chamber ( 8 ),
- One connected to the upper chamber ( 7 ) inlet / outlet ( 10 ) for the gaseous medium and
- A to the lower chamber ( 8 ) connected liquid delivery device ( 11 ) for periodically filling and emptying the flow channels ( 9 ) between a maximum and a minimum liquid level.

2. Device according to claim 1, characterized in that the flow channels ( 9 ) are formed by thin-walled tubes.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the flow channels ( 9 ) are aligned substantially vertically.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the length of the flow channels ( 9 ) corresponds essentially to the distance between the maximum and the mi liquid height.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first chamber ( 2 ) by a rohrför shaped housing ( 1 ) is limited to the upper and lower re, the second and the third chamber ( 7 , 8 ) Connect limiting caps ( 5 , 6 ).

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the liquid delivery device ( 11 ) by a preferably via an eccentric ( 13 ) driven NEN axial piston pump ( 12 ) is formed.