Druckaustansclier. Unter einem Druckaustauscher ist eine Maschine zu verstehen, die ein Gas, z. B. Luft, auf einer untern Druckstufe aufnimmt, verdichtet und auf einer höheren Druckstufe abgibt und gleichzeitig ein Gas, z.
B. das- seIbe Gas, in verändertem Zustand und in anderer Menge, von der obern Druckstufe auf die untere entspannt. Druckaustauscher fin den Verwendung für gältemaschinen. Wärme- pumpen, Gasturbinen, Aufladegruppen für Wärmekraftmaschinen, chemische Prozesse, druckgefeuerte Dampfkessel usw.
Es ist be kannt, diese Doppelaufgabe mit Zellen rädern zu lösen, deren Arbeitsweise aus Fig. 1, 2 und 3 hervorgeht.
Fig. 1 und 2 stellen einen schematischen Quer- bezw. Längsschnitt durch ein Zellen rad bekannter Bauart dar. a ist das Rad, b sind die Zellenwände, c das Gehäuse. Luft wird aus,dem Saugkanal d z. B. durch einen Ventilator e in die Zelle f gefördert. Die Zelle f kommt im Verlaufe der Drehung in die Lage g und entleert sich in den Druckraum h. Es ist angenommen, dass das Zellenrad als lVärm,epumpe arbeitet.
Die Druckluft wird in bekannter Weise durch die im Gebläse i verdichtete Luft ergänzt, in einem Wärme- austauscher k abgekühlt und hierauf durch den Ventilator l bei<I>m</I> wieder dem Zellenrad zugeführt, darin entspannt und bei n ausge stossen.
Im Augenblick, wo sich die Kompres sionszelle gegen den Druckraum öffnet, strömt Gas stossartig in die Zelle. Beim Off nen der Expansionszelle in den untern Druck raum strömt Gas stossartig aus.
Verschiedene Mittel sind bekannt, diesen Stossverlust zu vermeiden, z. B. exzentrische Lagerung des Rotors mit schiebbaren Zellen wänden, Leitungen zum stufenweisen Aus gleich des Druckes in den gompressions- und Expansionszellen u. a. m. Die Folge -dieser Massnahmen ist wohl eine Wirkungsgrad verbesserung. Die Leistungsfähigkeit der so gebauten Maschinen ist aber entweder durch mechanische Beanspruchung oder durch Strö mungsverluste in Ausgleichsleitungen usw. äusserst beschränkt.
Man ist gezwungen, sich mit mässigen Umfangsgeschwindigkeiten und Strömungsgeschwindigkeiten zu begnügen.
Mit Hilfe der Verdichtung durch Über druckwellen und der Entspannung durch Ver dünnungswellen, die durch die Zellen schie ssen, ist es bekannt, Maschinen sowohl bes seren Wirkungsgrades als auch von höherer Leistungsfähigkeit herzustellen.
Fig. 3 stellt eine Abwicklung -des Zellen radumfanges einer bekannten Ausführung dar. 1-1 ist das abgewickelte Rad, 2-2 und 3-3 die Abwicklung eines zylindrischen Schnittes durch das Gehäuserauf beiden Sei ten des Rades. Die radialen Zellenwände er scheinen hier als gerade Striche 4. Der Dre- hung.des Rades entspricht eine Verschiebung des abgewickelten Umfanges von links nach rechts.
Aus dem Saugraum 5 strömt das Kompressionsgas in die Zellen 6 und ver drängt dabei den von der Expansion herrüh renden Zelleninhalt nach Raum 7. Sobald das frische Gas den Zelleninhalt füllt, wird infolge der Drehung des Rades das Ende der Zelle durch eine Steuerkante 8 im Gehäuse 3 s geschlossen. ' Der Zelleninhalt befindet sich im Augenblick des Schliessens noch in Be- wegung. Das plötzliche Schliessen am Zellen ende erzeugt eine Druckwelle,
deren Höhe von der Geschwindigkeitabhängt und die die D Zelle vom Austritts- zum Eintrittsende durch schiesst. Da die Zelle in Bewegung ist, be schreibt die Wellenfront den strichpunktier- ten Zug 8-9.
