CH301135A - Rotating pressure exchanger. - Google Patents

Rotating pressure exchanger.

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CH301135A
CH301135A CH301135DA CH301135A CH 301135 A CH301135 A CH 301135A CH 301135D A CH301135D A CH 301135DA CH 301135 A CH301135 A CH 301135A
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CH
Switzerland
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pressure
channels
section
gas
cell
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German (de)
Inventor
Jendrassik George
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Jendrassik George
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04FPUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F13/00Pressure exchangers

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  

  Rotierender     Druckaustauscher.       Gegenstand der vorliegenden Erfindung  ist ein rotierender     DruckaustaiLscher    mit we  nigstens einem Zellenring zur     Kompression     und Expansion von Gas und Kanälen für den  Druckaustausch, welche dazu bestimmt, sind,  Zellen paarweise     miteinander    zu verbinden,  zwischen welchen der Druckaustausch erfolgen  soll.  



  Wenn die Verbindung zwischen zwei Zel  len hergestellt ist, expandiert Gas höheren  Druckes in der einen Zelle und bewirkt so  eine Kompression des Gases in der andern  Zelle, wodurch ein     Gasfluh    durch die Kanäle       entsteht.     



  Bei der beschriebenen.     Druckaustauscher-          art    kann der oder jeder     Zellenring    rotierend  angeordnet. sein, während die Kanäle statio  när sind. Die Anordnung kann aber auch um  gekehrt sein, es ist nur notwendig, dass zwi  schen den Kanälen und den Zellen eine Rela  tivrotation möglich ist.  



  Bei diesen     Druekaustauschern    ist der so  genannte Druckaustausch     zwischen        zwei     durch die     Druekaustauschkanä1e    miteinander  verbundenen Zellen kein vollständiger Druck  austausch indem Sinne, dass das Gas von ur  sprünglich höherem Druck in der einen Zelle  bis     herunter    auf den, ursprünglichen Druck  des Gases in der     Niederdriaekzelleexpandiert,     während das     letztgenannte    Gas gleichzeitig  den Ausgangsdruck des Gases in der     Iloch-          druekzelle    annimmt.

   In     Wirklichkeit    ist die  ser     Druckaustausch    in den genannten Druck-         austauschern    nur ein Ausgleichen von Druck  zwischen zwei miteinander verbundenen Zel  len, so     da.ss    keine  Kompressionszelle  den  höchsten Druck des Arbeitszyklus, d. h. den  Druck des bei Hochdruckspülung zugeführten  Frischgases und keine  Expansionszelle  den  niedersten Druck des Arbeitszyklus, d. h. den  Druck des bei     Niederdruckspülung    zugeführ  ten Frischgases, erreichen kann.  



  Die vorliegende     Erfindung    bezweckt vor  allem die bei solchen Maschinen auftretenden  Verluste herabzusetzen, und     zwar    :durch     eine     solche     Ausbildung    des     Druckaustauschers,     dass man dem vollständigen     Druckaustausch     zwischen zwei beliebigen, miteinander verbun  denen     Expansions-    und Kompressionszellen  näher kommt als bei bekannten     Druckaustau-          schern.     



  Gemäss vorliegender Erfindung     ist    der       Druckaustauscher    dadurch gekennzeichnet,       da.ss    jeder     Druckaustauscherkanal    einen kon  vergierenden     Einlassabschnitt,    einen Mittel  abschnitt-, der einen     konstanten    Querschnitt  besitzt     und    einen divergierenden     Auslass-          abschnitt    aufweist, wobei beim Betrieb des       Austauschers    der Strom von Austauschgas  zwischen zwei     miteinander    verbundenen Zellen  weitergeht, nachdem die     Drücke    in den.

   beiden  Zellen annähernd gleich sind, so dass der  Druck in der bezüglich des Austauschstromes  stromabwärts     liegenden    Zelle grösser wird als  der Druck in der stromaufwärts liegenden  Zelle.      Bei     Di-Lickaustauschern    der beschriebenen  Art kommt eine Zelle mit höherem     Gasdruek     jeweils mit einer Zelle mit geringerem Gas  drnek in Verbindung.

       Wenn    vorausgesetzt  wird, dass die     Strömungsvorgänge    verlustlos       verlaufen,    nimmt während des ersten Teils des       Druckaustauschvorganges    die Geschwindigkeit  des Au     stauschgasstromes    in dem oder den Ka  nälen stetig zu, und zwar zufolge der Herr  schenden Druckdifferenz, bis die Drücke in  den Zellen einander gleich sind.

