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    公开号:WO1987001770A1
    申请号:PCT/CH1986/000132
    申请日:1986-09-19
    公开日:1987-03-26
    发明作者:Paul Werner Straub；John Herman Stark；Michel Vermot
    申请人:Paul Werner Straub；
    IPC主号:B01D61-00
    专利说明:
    [0001] Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung und Nutzbarmachung
    [0002] einer Druckdifferenz und deren technische Anwendung.
    [0003] Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Ver¬ fahren zur Erzeugung einer Druckdifferenz mit Hilfe eines Rohrs von bestimmter Formgebung, welches von einem fliessbaren Medium, einer Flüssigkeit oder einem Gas,durchströmt wird. Zur Erfind¬ ung gehören ferner eine zur Ausübung des Verfahrens geeignete Vorrichtung, sowie verschiedene technische Anwendungen des Verfahrens. Das erfindungsgemässe Verfahren beruht auf einer Ab¬ wandlung des Venturirohrs. Diese seit nahezu zweihundert Jahren bekannte Vorrichtung ist ihrer Form nach der aus einer kompli¬ zierten asymmetrischen Kurve entstehende Rotationskörper. Dieser besteht aus einem Rohr, das sich, entsprechend der Kurvenform, in seiner Längsrichtung asymmetrisch verengt und wieder erwei¬ tert. Wird das Venturirohr von einem fliessbaren Medium durch¬ strömt, so entsteht in seinem Innern ein Unterdruck - relativ zu dem am Ein- und Austrittsquerschnitt gemessenen Druck -, wobei die Druckdifferenz gemäss dem von Bernoulli 1680 formulierten Gesetz an der engsten Stelle des Rohrs ein Maximum erreicht. Das Venturirohr findet heute noch vielfältige Ver¬ wendung, z.B. als Instrument zur Messung der Strömungsgeschwin¬ digkeit von Flüssigkeiten und Gasen in Rohren, ferner zur Messung der Fahrtgeschwindigkeit von Flugzeugen und Schiffen, als Wasser- Strahlpumpe (Fig.2) zum Evakuieren von Gefässen, ferner in Ver¬ gasern von Verbrennungsmotoren und in Vorrichtungen zum Waschen von Gasen.
    [0004] Bei der Verwendung des Venturirohrs als Messinstrument erweist es sich als nachteilig, dass die an den Messstellen abge- 1esene Druckdifferenz nicht in einer einfach berechenbaren Weise von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt. Viele weitere Faktoren wie z.B. die Viskosität und Dichte des fliessenden Mediums, die Höhe des Ein- und Austrittsdruckes und nicht zuletzt die genaue Geometrie der Düsenform und die Rauhigkeit der Wand bestimmen das Messresultat in entscheidender Weise mit, so dass in der Praxis für jede definierte Messaufgabe eine nur in engen Grenzen geltende Eichkurve erstellt werden muss. Gewisse Vereinfachungen und Normierungen der Düsenform (Fig. 3) haben zwar Verbesserungen erbracht und ermöglichen eine bessere Reproduzierbarkeit der Messresultate. Der Zusammen¬ hang zwischen Strömungsgeschwindigkeit und gemessener Druck¬ differenz bleibt indessen auch beim normierten Venturimodell immer noch kompliziert. Es wurde nun gefunden, dass überraschende und aus der bisher bekannten Literatur nicht abzuleitende Vorteile erzielt werden können, wenn man das Venturirohr herkömmli¬ cher Form durch einen einfachen Doppelkonus ersetzt, dessen Winkel auf der Eintritts- und Austrittsseite die folgende Bedingung erfüllen:
    [0005] 2 2 F = (1 + sinθ, ) . sin θ2 < 0,11 wobei
    [0006] 0! den Oeffnungswinkel des Eintrittskonus und Θ2 den Oeffnungswinkel des Austrittskonus bedeuten.
    [0007] Ein solcher Doppelkonus, wie er in der Fig. 4 z.B. in symmetrischer Form, d.h. mit gleichem Oeffnungswin¬ kel und gleicher Länge der beiden gegeneinander gerichteten Hohlkegelstümpfe dargestellt ist, ermöglicht nicht nur eine leichtere Darstellung und Berechnung der hydrodynamischen Verhältnisse und eine bessere Uebereinstimmung von gemesse¬ nen und berechneten Daten innerhalb eines weiten Bereichs; völlig überraschend wurde auch eine wesentlich höhere Wirk¬ samkeit gefunden. D. h. bei gegebener Strömungsgeschwindig- keit des fliessbaren Mediums wurde eine höhere Druckdifferenz zwischen dem Eintrittsquerschnitt und der engsten Stelle des Doppelkonus gefunden. Diese Wirksamkeit die nicht nur vom Oeffnungswinkel der beiden Hohlkegelstümpfe, sondern in einem gewissen Mass auch von der Länge des Ein- bezw. Austritts- konus abhängt, kann aus dem numerischen Wert der Funktion F abgeschätzt werden: Je tiefer der numerische Wert unter dem oben angegebenen Grenzwert von 0,11 liegt, desto höher ist die Wirksamkeit des" Doppelkonus. Mit Bezug auf die Fig. 4, in welcher der erfindungsgemässe Doppelkonus schematisch dargestellt ist, sind in der nachfolgenden Tabelle 1 die 5 Werte der Funktion F für einige ausgewählte Konfigura¬ tionen wiedergegeben:
    [0008] -Tabelle 1: F = ( 1 + sin θ,) 2. sin2θ2
    [0009] "Gütefaktor" des Doppelkonus für verschiedene Oeffnungs- winkel des Ein- bezw. Austrittskonus.
