Druckaustauscher. (r'egeiistarid der vorliegenden Ii,rfindung ist ein Druekaustauselier, der einen: Kranz von Zellen, in welchem Gas komprimiert und ex pandiert wird, sowie Leitungen. zum Zu- und Wegführen von Gas zu bzw. von den Zellen und -Mittel zur Erzeugung einer Relativdre hung zwischen den Leitungen und den Zellen aufweist.
Bei solchen Druekaustausehern er folgt bekanntlich eine Spülung der Zellen in einer Niederdruehzone.
Um ein Spülen der Zellen in der Nieder- druekzone zu erzielen. musste bei bekannten Ihnekaustausehern bisher ein Gebläse zur Erzeugung- der erforderlichen Gasströmung vorgesehen sein. Die vorliegende Erfindung bezweckt nun., den Leistungsaufwand zur Durchführung der Spülung herabzusetzen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist der Druckaustauseher der genannten Art da durch gekennzeichnet, dass 'Mittel vorgesehen sind, um eine neben der NiederdrLiekspülzone liegende Zelle mit, einer äussern Gasquelle in Verbindung zu setzen, in welcher ein Gas druck herrscht, der grösser= ist. als der Nieder druekspüldruek, so dass, wenn eine Zelle in die 1Viederdniekspülzone eintritt, sie be reits mit Gas gefüllt ist, dessen Druck zur Einleitung und Aufrechterhaltung des Spül stromes genügt.
Das Gas von der äussern Gasquelle kann zum Beispiel einem Kompressor entnommen werden. Anderseits kann dieses Gas auch we nigstens ein Teil des vom Drirekaustauseher ausgestossenen Nutzgases sein. So kann die ses Gas beispielsweise einer Zwisehenexpan- sionsstufe einer Expansionsmaschine entnom men werden, das heisst einer Gasturbine oder einer Kolbenbrennkraftmaschine, die durch den Druckaustauseher mit Arbeitsfluidum ge speist wird.
In einem extremen Fall kann das der äussern Quelle entnommene Gas das ge samte Abgas einer Expansionsmaschine sein, die vom Dnickaustauscher mit. Arbeitsfhii- dum gespeist wird. Das von aussen zugeführte Gas kann selbstverständlich irgendeiner ausser halb des Druekaustauschers liegenden Quelle entnommen werden, sofern es den geeigneten Druck und die geeignete Temperatur auf weist.
Das von aussen kommende Gas kann dem Druckaustauscher durch eine -Mehrzahl von Leitungen" in welchen verschiedene Drücke herrselien, zugeführt werden..
In der beiliegenden Zeichnung sind Aus- führungsbeispiele des Erfindungsgegenstan- des dargestellt.: es zeigen: Fig. 1 schematisch ein erstes Beispiel des Druekaustausehers mit abgewickeltem Rotor,
Fig. \? schematisch ein zweites Ausfüh rungsbeispiel und ' Fig. 3 schematisch eine Anlage mit einem Druckaustauseher gemäss Fig. 2 und einer vom letzteren mit Arbeitsfluidum gespeisten Turbine.
In Fig. 1 ist der Rotor 1 des Drriekaus- tausebers in Ahwieklung gezeigt, zusammen mit den zugehörigen nichtrotierenden Stator- teilen. Der Rotor weist einen Kranz von Zellen. auf, die durch Trennwände 1A vonein ander getrennt sind. Das Bewegen der Zellen in. der Zeichnung von links nach rechts, wie durch den Pfeil 2 angezeigt, entspricht der Drehrichtung des Rotors.
Die stationären Mittel, welche in der Zone der Hochdi¯Ltekspülung vorgesehen sind, um fassen eine Brennkammer 3, ein Flammrohr 3A, eine Leitung 4 auf der andern. R.otor- seite und eine Leitung 5, welche die Brenn kammer 3 mit der Leitung 4 verbindet, wo durch ein Geschlossener Strömungsweg für das Fluidum gehildet ist, das in Riehtung der Pfeile strömt. Durch die Leitung 6 wird flüs siger Brennstoff zugeführt, der in die Brenn- kammer 3 eingespritzt und dort verbrannt wird.
Die für die Niederdruckspülimg vorgese henen Mittel umfassen eine Einlassleitung 7, welche der Zufuhr von Frischgas (im vorlie genden Fall Luft) dient, sowie eine Auslass- leItung 8, durch welche das Abgas aus den Zellen fortgeleitet wird, das heisst in die Atmosphäre ausgestossen wird.
