Druckaustauscher Die Erfindung betrifft einen Druckaustauscher. Das ist eine Maschine mit Zellen für das Verdichten und das Expandieren von Gas, mit Leitungen für die Zu- und Ableitung des Gases zu bzw. von den Zellen in mindestens einer Niederdruckspülstufe und in einer Hochdruckspülstufe, und Mitteln zur Her stellung einer zyklischen Verbindung zwischen den Zellen und den Leitungen. Meistens sind die Zellen am Umfang eines Rotors angeordnet, während die Leitungen stationär sind.
Im thermodynamischen Zyklus eines Druckaus tauschers ist dann und wann die Einschaltung eines Wärmeaustauschers erwünscht, aus Gründen, die von Gasturbinenprozessen her bekannt sind. Wärmeaus- tauscher sind aber, im allgemeinen, sperrige Einrich tungsteile und würden bei einem in üblicher Weise vorgenommenen Anbau an Druckaustauscher sonst recht einfache Anlagen erheblich komplizieren. Hin gegen können unerwartete Vorteile erzielt werden, wenn Wärmeaustauscher und Druckaustauscher zu einer einheitlichen Maschine zusammengebaut wer den.
Gegenstand der Erfindung ist ein Druckaustau- scher, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmespeicher ansätzevorgesehen sind, die von wenigstens einem Teil des in der Hochdruck- und in der Niederdruckspül- stufe eine Zelle verlassenden Gases durchströmt wer den zwecks Ermöglichung eines Wärmeaustausches zwischen diesen Gasströmen.
Beiliegende Zeichnung stellt einige Ausführungs beispiele des Erfindungsgegenstandes dar.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine erste bzw. zweite Ausführungsform schematisch in Abwicklung; Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform im Längsschnitt; Fig. 4 zeigt eine Spülstufe dieser dritten Ausfüh rungsform schematisch in Abwicklung; Fig. 5 zeigt in einem teilweisen Längsschnitt eine Variante dieser dritten Ausführungsform; Fig. 6 zeigt schematisch in Abwicklung die Nieder druckspülstufe einer andern Variante, und Fig. 7 zeigt schematisch in Abwicklung eine vierte Ausführungsform.
In den verschiedenen Figuren tragen Teile, welche die gleiche Funktion ausfüllen, das gleiche Bezugs zeichen.
In der Fig. 1 ist mit 1 ein Rotor bezeichnet, der mit einem Ring von Zellen versehen ist, in jeder von welchen ein Wärmeaustauschelement 2 eingebaut ist. Jedes solche Element besteht aus einem porösen Ein satz aus Drahtgewebe und nimmt nur etwa 5 % der Länge der Zelle ein. Das Zellenrad wird durch einen äussern Antrieb oder die Wirkung der durchfliessenden Gase auf geeignet geformte Zellenwände im Sinne des Pfeils 3 zwischen Statorwänden 4, 5 in Drehung versetzt.
Es sei eine Zelle betrachtet, die im Begriffe steht, aus der Einlassleitung 6 mit Frischluft gefüllt zu wer den. Der Einsatz 2 ist heiss, weil er auf noch zu beschreibende Weise erhitzt wurde. Die die Frisch luft enthaltende Zelle wandert weiter und erreicht eine Leitung 7, aus welcher heisses Gas bei hohem Druck in die Zelle einströmt und die Frischluft gegen jenes Zellenende hin drückt, wo sich der Einsatz befindet. Der Verlauf der Grenze zwischen Luft und Gas ist rein schematisch durch eine unregelmässige Linie an gedeutet. Infolge des Einströmens des Hochdruck gases wird sich in der Zelle ein Druck aufbauen, der höher ist als der statische Druck in der Leitung 7.
Die Zelle wird dann gegen die Leitung 8 hin geöffnet, und die verdichtete Luft strömt durch den heissen Ein satz 2 hindurch in diese Leitung ab, wobei sie vom Einsatz Wärme übernimmt, um so vorgewärmt durch eine Verbindungsleitung 9 einer Brennkammer 10 zu- zufliessen, wo sie durch die Verbrennung von darin eingespritztem Brennstoff weiterhin erhitzt wird, um als Brenngas wieder dem Zellenring zuzufliessen.