Wenn sich der ganze Zelleninhalt aufge- 5 staut hat, also im Augenblick, wo die Wellen front das vordere Ende der Zelle erreicht, wird dieses durch die Steuerkante 9.geschloo- sen, wodurch das verdichtete Gas eingesperrt und eingeschleust wird.
Die Zelle wandert weiter nach rechts. Ihr vorderes Ende öffnet sich bei 10 gegen den Raum 11, in welchem das Expansionsgas un ter höherem Druck steht als der Inhalt der ankommenden Zelle. Dies hat zur Folge, dass neuerdings eine Druckwelle ungefähr mit Schallgeschwindigkeit, diesmal von vorn nach hinten entlang dem Zug 10-12, durch die Zelle schiesst.
Im Augenblick, wo@dieseDruck- welle das hintere Zellenende erreicht, wird dieses durch die Steuerkante 12 mit dem Druckraum 13 in Verbindung gesetzt. Hinter der Druckwelle hat sich das Gas mit einer vom Drucksprung abhängigen Geschwindig keit in Bewegung gesetzt. Diese Strömungs geschwindigkeit ist von der Sehallgexhwin- digkeit oder der Geschwindigkeit der Wellen front wohl zu unterscheiden. Sie ist im all gemeinen wesentlich geringer.
Die Zelle ist jetzt beidseitig offen und ihr Inhalt in Bewegung. Das verdichtete Gas entleert sich in Raum 13 und das zu ent spannende Gas strömt aus dem Raum 11 nach, wobei im Gehäuse für richtige Zu- und Abströmverhältniese zu sorgen ist.
Sobald das zu entspannende Gas in ge nügender Menge eingeströmt ist, wird das vordere Zellenende durch die gante 14 ge schlossen. Dadurch wird das Nachströmen des Gases plötzlich abgeschnürt, und es entsteht eine Verdünnungswelle, die durch die Zelle entlang 14-15 schiesst. Bei der Ankunft der Verdünnungswelle an dem entgegengesetzten Zellenende wird die Zelle durch die gante 15 geschlossen.
Der ganze Zelleninhalt ist zur Ruhe gekommen und steht auf einem tie feren Druck als die obere Druckstufe. Die Zelle bewegt sich weiter, ihr hinteres Ende öffnet sich gegen den Auspuffraum 7. Da durch entsteht eine neue Verdünnungswelle, die den Zelleninhalt wieder in Bewegung setzt. Die Spülung auf der untern Stufe ist damit eingeleitet. Der beschriebene Kreislauf der Zelle ist geschlossen und beginnt von neuem.
Die wandernden Verdichtungs- und Verdünnungswellen bewirken einen Aus tausch zwischen Druckenergie und kinetischer Energie der Spülbewegung.
Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Druckverhältnis vor und nach Welle und der Spülgeschwindigkeit. Als Abszisse A ist d:e Geschwindigkeit, und zwar im Verhält nis zur Schallgeschwindigkeit (Mach'sehe Zahl), als Ordinate B das Druckverhältnis aufgetragen: Je grösser das Druckverhältnis ist, um so grösser muss die Spülgeschwindig keit sein.
Aus einem Fade mit axialen Zellen tritt das Gas mit einer Geschwindigkeit aus, deren axiale Komponente gleich der Spül geschwindigkeit und deren tangentiale Kom ponente gleich der Umfangsgeschwindigkeit des Rades ist. Bei grösseren Geschwindigkei ten steckt in den austretenden Gasen eine erhebliche Energie, die man nur zum Teil durch geeignete Diffusoren nutzbringend um wandeln kann.
Dabei wird der Wirkungsgrad der be kannten Zellenräder mit zunehmendem Druck schlechter und verbietet deren Anwendungen für mancherlei Zwecke. Die vorliegende Er findung vermeidet diesen Nachteil, indem die Zellen schief zu den Axialebenen des Rades angeordnet sind, so dass die Geschwindigkeit des Gases während der Spülung gegenüber dem Rad eine Umfangskomponente erhält, die die absolute Austrittsgeschwindigkeit ver kleinert.
<B>Im'</B> nachfolgenden werden an Hand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfin- dung erläutert.