   Anschlie  ssend nimmt der     Driickaustauseh,        zufolge    des  weitergehenden Gasstromes in dem oder den  Kanalabschnitten mit     konstantem        Querschnitt     seinen     Fortgang;    da aber jetzt die     Driiek4if-          feren.z    der Gasströmung entgegenwirkt,  nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Ga  ses ab, bis sie den     niedersten        Wert    erreicht.  In diesem Augenblick ist der     Druckaustausch     zwischen den beiden beteiligten. Zellen voll  ständig.  



  Im Idealfall, d. h. wenn keine Verluste  auftreten, wäre es also theoretisch möglich,  das Gas in der Kompressionszelle bis auf den  Ausgangsdruck der Expansionszelle zu kom  primieren, während das Gas in der letzt  genannten Zelle bis auf den     Anfangsdruck    in  der Kompressionszelle     expandiert    wird, vor  ausgesetzt, dass die Volumina. der beiden. Zel  len gleich sind.  



  Es scheint nun besonders vorteilhaft. zu  sein, eine solche Anordnung zu treffen, dass  die Kanäle, soweit dies möglich ist, stets mit  Zellen in Verbindung stehen, so dass die Strö  mungsgeschwindigkeit des Gases in den Ka  nälen aufrechterhalten wird.  



  Um einen Druckaustausch über den     Gleich-          geu-iehtspunkt    der Gasdrücke hinaus zu  ermöglichen, muss die     Verbindung    zwischen  Zellen und Kanälen natürlich auch nachdem  die     Drücke    an den Enden der Kanäle ein  ander gleich geworden sind, aufrechterhalten  werden.  



  Es kann vorkommen, dass bei plötzlichem  Öffnen und Schliessen (teilweise oder voll  ständig) der Kanalenden     Verdichtungs-    und  Verdünnungswellen durch die Kanäle schie  ssen; dies wird aber den Diuickaustauschvor-    gang nicht beeinträchtigen, besonders darum  nicht, weil an den     Ausla.ssenden    der Kanäle       Diffusoren    vorgesehen sind.  



  Um einen wirkungsvollen Betrieb zu ge  währleisten und     besonders    um ein Rückströ  men von Gas in den     Druckaustauschkanälen     zu verhindern, ist, der     Drnekaustauscher          zweckmässig    auf Grund folgender Gleichung       dimensioniert     
EMI0002.0032     
         darin    bedeuten:

         a    = Schallgeschwindigkeit in dem Kanal  abschnitt mit, konstantem Querschnitt.,  t = Zeit, während welcher ein Kanal mit  einer Zelle in Verbindung steht,  L = Länge des oder der Kanalabschnitte mit  konstantem Querschnitt,       t'    =Volumen einer Zelle,       Ve    = Summe der Volumina aller mit, einer  Zelle in Verbindung stehenden Kanal  abschnitte mit. konstantem Querschnitt,  C =eine Konstante, etwa 2,5.  



  Physikalisch sagt. obige Gleichung aus,  dass die Zeit, während welcher ein Kanal mit.  einer Zelle in Verbindung steht, nicht grösser  sein soll als die     hälfte    der Zeit eines ganzen  Zyklus des durch die miteinander verbunde  nen, Zellen und' -des sie verbindenden Kanäle  gebildeten Resonanzsystems.  



  Wenn diese Zeit länger ist., als sie diese  Grenze angibt, dann steigen die Verluste  stark an.  



  Die beiliegende schematische Zeichnung       zeigt    einige     Ausführungsbeispiele    des Erfin  dungsgegenstandes.  



       Fig.    1 ist. ein Längsschnitt durch einen       Druckaustauscher    mit     einem    Zellenrotor.       Fig.    2 ist ein Querschnitt. nach der Linie       A-.1    in     Fig.    1.  



       Fig.    3     zeigt    in grösserem Massstab einen der  in     Fig.    1 gezeigten Kanäle im     Axialschnitt.          Fig.    4 ist ein Schnitt. nach der Linie     B-B     in     Fig.    3.  



       Fig.    5 ist ein     Längsschnitt    durch einen       Druckaustauscher    mit zwei Zellenrotoren,           Fig.    6 ist ein Schnitt nach der Linie     C-C     in     Fig.    5.  



       Fig.7    ist ein Teilschnitt nach der zylin  drischen Schnittfläche     D-D    in     Fig.    5, und       Fig.8    und 9 zeigen je eine     Abwicklung     auf eine Ebene     eines    Schnittes durch die Zel  len und Kanäle eines     zweirotorigen        Druek-          austauschers,    und dienen zur schematischen  Darstellung verschiedener Varianten.  