An der Stelle 11 enthält jede Zelle heisses Hoch druckgas, welches in eine Nutzgasleitung 12 hinein- expandiert und durch diese bei noch immer hohem Druck einer Verbrauchsmaschine, wie z. B. einer Gas turbine oder einem chemischen Apparat, zugeführt wird. Das an der Stelle 13 in der Zelle verbliebene heisse Gas gelangt zur Auspuffleitung 14, in welcher es sich auf atmosphärischen Druck entspannt, unter Abgabe eines erheblichen Teils seiner Wärme an den Einsatz. Die Entspannung der Auspuffgase be wirkt eine gewisse Entleerung der Zelle und begün stigt so das nachfolgende Einströmen von Frischluft aus der Leitung in diese Zelle.
Der Grenzverlauf zwi schen Auspuffgas und Frischluft ist wieder durch eine unregelmässige Linie angedeutet. Der Arbeits zyklus beginnt dann von neuem.
Die gegenseitigen Lagen der Leitungen, ihre Weite in bezug auf die Zellengrösse sind so gewählt, dass in den Zellen Druck- und Expansionswellen zustande kommen.
Es ist auch bekannt, bei Druckaustauschern über leitungskanäle vorzusehen, mittels welcher die Expan sion von Gas aus einer Zelle, welche die Hochdruck spülstufe durchwandert hat, ausgenützt wird, um Gas in einer andern Zelle zu verdichten, welche sich dieser Stufe nähert. In Fig.2 ist die Art und Weise ge zeigt, in welcher ein Überleitungskanal an einem Druckaustauscher nach Fig. 1 hinzugefügt werden kann. Wenn eine im Sinne des Pfeils 3 wandernde Zelle die Verbindung mit der Leitung 8 verliert, so tritt sie mit ihrem vom Einsatz abgewendeten Ende mit einer Öffnung 15 in Verbindung.
Durch den an diese Öffnung anschliessenden überleitungskanal 16 und eine Öffnung 17 kann das Gas aus der eben erwähn ten Zelle zu einer unter niedrigerem Druck stehenden Zelle überströmen, bevor letztere die Hochdruckspül- leitungen 7 und 8 erreicht.
In den beiden eben beschriebenen Ausführungs formen durchströmen die in den Spülstufen aus den Zellen austretenden Gase den Wärmeaustauschein- satz 2. Zur Verminderung der Druckverluste, die besonders in der Niederdruckspülstufe wichtig ist, wird man zweckmässig den Wärmeaustauscheinsatz in einer Seitentasche der Zelle anordnen. In Fig. 3 ist ein Druckaustauscher-Zellenrad 1 gezeigt, das zwischen Statorplatten 4, 5 dreht, in welche die Leitungen ein münden. Von diesen sind nur zwei gezeigt, nämlich die Niederdruckspülleitungen 18, 19.
Am einen Ende der Zellen ist am Aussenumfang des Zellenrades ein Wärmeaustauscheinsatz 20 angeordnet, der durch einen kleinen Spalt vom Aussengehäuse 21 getrennt ist. Der Einsatz ist durch radiale Verlängerungen der Zellenwände unterteilt, eventuell noch durch zu sätzliche Wandungen, die zu diesen Verlängerungen parallel verlaufen. An einer Stelle des Gehäuses 21, die in Drehungsrichtung vor jener Stelle liegt, an wel cher die Leitungen 18, 19 mit den Zellen in Verbin- dung stehen (siehe auch Fig. 4), zweigt eine Leitung 22 ab, die das Ausströmen von Gas aus den Zellen durch die Einsätze 20 erlaubt und dieses Gas zu einem Ejektor 23 führt, der in der Leitung 19 strom abwärts gerichtet ist.
Auf diese Weise begünstigt der Gasstrom, der durch den Einsatz hindurchgetreten ist, die Niederdruckspülung. Die Hochdruckspül- stufe eines solchen Druckaustauschers ist zweckmässig nach Fig. 5 ausgeführt. Die Einlassleitung 24 mündet in achsparalleler Richtung auf die Zellen aus, wäh rend die Abströmleitung 25 ähnlich wie die Lei tung 22. einen radialen Anschlussstutzen hat.
Bei solcher Art ausgebildeten Nieder- oder Hochspül- stufen nimmt der Wärmeaustauscheinsatz 20 in der Niederdruckstufe Wärme aus den Gasen auf, die dann durch die Leitung 22 zum Ejektor 23 strömen, um dann in der Hochdruckspülstufe Wärme an die verdichteten Gase abzugeben, die zur Brennkammer oder einer sonstigen Wärmezufuhrvorrichtung strö men.