Fig. 5 stellt die Abwicklung durch einen Druckaustauscher mit beispielsweise einem Schraubenzellenrad dar. Die Bezugszahlen 1 bis 17 haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 3.
Die Vorteile dieser Anordnung, gehen aus Fig. 6a und 6b hervor. Diese zeigen die Ge- schwindigkeitsdreiecke für gerade Zellen nach bisheriger Ausführung und schraubenför mige Zellen nach der Erfindung. w ist die Strömungsgeschwindigkeit -relativ zur Zelle während der Spülung. Diese Geschwindigkeit ist massgebend für das Druckverhältnis. zc stellt die Umfangsgeschwindigkeit des Zellenrades .dar. Relativ- und Umfangsge schwindigkeit setzen sich zur absoluten Ge schwindigkeit e zusammen.
Das ist die Ge schwindigkeit, mit welcher das Gas aus.dem Gehäuse ins Rad und aus dem Rad ins Ge häuse bezw. den Leitapparat übertritt. Man sieht, dass in Fix. 6a die Geschwindigkeit e wesentlich grösser ist als w, also grosse Ver luste erzeugt; in Fig. 6b dagegen ist c sogar kleiner als w und der Verlust entsprechend kleiner.
Bei bisherigen Rädern mit axialen Zellen entstehen ferner infolge der auf die .Gase s wirkenden Fliehkräfte aussen Überdrücke gegen innen. Besteht ein Dichteunterschied zwischen dem verdrängenden und dem ver drängten Gas, so ist der erwähnte Überdruck in schwererem Gase grösser als in leichterem.
s Dadurch wird,das Gleichgewicht an der Be rührungsfront gestört und die Gase ver mischen sich. Diese Vermischung kann bei grösseren Dichteunterschieden in einem Masse auftreten, dass die Arbeitsweise des Austau- o schers erheblich verschlechtert wird.
Werden dagegen die Zellen gemäss der Erfindung angeordnet, so wird die Umfangs komponente der Absolutgeschwindigkeit ver kleinert oder sogar ganz unterdrückt, wobei o auch die störenden Fliehkräfte teilweise oder gänzlich verschwinden.
Fig. 7 zeigt in schematischer Weise den Verlauf des Druckes und der Strömungsge schwindigkeit in der Mitte einer Zelle wäh- 7 rend einer Umdrehung. I ist .der Spülabschnitt auf :der untern Druckstufe mit Druck P1 und Geschwindigkeit w,.; Il ist der Verdichtungs abschnitt mit dem Druck Pe und der Ge- sehwindigkeit w = o;
III ist der Spül- s abschnitt auf der obern Druckstufe mit Druck P= und der Geschwindigkeit w,; <I>IV</I> ist der Entspannungsabschnitt mit Druck P" und Geschwindigkeit w = o.
Die Geschwindigkeit des durch - eine s Druckwelle in Bewegung gesetzten Spül stromes bleibt während der ganzen Spülzeit bestehen, wenn dafür gesorgt ist, dass die Widerstände des Spülkreises sowohl inner halb als auch ausserhalb :des DTuckaustau- a schers, z. B. durch einen Ventilator, über wunden werden.
Man kann statt dessen die Geschwindigkeit während der Spülzeit ab nehmen lassen. Dadurch wird Energie frei, um die Widerstände des Spülkreises zu über- fl winden. Der Spülventilator wird entlastet, man kann ihn je nach Widerständen in einem oder in beiden Spülkreisen weglassen oder gar (las Gas Nutzarbeit verrichten lassen.
Der entsprechende Verlauf der Drücke und Ge- o schwindigkeiten ist in Fig. 7 gestrichelt an gegeben.
Man kann umgekehrt ein Spülgebläse einen höheren Druck erzeugen lassen als zur Überwindung der Widerstände nötig ist. Da durch wird der Spülstrom in einer Zelle zwi schen Anfang und Ende des Spülabschnittes beschleunigt. Die Verdichtungswelle am Ende -der untern Spülperiode wird erhöht und das Gas unter höherem Druck einge schleust.
