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.
Process for achieving the air exchange in a cyclic process for thermal machines, such as gas turbines, gas-operated heat pumps and refrigeration machines, carried out by means of a cellular wheel. Cycle processes of thermal machines, such as gas turbines, gas-operated heat pumps and gas-operated refrigerating machines, are known to run through the following state changes: I compression, II heat absorption or heat release at constant pressure, III expansion, IV heat release or heat absorption at constant pressure.
There are known ways of realizing the above cyclic process in which the above-mentioned state changes are carried out in a cellular wheel, the cells of which have a constant content. The compression is carried out by overflows from the expansion side, and the pressure level on the high pressure side is maintained by a small additional compressor.
Such a machine working as a heat pump is shown in principle in FIGS. 1 and 2 and with an unwound cellular wheel in FIG. 3, and these mean: 1 the cellular wheel, circumferentially unwound, so that the four phases I-IV are visible , 2.2 'fans for air exchange II and IV, 3 a heat exchange apparatus, 4 an additional compressor respectively. one air extraction point, 5-8 line connections for air exchange, 9 overflow lines.
During phases 1I and IV, the air in the bucket wheel 1 must be changed for the purpose of heat absorption respectively. Heat dissipation. 4 shows the detail of such a rinsing phase, the rinsing mg extending over an angle α while the cell wheel is moving at the circumferential speed 2c. With a single air change during this process, the air must move from point <I> A </I> to point <I> B </I>, and must be accelerated for this purpose by pressing #p.
It enters the cellular wheel at 5 and leaves the same at 6, with appropriately adjusted guide angles. The air thus moves in the axial direction during the flushing process by the amount L = cellular wheel length and is carried on in the circumferential direction by the wheel by the angle a. With constant overpressure A p, i.e. constant acceleration, the speed w (Fig. Increases in a straight line, up to an amount wmax. This process therefore requires a certain amount of fan work.
In addition, it is associated with the disadvantage that when the air accelerated to Wmax disappears behind edge B, the speed wmax suddenly stops, which on the one hand causes noise and on the other hand results in the loss of speed energy. The present invention overcomes these disadvantages.
According to the invention, the air in the acceleration section is accelerated by the cell wheel by subdividing the air exchange into an acceleration section and a deceleration section, while it is moved further in the deceleration section by its speed energy absorbed in the acceleration section.
G to 10, of which FIGS. 6, 8, 9, 10, for example, Ausfüh ments of devices for performing the method according to the invention cal cally show, the latter is illustrated in more detail. FIG. 7 is a diagram for a borderline case, for example of FIG. 6.
In Fig. 6 the spiilwinkel a of the air exchange phase II (or IV) is divided into two parts, such that the air wb is accelerated during the first part ab, in which the fan 2 is only connected to this sector ab by means of line 6 and the air is advanced to point C according to the dotted path. The remaining part of the flushing phase with the flushing angle av leads past the fan with channel 6 'and thus opens into the airway on the pressure side of the fan.
During this deceleration section av, the air is only driven forward by the speed energy absorbed in the bob, so that the resistance of the heat exchanger 3 can be overcome even without the direct assistance of the fan 2. Of course, this process takes place with a decrease in speed wv and the conditions are to be selected in such a way that the air at point B would again be pushed forward by the cell wheel length L.
With this measure, the speed energy has been used profitably, so that the air exchange within the cellular wheel does not require any power, provided that the speed wb has really been decelerated to the value zero, which is not always possible. It depends on the ratio of the resistance in the heat exchanger 3 and the lines to that of the cellular wheel. The ventila tor 2 therefore only has to cover the friction losses of the system and the external resistance of the heat exchanger 3 to be overcome. The energy equation reads: I, = acceleration energy - deceleration energy + L3, if L3 means the power consumption for overcoming the resistance at the heat exchanger 3 and the lines.
With a small resistance in the heat exchanger 3 it is of course not possible to delay the air to wv = 0; In the limit case with zero resistance, there is no delay at all and the speed diagram is shown in Fig. 7,
where the dash-dotted line represents the speed curve without recuperation. For a certain air weight to be changed, the mean speed must of course be the same in every case.
This measure saves a great deal of energy and, as has already been seen, the cell disappears at the end of the flushing process with a reduced or completely reduced axial speed, which reduces the noise to a minimum.
A second embodiment of this idea of the invention is shown in FIG. The rinsing phase a is divided into two parts, for example the same here, ab and a, with the pipe connections 6 and 6 ', the air exchange being carried out in a crossed cycle, such that the exit of the acceleration phase ab leads to the entry of the deceleration phase av and vice versa . The pressure required in the acceleration section from in front of the cell wheel in 6 'is also established in the entire line 6'-6', i.e. also at the outlet 6 'of the delay section, while conversely the pressure in the other circuit 6-6 is lower by the amount lies than the flushing resistance of the bucket wheel.
The fan 2 ensures the circulation and overcoming the external obstacle in the heat exchanger 3, while acceleration energy and deceleration energy compensate each other. For example, in the acceleration section, the overpressure p = + 200 mm WS (= water column) prevails in front of the cell wheel 1 and the overpressure p = 0 behind it; this pressure difference is responsible for the acceleration of the air to the speed wb.
In the delay section av, the pressures are reversed; left in front of the cell wheel zero overpressure and behind the same 200 mm water column (= water column); In this section the air is thus delayed to wv and the acceleration energy is completely recovered.
Fig. 9 shows a similar embodiment form with the difference that the air change is open, d. H. it occurs through fan 2 at 6 fresh air in the delay section av of the cellular wheel, while the expanded air expelled in the acceleration section leaves the system at 6.
In the examples mentioned above, the air in the acceleration section is still moved through the cellular wheel by means of a fan, while it is moved further in the deceleration section, bypassing the fan, by its speed energy absorbed in the acceleration section. In a further embodiment of the concept of the He invention, Fig. 10 shows a white direct type of flushing, in which no special fans are needed. This is made possible by the fact that flushing II is initiated on the high pressure side by the air of the additional compressor 4 (see FIGS. 1, 3, 10).
This air, which is expediently only passed through a corresponding section 3 'of the heat exchanger 3, enters the acceleration section at 5 from the rinsing phase II, where it accelerates the cell air after 6. The air brought into axial movement in this way now flows in a known manner due to its inertia during the deceleration section av through the channel 6 'and returns via the heat exchanger 3 at 5' back into the cellular wheel 1. As with the aforementioned solutions, the power to be expended to accelerate the air is recovered in the deceleration section av.
The Zusatzverdiehter 4 takes on the role of the flushing fan, as it is, for. B. in the order of Fig. 6 is necessary.
During the flushing phase IV, which usually takes place under atmospheric pressure so that the air expanded in the cellular wheel is replaced by atmospheric air, the special fan 2 'of FIG. 3 can also be omitted if the overpressure <I> dp < / I> is used, with which the cells arrive in the expansion phase III, the rinsing phase IV.
It can be seen from FIG. 2 that the cells which arrive at the rinsing phase IV during the expansion phase III can only relax incompletely via the overflow lines -9 after the compression phase I,
so that there is still an absolute residual pressure where + 4p remains on the low pressure side if p. = Means atmospheric pressure.
If one bridges the end of the expansion phase III to the acceleration phase ab, by means of line 7a or 7b, by the angle a7, the cell air will flow off accelerated to 8 via the acceleration angle ab and decelerated by 7 'via the deceleration section av thanks to the inertia continue to flow after 8 '. The fan 2 'is also saved here and the work expended during the acceleration phase has been used.