Ferner sind Rohre 9 vorgesehen, welche dazu bestimmt sind, Zellen., welche die Tloch'druekzone ver lassen haben, mit Zellen, welche die Nieder- druck7one verlassen haben, zu verbinden, so dass mittels der Rohre 9 zwischen den so mit einander verbundenen Zellen ein Druckaus gleich hergestellt wird, der in der einen Zelle eines Paares miteinander verbundener Zellen ein Sinken des Druckes und in der andern Zelle ein Steigen des Druckes bewirkt.
Diese Wirkung wird noch besser verständlich, wenn die Wirkungsweise des Druckaustauschers als Ganzes betrachtet wird:. Wird eine einzelne Zelle betrachtet, die mit.
den Leitungsteilen 3 und 4- in Verbindung kommt, so ist ersicht lich, dass der Gasinhalt dieser Zelle durch dem Spülvorgang aus der Zelle ausgestossen und durch aus der Brennkammer kommendes heisseres Gas ersetzt wird, das auch einen etwas höheren Druck aufweist, um die Strö- mungsw iderstände zu decken.
Wenn die Zelle während ihres Yv eiterbewegens die FIochdruel@- zone verlässt, erreicht sie auf ihrem Weg von links nach rechts in der Zeichnung die Stel lung 10, in welcher sie durch eines der Rohre 9 mit einer Zelle 19 verbunden wird. Der vor der Verbindung in der Zelle 19 herrschende Druck ist geringer als der Druck in der Zelle 10, so. dass, sobald die beiden Zellen miteinan der in Verbindung stehen, ein sogenannter Druckaustauseh zwischen den beiden Zellen stattfindet, wodureh die Drücke in den beiden Zellen 19 und 10 und dem sie verbindenden Rohr 9 einander annähernd gleich werden.
Dieser Druckausgleich bewirkt einen Gasstrom, der im folgenden Austauscligasstrom bezeich net wird, aus der Zelle 10 in die Zelle 19, und zwar durch das Rohr 9 in Richtung der Pfeile. Dann bewegt. sich die Zelle 10 in die Stellung 1.1, in welcher sie durch ein weiteres Rohr 9 mit einer Zelle 18 verbunden wird, so dass ein weiterer Druckaustausch statt findet, wodurch die Drücke in den Zellen 11 und 18 einander annähernd gleich werden.
Die Zelle 11 rückt. dann in die Stellung 12 vor, wo sie durch ein weiteres Rohr 9 mit einer andern Zelle 17 verbunden( wird, so da.ss erneut. ein Druckaustausch zwischen die sen Zellen stattfindet. Es sind so viele Rohre 9 als notwendig vorgesehen, doch sind aus Gründen der Einfachheit. nur deren. drei gezeichnet.
Wenn somit. eine Zelle die Hochdriiekzone verlässt und sich der Niederdruckzone nähert, wird der in ihr herrschende Druck in drei aufeinanderfolgenden Schritten gesenkt, wäh rend sich die Zelle an den Stellungen 10, 11 und 12 vorbeibewegt; gleichzeitig wird zwi schen Niederdruck- und Hochdruekzone des Druckaustausehers der Druck in einer Zelle, und zwar an der Stellungen 17, 18 und 19, in drei aufeinanderfolgenden Schritten, er höht.
In der Niederdrackzone wird das in den Zellen verbliebene Restgas als Abgas durch einem Spülvorgang ausgestossen und durch kaltes Gas (Luft) ersetzt, wobei die Zellen sich kontinuierlich weiterbewegen und der in ihnen herrschende Druck schrittweise beim Passieren der Stellungen 17, 18 und 19 er neut erhöht wird. Beim vorliegenden Ausführazngsbeispiel des Druekaustauschers wird angenommen, der letztere diene zur Lieferung von Heissgas, das zur Expansion in einer Turbine oder einer andern Kraftmaschine bestimmt ist.
Das zit diesem Zweck verwendete Gas wird durch die Leitung 20 abgeführt.
Es ist. vorgesehen, die notwendige Spülung durchzuführen, wenn die Zellen mit. den Lei tungen 7 und 8 verbunden sind, ohne dass Gebläse in diesen Leitungen 7 und 8 vorge sehen sein müssen..