    [0010] 10
    [0011] 15
    [0012]
    Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, dass der Wert der Funktion F auf die Grosse des Austrittswinkels sehr viel empfindlicher reagiert als auf diejenige des Ξintrittswinkels: So lange nur der Austritts¬ winkel klein genug ist, können auch mit verhältnismässig grossen Eintrittswinkeln immer noch gute Resultate erhalten werden. Ander- seits kann ein Doppelkonus von symmetrischer Form , d.h. mit glei¬ chem Oeffnungswinkel und gleicher Länge auf der Ein- und Austritts¬ seite mit gutem Erfolg verwendet werden solange der Oeffnungswinkel etwa IQ° nicht übersteigt. Zur Klassierung der Güte eines Doppelkonus gelten ungefähr die folgenden Richtwerte:
    [0013] Funktion F < 0,0035 ausgezeichnet
    [0014] 0,0035 - 0,0155 sehr gut 0,0155 - 0,0250 gut
    [0015] 0,0250 - 0,0500 zufriedenstellend
    [0016] 0,0500 - 0,1100 knapp genügend
    [0017] > 0,1100 ungenügend Eine interessante Eigenschaft des erfindungsgemässen
    [0018] Doppelkonus ist die Abhängigkeit seiner Wirksamkeit von dem im System herrschenden Druck: Unter identischen geometrischen Be- • dingungen und bei gleichem Flüssigkeitsdurchsatz wird die Druck¬ differenz zwischen dem Eintrittsquerschnitt und der an der eng- sten Stelle angebrachten seitlichen Anzapfung umso höher, je höher der im System herrschende Gesamtdruck ist. Im gleichen Sinne ändert sich auch der Fliesswiderstand durch den Doppel¬ konus, der mit steigendem Druck stetig geringer wird. Dieses Verhalten ist völlig überraschend und aus der bisher bekannten hydrodynamischen Theorie - zumindest für inkompressible Medien - nicht zu erwarten. Beispiel^ Symmetrischer Doppelkonus, Gesamtlänge 140 mm
    [0019] Oeffnungswinkel von Ein- und Austrittskonus je 6° Durchmesser an der engsten Stelle: 1,94 mm Medium: Wasser bei 20° C
    [0020] Durchsatz bei konstantem Druckabfall von 0,600 bar:
    [0021] Systemdruck am Eingang Durchsatz ltr./min.
    [0022] 1 bar 185
    [0023] 2 " 225 3 " 255
    [0024] Als weiterer überraschender Effekt des erfindungsgemässen Doppel¬ konus wurde gefunden, dass - bei gleicher Strömungsgeschwindig¬ keit - die zwischen dem Eintrittsquerschnitt und der engsten Stel¬ le sich einstellende Druckdifferenz in offenen Systemen höher ist als in einem geschlossenen System mit erzwungener Zirkulation. D.h. ein in ein fliessendes Gewässer mit seiner Längsachse paral¬ lel zur Strömung eingetauchter Doppelkonus erzeugt eine höhere Druckdifferenz als ein gleicher Doppelkonus, in welchem mit gleicher Geschwindigkeit eine Strömung mittels einer Förder- pumpe bewirkt wird. In seiner einfachsten Form (Fig. 4) besteht der erfindungsgemässe Doppelkonus aus zwei mit ihren kleineren Grundflächen in axialer Richtung verbundenen Hohlkegelstüm¬ pfen. Um eine gute Wirksamkeit zu erzielen, werden die Oeff- nungswinkel des Ein- bezw. Austrittskegels so gewählt, dass die Funktion F gemäss der Tabelle 1 einen günstigen Wert annimmt. Geeignete Oeffnungswinkel der beiden Kegel liegen zwischen 1 und 15 Winkelgraden; das Verhältnis der Durch¬ messer am Ein- bezw. Austritt zum Durchmesser an der engsten Stelle des Doppelkonus, welches eine Funktion des Oeffnungs- winkels als auch der Länge jedes Hohlkegelstumpfs ist, liegt innerhalb der Grenzen von 1 : 1 bis 1 : 200.
    [0025] Damit die bei der Durchströmung des Doppelkonus erzeugte Druckdifferenz nutzbar gemacht werden kann, benötigt man an dessen engster Stelle eine Oeffnung, durch welche der an dieser Stelle herrschende Unterdruck nach aussen wirksam werden kann. Als solche eignet sich z.B. eine kreisrunde Oeffnung mit einem radial gerichteten Anschlussstutzen. Eine solche Anordnung besitzt jedoch den Nachteil einer gewissen Asymmetrie, welche sich insbesondere dann ungünstig auswirkt, wenn durch die seitliche Oeffnung eine stärkere Strömung in den axialen Hauptstrom gelangt.
