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.
Pressure exchange. Under a pressure exchanger is a machine to understand that a gas, z. B. air, absorbs at a lower pressure level, compresses and releases at a higher pressure level and at the same time a gas, z.
B. This same gas, in a different state and in a different amount, expanded from the upper pressure level to the lower one. Pressure exchangers are used for oil machines. Heat pumps, gas turbines, charging groups for heat engines, chemical processes, pressure-fired steam boilers, etc.
It is known to solve this dual task with cells wheels, the operation of Fig. 1, 2 and 3 is evident.
Fig. 1 and 2 represent a schematic cross BEZW. Longitudinal section through a cell wheel of known design. A is the wheel, b are the cell walls, c the housing. Air is from, the suction channel d z. B. promoted by a fan e in the cell f. The cell f comes into position g in the course of the rotation and empties into the pressure space h. It is assumed that the cell wheel works as a heat pump.
The compressed air is supplemented in a known manner by the air compressed in the fan i, cooled in a heat exchanger k and then fed back to the cellular wheel by the fan l at <I> m </I>, relaxed therein and ejected at n.
At the moment when the compression cell opens against the pressure chamber, gas flows suddenly into the cell. When the expansion cell is opened into the lower pressure chamber, gas flows out abruptly.
Various means are known to avoid this shock loss, e.g. B. eccentric mounting of the rotor with sliding cells walls, lines for gradual off equal to the pressure in the gompression and expansion cells u. a. m. The consequence of these measures is probably an improvement in efficiency. The performance of the machines built in this way is extremely limited either by mechanical stress or by flow losses in compensating lines, etc.
One is forced to be content with moderate circumferential speeds and flow speeds.
With the help of the compression by over pressure waves and the relaxation by Ver thinning waves that shoot through the cells, it is known to produce machines both better efficiency and higher performance.
Fig. 3 shows a development of the cell wheel circumference of a known embodiment. 1-1 is the developed wheel, 2-2 and 3-3 the development of a cylindrical section through the housing on both sides of the wheel. The radial cell walls appear here as straight lines 4. The rotation of the wheel corresponds to a shift of the developed circumference from left to right.
From the suction chamber 5, the compression gas flows into the cells 6 and ver pushes the cell contents herrüh from the expansion to room 7. As soon as the fresh gas fills the cell contents, the end of the cell through a control edge 8 in the housing is due to the rotation of the wheel Closed for 3 s. 'The cell contents are still in motion at the moment of closing. The sudden closure at the end of the cell creates a pressure wave,
the height of which depends on the speed and which the D cell shoots through from the outlet to the inlet end. Since the cell is in motion, the wave front describes the dash-dotted move 8-9.
When the entire cell content has built up, that is, at the moment when the wave front reaches the front end of the cell, this is closed by the control edge 9, whereby the compressed gas is locked in and introduced.
The cell moves further to the right. Its front end opens at 10 towards the space 11, in which the expansion gas is under higher pressure than the contents of the incoming cell. As a result, a pressure wave recently shot through the cell at approximately the speed of sound, this time from front to back along train 10-12.
At the moment when this pressure wave reaches the rear end of the cell, this is connected to the pressure chamber 13 by the control edge 12. Behind the pressure wave, the gas started moving at a speed that depends on the pressure jump. This flow velocity has to be differentiated from the visual velocity or the velocity of the wave front. It is generally much lower.
The cell is now open on both sides and its contents are in motion. The compressed gas empties into space 13 and the gas to be ent exciting flows in from space 11, with correct inflow and outflow conditions in the housing.
As soon as the gas to be relaxed has flown in enough, the front end of the cell is closed by the gante 14. As a result, the after-flow of gas is suddenly cut off, and a dilution wave is created that shoots through the cell along 14-15. When the wave of dilution arrives at the opposite end of the cell, the cell is closed by the gante 15.
The entire cell contents have come to rest and are at a lower pressure than the upper pressure level. The cell moves on, its rear end opens towards the exhaust chamber 7. This creates a new wave of dilution, which sets the cell contents in motion again. The flushing on the lower stage is thus initiated. The cell cycle described above is closed and begins anew.
The wandering compression and dilution waves cause an exchange between pressure energy and kinetic energy of the flushing movement.
Fig. 4 shows the relationship between the pressure ratio before and after the shaft and the flushing speed. The abscissa A is d: e speed, in relation to the speed of sound (Mach's see number), the ordinate B shows the pressure ratio: the greater the pressure ratio, the greater the flushing speed must be.
From a fade with axial cells, the gas emerges at a speed whose axial component is equal to the flushing speed and whose tangential component is equal to the peripheral speed of the wheel. At higher speeds, there is a considerable amount of energy in the escaping gases, which can only be converted in a profitable way using suitable diffusers.
The efficiency of the known cell wheels becomes worse with increasing pressure and prohibits their use for various purposes. The present invention avoids this disadvantage in that the cells are arranged obliquely to the axial planes of the wheel, so that the speed of the gas during purging with respect to the wheel receives a circumferential component that reduces the absolute exit speed ver.
In the following, exemplary embodiments of the invention are explained with reference to the drawing.