Eine ähnliche Unterstützung der Spülung durch einen Ejektor kann auch in Ausführungen erzielt wer den, in denen der Einsatz gleich wie bei den Aus führungen nach Fig. 1 und 2 in den Zellen angeord net ist. Fig. 6 zeigt eine Niederdruckspülstufe einer entsprechenden Anordnung, wobei die Einström- leitung mit 26 und die Ausströmleitung mit 26' be zeichnet ist.
Unmittelbar bevor eine Zelle die Spül stufe erreicht, mündet sie auf eine zusätzliche öff- nung 27 aus, durch die hindurch ein kleiner Anteil ihres Gasinhaltes in eine Leitung 28 und dann durch einen dem Ejektor 23 entsprechenden Ejektor 29 in die Leitung 26' ausgeblasen wird. Die Grösse der Öffnung 27 ist so gewählt, dass die Ejektorwirkung den Strömungswiderstand des Einsatzes 2 kompen siert, damit eine wirksame Spülung gewährleistet ist.
Die Ausführungsform nach Fig. 7 ist in gewisser Hinsicht derjenigen nach Fig. 1 ähnlich, hat aber die in Taschen angeordneten Einsätze 20 wie mit Bezug auf Fig.3 beschrieben. Die Niederdruckspülleitun- gen sind mit 6 und 14, die Hochdruckspülleitungen mit 7 und 8 bezeichnet. Anstatt das nutzbare heisse Hoch druckgas wie in Fig. 1 direkt den Zellen zu ent nehmen, werden hierzu die Hochdruckspülleitungen herangezogen.
Der aus der Leitung 8 austretende Strom wird geteilt, wobei ein Teil durch die Leitung, die Brennkammer und die Leitung 7 zurück zum Zellenrad strömt und der übrige Teil durch die Leitung 30 zur Nutzmaschine geleitet wird. Diese Ausführung ist eine Variante derjenigen nach Fig. 1.
Der Ringkanal für den Einsatz 20 im Aussen gehäuse besitzt zwei Öffnungen 31, 32, durch welche hindurch das Gas aus dem Einsatz austreten kann. Dasjenige Gas, das durch die Öffnung 31 austritt, wird durch die Leitung 33 zu einer Öffnung 34 ge führt, um wieder in die Zellen einzutreten, während dasjenige, das durch die Öffnung 32 austritt, durch die Leitung 35 zu einer Öffnung 36 geführt wird, um auch wieder in die Zellen einzutreten. Wird eine Zelle in der Lage 37 betrachtet, so wird klar, dass sie mit Luft gefüllt ist, da sie eben die Niederdruckspül- stufe verlassen hat. Mindestens ein Teil der in der Zelle enthaltenen Luft tritt durch den Einsatz 20 und die Öffnung 31 aus.
Dieser Einsatz ist heiss, und die durch die Öffnung 34 in die Zelle eintretende Luft wurde durch Wärmeaustausch im Einsatz erhitzt. Durch Erhitzung des Arbeitsmittels, bevor dieses die eigentliche Wärmezufuhrstufe erreicht, werden Druck anstiege erreicht. Die in der Lage 38 befindliche Zelle ist mit heissem Gas gefüllt, das bei seinem Durch tritt durch den Einsatz zur Öffnung 32 hin den Ein satz erhitzt. Das durch die Öffnung 36 wieder in die Zellen eintretende Gas ist entsprechend kühler. Die beiden Sätze 31, 33, 34 und 32, 35, 36 von Öffnun gen und Verbindungsleitungen bilden Strömungswege für Erhitzung bei konstantem Volumen bzw. Kühlung bei konstantem Volumen. Die Druckpegel im Rotor werden durch diese Strömungsweise erhöht bzw. er niedrigt.
Beim oben beschriebenen Einbau des Einsatzes in Taschen ist dieser Einsatz nach Wegnahme des ent sprechenden Gehäuseteils leicht zugänglich. Ist der Einsatz in beispielsweise halbkreisförmige Segmente unterteilt, so kann er selbst zwecks Reinigung leicht ausgebaut werden.
Obwohl oben davon die Rede war, den Einsatz aus Drahtgewebe oder -geflecht herzustellen, können für denselben auch andere Bauarten gewählt werden z. B. mit Rippen oder Platten. Rippen können z. B. an den Zellenwänden befestigt sein und in die Zellen ragen; Platten können im Zellenrad als konzentrische Zylinder ausgebildet sein (für Einsätze in den Zellen) oder sich radial erstrecken (für Einsätze in äussern Taschen). Es muss auf möglichst weitgehende Ver meidung von Druckverlusten geachtet werden, und der Einsatz soll auch die Bildung von Druck- und Expansionswellen im Betrieb nicht erheblich behin dern.