Druckaustauscher. Die vorliegende Erfindung betrifft. Druek- austauscher, worunter Maschinen verstanden werden, welche ein gasförmiges Medium ver dichten, indem innerhalb der gleichen 1Ia- schine die Expansion eines andern oder eines gleichen gasförmigen -Mediums ausgenützt wird, wobei die Verdiehtung sowie die Expan sion in einer Anzahl Zellen stattfindet, welche sich relativ zu einem andern 'Maschinenteil drehen, und wobei das Ersetzen des Gases in den Zellen während Nieder- und Hochdruck spülstufen erfolgt;
in der Niederdruckspül- stufe wird dabei das expandierte durch das zu verdichtende Gas ersetzt, während in der Hoehdruckspülstufe das verdichtete durch das zu expandierende Gas ersetzt wird.
In einem typischen DruckaiLstauscher bil den die Zellen einen Rotor, nach und von welchem das Gas durch nicht rotierende Ver- teilmittel zu- bzw. weggeführt wird. Man hat auch Vorsehläge gemacht, für gewisse Typen ton Druckaustauschern zwei Zellenringe ein zubauen, welche relativ zueinander rotieren, oder in Verbindung mit rotierenden Gasver- teilmitteln leinen stationären Zellenring zu verwenden.
Ausführungen bekannter Formen von Druckaustauschern sind beispielsweise in den britischen Patentschriften Nr.290669, 427957 und 553208 beschrieben, wo auf gleiche Typen Bezug genommen wird, auf welche sich auch die vorliegende Erfindung bezieht. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem DruckaustaiLscher, welcher einen Zellen ring aufweist, sowie eine Verteiler-Endplatte mit Durchlässen zur Zufuhr von Medium zu den Zellen, wobei Zellenring und Endplatte relativ zueinander drehbar sind.
Um Gas verluste zu vermeiden, ist es wichtig, dass das Spiel zwischen einer solehen Endplatte und der anliegenden Flä@ehe des Rotors so klein als möglich ist, was infolge der thermischen Ausdehnung des Rotors, Schwierigkeiten bereitet. Die Erfindung ermöglicht., einen Druekaustauscher zu schaffen, bei welchem clas genannte Spiel klein und mindestens an nähernd konstant ist.
Der erfindungsgemässe Druckaustauscher, in welchem ein HochdrLicli:medium expandiert, während gleichzeitig ein Niederdruekmedium verdichtet wird, und welcher einen Zellenring aufweist sowie eine Verteiler-Endplatte mit Durehlässen zur Zufuhr von Medium zu den Zellen, wobei Zellenring und Endplatte relativ zueinander drehbar sind, ist.
dadurch gekenn zeichnet, dass der Zellenring, um den Axial- abstand zwischen diesem und der Endplatte bei sich ändernden Betriebstemperaturen min destens annähernd konstant zu halten, an der letzteren gelagert ist, und da.ss die Endplatte axial beweglich angeordnet ist, damit eine beim Betrieb auftretende Wärmeausdehnung des Zellenringes in Axialrichtung aufgenom men werden kann. In der beiliegenden Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise darge stellt.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Druckaustauseher.
Fig.2 zeigt einen Querschnitt durch den Drnckaiustauscher nach der Linie A--1 in Fig.1.
Fig.3 zeigt einen Schnitt durch einen Druckausgleichszylinder mit Verbindungs hebeln.
Fig. 4 zeigt schematisch eine andere Ver- bindungshebelanordnung. Fig. 5 zeigt eine Endansicht des Deckels für den Drtickaustauscher mit Parallel- f ährungshebeln.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch diesen Deckel und die Führungshebel.
Nach Fig.l und 2 weist ein Druckaus- tauscher 1 einen trommelförmigen Rotor 2 auf, welcher eine Anzahl kreisringförmig an geordnete Zellen 3 enthält, die zwischen zwei Endplatten 5 und 6 in einem Gehäuse 4 an geordnet sind. Die Längsachsen der Zellen 3 verlaufen parallel zur Rotationsachse des Zellenringes. Die Endplatte 6 und ein Deckel 7 sind am Gehäuse 4 befestigt, wobei die eine Endplatte 5 umschlossen wird. Diese End- platte 5 kann sich nicht neigen oder drehen, ;jedoch axial bewegen.