FIG. 5 shows the development through a pressure exchanger with, for example, a screw pinion. The reference numerals 1 to 17 have the same meaning as in FIG. 3.
The advantages of this arrangement emerge from FIGS. 6a and 6b. These show the speed triangles for straight cells according to the previous design and screw-shaped cells according to the invention. w is the flow velocity -relative to the cell during flushing. This speed is decisive for the pressure ratio. zc represents the peripheral speed of the bucket wheel .dar. Relative and circumferential speed are combined to form the absolute speed e.
This is the speed at which the gas from the housing into the wheel and from the wheel into the housing or. overflows the diffuser. You can see that in Fix. 6a the speed e is significantly greater than w, so it generates large losses; in FIG. 6b, however, c is even smaller than w and the loss is correspondingly smaller.
In previous wheels with axial cells, the centrifugal forces acting on the gases from the outside also result in positive pressures towards the inside. If there is a difference in density between the displacing and the displaced gas, the above-mentioned overpressure is greater in heavier gases than in lighter ones.
s This disturbs the equilibrium at the contact front and the gases mix. In the case of greater differences in density, this mixing can occur to such an extent that the functioning of the exchanger is considerably impaired.
If, on the other hand, the cells are arranged according to the invention, the circumferential component of the absolute speed is reduced or even completely suppressed, with the disruptive centrifugal forces also disappearing partially or entirely.
Fig. 7 shows in a schematic way the course of the pressure and the flow rate in the middle of a cell during one revolution. I is .the flushing section on: the lower pressure stage with pressure P1 and speed w,.; Il is the compression section with the pressure Pe and the speed w = o;
III is the flushing section on the upper pressure stage with pressure P = and speed w,; <I> IV </I> is the relaxation section with pressure P "and speed w = o.
The speed of the flushing flow set in motion by a pressure wave remains during the entire flushing time if it is ensured that the resistances of the flushing circuit both inside and outside: the DTuck exchanger, e.g. B. by a fan to be wounded.
Instead, you can let the speed decrease during the flushing time. This releases energy in order to overcome the resistance of the flushing circuit. The purging fan is relieved, depending on the resistance, it can be left out in one or both purging circuits or even let (let gas do useful work.
The corresponding course of the pressures and speeds is indicated by dashed lines in FIG.
Conversely, a flushing fan can be used to generate a higher pressure than is necessary to overcome the resistances. Since the flushing flow is accelerated in a cell between the beginning and end of the flushing section. The compression wave at the end of the lower flushing period is increased and the gas is introduced under higher pressure.
Likewise, the gas is discharged under lower pressure at the end of the upper flushing period. So more gas is compressed and less gas is released. Therefore, for example, the additional fan used in a heat pump does not have to deliver as much and can possibly stay away at all. The work to be delivered by the auxiliary fan is transferred to the flushing fan.
The flushing speeds on the lower and upper stages do not need to be the same. Within certain limits it is harmless if unequal pressure jumps arise as a result of unequal speeds. The flushing speeds and thus the flushing volumes can be regulated by changing the flow resistances in the flushing circuits or by changing the pressures generated by the flushing fans. Mostly it is enough to provide a fan in one of the flushing circuits, for. B. in the flushing circuit with the higher resistance ..
If the gas to be expanded has a significantly different density than the compressed gas (e.g. if the same gas is expanded at a different temperature), the purging speeds at the beginning and at the end of the purging sections must be different in relation to the speed of sound be chosen, because the pressure jumps of the pressure waves depend on the ratio of the flushing speed to the speed of sound (Mach number), \ as shown in Fig. 4; and the total pressure jumps on the compression and expansion sides must be the same.
For example, if air is compressed and discharged again at a significantly higher temperature, the flushing speeds must decrease during the lower flushing period, while increasing during the upper flushing period, so that they are higher with the dilution wave than with the compression wave.
Under certain circumstances, this change in flushing speeds can be achieved without special measures having to be taken. It can be shown that this is the case when the speeds c and w are the same in the speed diagram in FIG. 6. If a light gas displaces a heavier gas, the kinetic energy of the cell content would decrease in proportion to the masses at the same speed. The energy released serves to accelerate the flushing flow.
You just have to design the channels of the housing so that the transition from the cell wheel is as loss-free as possible. If c and w are different, the change in speed must be supported by external means, flushing resistance and pressure. The changes in the flushing speeds, which are necessary or desirable for various reasons, overlap and may cancel each other out.
The described cellular wheel with screw-shaped cells only needs a small amount of power to drive it to overcome the friction losses, provided that the gas enters smoothly. If the gas is allowed to enter with a slight push in the direction of rotation, a separate drive can be dispensed with. You can deflect the flushing flow in the Zel lenrad much more than is necessary to drive the cellular wheel.
When the swirl of the flushing flow - that is the product of the circumferential component of the flow speed and the radius - is increased in the direction of rotation, the cellular wheel works as a turbo compressor and must be driven by the shaft. The cell wheel supports or replaces the flushing fan and may also make the additional fan i (Fig. 2) superfluous. If the swirl is reduced in the direction of rotation, the cell wheel works as a turbine.