  Der in den     Fig.    1 und 2 dargestellte       Druekaustauscher    besitzt einen einzigen Ro  tor 1 mit, einer     Anzahl    von rund um den  Rotor angeordneten Zellen, die     dureh    Trenn  wände 5 gebildet     sind,    welche sich     zwischen     einem Aussenmantel Da und einem Innen  mantel 5b des Rotors in radialer     Richtung          erstreeken.    Der Rotor 1 ist in Lagern 3, 3'  drehbar gelagert. Diese Lager sind in statio  nären Endplatten 2, 2' angeordnet, wobei die  Drehrichtung des Rotors durch den. Pfeil<B>10</B>  in     Fig.    2 angedeutet ist..

   Die Spülleitungen  für die     Hochdruckspülzone    4     stehen    durch die  Endplatten mit den Zellen in Verbindung.  Dasselbe gilt auch für die Leitungen der     Nie-          derdruekspül@zone,6.    Beim     Betrieb    des Druck  austauschers erfolgt eine Kompression in den  Zellen des Sektors 7, während in den Zellen  des     Sektors    8 (Fug. 2) eine Expansion erfolgt..

    Um die     Verbindung        zwischen    Zellen in den  Sektoren 7 und 8 herzustellen,     zweeks        Ermög-          licliung    des Druckaustausches     zwischen    diesen  Zellen, sind Kanäle 9 so angeordnet, dass ihr  eines Ende mit Zellen im     Kompressionssektor     und ihr anderes Ende mit Zellen im Expan  sionssektor und Verbindung steht. Jeder Ka  nal weist.     geradlinige    Abschnitte 11, 11' von  konstantem Querschnitt,     Diffusoren    12, 12'       und    konvergierende Abschnitte 13, 13' auf.

    Um Stossverluste zu vermeiden, sind die     Ab-          sehnitte    12' und 13 an ihren Verbindungs  enden mit. den. Zellen entsprechend ausgebil  det., wie     Fig.4        zeigt-.    Ein Abschnitt     9a    von  konstantem, aber grösserem Querschnitt. ver  bindet die Abschnitte 12 und 13' miteinander.  



  In     Fig.    2 ist der Abstand der Kanäle 9 ab  sichtlich etwas zu gross gezeichnet.  



  Die     Wirkungsweise    des     besehriebenen          Druckaustauschers    ist folgende: Wenn der    Rotor rotiert,     kommen,    die die     Niederdxitck-          spülzone    6 verlassenden Zellen mit den En  den 12' der Kanäle 9 in Verbindung und Gas  kann in diese Zellen eindringen, wodurch ihr  Inhalt komprimiert-     wird.    Anderseits kommen  dabei die die     Hochdruckspülzone    4 verlassen  den Zellen mit den Enden 13 in     Verbindung,     wodurch Gas in die Kanäle austritt,

   das in  die den     Kompressionssektor        durchlaufenden     Zellen     strömt..    Zufolge der Wirkung der Ka  näle enthalten die in der     Hochdruckzone    4  eintreffenden     Zellern    Gas von. annähernd dein  in der Zone 4 herrschenden     Druck.    Dieses Gas  wird je nach dem     Verwendungszweck    des       Druckaustauschers    weiter     verwendet.    Im vor  liegenden Fäll sei angenommen, dass dieses  Gas entfernt     und    durch zu     expandierendes    an  deres Gas ersetzt werde.  



  Die Wirkungsweise der Kanäle ist dabei  folgende: 'Wenn eine     Zelle,    in welcher eine       Expansion    erfolgen soll, mit einem Kanal 9  verbunden wird, dann herrscht im allgemei  nen in dieser Zelle ein höherer Druck     als    am  andern Ende des     Kanals.    Demzufolge     strömt          Austauschgas,    bewirkt durch die herrschende  Druckdifferenz durch den Kanal;

   das Gas  wird dabei beschleunigt, und     demzufolge     nimmt die kinetische Energie     zii.    Den grössten       Wert    nimmt. die kinetische Energie in den       Abschnitten    11     und    1'1' an, in welchen Ab  schnitten die Gasgeschwindigkeit am grössten       ist.    Der     konvergierende    Teil 13 gewährleistet  einen stossfreien Eintritt des Gases und, dient  zur Führung der Strömung in der gewünsch  ten Richtung.

   Der an     lern        Abschnitt    11 an  schliessende     Diffusor    12 setzt die Geschwin  digkeit der austretenden Gase herab, so dass  die Gase mit relativ kleiner     kinetischer    Ener  gie den, Kanalteil 1'2 verlassen. Im Teil     9a    da  gegen bleibt. der Druck auf einem     konstantien          Hittelwert.    In den Teilen 13' wird der Gas  strom erneut     besehleunigt,    so dass auch in die  sen Kanalteilen eine     Zunahme    der kinetischen       Energie    stattfindet.