Desgleichen wird das Gas am Ende der obern Spülperiode unter tieferem Druck ausgeschleust. Es wird also mehr Gas ver dichtet und weniger Gas entspannt. Daher muss zum Beispiel das bei einer Wärmepumpe verwendete Zusatzgebläse weniger fördern und kann unter Umständen überhaupt weg bleiben. Die vom Zusatzgebläse zu liefernde Arbeit ist dem Spülgebläse übertragen.
Die Spülgeschwindigkeiten auf der untern und obern Stufe brauchen nicht gleich zu sein. In gewissen Grenzen ist es unschädlich, wenn infolge ungleicher Geschwindigkeiten ungleiche Drucksprünge entstehen. Die Spül geschwindigkeiten und damit die Spülvolu mina lassen sich durch Veränderung der Strömungswiderstände in den Spülkreisen oder durch Veränderung der Drücke, die die Spülventilatoren erzeugen, regeln. Meistens genügt es, einen Ventilator in einem der Spül kreise vorzusehen, z. B. im Spülkreis mit dem höheren Widerstand..
Wenn das zu entspannende Gas eine wesentlich andere Dichte hat als das kompri mierte Gas (z. B. wenn dasselbe Gas- mit ver änderter Temperatur entspannt wird), so müssen die Spülgeschwindigkeiten am An fang und am Ende der Spülabschnitte im Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten ver schieden gewählt werden, denn die Druck sprünge der Druckwellen hängen vom Ver hältnis Spül- zu Schallgeschwindigkeit (Mach'sche Zahl) ab,\ wie in Fig. 4 gezeigt wurde; und die Gesamtdrucksprünge auf Verdichtung-s- und Entspannungsseite müs sen gleich sein.
Wird beispielsweise Luft verdichtet und mit wesentlich höherer Tempe ratur wieder entsannt, so müssen die Spül- geschwindigkeiten während 'der untern Spül periode abnehmen, während der obern zuneh men, so dass sie bei der Verdünnungswelle höher sind als bei der Verdichtungswelle.
Unter Umständen erreicht man diese Än derung -der Spülgeschwindigkeiten, ohne dass besondere Massnahmen dazu ergriffen werden müssen. Man kann nachweisen, dass dies der Fall ist, wenn im Geschwindigkeitsdiagramm Fig. 6 ,die Geschwindigkeiten c und w gleich sind. Wenn nämlich ein leichtes Gas ein schwereres verdrängt, so würde bei gleichblei bender Geschwindigkeit die kinetische Ener gie des Zelleninhaltes im Verhältnis der Massen abnehmen. Die freiwerdende Energie dient zur Beschleunigung des Spülstromes.
Man muss lediglich die Kanäle des Gehäuses so gestalten, dass der Übergang vom Zellen rad möglichst verlustfrei wird. Sind c und w verschieden, so muss die Geschwindigkeits änderung durch äussere Mittel, Spülwider stand und -druck, unterstützt werden. Die Änderungen der Spülgeschwindigkeiten, die aus verschiedenen Gründen nötig oder wün schenswert sind, überlagern sich und können sich unter Umständen gegenseitig aufheben.
Das beschriebene Zellenrad mit schrau benförmigen Zellen braucht zu seinem An trieb nur eine kleine Leistung zur Überwin- dung der Reibungsverluste, sofern das Gas stossfrei eintritt. Lässt man das Gas mit einem leichten Stoss in Drehrichtung eintreten, so kann auf einen gesonderten Antrieb verzich tet werden. Man kann den Spülstrom im Zel lenrad wesentlich stärker umlenken, als zum blossen Antrieb des Zellenrades nötig ist.
Wenn der Drall des Spülstromes - das ist das Produkt aus Umfangskomponente der Stromgeschwindigkeit und Radius - in Drehrichtung vermehrt wird, arbeitet das Zellenrad als Turboverdichter und muss von der Welle angetrieben werden. Das Zellen rad unterstützt oder ersetzt das Spülgebläse und kann unter Umständen auch,das Zusatz gebläse i (Fig. 2) überflüssig machen. Wenn der Drall in Drehrichtung vermindert wird, arbeitet das Zellenrad als Turbine.