The power delivered to the shaft is due to the rusting of the flushing energy. The flushing speed therefore decreases sharply from the beginning to the end of the flushing section. The inlet pressure P "(Fix. 7) is pressed down, less gas is 5 compressed.
The discharge pressure Pa is increased, more gas is expanded. Fig. 8 shows the development of a cellular wheel that works as a compressor during the flushing periods. The numbers 1-17 have the same meaning as in FIG. 3. It is noted that the channels of the housing, which are provided with blades 18, have a variable direction that is adapted to the increasing flushing speed.
The cells of Fig. 8 have a variable width. By appropriate choice of the cell height one obtains the mostly desired constant or little changeable cell cross-section (see FIG. 12).
The pressure exchangers described so far, which can be referred to as single-stage pressure exchangers, each work with two compression and dilution shafts. The pressure jump that can be achieved per pressure wave cannot be increased at will. Fig. 9 shows the development of a two-stage Zel lenrades that works with four compression and four dilution shafts.
1 eats the development of the cell wheel with D crooked cells 4, 2 and 3 are the housing. The flush at the lower pressure level goes from room 5 to room 7.
The first pressure wave occurs at the gante 8, which suddenly closes the end of the cell. The second wave arises at the gante 20, in which the cell comes into contact with a space 21 in which there is pressure between lower and upper grades. Gas which has been removed from the cells in the expansion section can be fed to this through a channel 22 in a known manner. The gas supplied can also come from another source.
The wave reaches the end of the cell at point 23, where it finds one; closed wall, is reflected and the cell shoots through as a third compression wave from back to front. When the wave arrives in front, the cell is closed by the edge 24. During the entire travel time of the wave on the dash-dotted train 20-23-.24 gas flows from 21 into the cell.
The fourth wave train has its origin at the edge 10, as with a stepped wheel.
The expansion takes place in a similar sequence: First dilution wave 14-15 poor end of the flush, second Ver thinning wave 25-26 when opening the cell on one side on the gap 27, which can be connected to 21, reflection of the wave at the closed end of the cell to 26 and return 26-28 as the third wave. As the wave travels on 25-26-28, gas flows out of the cell into space 27 and over to 21.
The fourth wave of dilution 16-17 arises when the lower flushing process is initiated.
The formation of the compression waves 20-2a-24 and the corresponding thinning waves 25-26-28 can be repeated several times. This gives more stage pressure exchangers. For example, you can also do the compression in one stage; make the relaxation in two stages, preferably when the expansion gas is hotter than the compression gas. Separate pressure exchangers can also be connected in series.
Heat is transferred through the cell walls from the hot to the cold gas. The warming of the cold gas and the cooling of the hot gas during the short period of time that goes from flowing into the cell to closing the decorative cell is harmful. The cell contents are not heated evenly during this time, but only the layer near the wall.
In many cases, especially with crooked cells, the centrifugal force on the boundary layer is greater than on the gas core. The boundary layer flows outwards along the walls. In the flushing section, where there is no difference in pressure between adjacent cells, recesses and channels in the housing can be seen that take the outflowing boundary layer and discharge it with mixed gas. Fig. 10 shows a section from a pressure exchanger.
The - arrows 30 indicate the boundary layer flow. 31 is the channel in the housing that serves to accommodate the ejected boundary layer.
The rotor of the pressure exchanger can be designed with open or closed cells on the circumference. Fig. 1 shows open cells, while Fig. 11 shows closed cells. The cell walls 4 are bent at the ends and welded together. High cells can be subdivided by a partition 32 which carries a bearing of the centrifugal forces acting on the cell contents.
The partition can also be continued in the housing, where it allows the flow to be adapted to the various peripheral speeds of the inner and outer cell parts. Fig. 12 shows a pressure exchanger whose cross section is similar to a centrifugal fan. This form can be used to advantage if the rotary valve works as a turbo compressor during flushing.
From the description of the way in which the pressure exchanger works, it can be seen that opening the cell ends in good time by the control edges is important. It is therefore advantageous to make the control edges or at least part of the same adjustable bar. In Fig. 5, for example, the edges 8 and 12 can be moved with the help of the levers <B> 35 </B> and <B> 36 </B>. Their position can be adapted to any changes in the speed of sound as a result of temperature changes.
Even if the pressure exchanger works with variable pressure, variable flushing and circumferential speeds, so, for example, that the ratio of flushing to circumferential speed remains the same, an adjustment, namely automatic, is desirable during operation.
Since the opening time of the cell ends requires a certain, albeit small, time due to the control edges, pressure waves with a flattened front arise. The first impulse that occurs when the cell is opened - travels a certain distance into the cell until the cell entrance is completely free and the gas can flow unhindered. It must be ensured that this path is not too long in relation to the cell length, for example by choosing a suitable cell division, the circumferential speed and the inclined angle of the cells.
On the other hand, when choosing these parameters, the flow losses and the heat transfer must be taken into account. It is advantageous to slightly round the control edges in order to reduce the flow losses during the opening and closing times. Finally there are cases where, in order to adapt to different operating conditions, variable flow angles are necessary, which can be generated in a known manner by rotating blades or guide blades.