   Im     Diffivsor        12'    wird die  kinetische Energie der den Abschnitt 11 ver  lassenden Gase durch teilweise     Umwandlung     in     Dr-tickenergie    wieder verringert. Die Ver  bindung zwischen den zwei Zellen     wird    über      den Zeitpunkt hinaus aufrechterhalten, in  welchem die Gasdrücke in den Zellen ein  ander gleich sind. Von     diesem    Zeitpunkt an  wird kinetische Energie zur Kompression des  in der Kompressionszelle vorhandenen Gases  über den in der     Expansionszelle    herrschenden       Draek        hinaus        verwendet.     



  Bei einer Variante des     beschriebenen          Driickaustauschers    ist ein Kanalabschnitt ent  sprechend dem Abschnitt. 11 an     Stelle    des Ab  schnittes     9a    vorgesehen. Die Kanäle 11     usw.     können bezüglich der Endplatte, z. B. wie bei  41 in     Fig.    8 gezeigt-, auch schräg verlaufen.  Beim Betrieb ist jede am     DruckaustatLsch    be  teiligte Zelle     gleichzeitig    mit einer Mehrzahl  von Kanälen verbunden.  



  Es ist auch möglich, an beiden Enden des       Zellenrotors    Kanäle     anzuordnen.     



  Dichtungen 14     (Fig.4)    sind vorgesehen,  um     Leckverluste    an den Kanten der Zellen  wände zu vermindern. Die Einlass- und Aus  lassenden der Kanäle können ferner in ver  schiedenen     Radialabständen    an .die Endplatte       angeschlossen    sein.  



  Der     Druckaustauscher    gemäss den     Fig.    5,  6     und.    7 besitzt zwei koaxiale Zellenrotoren 15  und 16, wobei jeder Rotor annähernd gleich  ausgebildet ist wie der Rotor 1 des voran  gehend beschriebenen Beispiels. Die Rotoren  15, 16 sind gegenläufig rotierend in Lagern 18,  19, 20, 21 gelagert, welche Lager in     Endplat-          ten    22, 2-3, 24, 25 angeordnet sind. Die     End-          platten    24, 25 sind durch ein     Zwischenstuck     26 miteinander verbunden. Die Pfeile in       Fig.7    geben die     Drehriehtungern    der beiden  Rotoren an..

   Zwischen den beiden Rotoren sind       Druckaustauschkanäle    27, 2:8 angeordnet,  welche den     Durchfluss    von Austauschgas aus  Expansionszellen des einen Rotors in Kom  pressionszellen des andern Rotors ermögli  chen, wobei die Kanäle im obern     Bogenstück     des     Stators    in einer Richtung und die Kanäle  im untern Bogenstück in der andern Rich  tung vom Gas durchflossen werden.  



  Die Wirkungsweise dieses     Di-tickaustau-          schers    entspricht. derjenigen des vorangehend  beschriebenen     Austauschers    mit der Aus  nahme,     d'ass    bei der     zweirotorigen    Ausfüh-         rungsform    die Expansionszellen des einen Ro  tors mit den Kompressionszellen des andern  Rotors     zusammenarbeiten,.    Diese Anordnung  ermöglicht eine     einfaehere    Ausbildung der       Di-LlekaiLstausehkanäle.    In     Fig.    7 ist ein Ka  nalsystem     dargestellt.,    bei dem die Kanäle mit.

         Rücksicht.    auf die     Tangent.ialkomponente    der  Gasgeschwindigkeit an ihren Enden gebogen  sind. Am einen Ende weisen die Kanäle einen  konvergenten Teil und am andern Ende einen       Diffusor    auf. Die     @V        irkungsweise        dieser    Ka  näle     ist    im übrigen gleich, wie sie an Hand  der     Fig.    1 bis 4 beschrieben wurde.  



  Die Kanäle 27 können in der Nieder  druckzone eine grössere     (luerschnittsfläehe     aufweisen als in der Hochdruckzone, wie dies  beispielsweise durch die gestrichelten Linien  in     Fig.    6 angedeutet. ist.  



  Beim Beispiel gemäss     Fig.    8 sind 15 und  16 Zellenrotoren, 30, 31, 29 die     Hochdi-tick-          Spülkanäle,    38 Leitschaufeln zur Führung  der     Spülströmung    und 39, 39 Dichtungen am       Zwischenstück    26. In     Fig.    8 sind verschiedene       Varianten    von Kanälen dargestellt. 27 sind  Kanäle, wie sie an Hand von     Fi-,.    7 beschrie  ben wurden; 40 sind Kanäle, die so geformt  sind, dass Stösse, die zufolge der Umfangs  geschwindigkeit der Zellenrotoren auftreten  können, vermeidbar sind.