Uni dies zu erreichen, ist eine Leitung 21 vorgesehen, die dazu bestimmt. ist:, mit- einer Zelle, welche die Niederdruckzone gerade ver lassen hat, verbunden. zu werden und dieser Zelle Gas von einer äussern Quelle zuzuführen, welches Gas einen etwas höheren Druck auf weist. als der in den Niederdruekspülleitun- a gen 7 und 8 herrschende Druck. Der Leitung 21 kann Gas zum Beispiel von einem Kom pressor \?3 zugeführt werden.
Wenn somit eine Zelle die Niederdi-Ltckspülzone verlässt und die Stellung 15 erreicht, wird ihr Druck durch das aus der Leitung 2'1 zuströmende Gas erhöht. Ein weiterer Diuckanstieg er folgt dann zufolge des normalen Druekaus- tausehes, wenn die Zelle aufeinanderfolgend die Stellungen 17, 18 und 19 erreicht.. Dieser Druckanstieg erfolgt. gleichzeitig mit einem entsprechenden Draekabfall. einer andern Zelle in den Stellungen 10, 11 und 12.
Wenn nun eine Zelle in der 'Stellung 12 mittels des Rohres 9 mit einer Zelle 17 verbunden wird, ; herrscht in der letzteren, bereits ein erhöhter Druck zufolge des vorangehend eingestTöm- ten Gases aus der Leitung 21.
Somit ist. der verbleibende Druck in der Zelle 1'2, wenn diese die Stellung 13 erreicht hat, höher; wenn dann die Zelle die Stellung 14 erreicht, ist der in ihr herrschende Druck gross genug, um eine Gasströmung zti erzeugen, welche in Richtung des Pfeils 14A erfolgt und eine -enügend grosse Geschwindigkeit besitzt, um den Spülgasstrom in den Leitungen 7 und 8 zu erzeugen..
Es ist zu bemerken, dass die Zelle im Verlaufe ihrer Bewegung zuerst mit der Leitung 8 und dann mit der Leitung 7 verbunden wird. Diese Reihenfolge der Ver bindung der Zelle mit den Leitungen 7 und 8 bewirkt, dass der Gasinhalt in der Zelle 14 in Richtung des Pfeils 14.4 beschleunigt wird.
Wenn die Unterbrechung der Verbin dung der Zelle mit den Leitungen, 8 und, 7 in der umgekehrten Reihenfolge erfolgt, das heisst., wenn :die Zelle wie in Fig. 1 zuerst an ihrem stromabwärtsliegenden Ende (Lei- t.ung 8) und erst.
dann an ihrem stromauf- wärtsliegen'den Ende (Leitung 7) geschlos sen wird, dann wird zufolge des Bewegungs- impulses in der Zelle der Druck erhöht, wo durch ein gewisses Aufladen der Zelle er folgt.. Der Druck in der Leitung 21 muss stets höher sein als der Dxaick in der Zelle, nachdem diese von den. Spülleitungen ge trennt wurde. Das der Zelle durch die Leitung 21 zugeführte Gas bewirkt, dass der Druck in den Zellen rund um den Rotor erhöht wird.
Es ist somit möglich, einige der Rohre 9 wegzulassen und somit. die Anzahl der Druck- austausche, welche während einer ganzen Umdrehung des Rotors auftreten, zit vermin dern..
Beim gezeichneten Beispiel ist noch eine zweite Leitung 22 vorgesehen zur 'Zufuhr von Gas von einer äussern Quelle her zum Druck austauscher. Die Anordnung ist dabei derart, dass .das durch die Leitung 22 zugeführte Gas einen höheren Druck aufweist. als das durch die Leitung 21 zugeführte. Das wird zweck mässig dadurch erreicht, dass die Leitung 22 an eine Endstufe eines Kompressors ange schlossen- wird, während die Leitung 21 an eine Zwischenstufe angeschlossen wird.
Anderseits können die Leitungen 21 und 22 auch an eine Expansionsmaschine, zurr Beispiel eine Turbine, angeschlossen sein.
Wenn eine Zelle die Stellung 15 erreicht und dort zuerst mit der Leitung 21 verbun den wird, entsteht. im Gas in der Zelle eine Druckwelle, die sich zum andern 'Zellenende fortpflanzt, wo sie reflektiert. und gegen die Leitung 21 zurückgeworfen wird. Zweck mässig wird eine Zelle mit einer Gas von einer äussern Quelle führenden Leitung an nähernd gleich lang verbunden, wie die ge- nannte Drnekwelle Zeit braucht-, um zur Öffnung dieser Leitung nach seiner Reflexion von der andern Endwand der Zelle zurück zukehren.