    [0026] Für die praktische Anwendung wurde deshalb eine spezielle Ausführungsform entwickelt, die sich für die tech- nische Anwendung als günstig erwiesen hat.Sie ermöglicht insbesondere, einen an der engsten Stelle eintretenden Neben¬ strom symmetrisch auf den axialen Strömungsquerschnitt zu verteilen. Bei dieser Ausführungsform (Fig. 5) sind die beiden Hohlkegelstümpfe an der engsten Stelle voneinander getrennt, so dass sich die beiden kleineren Grundflächen in einem Abstand h gegenüberstehen. Gleichzeitig sind die beiden Hohlkegelstümpfe koaxial durch ein zylindrisches Rohrstück verbunden, welches die offene Lücke umschliesst und die beiden Teilstücke mechanisch zusammenhält. Das zylindrische Verbindungsrohr trägt an seiner Mantelfläche einen oder mehrere radial gerichtete Anschlussstutzen. Wenn der kleinste Durchmesser der beiden Hohlkegelstümpfe mit d bezeichnet wird, ergeben sich für die übrigen Abmessungen im Bereich der Kegeldüse etwa die folgenden günstigsten Werte:
    [0027] Abstand zwischen den Kegelstumpfflächen: h = 0,001...20 d • Innendurchmesser des Hohlzylinders: T= 1....100 d Innendurchmesser des Anschlussstutzens: S= 0,001...10 d Es hat sich weiterhin gezeigt, dass die Leistung des erfindungsgemässen Doppelkonus durch eine abgeänderte Ausführungsform noch weiter gesteigert werden kann (Fig.5a): Bei dieser Variante wird der Doppelkegel asymmetrisch geteilt, indem der gesamte Abstand h durch einseitiges Beschneiden des Austrittskegelstumpfs gewonnen wird. In Bezug auf die Symme¬ trieebene des verbindenden Hohlzylinder wird dabei die kleinere Grundfläche des Eintrittskegels um die Strecke h/2 in Gegenstromrichtung verschoben; der kleinste Durchmesser d, des Eintrittskegels behält seinen ursprüngliche Grosse d, während derjenige des Austrittskegels um den Betrag
    [0028] (D2 _ d) h . ———- sich vergrössert, wobei D2 den grössten Durchmesser und 2 die Länge des austrittsseitigen Kegelstumpfs bedeuten. Das Wesen der Erfindung und ihre möglichen techni¬ schen Anwendungen werden durch die beigefügten Figuren 1 bis 18 erläutert, ohne dass jedoch damit ihr Umfang in irgend¬ welcher Weise eingeschränkt werden soll.
    [0029] Fig. 1: Die herkömmliche Form des Venturirohrs im Längs¬ schnitt. Das fliessende Medium strömt durch den Eintrittskonus (1) über die engste Stelle (3) zum Austrittskonus (2). Der geringste Druck herrscht an der Verengung ( 3) .
    [0030] Fig. 2: Die herkömmliche Form der Wasserstrahlpumpe als Anwendung des Venturirohrs. Wasser strömt durch die Düse (4) gegen das Venturirohr (5). Durch den Unterdruck wird Luft oder ein anderes fliessbares Medium an der Stelle (6) eingesogen.
    [0031] Fig. 3: Normierte Form des Venturirohrs gemäss Normblatt ISO 15 (1983). Das Medium fliesst vom zylindri¬ schen Eintrittsrohr (7) zum Eintrittskegel (8), dessen Kegelwinkel ca 21° beträgt. Das zylindrische Düsenstück (9), dessen Länge gleich dem Durchmesser ist, ist, wie auch das Eintrittsrohr (7) mit seit¬ lichen Oeffnungen (11) versehen. Durch das konische Austrittsrohr (10) mit einem Oeffnungswinkel zwi¬ schen 7,5 und 15° wird das fliessende Medium weitergeleitet.
    [0032] Fig. 4: Der erfindungsgemässe Doppelkonus in seiner ein¬ fachsten Grundform mit dem Ξintrittskegel (12) und dem Austrittskegel (13). Der tiefste Druck herrscht an der Verengung (14). Fig. 5: Eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Doppel¬ konus gemäss Anspruch g im Längsschnitt. Der Ein¬ trittskonus (15) besitzt die Länge L , den grössten Durchmesser D- und den Oeffnungswinkel Θ, ; der Aus¬ trittskonus (16) besitzt die Länge L„, den grössten Durchmesser D und den Oeffnungswinkel Θ2 ;die klei¬ neren Grundflächen der beiden Kegelstümpfe, beide mit dem gleichen Durchmesser d sind im zylindri¬ schen Verbindungsrohr (17) im Abstand h angeordnet. Das zylindrische Rohr (17) mit dem inneren Durch- messer T ist mit einem seitlichen Anschlussstutzen (18) mit dem Innendurchmesser S versehen.
    [0033] Fig. 5a: Eine verbesserte Ausführungsform des erfindungs¬ gemässen Doppelkonus gemäss AnspruchlO: Die Anord¬ nung der beiden Hohlkegelstümpfe ist ähnlich wie in Fig. 5; der ursprüngliche Schnittkreis (15b) der beiden Kegel ist jedoch um die Strecke h/2 in Gegenstromrichtung verschoben, und der Austritts¬ kegelstumpf (16a) um die Länge h verkürzt. Der
    [0034] (15a)
    [0035] Eintrittskegelstumpf behält damit seinen ursprüng¬ lichen kleinsten Durchmesser d = d; derjenige des
    [0036] Austrittskegelstumpfs (16a) ist etwas grösser und
    [0037] (D2-d) betragt d„ = d + h.-r—— r-r • -; (L2+h)
    [0038] Die Figuren 6 bis 18 illustrieren eine Anzahl von technischen Anwendungen des erfindungsgemässen Doppelkonus. Wo nicht ausdrücklich anders vermerkt, liegt der gezeigten Anwendung die Ausführungsform gemäss einer der Figuren 5 oder 5a zugrunde. Wegen der Einfachheit der Ausführung verwendet man in vielen Fällen eine symmetrische Form, d.h. einen Doppelkonus mit gleicher Länge und gleichem Oeffnungs- winkel des Ein- bezw. Austrittskonus. Die Auswahl der gezeig¬ ten Anwendungen ist keineswegs erschöpfend; weitere Möglich¬ keiten lassen sich aus den gezeigten Beispielen ohne weiteres ableiten.
    [0039] Fig. 6: Die Verwendung des erfindungsgemässen Doppelkonus ' als Wasserstrahlpumpe. Die Anwendung ist derjenigen der gebräuchlichen Wasserstrahlpumpe analog, besitzt jedoch die angegebenen Vorteile der Erfindung. Der Doppelkonus (19) wird von einem Wasserstrahl (20) in Pfeilrichtung durchflössen. Durch den er- zeugten Unterdruck wird über die Leitung (.21) das geschlossene Gefäss (22) evakuiert. Die ausgepumpte Luft entweicht mit dem Wasser am Ausgang des Doppel¬ konus .
