Verfahren zur Erzielung des Luftwechsels in einem mittels Zellenrades durchgeführten Kreisprozess für thermische Maschinen, wie Gasturbinen, gasbetriebene Wärmepumpen und Kältemaschinen. Kreisprozesse von thermischen Maschinen, wie Gasturbinen, gasbetriebene Wärmepum pen und gasbetriebene Kältemaschinen, durch laufen bekanntlich die folgenden Zustands änderungen: I Kompression, II Wärmeaufnahme oder Wärmeabgabe bei konstantem Druck, III Expansion, IV Wärmeabgabe oder Wärmeaufnahme bei konstantem Druck.
Es sind Wege zur Verwirklichung obigen Kreisprozesses bekannt, bei welchen die Durchführung der oben genannten Zustands änderungen in einem Zellenrad erfolgt, des sen Zellen gleichbleibenden Inhalt haben. Die Kompression erfolgt durch Übenströ mungen von der Expansionsseite aus, und die Drucklage der Hochdruckseite wird durch einen kleinen Zusatzkompressor unterhalten.
Eine solche als Wärmepumpe arbeitende Maschine ist im Prinzip in den Fig. 1 und 2 und mit abgewickeltem Zellenrad in. Fig. 3 gezeigt, und es bedeuten: 1 das Zellenrad, dem Umfang nach abgewickelt, so dass die vier Phasen I-IV sichtbar sind, 2,2' Ventilatoren für Luftwechsel II und IV, 3 einen Wärmeaustauschapparat, 4 einen Zusatzkompressor bezw. eine Luftentnahmestelle, 5-8 Leitungsanschlüsse für Luftwechsel, 9 Überströmleitungen.
Während den Phasen 1I und IV muss .die Luft im Zellenrad 1 gewechselt werden, zwecks Wärmeaufnahme bezw. Wärmeab gabe. Fig. 4 zeigt den Ausschnitt einer solchen Spülphase, wobei .die<B>Spül.-mg</B> sich über einen Winkel a erstreckt, während sieh das Zellenrad mit der Umfangsgeschwindig keit 2c bewegt. Die Luft muss sich bei einem einmaligen Luftwechsel bei diesem Vorgang von Punkt<I>A</I> bis zum Punkt<I>B</I> bewegen, und muss zu diesem Zweck durch einen Druck #p beschleunigt werden.
Sie tritt bei 5 ins Zellenrad ein und verlässt dasselbe bei 6, unter entsprechend angepassten Leitwinkeln. Die Luft bewegt sich also während des Spül vorganges in axialer Richtung um den Be trag L = Zellenradlänge und wird in der Umfangsrichtung vom Rad um den Winkel a weitergetragen. Bei konstantem Überdruck A p, also gleichmässiger Beschleunigung, nimmt die Geschwindigkeit w (Fig. geradlinig zu, bis auf einen Betrag wmax. Dieser Vorgang erfordert also eine gewisse Ventilatorarbeit.
Ausserdem ist er mit dem Nachteil verbunden, dass beim Verschwinden hinter die Kante B der so auf Wmax beschleu nigten Luft eine plötzliche Abstoppumg die- Ser Gesehwindigkeit wmax stattfindet, was einerseits Lärm verursacht und anderseits den Verlust der Geschwindigkeitsenergie zur Folge hat. Vorliegende Erfindung beseitigt diese Nachteile.
Nach der Erfindung wird durch Unter teilung des Luftwechsels in einen Beschleu- nigungs- und in einen Verzögerungsabsehnitt die Luft im Beschleunigungsabschnitt be schleunigt durch das Zellenrad bewegt, wäh rend sie im Verzögerungsabschnitt durch ihre im Beschleunigungsabsehnitt aufgenommene Geschwindigkeitsenergie weiterbewegt wird.
An Hand der Fig. G bis 10, von denen die Fig. 6, 8, 9, 10 beispielsweise Ausfüh rungen von Einrichtungen zur Ausübung des Verfahrens gemäss der Erfindung sche matisch zeigen, sei letztere näher veran schaulicht. Fig. 7 ist ein Diagramm für einen Grenzfall zum Beispiel der Fig. 6.