Bei gc3nailer zeitlicher Abstimmung der Vorgänge ist es möglich, in der Zelle einen: höheren. Druck zu erzielen, als er in den Leitungen 21 und 22 herrscht.
Zweckmässig wird ferner die Verbindung der Zelle mit der Leitung 2.1 oder 22 unter brochen, bevor das andere Zellenende gegen das eine der Rohre 9 hin geöffnet wird.
Beim praktischen Betrieb genügt: es je doch, wenn die Verbindung zwischen einer Zelle und.- den Leitungen 21 und, 22 unter brochen wird, bevor die Druckwelle in einer Zelle, die durch den höheren Druck im Rohr 9 erzeugt wurde, die Leitung 21 oder 22 er reicht. Somit ist es ohne weiteres möglich, dass eine Zelle geometrisch gleichzeitig mit der Leitung 21 oder 22 und einem der Rohre 9 in Verbindung steht. Zufolge der Drehge schwindigkeit des Rotors spielt dies jedoch keine Rolle.
Anstatt durch die Leitungen 21 und 22 kann das von aussen stammende Gas auch in die Zellen eingeführt werden, bevor diese Zellen die l@iederdi-t,iekzone erreicht haben. Die Gaszufuhr kann zum Beispiel mittels einer Leitung 24 erfolgen, welche Gas dem Kompressor 23 entnimmt. In diesem Fall wird der Druck in der Zelle in der Stellung 13 erhöht, so dass, wenn die Zelle die Stel lung 14 erreicht, der Spülstrom ausgelöst wird. Die Verbindung einer Zelle mit. den Rohren. 9 wird zweckmässig unterbrochen, bevor die Zelle mit der Leitung 24 in Ver bindung gebracht. wird.
Die Verbindung der in der Stellung 13 befindlichen Zelle mit der Leitung 24 wird unterbrochen, bevor diese Zelle mit der Leitung 8 verbunden wird. Es kann jedoch Fälle gebeir, in welchen es zweekmäss.ig ist, die Verbindung einer Zelle in der Stellung 13 mit der Leitung 8 herzustellen, bevor die Verbindung dieser Zelle mit der Leitung 2-1 unterbrochen ist.
In diesem Fall erfolgt unter der Wirkung des von aussen zugeführten Gases höheren Druckes eine grössere Beschleu- nigung des in der Zelle enthaltenen Gases.
Die Leitungen. 21, 22 oder 24 können an derseits auch auf der andern Rotorseite, das heisst auf der Seite der Leitung 8, angeord net sein. Es ist ferner möglich, diese Lei tungen auf beiden Rotorseiten vorzusehen, so dass die Gaszufuhr zu den Zellen eine kür zere Zeit beansprucht.
Somit kann eine Leitung 21. die in Fig. 1 gezeigte Anordnung aufweisen, während eine Leitung 2? auf der andern, das heisst. der gleichen Rotorseite wie die Leitung 8 an geordnet sein kann.
Fig.2 zeigt einen Druekaustauscher, der zwei gegenläufig rotierende, koaxial zueinan der angeordnete Zellenrotoren aufweist. Die Anordnung ist dabei derart., dass die den Rohren 9 gemäss Fig.1 entsprechenden Ka näle 31 dazu bestimmt sind, Zellen des einen Rotors mit. Zeilen des andern Rotors zu ver binden. Die zwei _-gegenläufig rotierenden Ro toren sind mit 25 und 26 bezeichnet und in Fig.2 in Abwicklung gezeigt.
Die Mittel für das Spülen in der Hochdruckzone, die Verbrennungskammer und die Entnahme des Nutzgases sind annähernd gleich wie beim Beispiel gemäss Fig. 1 und sind deshalb hier nicht. mehr weiter erläutert.. Die Zellen der Rotoren werden in der Niederdruekzone gleichzeitig gespült mittels der Leitungen 2 7 und 28, weiche dem Rotor 25 zugeordnet sirnd, und mittels der Leitungen 29 und 30. welche dem Rotor ?6 zugeordnet sind. Die Pfeile in Fig.2 zeigen die.