Die beiden Endplatten 5 und 6 sind mit Lagergehäusen 8 und 9 ver sehen, welche Schublager 10 und 11 zur Füh rung der Wellen 12 und 13 aufweisen, auf welchen der von Armen 14, 15 getragene Rotor 2 montiert ist, wobei sich diese Arme in der Nähe der Rotorenden befinden. Da der Rotor 2 auf der Welle 12 befestigt ist und das Lager 10, im vorliegenden Fall ein Doppel konus-Rollenlager, gegenüber dem Lager gehäuse 8 ortsfest ist, bleibt die axiale Länge des Zw ischenraiunes zwischen dein Rotor 2 und der Endplatte 5 mindestens annähernd konstant.
Ein axiales Ausdehnen des Rotors 2 unter Wärmeeinwirkung hat ein entsprechendes axiales Verschieben der Endplatte 5 um den gleichen Betrag zur Folge. Die beiden End platten 5 und 6 sind mit Nieder- und Hoch- druek-Ein- und -Auslassspülverbindungen 16, 17, 18, 19 versehen, durch welche Luft niedri- gen Druckes sowie heisse Verbrennungsgase hohen Druckes zwecks Komprimierung resp. Ausdehnung nach den Zellen 3 des Rotors 2 strömen.
Die Verbindungen 16 und 18 der be weglichen Verteiler-Endplatten 5 sind an die Verbindungsrohre 20 und 21 des CTehäuses 4 beweglich und gasdicht angeschlossen. Zwi schen den Verbindungen 16, 20 und 18, 21 be finden sich gasdichte Packungen 22 und 23, um beim Bewegen der Endplatte 5 Gasverluste zu vermeiden.
Auf den Wellen 12-13 be findet sieh in der Nähe der Arme 15 eine axiale Verschiebungen zulassende Verbindung \_'4, welche eine Ausdehnung und Zusammen- ziehung zwischen dein Rotor 2 und den Wellen <B>12-13</B> ermöglicht.
Der Rotor 2 besitzt zwei axiale Zylinder, nämlich einen äussern ?5 sowie einen innern Zylinder 26, zwischen welchen sich radiale Wände 27 befinden, durch die die Zellen<B>11</B> begrenzt sind. Zwischen dem Rotor 2 und den Endplatten 5 und 6 sind Labyrinth-Dichtun- gen 28 vorgesehen, um den Austritt von Medium aus den Zellen 3 in die innerhalb des Gehäuses 4 liegenden Räume zu verhin dern.
An Stelle der Labvrinth-Diehtungen 28 können Gleit-Dichtungen, welche aus hitze- beständigen und selbstschmierenden, kohlen stoffhaltigen Materialien bestehen, vorgesehen sein. Das Gehäuse 4 bildet zusammen mit dem Deckel 7 sowie der Endplatte 6 ein geschlos senes Gefäss, welches den Rotor 2 enthält.
Die um. den Rotor 2 herum angeordneten Räume weisen einen zwischen dem Hochdruck- und dem Niederdruekwert der in den Zellen 3 verdichteten bzw. expandierten Gase gelegene Druck auf, wodurch Druckverluste in den Zellen 3 vermindert werden.
Das Lagergehäti#se 8 der beweglichen End platte 5 ist mit einer zu den Rotorwellen 12-13 sich koaxial erstreckenden, gegen den Deckel 7 zu ragenden rohrförmigen Büebse 29 versehen, die sich innerhalb einer, sich vom Deckel 7 gegen das Lagergehäuse 8 erstrecken den rohrförmigen Nabe 30 befindet.
Die Büchse 29 trägt ein Lager 31 zur Abstützung einer Verlängerung 12a der M'ellen 1\1r-13 von kleinerem Durchmesser, die sich durch eine Öffnung des Deckels 7 erstreckt. Die Büchse 29 ist innerhalb der Nabe 30 gleitbar angeordnet und mit einem Dichtungsteil 33 versehen, welcher die Büchse 29 gegen die Wellenverlängerung 12a abdichtet. Ein Dich tungselement 32 dichtet die Büchse 29 gegen den Deckel 7 ab. Der Rotor 2 kann zum Bei spiel über eines der beiden VTellenenden 12a oder 13a angetrieben werden.
Die Büchse 29 bildet zusammen mit der Nabe 30, mit welcher sie zusammenwirkt, ein Mittel zur Verhinde rung der Neigung der Endplatte 5.