In Fig. 6 ist der Spiilwinkel a der Luft wechselphase II (bezw. IV) in zwei Teeile unterteilt, derart, dass während des ersten Teils ab die Luft wb beschleunigt wird, in dem der Ventilator 2 nur an diesen Sektor ab mittelst Leitung 6 angeschlossen ist und wobei die Luft gemäss dem punktierten Weg bis zum Punkt C vorgeschoben wird. Der restliche Teil der Spülphase mit dem Spül winkel av führt mit Kanal 6' am Ventilator vorbei und mündet also auf der Druckseite des Ventilators in den Luftweg ein.
Wäh rend dieses Verzögerungsabschnittes av wird also die Luft nur noch durch die im Be- ab aufgenommene Ge schwindigkeitsenergie vorwärts getrieben, so dass auch ohne direkte Mithilfe des Ventila tors 2 der Widerstand des Wärmeaustau- schers 3 überwunden werden kann. Natürlich erfolgt dieser Vorgang unter Geschwindig keitsabnahme wv und die Verhältnisse sind so zu wählen, dass die Luft im Punkt B wieder um die Zellenradlänge L vorwärts geschoben würde.
Mit dieser Massnahme ist also die Geschwindigkeitsenergie nutzbringend verwendet worden, so dass der Luftwechsel innerhalb des Zellenrades keinerlei Leistung erfordert, sofern die Geschwindigkeit wb wirklich auf den Wert Null verzögert wurde, was nicht immer mög@lich ist. Es hängt dies vom Verhältnis des Widerstandes im Wärmeaustauscher 3 und den Leitungen zu demjenigen des Zellenrades ab. Der Ventila tor 2 hat also lediglich die Reibungsverluste des Systems zu decken, sowie den äussern Widerstand des Wärmeaustauschers 3 zu überwinden. Die Energiegleichung lautet: I, = Beschleunigungsenergie - Verzöge rungsenergie + L3, wenn L3 den Leistungs- verbraucli für die Überwindung des Wider standes am Wärmeaustauscher 3 und den Leitungen bedeutet.
Bei kleinem Widerstand im Wärmeaus tauseher 3 ist es natürlich nicht möglich, die Luft auf wv = 0 zu verzögern; im Grenz fall mit dein Widerstand Null tritt über haupt keine Verzögerung ein und das Ge- schwindiglLeitsbild zeigt sich gemäss Fig.7,
wobei die strichpunktierte Linie den Ge- schwindigkeit.sverlauf ohne Rekupera.tion darstellt. Für ein bestimmtes zu wechselndes Luftgewicht mnss natürlich in bereden Fällen die mittlere Geschwindigkeit gleich gross sein.
Mit dieser 31assnahme wird bedeutend an Energie gespart und ausserdem erfolgt, wie schon gesea.gt, das Verschwinden der Zelle am Ende des Spiilvorganges bei verminder ter oder gänzlich auf Null gesunkener Axial- geschwindigkeit, was den Lärm auf ein Min destmass verringert.
Eine zweite Ausführungsform dieses Er firndungsgedankens ist in Fig. 8 gezeigt. Die Spülphase a ist in zwei hier beispielsweise gleiche Teile ab und a, geteilt mit den Rohr anschlüssen 6 und 6', wobei der Luftwechsel in gekreuztem Umlaufdurchgeführt ist, derart, dass der Austritt der Beschleuni gungsphase ab zum Eintritt der Verzöge rungsphase av und umgekehrt führt. Der im Beschleunigungsabschnitt ab vor dem Zellen rad in 6' nötige Druck stellt sich auch in der ganzen Leitung 6'-6' ein, also auch am Austritt 6' des Verzögerungsabschnittes, während umgekehrt der Druck im andern Kreislauf 6-6 um den Betrag niedriger liegt, als der Spülwiderstand des Zellenrades beträgt.
Der Ventilator 2 sorgt für den Um lauf und die Überwindung des äussern Wi- derstaudes im Wärmeaustauscher 3, während sich wiederum Beschleunigungsenergie und Verzögerungsenergie kompensieren. Beispiels weise herrschen im Beschleunigungsabschnitt ab vor dem Zellenrad 1 der Überdruck p = + 200 mm WS (= Wassersäule) und hinter demselben der Überdruck p = 0; diese Druckdifferenz besorgt also die Be schleunigung der Luft auf die Geschwindig keit wb.