   Die Kanäle 41 be  sitzen einen konvergenten     Einlassteil,    der in  Richtung der Geschwindigkeit des den Zellen  rotor verlassenden Gases verläuft. Sie besitzen  ferner einen     Diffusor    43 und einen gekrümm  ten     Auslassteil    42, um eine     geeignete    Ge  schwindigkeitskomponente in Umfangsrich  tung zu erzielen. Das Spülen erfolgt im  Parallelstrom, wobei auf jeder Seite, wie  durch die Pfeile     Y    angedeutet, Gas eintritt  und durch die     Leitun-    31 zentral     abströmt..     



  'Gemäss     Fig.    9 werden die Zellen     durch     schraubenlinienförmig     verlaufende    Teile 44  gebildet. Diese Teile 44 verlaufen dabei  zweckmässig in solcher Richtung, dass das  Gas, das eine Zelle in Richtung der Druck  austauschkanäle     verlä.sst,    zur Hauptsache eine  reine     Axial!gesehwindigkeit    besitzt, d. h., dass  die     Umfangsgeschwindigkeitskomponente    stark  herabgesetzt ist. Die Kanäle 45 besitzen einen      gekrümmten     Einlassteil,    während die Kanäle       -k6    einen gekrümmten     Auslassteil    aufweisen.  



  Die Leitschaufeln 38 können auch in den  Zellenrotoren angeordnet. sein, oder die Enden  der Zellentrennwände können die gewünschte,  gebogene Form aufweisen.  



  Es ist natürlich möglich, mehrere annä  hernd koaxial zueinander     angeordnete    Zellen  rotoren vorzusehen, wobei     aufeina.nderfol-          ,-ende    Rotoren gegenläufig rotieren.     Zwischen     jedem Paar     nebeneinanderliegender    Rotoren  können für den     Druekaustaiisehv        organg    be  stimmte     Kanäle        vorgesehen    sein,

   und zwischen  den Rotoren können Leitungen     als    Ein- oder       Auslassverbindungen    mit Nieder- und     I3oeh-          drttekspülräumen    angeordnet sein.  



  Bei allen beschriebenen Ausführungsfor  men können die radialen     Zellenwände    so ge  formt sein, dass die in die Zellen eintretenden  oder sie verlassenden Gase einen Drehantrieb  des oder der Rotoren bewirken.



  Rotating pressure exchanger. The subject of the present invention is a rotating pressure exchanger with at least one cell ring for the compression and expansion of gas and channels for the pressure exchange, which are intended to connect cells in pairs, between which the pressure exchange is to take place.



  When the connection between two cells is established, gas at higher pressure expands in one cell and thus causes compression of the gas in the other cell, whereby a gas flow is created through the channels.



  With the described. The or each cell ring can be arranged to rotate in the manner of a pressure exchanger. while the channels are stationary. However, the arrangement can also be reversed, it is only necessary that a relative rotation is possible between the channels and the cells.



  In these pressure exchangers, the so-called pressure exchange between two cells connected to one another by the pressure exchange channels is not a complete pressure exchange in the sense that the gas expands from the originally higher pressure in one cell down to the original pressure of the gas in the low-pressure cell, while the The latter gas simultaneously assumes the initial pressure of the gas in the Iloch pressure cell.

   In reality, this pressure exchange in the above-mentioned pressure exchangers is only an equalization of pressure between two interconnected cells, so that no compression cell has the highest pressure of the working cycle, i.e. H. the pressure of the fresh gas supplied during high pressure purging and no expansion cell the lowest pressure of the operating cycle, d. H. the pressure of the fresh gas supplied with low pressure purging can reach.



  The main purpose of the present invention is to reduce the losses occurring in such machines, namely: by designing the pressure exchanger such that the complete pressure exchange between any two expansion and compression cells that are connected to one another is closer than with known pressure exchangers.



  According to the present invention, the pressure exchanger is characterized in that each pressure exchanger channel has a converging inlet section, a central section which has a constant cross section and a diverging outlet section, the flow of exchange gas between two interconnected during operation of the exchanger Continues after the pressures in the cells.

   the two cells are approximately the same, so that the pressure in the downstream cell with respect to the exchange flow is greater than the pressure in the upstream cell. In the case of dip exchangers of the type described, a cell with a higher gas pressure comes into contact with a cell with a lower gas pressure.

       If it is assumed that the flow processes are lossless, the speed of the exchange gas flow in the duct or ducts increases steadily during the first part of the pressure exchange process, according to the prevailing pressure difference, until the pressures in the cells are equal.

   The pressure exchange then continues, owing to the continuing gas flow in the channel section or sections with a constant cross section; but since the driiekiferen.z now counteracts the gas flow, the flow velocity of the gas decreases until it reaches the lowest value. At this moment the pressure exchange between the two is involved. Cells completely.



  Ideally, i. H. if no losses occur, it would theoretically be possible to compress the gas in the compression cell up to the initial pressure of the expansion cell, while the gas in the last-mentioned cell is expanded to the initial pressure in the compression cell, provided that the volumes . of both. Cells are the same.