Es ist erwünscht., die Mittel zur Verhinde rung der Neigung der Endplatte 5 besonders stark auszubilden. In den oben liegenden Zellen herrscht ein höherer Fluiddruck als in den unten liegenden Zellen, so dass auf die Endplatte 5 ein Kippmoment wirkt, das diese Endplatte 5 im Gegenuhrzeigersinn um das Lager 10 zu kippen sucht. Diesem Kipp moment wirken die oben genannten Führungs mittel entgegen, wobei ausserdem noch drei Ausgleichseinrichtungen vorgesehen sind.
Im Deckel 7 sind drei Druckausgleiehs- zylinder 34 (Fig.l und 2) montiert. In den Zylindern 34 verschiebbare Kolben 35 sind mit der Endplatte 5 durch Kolbenstangen 36 verbunden. Auf diese Kolben wird ein einem axialen Verschieben und Neigen der End- platte 5 entgegenwirkender Druck ausgeübt. Die Druckausgleichszylinder 34 sind dazu bestimmt, einen Teil der Belastung des Lagers 10 aufzunehmen, und das genannte Dreh moment herabzusetzen.
Da die Drücke nicht symmetrisch an der Endplatte 5 angreifen, können zur Erreichung des genannten Zweckes die Kolben 35 unterschiedliche Ab- messungen aufweisen.
Im Betrieb sind die Verbindungsrohre 21 und 19 des Druekaustauschers 1 mit einem Hochdruckarbeitsprozess (nicht gezeigt) und die Verbindungsrohre 20 und 17 mit. einem Niederdruckarbeitsprozess (nicht gezeigt) verbunden. Die Endplatte 5 ist. auf diese Weise oben einer Hochdruckbelastung und unten einer Niederdruckbelastung ausgesetzt. Der resultierende Druckunterschied versucht die Endplatte zu neigen, während beide Be lastungen diese Endplatte axial zu verschieben suchen.
Beim Beispiel gemäss Fig.1 wird mittels Druckfluidum auf die Kolben 35 eine Be lastung ausgeübt, welche den auf die End- platte 5 wirkenden Belastungen das Gleich gewicht hält. Zu diesem Zweck wird den obern Zylindern 34 Hochdruckfluidum zugeführt, das an einer geeigneten Stelle des Druckaus tauschers 1 abgezapft und auf der Seite des Verbindungsrohres 21 durch ein Rohr 57 in die Zylinder geleitet wird, während neben dem Niederdruckverbindungsrohr 20 der Zylinder 34 durch eine Öffnung 57a mit der Atmo sphäre in Verbindung steht, so dass der Kolben im untern Zylinder in Fig.1 nach links aus weichen kann.
Somit werden die Ausgleichs kolben im Sinne einer Herabsetzung der Be. anspruchung der Büchsenanordnung bewegt, wodurch einem Neigen der Endplatte ent gegengewirkt wird.
In Fig. 3 ist ein übersetzungs-Hebelmecha.- nismus 36, 37, 38 gezeigt, bei dessen Verwen dung kleinere Zylinder und Kolben als beim vorangehend beschriebenen Beispiel verwendet werden können. Offensichtlich bewirkt eine Bewegung des Kolbens in gleicher Richtung wie in Fig.1 eine Bewegung des Angriffs punktes an der Endplatte in umgekehrter Richtung, so dass der auf den Kolben ausge übte Druck zur Erzielung der gewünschten Wirkung entsprechend gewählt werden muss.
Fig.4 zeigt schematisch ein anderes Aus führungsbeispiel einer Druckausgleiebsein- richtung; diese besitzt in diesem Fall einen einzigen Zylinder mit zugehörigem Kolben. Die Kolbenstange 36 ist mit einem Hebel 39 verbunden, welcher mittels eines Lenkers 40 am Deckel angelenkt ist.
Die wie beim ersten Beispiel mit Führungsmitteln ausgerüstete Endplatte 5 ist durch Stangen 41 und 42 mit dem Hebel 39 verbunden. MTie Fig.4 zeigt, wird, wenn zum Beispiel ein Druck im Zylin der den Kolben 35 nach rechts zu verschieben sucht, die Stange 41 auf die Endplatte 5 eine nach rechts gerichtete Kraft ausüben, wäh, rend die Stange 42 die Endplatte 5 in ent gegengesetzte Richtung zu ziehen sucht. Es ist ersichtlich, dass die Stangen 41, 42 so ange ordnet sein können, dass sie dein genannten Drehmoment entgegenwirken.