Im Verzögerungsabschnitt av liegen die Drücke umgekehrt, d. li. vor dem Zellen rad der Überdruck Null und hinter dem selben 200 mm WS (= Wassersäule); in diesem Abschnitt wird somit die Luft ver zögert nach wv und es ist die Beschleuni gungsenergie vollständig zurückgewonnen.
Fig. 9 zeigt eine ähnliche Ausführungs form mit dem Unterschied, dass der Luft wechsel offen erfolgt, d. h. es tritt durch Ventilator 2 bei 6 Frischluft in den Verzöge rungsabschnitt av des Zellenrades ein, wäh rend die im Beschleunigungsabschnitt ab aus gestossene expandierte Luft das System bei 6 verlässt.
Bei den vorstehend erwähnten Beispielen wird die Luft im Beschleunigungsabschnitt noch mittels Ventilators durch das Zellen- rad bewegt, während sie im Verzögerungs abschnitt unter Umgehung des Ventilators durch ihre im Beschleunigungsabschnitt auf genommene Geschwindigkeitsenergie weiter bewegt wird. In weiterer Ausbildung des Er findungsgedankens stellt Fig. 10 eine wei tere Spülart dar, bei welcher keine besonde ren Ventilatoren gebraucht werden. Es wird dies dadurch möglich gemacht, dass auf der Hochdruckseite die Spülung II durch die Luft des Zusatzverdichters 4 (siehe Fig. 1, 3, 10) eingeleitet wird.
Diese Luft, welche zweckmässig erst über einen entsprechenden Abschnitt 3' des Wärmeaustauschers 3 ge leitet wird, tritt bei 5 in den Beschleuni gungsabschnitt ab der Spülphase II ein, wo sie, die Zellenluft beschleunigend, nach 6 ausstösst. Die so in axiale Bewegung ge brachte Lutft fliesst nun in bekannter Weise zufolge ihrer Trägheit während des Ver- zögeruneabschnittes av weiter durch den Ka nal 6' und kehrt über den Wärmeaustauscher 3 bei 5' in das Zellenrad 1 zurück. Wie bei den vorgenannten Lösungen wird also<I>auch</I> hier die für die Besehleunigung der Luft aufzuwendende Leistung im Verzögerungs abschnitt av wieder rückgewonnen.
Dabei übernimmt der Zusatzverdiehter 4 die Rolle ,des Spülventilators, wie er z. B. bei der An ordnung nach Fig. 6 nötig ist.
Während der Spülphase IV, welche sich gewöhnlich unter Atmosphärendruck so ab spielt, dass die im Zellenrad expandierte Luft durch atmosphärische ersetzt wird, kann der besondere Ventilator 2' der Fig. 3 ebenfalls in Wegfall kommen, wenn von dem Über druck<I>d p</I> Gebrauehgemacht wird, mit dem die Zellen in der Expansionsphase III an ,der Spülphase IV ankommen.
Es ist nämlich ohne weiteres aus Fig. 2 ersichtlich, dass die Zellen, welche während der Expansionsphase III an der Spülphase IV ankommen, sich über die tbervtrömleitungen -9 nach der Kompressionsphase I nur unvolletän@dig ent spannen können,
so dass also auf der Nieder- druckseite noch ein absoluter Restdruck wo + 4p übrig bleibt, wenn p. = Atmo- sphärendruck bedeutet.
Überbrückt man, nun , mittels Leitung 7a oder 7b, das Ende der Expansionsphase III zur Beschleunigungs phase ab, um den Winkel a7, so wird über den Beschleunigungswinkel ab die Zellenluft nach 8 beschleunigt abströmen und über den Verzögerungsabschnitt av dank der Trägheit verzögert von 7' nach 8' weiterfliessen. Es ist also auch hier der Ventilator 2' eingespart und die während der Beschleunigungsphase aufgewendete Arbeit ausgenützt worden.