    [0040] Die nachfolgende Tabelle 2 illustriert die Leistung des erfindungsgemässen Doppelkonus im Vergleich zu einer konventionellen Wasserstrahlpumpe: Tabelle 2: Leistungsvergleich zwischen erfindungsgemässem
    [0041] Doppelkonus und konventioneller Wasserstrahlpumpe,
    [0042]
    [0043] *) Wasserverbrauch a am Anfang, b am Ende der Evakuierung
    [0044] Abmessungen des Doppelkonus: Symmetrisch, Oeffnungswinkel 6°
    [0045] Länge 2 mal 70 mm Düsenöffnung d = 2 mm
    [0046] Wasserstrahlpumpe: Düsenöffnung 2mm Bei vergleichbaren Abmessungen der beiden Vorrichtungen er¬ reicht also der Doppelkonus ein wesentlich besseres Vakuum bei 25 - 35 % geringerem Wasserverbrauch. Zudem ist in der Tabelle nur das nach 10 min erreichte Vakuum notiert. Tat- sächlich erreicht man jedoch nach genügend langer Zeit mit dem Doppelkonus bei einem Wasserdruck von nur 200 mb ein Vakuum von -720 mb, während unter gleichen Verhältnissen mit der konventionellen Wasserstrahlpumpe nur -60 mb erreicht werden. Fig. 7: Die Verwendung des erfindungsgemässen Doppelkonus als Druckpumpe. Mittels der Turbine (23) wird Was¬ ser im Kreislauf durch den Doppelkonus (24) und den geschlossenen Druckkessel (25) gepumpt. Am seitlichen Stutzen des Doppelkonus wird durch den erzeugten Unterdruck Luft angesaugt, die sich im obern Teil des Druckkessels sammelt. Ein Vergleich mit der konventionellen Wasserstrahlpumpe zeigt auch hier wieder die Ueberlegenheit der erfindungsgemässen Vorrichtung. Bei gleichen Abmessungen wie sie im vorhergehen- den Beispiel verwendet wurden, erhielt man, bei einem Wasser¬ druck von 1000 mb am Eingang der Pumpvorrichtung, einen
    [0047] TZBLATT Enddruck im Druckkessel von höchstens 1000 mb mit der Wasser¬ strahlpumpe, während mit dem erfindungsgemässen Doppelkonus über 5000 mb erreicht wurden, d.h. also ein vielfaches des von der Zirkulationspumpe erzeugten Drucks. Fig.8: Gleichzeitige Verwendung eines Doppelkonus als
    [0048] Vakuum- und Druckpumpe in einem einzigen Kreislauf. Mittels der Turbine (26) wird Wasser im Kreislauf durch den Doppelkonus (27) und den Druckkessel (29) geführt. Am seitlichen Stutzen des Doppelkonus ist das zu evakuierende Gefäss (28) angeschlossen. Wie bei den vorangehenden Beispielen gemäss Fig. 6 und 7 erhält man mit dem Doppelkonus unter sonst gleichen Ver¬ hältnissen sowohl im Vakuumgefäss als auch im Druckkessel eine mehrfach bessere Leistung als mit einer konventio- nellen Wasserstrahlpumpe.
    [0049] Fig. 9: Transfer eines Gases aus einem Gefäss mit nie¬ drigem Druck in ein zweites Gefäss mit erhöhtem und konstant gehaltenem Druck mit Hilfe einer Zirkulationspumpe von verhältnismässig geringer Leistung.
    [0050] Mit Hilfe der Zirkulationspumpe (30) wird das Gas in geschlossenem Kreislauf durch den Doppelkonus (31) und das Druckgefäss (33) wieder zur Pumpe (30) zurückgeführt. Aus dem unter geringem Druck stehen- den Gefäss (32) wird Gas in den Kreislauf eingesaugt bis das Druckgleichgewicht erreicht ist. Aus dem Gefäss (33) welches mit einem Pressostaten (P) ver¬ sehen ist, kann nach Bedarf Gas unter höherem Druck abgezogen und einer geeigneten Verwendung zugefürt werden, wobei die abgezogene Gasmenge automatisch aus dem Niederdruckgefäss wiederum in den Kreislauf nachgefüllt wird. Die Vorrichtung eignet sich z.B. zum Abfüllen von Edelgas oder andern gasförmigen Medien in Vorratsgefässe unter Verwen- düng einer Zirkulationspumpe von nur schwacher Leistung. Ei2____:-_i Die Belüftung eines fliessenden Gewässers mit Hilfe des erfindungsgemässen Doppelkonus. In das flies¬ sende Gewässer (34) wird ein Doppelkonus (35) bis in eine vorgegebene Tiefe eingetaucht. Der den Doppelkonus durchfliessende Wasserstrom erzeugt an dessen engster Stelle einen Unterdruck, wodurch von der Oberfläche her Luft (36) eingesaugt und in Form feiner Blasen im Gewässer verteilt wird. Die gezeigte Vorrichtung ist für die Belüftung von Gewässern besonders deshalb geeignet, weil mit dem Doppelkonus schon bei massiger Fliessgeschwindigkeit des Wassers ein relativ starker Unterdruck erzeugt wird .. Die besonderen Eigen¬ schaften des Doppelkonus bewirken zudem, dass beim Eintau¬ chen in grössere Tiefe der Fliesswiderstand geringer und die Saugleistung erhöht werden. Die Vorrichtung eignet sich aus diesem Grund besonders für die Belüftung auch der tiefe¬ ren Zonen des Gewässers.