Strömungsrich tung des Spülgasstromes an. Wird zum Bei spiel die ganz links aussen in Pilo-.2 liegende Zelle des Rotors 25 betrachtet, die soeben die Hochdruckzone verlassen hat, so zeigt sich, dass, wenn diese Zelle die Stellung 9 erreicht, sie mittels Kanälen 31 mit einer Zelle V des andern Rotors \?6 verbunden wird. Zwischen diesen miteinander verbun denen Zellen erfolgt. nun ein sogenannter Druckaustausch. Mittels weiterer Kanäle 31 werden die Zellen L und T', C lind <I>T</I> usw.
paarweise aufeinanderfolgend so miteinander verbunden, dass eine Zelle des Rotors 25 bei ihrer ssewegitiib von < I tiaeli Ceiner An zahl aufeinanderfolgender Drucksenkungen unterliegt, während in einer Zelle des. Ro tors 26 bei ihrer Bewegung von 1' nach l' ,ehrittweise der Druck erhöht. wird. Ein 'enau gleicher Vorgang spielt sich zwischen den Stellen E, F, G und<I>P, Q, R ab.</I>
Was die Gaszufuhr von einer äussern Quelle betrifft, gleichen sich die beiden Bei spiele gemäss den Mg. 1 und 2 fast vollstän- dig. Beim vorliegenden Beispiel besitzt. das von aussen zugeführte Gas einen höheren Druck als vorangehend. in der Niederdruck spülzone in den Zellen jedes Rotors, welche diese Zone soeben verlassen haben, erzeugt wurde. Die Gaszufuhr erfolgt hier mittels einer Leitung 32, welche die Zellen des Ro tors '?5 speist, und einer Leitung 33, welche die Zellen des Rotors 26 speist.
Die Leitun gen 32 und 33 sind beide an einen Kom pressor anä-esehlossen. Anderseits kann das von aussen zugeführte Gas auch einer Ex pansionsmaschine entnommen werden:; eine solche Anordnung ist beispielsweise in Fig. 3 gezeigt.
Fig.3 zeigt. schematisch einen Druekaus- tauscher und eine ihm zugeordnete Gastur bine. Der nur in seinem Umriss gezeichnete Druekaustauseher entspricht im allgemeinen der Ausführung gemäss Fig. 2 und besitzt ein Paar von koaxialen, gegenläufig rotieren den. Rotoren ?5, 26. Die Zellen: der Rotoren weiden in der Niederdi-Liclkzone gespült.
Das Spülgas, zum Beispiel Luft von Atmosphären druck, tritt durch die Leitungen 27 und 29 in den: Druekaustauscher ein, während die Abgase der Rotoren, durch einen doppelten Auslass 28 und 30 entweichen können. Auf der 1-loeliclilickspülzone jedes Rotors sind Leitun gen 35 und 36 vorgesehen, welche an Brenn- kammern 3'7 bzw. 38 angeschlossen sind.
Das heisse, verdichtete Nutzgas wird mittels einer Leil uns r 39 abgeführt und einer mehrstufigen (last ui-bine 40 zugeleitet., von cleren MTelle Nutzleistung abgenommen, wird. Die Abgase dieser Turbine strömen. durch eine Leitung 41 ab.
Ein Teil des Arbeitsfluidums der Tur bine wird an einer mittleren Stufe der Tur- bine mittels eines hohres 42 altgezapft und durch weitere Rohre 43, 44 als das von aussen kommende Gas den Rotoren zugeführt. Das Rohr 43 ist an die Leitung 32 (Fig. 2, und 3) angeschlossen, während das Rohr 44 an die Leitung 33 angeschlossen ist.
Es ist zweck mässig, das von aussen zugeführte Gas zu kühlen, bevor es in die Leitungen 32 und 33 strömt.; zu diesem Zweck sind Kühlvorrich- tungen 45 vorgesehen. In. den Rohren 43 und 44 sind ferner Drosselventile 46 angeordnet.
Bei einem andern Ausführungsbeispiel wird das gesamte Abgas der Turbine 40 in den Druckaustauscher zurückgeführt, wo es als das von aussen zugeführte Gas dient.. In einem solchen Fall ist die Anzapfleitung 42 überflüssig, und die Rohre 43 und 44 sind an die Abgasleitung 41 angeschlossen.
Um beim Inbetriebs.etzen des Druckaus t.auschers die Spülströmungen zu unter stützen, ist die Zellenwand 1A (Fig. 1) zweck mässig schraubenlinienförmig angeordnet, so dass, wenn :der Rotor rotiert, diese Zellen wände als Schaufeln zur Erzeugung des Spül.gasstromes wirken.