Ein Neigen der beweglichen Endplatte 5 kann auch durch die in den Fig. 5 und 6 ge zeigten Führungsmittel vermieden werden. Der Deckel 7 ist mit schwenkbaren Achsen 43 und 44 versehen, die in Ebenen senkrecht zur Verschiebungsachse der Endplatte liegen und sich kreuzen und welche in Anschlussteilen 45, -46 und 47, 48 gelagert sind. An den Achsen 43 und 44 sind Hebel 49, 50 bzw. 51, 52 befestigt, wobei Verbindungsglieder 53, 54 und 55, 56 die Endplatte 5 mit den Hebeln 49, 50 bzw. 51, 5 2 verbinden.
Reine Axialbewegungen der Endplatte 5 bewirken eine gleich grosse Längs bewegung der Verbindungsglieder, wobei sich die entsprechenden Hebel und Achsen drehen, um diese Längsbeweg2ing zu ermöglichen. Ein Neigen der Platte würde für die Verbindungs glieder verschieden grosse Längsbewegungen bedingen, was bei dem vorliegenden Parallel führungsmechanismus gar nicht möglich ist, so da.ss durch diese Führungsmittel jedes Neigen der Endplatte verhindert wird.
Dieser Mechanismus, der die Stelle der Büchse 29 in Fig. 1 einnimmt, macht die Nabe 30 überflüssig. Die Welle 12a ragt dann durch einen Steg im Deckel 7. Im übrigen ent spricht dieses Beispiel dem in Fig.1 gezeigten.
Zum Zusammenwirken mit dem genannten Mechanismus ist, um den auf die Endplatte 5 wirkenden Belastungen entgegenzuwirken, ein einziger einen Kolben 35 mit einer Kolben stange 36 enthaltender Ausgleichszylinder vor gesehen.
An Stelle eines Druckausgleichszylinders 34 mit Kolben 35 kann eine Membranvorrich- tung oder ein dehnbarer Balg verwendet erden, welcher durch die beschriebenen Ver bindungshebel mit der Endplatte 5 verbunden ist.
Der Druckaivsgleichkolben, die biegsame Membran der Membranvorrichtung oder die Bälge sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie in axialer Richtung wirken, wobei das sie bewegende liedium an einer geeigneten Stelle des Druckaustauschers entnommen wird.
Bei einem Druckaustauscher, bei welchem zwei bewegliche Endplatten vorgesehen sein müssen, an die ein oder mehrere Rotoren an schliessen, kann jede Endplatte durch ther- inische Ausdehnungen bedingte, axiale Bewe gungen ausführen, wobei auch, wie oben be schrieben, Kippbewegungen auftreten können.
Falls ein Ausgleichen zweier beweglicher End- platten notwendig ist., kann die eine End- platte durch einen oder mehrere Ausgleichs kolben, Membrane oder Bälge ausgeglichen werden, während die andere Endplatte in direkt über Hebel und Glieder durch die gleichen Kolben, Membrane oder Bälge aus- geglichen werden kann.
Falls die Ausgleichskraft, durch in Zylin dern beweglichen Kolben erzeugt wird, können diese Zylinder auch finit. der Endplatte und die Kolben mit, dein stationären Teil der Maschine verbunden sein.
Damit die beschriebenen Druckaiistauseher zufriedenstellend arbeiten, ist- es vorteilhaft. gewisse Teile durch Zufuhr des Arbeits mediums von andern Teilen des Druckaus- tauschers zu erwärmen oder abzukühlen; dieses Medium wird mit. Teilen wie Rotor welle und Lager, deren Temperatur man regulieren will, in Berührung gebracht, wo durch man die Temperatur beeinflussen kann.
Im. Drnekaustauselier nach Fi--. 1, in welchem eines der Arbeitsmedien eine hohe Temperatur aufweist, wird beispielsweise ein Lager und das benachbarte Stützgebilde ge kühlt. Das Lagergehäuse 8 ist von einem Kühlungsraum 58 unigellen, welcher das Lager 1 0 kühlt, während die Nabe 30 mit einem die Büchse 29 umgebenden Kühlungsraum 59 versehen ist.