    [0051] Fig. 11: Die Verwendung des Doppelkonus für die Belüftung eines stehenden Gewässers. In dem stehenden Ge- wässer (37) befindet sich in einer gewissen Tiefe die von der Stromquelle (38) gespiesene Turbine (39), die in Richtung gegen den in gleicher Tiefe montierten Doppelkonus (40) eine Wasserströmung erzeugt. Durch den im Doppelkonus erzeugten Unter- druck wird Luft aus der Umgebung angesaugt und am Ausgang des Doppelkonus innerhalb des umgebenden Wassers fein verteilt.
    [0052] Fig_i_12^ Drei weitere Methoden für die Belüftung eines ste¬ henden Gewässers mit Hilfe des Doppelkonus.. Bei A sind zwei Doppelkonen (41), die in der Figur im Querschnitt dargestellt sind, an einem rotieren¬ den hohlen Schaft befestigt. Die durch die Rotation erzeugte Strömung in der Längsachse des Doppel¬ konus wird dazu benützt, Luft durch den hohlen Schaft anzusaugen und im umgebenden Wasser zu verteilen. Bei B ist ein Doppelkonus (42) dargestellt, der mit Hilfe des hohlen Schaftes in vertikaler Richtung alternierend nach oben und unten bewegt wird.Dadurch entsteht eine vertikale Strömung innerhalb des Doppel¬ konus, die dazu benützt wird, Luft durch den hohlen Schaft anzusaugen und im Wasser zu verteilen. Bei C wird schliesslich der an einem hohlen Schaft montierte Doppelkonus (43) horizontal in Richtung der Achse des Konus hin- und herbewegt. Im Doppel¬ konus entsteht dadurch eine Längsströmung, die zum Ansaugen von Luft und deren Verteilung im Gewässer (44) benützt wird.
    [0053] ERSATZBLATT üi_--_ i i- Verwendung eines Doppelkonus als Vorrichtung zur Erzeugung eines Aerosols durch Zerstäubung ei¬ ner Flüssigkeit in einem Gasstrom. Im Doppelkonus (45) wird mit Hilfe eines Luftstroms (46) ein Unter- druck erzeugt, wodurch eine Flüssigkeit (47) durch den seitlichen Stutzen eingesaugt, im Austrittskegel fein zerteilt wird, und als Aerosol (48) mit dem Luftstrom aus dem Doppelkonus entweicht.
    [0054] Fig_1_14_ Verstärkung der in einem Doppelkonus erzeugten Druckdifferenz in einer weiteren Stufe mit einem zweiten Doppelkonus. In einem fliessenden Gewässer (49) ist ein erster Doppelkonus (50) mit seiner Längsachse parallel zur Strömungsrichtung fest ange¬ ordnet. Der seitliche Stutzen (51) ist mit dem Austrittskegel eines zweiten Doppelkonus (52)von kleineren Abmessungen verbunden. Dadurch wird der im Stutzen (51) primär erzeugte Unterdruck noch einmal verstärkt. Durch die Saugleitung (53) wird der verstärkte Unterdruck zum Hochpumpen von Wasser in das Gefäss (54) verwendet.
    [0055] Bei einem praktischen Versuch wurde in einem Fluss, dessen Fliessgeschwindigkeit mit 2 m/sec gemessen wurde, ein erster Doppelkonus (50) mit einer Länge von 3 m und einem Durchmes¬ ser an der engsten Stelle von 90 mm unterhalb des Wasser- niveaus fest montiert und am seitlichen Stutzen mit einem zweiten Doppelkonus (52) verbunden, dessen Länge 170 mm und dessen kleinster Durchmesser 5 mm betrugen. Der Oeffnungs¬ winkel war für beide Doppelkonen beidseitig 6°. Am ersten Saugstutzen (51) wurde ein Unterdruck von -140 cm Wasser- säule, am zweiten Saugstutzen (53) ein solcher von -600 cm Wassersäule gemessen, womit pro Stunde 25 Liter Wasser in das Gefäss (54) hochgepumpt werden konnten. Im Vergleich zum erzeugten Unterdruck von -600 cm beträgt der dynamische Staudruck des fliessenden Wassers bei der angegebenen Geschwindigkeit nur 20 cm Wassersäule.
    [0056] ERSATZBLATT Fig. 15: Die Anwendung des erfindungsgemässen Doppelkonus in einer Anlage zum Entsalzen von Meerwasser durch umgekehrte Osmose.
    [0057] Mit Hilfe der Turbine (56) wird Meerwasser im Kreis- lauf durch den Doppelkonus (55), den Druckkessel (60) und die beiden Molekularfilter (58) gepumpt. Die Leistung der Turbine wird so bemessen, dass der Druck im Kessel (60) mindestens 55 bar beträgt. Unter dem herrschenden Druck wird ein Teil des Meer- wassers durch das Molekularfilter gepresst,wobei das Salz zum grössten Teil zurückgehalten wird und sich dabei im Kreislauf anreichert. Das entsalzte Wasser kann beim Auslauf (59) abgezogen werden; durch den Stutzen (57) wird automatisch die im Kreislauf ver- lorene Flüssigkeit durch frisches Meerwasser ersetzt. Durch das Ventil. (61) kann die angereicherte Salz¬ lösung kontinuierlich oder nach Bedarf periodisch abgezogen werden, wodurch automatisch wiederum frisches Meerwass durch den Stutzen (57) in den Kreislauf eintritt, bis das Druckgleichgewicht wie¬ der hergestellt ist. Als Molekularfilter verwendet man z.B. die mit Aramid-Hohl- fasern bestückten PERMASEP 'B-10 - Permeatoren der Firma DuPont de Nemours, Wilmington U.S.A., mit denen unter dem angegebenen Druck Meerwasser mit einem totalen Salzgehalt von 42'000 ppm in einem Durchgang zu 98,5 % entsalzt werden kann.