  It now seems particularly beneficial. to be, to make such an arrangement that the channels, as far as possible, are always in communication with cells, so that the flow velocity of the gas in the channels is maintained.



  In order to enable a pressure exchange beyond the equilibrium point of the gas pressures, the connection between cells and channels must of course be maintained even after the pressures at the ends of the channels have become equal.



  It can happen that if the ends of the canal are suddenly opened and closed (partially or completely), waves of compression and dilution shoot through the canals; however, this will not impair the pressure exchange process, especially not because diffusers are provided at the outlet ends of the channels.



  In order to ensure effective operation and especially to prevent backflow of gas in the pressure exchange channels, the pressure exchanger is appropriately dimensioned on the basis of the following equation
EMI0002.0032
         in it mean:

         a = speed of sound in the duct section with constant cross section., t = time during which a duct is connected to a cell, L = length of the duct section (s) with constant cross section, t '= volume of a cell, Ve = sum of the Volumes of all duct sections connected to a cell with. constant cross-section, C = a constant, about 2.5.



  Physically says. above equation from that the time during which a channel is with. a cell is connected, should not be greater than half the time of an entire cycle of the resonance system formed by the interconnected 'cells and' of the channels connecting them.



  If this time is longer than this limit indicates, then the losses increase sharply.



  The accompanying schematic drawing shows some exemplary embodiments of the subject matter of the invention.



       Fig. 1 is. a longitudinal section through a pressure exchanger with a cell rotor. Fig. 2 is a cross section. along the line A-.1 in FIG. 1.



       Fig. 3 shows on a larger scale one of the channels shown in Fig. 1 in axial section. Fig. 4 is a section. along the line B-B in FIG. 3.



       FIG. 5 is a longitudinal section through a pressure exchanger with two cell rotors, FIG. 6 is a section along the line C-C in FIG. 5.



       7 is a partial section according to the cylindrical sectional area DD in FIG. 5, and FIGS. 8 and 9 each show a development on a plane of a section through the cells and channels of a two-rotor pressure exchanger, and are used for the schematic representation of various Variants.



  The pressure exchanger shown in Figs. 1 and 2 has a single Ro tor 1 with a number of cells arranged around the rotor, which are formed by dividing walls 5, which are between an outer shell Da and an inner shell 5b of the rotor in extend in the radial direction. The rotor 1 is rotatably mounted in bearings 3, 3 '. These bearings are arranged in statio nary end plates 2, 2 ', the direction of rotation of the rotor by the. Arrow <B> 10 </B> in Fig. 2 is indicated.

   The flushing lines for the high pressure flushing zone 4 are connected to the cells through the end plates. The same applies to the lines in the low pressure zone, 6. When the pressure exchanger is in operation, compression takes place in the cells of sector 7, while expansion takes place in the cells of sector 8 (Fig. 2).

    In order to establish the connection between cells in sectors 7 and 8, in order to enable the pressure exchange between these cells, channels 9 are arranged so that one end is connected to cells in the compression sector and the other end to cells in the expansion sector. Every channel shows. rectilinear sections 11, 11 'of constant cross-section, diffusers 12, 12' and converging sections 13, 13 '.

    In order to avoid shock losses, the tendons 12 'and 13 are also at their connection ends. the. Cells trained accordingly. As Fig.4 shows. A section 9a of constant but larger cross-section. ver connects the sections 12 and 13 'together.



  In Fig. 2, the distance between the channels 9 is clearly drawn a little too large.



  The mode of operation of the pressure exchanger described is as follows: When the rotor rotates, the cells leaving the low pressure flushing zone 6 come into contact with the ends 12 'of the channels 9 and gas can penetrate these cells, thereby compressing their contents. On the other hand, the high-pressure rinsing zone 4 leaving the cells comes into contact with the ends 13, whereby gas escapes into the channels,

   which flows into the cells passing through the compression sector .. As a result of the action of the channels, the cells arriving in the high pressure zone 4 contain gas from. approximately your pressure in zone 4. This gas is used further depending on the purpose of the pressure exchanger. In the present case it is assumed that this gas is removed and replaced by other gas to be expanded.



  The mode of operation of the channels is as follows: If a cell in which expansion is to take place is connected to a channel 9, then there is generally a higher pressure in this cell than at the other end of the channel. As a result, exchange gas flows through the channel, caused by the prevailing pressure difference;

   the gas is accelerated, and consequently the kinetic energy zii. Takes the greatest value. the kinetic energy in sections 11 and 1'1 ', in which sections the gas velocity is greatest. The converging part 13 ensures a smooth entry of the gas and serves to guide the flow in the desired direction.