Die an der Welle abgegebene Leistung geht auf Rosten der Spülenergie. Die Spülgeschwindigkeit nimmt daher von Anfang bis Ende des Spül abschnittes stark ab. Der Einschleusdruck P" (Fix. 7) wird heruntergedrückt, es wird weni- 5 ger Gas verdichtet.
Der Ausschleusdruck Pa wird erhöht, es wird mehr Gas entspannt. Fig. 8 zeigt die Abwicklung eines Zellen rades, das während den Spülperioden als Verdichter arbeitet. Die Zahlen 1-17 haben i gleiche Bedeutung wie in Fig. 3. Man be merkt, dass die mit Schaufeln 18 versehenen Kanäle des Gehäuses eine der zunehmenden Spülgeschwindigkeit angepasste, veränder liche Richtung haben.
Die Zellen nach Fig. 8 haben eine veränderliche Breite. Durch ent sprechende Wahl der Zellenhöhe erhält man den meistens erwünschten gleichbleibenden oder wenig veränderlichen Zellenquerschnitt (vergl. Fig. 12).
Die bisher beschriebenen Druckaustau- scher, die als einstufige Druckaustauscher be zeichnet werden können, arbeiten mit je zwei Verdichtungs- und Verdünnungswellen. Der pro Druckwelle erreichbare Drucksprung bann nicht beliebig erhöht werden. Fig. 9 zeigt die Abwicklung eines zweistufigen Zel lenrades, das mit vier Verdichtungs- und vier Verdünnungswellen arbeitet.
1 isst die Abwicklung des Zellenrades mit D schiefen Zellen 4, 2 und 3 sind das Gehäuse. Die Spülung auf der -untern Druckstufe geht aus dem Raum 5 in den Raum 7.
Die erste Druckwelle entsteht an der gante 8, die das Ende der Zelle plötzlich abschliesst. Die zweite Welle entsteht an der gante 20, bei der die Zelle mit einem Raum 21 in Verbin dung kommt, in dem ein Druck zwischen Un ter- und Oberstufe herrscht. Diesem kann in bekannter Weise Gas, das den Zellen im Expansionsabschnitt entnommen worden ist, durch einen Kanal 22 zugeführt werden. Das zugeführte Gas kann auch einer andern Quelle entstammen.
Die Welle erreicht im Punkt 23 das Zellenende, findet dort eine ge- ; schlossene Wand, wird reflektiert und durch schiesst als dritte Verdichtungswelle die Zelle von hinten nach vorn. Wenn die Welle vorn ankommt, wird die Zelle durch die Kante 24 geschlossen. Während der ganzen Wanderzeit der Welle auf dem strichpunktierten Zug 20-23-.24 strömt Gas aus 21 in die Zelle.
Der vierte Wellenzug nimmt, wie beim ein stufigen Rad, seinen Ursprung an der Kante 10.
Die Expansion spielt sich in ähnlicher Reihenfolge ab: Erste Verdünnungswelle 14-15 arm Ende der Spülung, zweite Ver dünnungswelle 25-26 beim einseitigen Öff nen der Zelle auf dem Zwischenraum 27, der mit 21 in Verbindung stehen kann, Reflexion der Welle am geschlossenen Zellenende bis 26 und Rückweg 26-28 als dritte Welle. VTäh- rend die Welle auf 25-26-28 wandert, strömt Gas aus der Zelle in den Raum 27 und hinüber nach 21.
Die vierte Verdün nungswelle 16-17 entsteht bei der Einlei tung des untern Spülvorgano s.
Die Bildung der Verdichtungswellen 20-2ä-24 und der entsprechenden Verdiin- nungswellen 25-26-28 kann mehrmals wiederholt werden. Man erhält dadurch mehr stufige Druckaustauscher. Man kann zum Beispiel auch die Verdichtung einstufig; die Entspannung zweistufig machen, vorzugs weise wenn das Expansionsgas heisser ist als das Kompressionsgas. Getrennte Druckaus- tauscher können auch in Reihe geschaltet werden.