    [0058] Fig,_16^ Die schematische Zeichnung einer Anlage zur Gewin¬ nung von Energie aus einem fliessenden Gewässer. Im fliessenden Gewässer (62) ist eine Anzahl von
    [0059] Doppelkonen (63) gemäss der vorliegenden Erfindung von denen in der Figur vier dargestellt sind, mit ihrer Längsachse parallel zur Fliessrichtung des Wassers fest montiert. Der seitliche Saugstutzen jedes Doppelkonus ist mit der Leitung .(64) verbun¬ den. Durch die Leitung (65) wird Wasser aus dem Fluss entnommen und durch die Turbine (66) der Saug¬ leitung (64) zugeführt, von wo es durch die Batterie von Doppelkonen wieder ins Gewässer zurückgeführt wird. Durch die Wasserzirkulation wird die Turbine (66) angetrieben; die Energie wird zum Antrieb des
    [0060] Generators (67) verwendet und als Strom durch die angedeutete Leitung weggeführt. Der erfindungsgemässe Doppelkonus dient in diesem Beispiel dazu, die Energie eines langsam fliessenden Gewässers in eine technisch verwertbare Form überzuführen. Dies ist unter nor¬ malen Verhältnissen nur durch einen grossen technischen Auf¬ wand, z.B. den Bau einer Staumauer zu verwirklichen. Abge¬ sehen von hohen Kosten ist die landschaftliche Veränderung, die mit einem solchen Projekt verbunden ist, meist uner- wünscht. Wie in den Beispielen Fig. 6, 7, 8 und 14 gezeigt worden ist, ermöglicht der Doppelkonus fden geringen dynami¬ schen Druck eines langsam fliessenden Gewässers mehrfach zu übersetzen. Damit kann eine Turbine üblicher Bauart mit brauchbarer Energieausbeute betrieben werden. Versuche haben gezeigt, dass in einem Fluss mit einer durchschnittlichen Fliessgeschwindigkeit von 2 m/sec schon ein kleiner Doppel¬ konus mit einem engsten Durchlass von 9 cm und einem beid- seitigen Oeffnungswinkel von 6° eine Energieausnützung von 57 % ermöglicht. Mit Doppelkonen von grösseren Dimensi- onen sind noch höhere Ausnützungsquoten zu erreichen. Der bauliche Aufwand für eine Anlage, wie sie in der Fig. 16 dargestellt ist, liegt im Vergleich zu üblichen Stauwerken sehr tief. Insbesondere eignet sich der erfindungsgemässe Doppelkonus zur Ausnützung eines beliebig kleinen Bruchteils der in einem Fluss zur Verfügung stehenden Gesamtenergie. Nachträgliche Erweiterungen bei wachsendem Energiebedarf durch Hinzufügen weiterer Einheiten ist dabei ohne grossen konstruktiven Aufwand jederzeit möglich.
    [0061] Fig._17: Verwendung des erfindungsgemässen Doppelkonus als Vorrichtung zur selbsttätigen Steuerung einer Anlage, bei welcher eine Wasserturbine gleichzeitig von meh- reren auf verschiedenem Niveau liegenden Staubecken gespiesen wird.
    [0062] Die drei Staubecken (68), (69) und (70), die auf verschiedener Höhe liegen, sind durch die Leitungen (71) ezw. (72) und (73) mit der Haupt-Speiseleitung der Turbine (79) verbunden. Zur Steuerung des Ab¬ laufs der drei Becken dienen die Doppelkonen (74) und (75). Die Leitung (73) des höchstgelegenen Beckens (70) mündet in die Längsachse des Doppel- konus (74), diejenige des nächsttieferen Beckens
    [0063] (69) in dessen seitlichen Saugstutzen. Ein weiterer Doppelkonus (75) ist analog beim Einlauf (71) des Beckens (68) angeordnet. Die regelnde Wirkung der beiden Doppelkonen beruht darauf, dass die Wasser- Strömung in deren Längsachse zunächst eine Saug¬ wirkung auf den seitlichen Ξinlauf ausübt, wodurch der Druckunterschied kompensiert wird, so dass Wasser aus dem unter geringerem Druck stehenden System in die Hauptleitung gelangen kann. Ander- seits wird jedoch auch durch den seitlichen Zustrom im Doppelkonus die axiale Strömung gebremst. Die Folge davon ist ein automatisches Einpendeln auf eine bestimmte Proportion der Strömungen in den beiden Leitungen (72) und (73) am Konus (74) und in analoger Weise auch in den beiden Leitungen am
    [0064] Doppelkonus (75). (80) veranschaulicht den durch die Turbine angetriebenen Generator; (81) ist das Unterwasserbecken, in welches das gesamte Wasser nach Abgabe seiner Energie schliesslich ab- fliesst. Damit bei Stillegung der Turbine das Wasser aus den höhergelegenen Becken (70) und (69) nicht ins tiefer gelegene Becken (68) abfliesst, sind die beiden Rückschlagventile (77) und (78) in die Leitungen (71) bezw. (72) eingebaut.