   The diffuser 12, which is connected to the learning section 11, reduces the speed of the exiting gases, so that the gases leave the channel part 1'2 with a relatively small kinetic energy. In part 9a there remains. the pressure on a constant mean value. In the parts 13 'the gas flow is accelerated again, so that an increase in the kinetic energy also takes place in these channel parts.

   In the diffuser 12 ', the kinetic energy of the gases leaving section 11 is reduced again by partial conversion into pressure energy. The connection between the two cells is maintained beyond the point in time when the gas pressures in the cells are equal to one another. From this point on, kinetic energy is used to compress the gas present in the compression cell beyond the pressure prevailing in the expansion cell.



  In a variant of the pressure exchanger described, a channel section corresponds to the section. 11 instead of section 9a provided. The channels 11 etc. can with respect to the end plate, e.g. B. as shown at 41 in Fig. 8, also run obliquely. In operation, each cell involved in the pressure switch is connected to a plurality of channels simultaneously.



  It is also possible to arrange channels at both ends of the cell rotor.



  Seals 14 (Fig.4) are provided to reduce leakage losses at the edges of the cell walls. The inlet and outlet ends of the channels can also be connected to the end plate at different radial distances.



  The pressure exchanger according to FIGS. 5, 6 and. 7 has two coaxial cell rotors 15 and 16, each rotor being of approximately the same design as the rotor 1 of the example described above. The rotors 15, 16 are rotatably mounted in opposite directions in bearings 18, 19, 20, 21, which bearings are arranged in end plates 22, 2-3, 24, 25. The end plates 24, 25 are connected to one another by an intermediate piece 26. The arrows in Fig. 7 indicate the direction of rotation of the two rotors.

   Pressure exchange channels 27, 2: 8 are arranged between the two rotors, which enable the flow of exchange gas from expansion cells of one rotor into compression cells of the other rotor, with the channels in the upper bend of the stator in one direction and the channels in the lower bend in the other direction are traversed by gas.



  The mode of action of this diet exchanger corresponds. that of the exchanger described above, with the exception that in the two-rotor embodiment, the expansion cells of one rotor work together with the compression cells of the other rotor. This arrangement enables a simpler formation of the di-LlekaiLstausehkanäle. In Fig. 7 a channel system is shown. In which the channels with.

         Consideration. are bent at their ends on the tangent.ial component of the gas velocity. At one end the channels have a convergent part and at the other end a diffuser. The mode of action of these channels is otherwise the same as was described with reference to FIGS.



  The channels 27 can have a larger cross-sectional area in the low-pressure zone than in the high-pressure zone, as is indicated, for example, by the dashed lines in FIG.



  In the example according to FIG. 8, 15 and 16 are cell rotors, 30, 31, 29 the high-di-tick flushing channels, 38 guide vanes for guiding the flushing flow and 39, 39 seals on the intermediate piece 26. In FIG. 8, different variants of channels are shown. 27 are channels, as shown by Fi- ,. 7 have been described; 40 are channels that are shaped so that shocks that can occur due to the circumferential speed of the cell rotors can be avoided.

   The channels 41 be sitting a convergent inlet part, which runs in the direction of the speed of the rotor cells leaving the gas. They also have a diffuser 43 and a curved outlet part 42 to achieve a suitable speed component in the circumferential direction. The flushing takes place in parallel flow, with gas entering on each side, as indicated by the arrows Y, and flowing out centrally through the lines.



  According to FIG. 9, the cells are formed by parts 44 running in a helical manner. These parts 44 expediently run in such a direction that the gas exiting a cell in the direction of the pressure exchange ducts has mainly a pure axial velocity, i.e. that is, the peripheral speed component is greatly reduced. The channels 45 have a curved inlet part, while the channels -k6 have a curved outlet part.



  The guide vanes 38 can also be arranged in the cell rotors. or the ends of the cell partitions can have the desired curved shape.



  It is of course possible to provide several approximately coaxially arranged cell rotors, with consecutive rotors rotating in opposite directions. Between each pair of adjacent rotors, certain channels can be provided for the pressure release process,

   and lines can be arranged between the rotors as inlet or outlet connections with low-level and low-level flushing spaces.