Wärme wird durch die Zellenwände vom heissen zum kalten Gas übertragen. Die Er wärmung des kalten Gases und die Abküh lung, des heissen Gases während der kurzen Zeitspanne, die vom Einströmen in die Zelle bis zur Schliessung zier Zelle geht, ist schäd lich. Der Zelleninhalt wird während dieser Zeit nicht gleichmässig durchwärmt, sondern nur die in Wandnähe liegende Schicht.
In vielen Fällen, namentlich bei schiefen Zellen, ist die Fliehkraft auf -die Grenzschicht grösser als auf den Gaskern. Die Grenzschicht strömt den Wänden entlang nach aussen. Man kann im Spülabschnitt, wo kein Druckunter schied zwischen benachbarten Zellen herrscht, Aussparungen und Kanäle im Gehäuse vor sehen, die die abströmende Grenzschicht auf nehmen und mit Mischgas abführen. Fig. 10 stellt einen Ausschnitt aus einem Druckaustauscher dar.
Die - Pfeile 30 kenn zeichnen die Grenzschichtströmung. 31 ist der Kanal im Gehäuse, der zur Aufnahme der ausgeschleuderten Grenzschicht dient.
Der Läufer des Druckaustauschers kann mit am Umfang offenen oder geschlossenen Zellen ausgeführt werden. Fig. 1 zeigt offene, Fig. 11 .dagegen geschlossene Zel len. Die Zellenwände 4 sind an den Enden abgebogen und zusammen verschweisst. Hohe Zellen können durch eine Zwischenwand 32 unterteilt werden, die einen 'Peil der auf den Zelleninhalt wirkenden Fliehkräfte trägt.
Die Zwischenwand kann auch im Gehäuse eine Fortsetzung finden und erlaubt dort eine Anpassung der Strömung an die verschiede nen Umfangsgeschwindigkeiten der innern und äussern Zellenteile. Fig, 12 zeigt einen Druckaustauscher, dessen Querschnitt einem Fliehkraftgebläse ähnlich ist. Diese .Form kann mit Vorteil angewendet werden, wenn (las Zellenrad während der Spülung als Turboverdichter arbeitet.
Aus der Beschreibung der Wirkungs weise des Druckaustauschers geht hervor, dass genau rechtzeitiges Öffnen der Zellenenden durch die Steuerkanten von Wichtigkeit ist. Es ist daher von Vorteil, die Steuerkanten oder wenigstens einen Teil derselben einstell bar zu machen. In Fig. 5 können beispiels weise die Kanten 8 und 12 mit Hilfe der Hebel<B>35</B> und<B>36</B> verschoben werden. Ihre Lage kann dadurch allfälligen Änderungen der Schallgeschwindigkeit infolge Tempera turwechsels angepasst werden.
Auch wenn der Druckaustauscher mit veränderlichem Druck, veränderlichen Spül- und Umfangsgeschwin digkeiten arbeitet, so zum Beispiel dass das Verhältnis Spül- zu Umfangsgeschwindigkeit gleich bleibt, ist eine Verstellung, und zwar Selbsttätig, während des Betriebes erwünscht.
Da die Öffnungszeit der Zellenenden durch die Steuerkanten eine gewisse, wenn auch kleine Zeit erfordert, so entstehen Druck wellen mit abgeflachter Front. Der erste Druchimpuls, der beim Öffnen der Zelle ent steht, - wandert einen gewissen Weg in die Zelle, bis der Zelleneingang vollkommen frei gegeben ist und das Gas ungehindert nach strömen kann. Man muss dafür sorgen, dass dieser Weg im Verhältnis zur Zellenlänge nicht allzugross ist, etwa durch geeignete Wahl der Zellenteilung, der Umfangs geschwindigkeit und des Schrägwinkels der Zellen.
Anderseits muss bei der Wahl dieser Grössen auf die Strömungsverluste und auf den Wärmeübergang Rücksicht genommen werden. Es ist vorteilhaft, die Steuerkanten leicht abzurunden, um die Strömungsverluste während der Öffnungs- und Schliesszeit zu verringern. Endlich gibt es Fälle, wo zur An passung an verschiedene Betriebsbedingun- gen veränderliche Strömungswinkel nötig sind, die man in bekannter Weise durch dreh bare Lauf- oder Leitschaufeln erzeugen kann.