    [0065] Fig. 18: Die schon im vorigen Beispiel Fig. 17 erwähnte Möglichkeit, den erfindungsgemässen Doppelkonus als Steuer¬ element zu benützen, ist in dieser Figur noch einmal auf andere Weise veranschaulicht: Durch die Längsachse des Doppelkonus (84) fliesst ein Flüssigkeitsstrom (82) zum Ausgang (83). In den seitlichen Stutzen des Doppelkonus kann ein durch ein in der Figur nicht gezeigtes Ventil ge- steuerter Nebenstrom (86) der gleichen Flüssigkeit zugeleitet werden. Dabei bewirkt, infolge der be¬ sonderen hydrodynamischen Eigenschaften des Doppel¬ konus, schon ein geringfügiger Nebenstrom eine un- verhältnismässige Bremsung des Hauptstroms (82). D.h. jede Steuerung des Nebenstroms bewirkt eine verstärkte Steuerung des Hauptstroms im entgegen¬ gesetzten Sinn. In der Figur 18 bedeuten die beiden Vorrichtungen (85) und (87) Strömungsmesser; durch ihre unterschiedliche Grosse ist der Unterschied der Strömungsintensitäten im Haupt- und Nebenstrom angedeutet. Das Beispiel lässt sich selbstverständ¬ lich auch auf die Steuerung eines Gasstroms anwenden.
    [0066] ERSATZBLATT
    权利要求:
    Claims - 13Patentansprüche
    1. Verfahren zum Erzeugen und Nutzbarmachen einer Druckdif¬ ferenz, dadurch gekennzeichnet, dass man einen aus zwei mit den kleineren Grundflächen koaxial gegeneinander angeordneten
    5 Hohlkegelstümpfen bestehenden Doppelkonus, dessen beidseitige Oeffnungswinkel die Bedingung
    F = ( 1 + sin θj)2. sin2θ2 < o,11 erfüllen, von einem fliessbaren Medium durchströmen lässt,und den an der engsten Stelle des Doppelkonus entstehenden Unter- 10 druck durch eine seitliche Anzapfung nutzbar macht, wobei θ. den Oeffnungswinkel des Ξintrittskonus und θ2 den Oeffnugswinkel des Austrittskonus bedeuten.
    2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 15 man einen symmetrischen, aus zwei gleichen, gegeneinander ge¬ richteten Hohkegelstümpfen bestehenden Doppelkonus verwendet.
    3. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das fliessbare Medium mittels einer Förder¬ einrichtung axial durch den ruhenden Doppelkonus bewegt wird.
    204. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den von einem fliessbaren Medium allseitig umgebenen Doppelkonus relativ zu diesem Medium in Richtung seiner Längsachse entweder gleichförmig oder alter¬ nierend in zwei Gegenrichtungen bewegt.
    255. Verfahren gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man den Doppelkonus innerhalb des fliessbaren Mediums in einer Kreisbahn bewegt, derart, dass deren Tangente im wesentlichen stets parallel zur Längsachse des Doppelkonus gerichtet bleibt.
    6. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge- 30 kennzeichnet, dass man den Doppelkonus in einem fliessenden Me¬ dium derart anordnet, dass seine Längsachse im wesentlichen pa¬ rallel zur Fliessrichtung des Mediums gerichtet ist, wobei er allseits vom Medium umflossen und gleichzeitig durchflössen wird.
    7. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das fliessbare Medium eine Flüssigkeit ist.
    8. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das fliessbare Medium ein Gas ist.
    9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, bestehend aus zwei koaxial gegenein¬ ander gerichteten Hohlkegelstümpfen, die durch einen an sei¬ ner Mantelfläche einen radial gerichteten Anschlussstutzen tragenden koaxialen Hohlzylinder derart verbunden sind, dass die beiden kleineren Hohlkegelstumpfflächen mit dem Durch¬ messer d sich in geringem Abstand h gegenüberliegen, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Abstand h zwischen den beiden kleineren Kegelstumpfflächen zwischen 0,001 und 20 d, der innere Durchmesser T des Hohlzylinders zwischen 1 und 100 d, und der innere Durchmesser S des Anschlusss'tutzens zwischen 0,001 und 10 d betragen (Fig.5).
    10. Vorrichtung gemäss Anspruch 9 zur Durchführung des Ver¬ fahrens gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Doppelkonus aus zwei Hohlkegelstümpfen mit je einem Oeffnungswinkel zwischen 1 und 15 Winkelgraden und einem Verhältnis zwischen kleinstem und grösstem Durch¬ messer zwischen 1 : 1 und 1 : 200 derart zusammengesetzt ist, dass der gedachte Schnittkreis der beiden Hohkegelstümpfe mit dem Durchmesser d in Gegenstromrichtung axial um die
    Strecke h/2 verschoben, und das kleinere Ende des austritts- seitigen Hohkegelstümpfs um die Länge h verkürzt sind, so dass nunmehr der innerhalb des verbindenden Hohlzylinders gelegene freie Abstand zwischen den beiden kleineren Kegel- stumpfflächen h, der kleinere Durchmesser des eintritts- se nige des austritts- se betragen, wobei
    D2 en gr ssten Durchmesser und die Länge des austritts- seitigen Hohlkegelstumpfs bedeuten (Fig. 5a)
    ERSATZBLATT
    11. Verwendung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1, 2, 3, 7 und 8 zum Abpumpen eines fliessbaren Mediums aus einem offenen oder geschlossenen System, dadurch gekennzeich- net, dass man mittels des in einem durchströmten Doppel¬ konus erzeugten Unterdrucks dieses Medium in die seitliche Anzapfung einsaugt und mit dem im Doppelkonus axial flies- 'senden Medium weiterbefördert (Fig. 6)
    12. Verwendung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1, 2, 3, 7 und 8 zur Erzeugung von Ueberdruck in einem geschlos¬ senen System, dadurch gekennzeichnet, dass man ein fliess- bares Medium in einem geschlossenen Kreislauf nacheinander durch einen Doppelkonus, ein Druckgefäss und wieder zurück zur Pumpe fördert, wobei durch den im Doppelkonus erzeugten Unterdruck weiteres fliessbares Medium in den Kreislauf ein¬ gesaugt, und dadurch die Menge des zirkulierenden Mediums vermehrt wird (Fig. 7, 8 und 9)
    13. Verwendung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche l, 2. 3 und 7 2ur Belüftung eines stehenden Gewässers, dadurch gekennzeichnet, dass man durch einen in das stehende Gewässer eingetauchten Doppelkonus mittels einer Pumpe Wasser fördert, und mit Hilfe des im Doppelkonus erzeugten Unterdrucks Luft in die seitliche Anzapfung einsaugt, wobei diese Luft mit der Strömung fein verteilt und mit dem axialen Wasserstrom i das Gewässer ausgetragen wird (Fig. 11).