  In all of the embodiments described, the radial cell walls can be shaped in such a way that the gases entering or leaving the cells cause a rotary drive of the rotor or rotors.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCEI Rotierender Druckaustauscher mit wenig stens einem Zellenring zur Kompression und Expansion von Gas und Kanälen für den Druckaustausch, welche dazu be- srtimmt sind, Zellen paarweise miteinander zu verbinden, zwischen welchen Zellen der Druckaustausch erfolgen soll, dadurch ge kennzeichnet., da.ss jeder Druekaustauschkanal einen konvergierenden Einlassa.bschnitt, einen Mittelabschnitt, der einen konstanten Quer schnitt- besitzt, und einen divergierenden Ans lassabschnitt aufweist, PATENT APPLICATION Rotating pressure exchanger with at least one cell ring for the compression and expansion of gas and channels for pressure exchange, which are intended to connect cells in pairs, between which cells the pressure exchange is to take place, characterized in that each Pressure exchange duct has a converging inlet section, a central section which has a constant cross section, and a diverging outlet section, wobei beim Betrieb des Austausehers der Strom von Austauschgas zwischen zwei miteinander verbundenen Zel len weitergeht, nachdem die Drücke in den beiden Zellen annähernd gleich sind, so dass der Druck in der bezüglich des Austausch stromes stromabwärts liegenden Zelle grösser wird als der Dxuek in der stroma.ufwä.rtslie- genden Zelle. UNTERANSPRÜCHE: 1. Dxuckaustauscher nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung, dass beim Betrieb jede am Druckaustausch beteiligte Zelle gleichzeitig mit einer Mehr zahl der genannten Kanäle verbunden ist. during operation of the exchanger, the flow of exchange gas between two interconnected cells continues after the pressures in the two cells are approximately equal, so that the pressure in the downstream cell with respect to the exchange flow becomes greater than the pressure in the stroma. upward cell. SUBClaims: 1. Pressure exchanger according to claim, characterized by such a design that, during operation, each cell involved in the pressure exchange is simultaneously connected to a plurality of said channels. 2. Druckatutauscher nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch einen einzigen, einen Rotor bildenden Zellenring und stationäre Kanäle, wovon jeder Kanal zwei Abschnitte mit konstantem Querschnitt aufweist, 2. Pressure exchanger according to claim, characterized by a single cell ring forming a rotor and stationary channels, each of which has two sections with constant cross-section, welche vom Austauschgas in Serie durchströmt wer den und je einen konvergierenden Einlass und einen divergierenden Auslass besitzen= wobei der Auslass des stroma-ufwärtsliegenden der beiden Abschnitte mit dem Einlass des gtromabw ärtsliegenden Abschnittes durch einen Verbindungskanal miteinander v erbun- , den sind, dessen Querschnitt grösser ist als derjenige der beiden genannten Abschnitte. through which the exchange gas flows in series and each have a converging inlet and a diverging outlet = the outlet of the upstream of the two sections being connected to the inlet of the downstream section by a connecting channel, the cross section of which is larger is than that of the two sections mentioned. 3. Druckaustauscher nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch zwei gegenläufig. rotie rende, koaxiale Rotoren mit je einem Zellen-, ring und einem die Rotoren trennenden Sta- tor, in welchem die Druckaustauschkanäle vorgesehen sind, wobei die in einem ersten Bogenstück des Stators angeordneten Kanäle für den Durchfluss von Gas in der einen Rich tung bestimmt sind, während die restlichen Kanäle, welche in einem zum erstgenannten Bogenstück versetzten Bogenstück des Sta- tors angeordnet sind, 3. Pressure exchanger according to claim, characterized by two opposing directions. Rotating, coaxial rotors each with a cell ring and a stator separating the rotors, in which the pressure exchange channels are provided, the channels arranged in a first bend of the stator being intended for the flow of gas in one direction , while the remaining channels, which are arranged in an arcuate section of the stator offset from the first-mentioned arcuate section den Durchfluss von Gas in der andern Richtung dienen. 4. Druckaustaiuscher nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle in der Niederdruckzone einen grösseren Quer schnitt aufweisen als in der Hochdruckzone. 5. Druckaustauscher nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellenring einen Rotor bildet, wobei die Kanäle einen gebogenen Auslassteil aufweisen, der zum Aus stossen von Gas mit einer G eschwindigkeits- komponente in Drehrichtung des Rotors dient. serve to flow gas in the other direction. 4. Pressure exchanger according to claim, characterized in that the channels in the low-pressure zone have a larger cross-section than in the high-pressure zone. 5. Pressure exchanger according to claim, characterized in that the cell ring forms a rotor, the channels having a curved outlet part which is used to expel gas with a speed component in the direction of rotation of the rotor. 6. Druckaustauscher nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellenring einen Rotor bildet, wobei die Kanäle einen gebogenen Einlassteil aufweisen, zwecks Ge währleistung eines stossfreien Gaseintrittes in den Kanal. 6. Pressure exchanger according to claim, characterized in that the cell ring forms a rotor, the channels having a curved inlet part, in order to guarantee a smooth gas entry into the channel.
CH301135D 1950-05-09 1951-05-05 Rotating pressure exchanger. CH301135A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0036045A1 (en) * 1980-03-17 1981-09-23 BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. Pressure wave machine

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