    14. Verwendung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1,2, 4 und 5 zur Belüftung eines stehenden Gewässers, dadurch gekennzeichnet, dass man einen in das Gewässer eingetauchten beidseits offenen Doppelkonus in Richtung seiner Längsachse relativ zum Gewässer gleichförmig oder alternierend bewegt und den im Doppelkonus erzeugten Unterdruck zum Ansaugen und Verteilen von Luft in den axialen Wasserstrom benützt (Fig.12)
    15. Verwendung des Verfahrens gemäss Anspruch 6 zum Belüften eines fliessenden Gewässers, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Doppelkonus mit seiner Längsachse parallel zur Fliess¬ richtung des Gewässers ortsfest in dieses Gewässer eintaucht wobei durch den infolge der Strömung im Doppelkonus erzeugten Unterdruck Luft aus der Umgebung angesaugt, durch die Strö¬ mung fein verteilt und in das fliessende Gewässer ausgetragen wird (Fig.10) .
    16. Verwendung des Verfahrens gemäss den Ansprüchen 3 und 8 zur Umwandlung einer Flüssigkeit in ein fein verteiltes Aero¬ sol, dadurch gekennzeichnet, dass man in einen von einem Gas durchströmten Doppelkonus mittels des resultierenden Unter¬ drucks durch den seitlichen Anschlussstutzen eine Flüssigkeit einsaugt, wobei diese Flüssigkeit durch die Gasströmung fein verteilt wird und den Doppelkonus in Form eines Aerosols verlässt (Fig. 13)
    17. Verwendung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche
    1 bis 8 zur Erzeugung einer erhöhten Druckdifferenz in zwei oder mehr Stufen, dadurch gekennzeichnet, dass man die seit¬ liche Anzapfung eines ersten von einem fliessbaren Medium" durchströmten Doppelkonus mit der axialen Austrittsöffnung eines zweiten, vom gleichen Medium durchströmten Doppelkonus verbindet, wodurch zwischen der Eintrittsöffnung des ersten und der seitlichen Anzapfung des zweiten Doppelkonus eine erhöhte Druckdifferenz entsteht, die gegebenenfalls durch Hinzufügung weiterer Stufen der gleichen Art noch weiter erhöht werden kann (Fig.14)
    18. Verwendung des Verfahrens gemäss den Ansprüchen 6 und 7 zur Gewinnung von verwertbarer Energie aus einem fliessen¬ den Gewässer, dadurch gekennzeichnet, dass man den in einem ortsfest und mit seiner Längsachse parallel zur Fliessrich¬ tung in das Gewässer eingetauchten Doppelkonus erzeugten Unterdruck zum Ansaugen und Fördern von Flusswasser durch eine Turbine benützt, wobei gegebenenf lls mehrere parallel auf die gleiche Turbine wirkende Doppelkonen zusammen¬ geschaltet werden können (Fig.16)
    19. Verwendung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1, 2, 3 und 7 zur Entsalzung von Meerwasser, dadurch gekenn- zeichnet, dass man in einem geschlossenen Kreislauf welcher durch eine Zweigleitung mit der Druckseite eines Molekularfilters verbunden ist, Meerwasser mittels einer Förderpumpe nacheinander durch einen 'Doppelkonus, einen Druckkessel und wieder zurück zur Pumpe fördert, dabei das auf der Niederdruckseite des Molekularfilters austretende ' entsalzte Wasser kontinuierlich abzieht und das im geschlos¬ senen Kreislauf sich ansammelnde, mit Salz angereicherte Wasser periodisch oder kontinuierlich aus dem Kreislauf ent¬ fernt, wobei durch den seitlichen Stutzen des Doppelkonus frisches Meerwasser in den Kreislauf eingesaugt, und damit das Druckgleichgewicht stetig aufrechterhalten wird. (Fig.15)
    20. Verwendung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1, 2, 3 und 7 zur automatischen Regulierung des Wasserabflusses aus mehreren auf verschiedenem Niveau gelegenen Sammelbecken in eine gemeinsame, zu einem Verbraucher führende" Zulauf- leitung, dadurch gekennzeichnet, dass an der Einmündung jedes Zulaufs aus einem Sammelbecken ein Doppelkonus axial in die gemeinsame Zulaufleitung eingebaut ist, und dass die Zuleit¬ ungen aus den Sammelbecken an den seitlichen Anschlussstutzen des entsprechenden Doppelkonus angeschlossen sind, wobei sich an jeder Einmündung ein Gleichgewicht zwischen dem axial fliessenden Hauptstrom und dem seitlich einfliessenden Neben¬ strom aus dem Sammelbecken einstellt (Fig. 17).
    21. Verwendung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1, 2, 3, 7 und 8 zum Steuern der Strömungsintensität eines fliessenden Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass man dieses Medium axial durch einen Doppelkonus leitet und die Strömungs¬ intensität durch einen in die seitliche Anzapfung des Doppel¬ konus eingeleiteten Nebenstrom des gleichen Mediums steuert, wobei jede Veränderung des Nebenstroms eine verstärkte Ver¬ änderung des Hauptstroms mit umgekehrtem Vorzeichen bewirkt (Fig.18) .
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