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.
Pressure exchanger The invention relates to a pressure exchanger. This is a machine with cells for the compression and expansion of gas, with lines for the supply and discharge of the gas to and from the cells in at least one low-pressure purging stage and in a high-pressure purging stage, and means for establishing a cyclical connection between the Cells and lines. Most of the time, the cells are arranged on the circumference of a rotor, while the lines are stationary.
In the thermodynamic cycle of a pressure exchanger, the activation of a heat exchanger is desired now and then, for reasons that are known from gas turbine processes. Heat exchangers, however, are generally bulky pieces of equipment and, if they were attached to pressure exchangers in the usual way, would otherwise considerably complicate very simple systems. In contrast, unexpected advantages can be achieved if the heat exchanger and pressure exchanger are assembled into a single machine.
The invention relates to a pressure exchanger, characterized in that heat storage attachments are provided through which at least part of the gas leaving a cell in the high pressure and low pressure purging stages flows in order to enable heat exchange between these gas flows.
The accompanying drawing shows some execution examples of the subject invention.
1 and 2 show a first and second embodiment schematically in development; 3 shows a third embodiment in longitudinal section; Fig. 4 shows a rinsing stage of this third Ausfüh approximately form schematically in development; 5 shows a variant of this third embodiment in a partial longitudinal section; Fig. 6 shows schematically in development the low pressure flushing stage of another variant, and Fig. 7 shows schematically in development a fourth embodiment.
In the various figures, parts that fulfill the same function have the same reference characters.
In Fig. 1, 1 denotes a rotor which is provided with a ring of cells, in each of which a heat exchange element 2 is installed. Each such element consists of a porous insert made of wire mesh and takes up only about 5% of the length of the cell. The cell wheel is set in rotation by an external drive or the effect of the gases flowing through it on suitably shaped cell walls in the direction of arrow 3 between stator walls 4, 5.
Let us consider a cell that is about to be filled with fresh air from the inlet line 6. The insert 2 is hot because it has been heated in a manner to be described. The cell containing the fresh air moves on and reaches a line 7, from which hot gas flows into the cell at high pressure and presses the fresh air towards the end of the cell where the insert is located. The course of the boundary between air and gas is indicated purely schematically by an irregular line. As a result of the inflow of the high-pressure gas, a pressure will build up in the cell which is higher than the static pressure in line 7.
The cell is then opened towards the line 8, and the compressed air flows through the hot insert 2 into this line, taking over heat from the insert in order to flow preheated through a connecting line 9 to a combustion chamber 10, where it continues to be heated by the combustion of fuel injected therein in order to flow back to the cell ring as fuel gas.
At the point 11, each cell contains hot, high-pressure gas which expands into a useful gas line 12 and passes through this at still high pressure from a consumer machine, such as B. a gas turbine or chemical apparatus is supplied. The hot gas remaining in the cell at 13 reaches the exhaust line 14, in which it expands to atmospheric pressure, releasing a considerable part of its heat to the insert. The relaxation of the exhaust gases causes a certain emptying of the cell and thus favors the subsequent inflow of fresh air from the line into this cell.
The boundary between the exhaust gas and fresh air is again indicated by an irregular line. The work cycle then begins again.
The mutual positions of the lines, their width in relation to the cell size, are chosen so that pressure and expansion waves occur in the cells.
It is also known to provide for pressure exchangers via line ducts, by means of which the expansion of gas from a cell which has passed through the high pressure flushing stage is used to compress gas in another cell which is approaching this stage. In FIG. 2 the manner in which a transfer channel can be added to a pressure exchanger according to FIG. 1 is shown. If a cell migrating in the direction of arrow 3 loses connection with the line 8, its end facing away from the insert comes into connection with an opening 15.
The gas from the cell just mentioned can flow through the transfer channel 16 adjoining this opening and an opening 17 to a cell under lower pressure before the latter reaches the high-pressure flushing lines 7 and 8.
In the two embodiments just described, the gases exiting the cells in the rinsing stages flow through the heat exchange insert 2. To reduce the pressure loss, which is particularly important in the low-pressure rinsing stage, the heat exchange insert is conveniently placed in a side pocket of the cell. In Fig. 3, a pressure exchanger cellular wheel 1 is shown which rotates between stator plates 4, 5 into which the lines open. Only two of these are shown, namely the low-pressure flushing lines 18, 19.
At one end of the cells, a heat exchange insert 20 is arranged on the outer circumference of the cell wheel and is separated from the outer housing 21 by a small gap. The insert is divided by radial extensions of the cell walls, possibly also by additional walls that run parallel to these extensions. At a point on the housing 21 which is in the direction of rotation before that point at which the lines 18, 19 are in connection with the cells (see also FIG. 4), a line 22 branches off, which allows gas to flow out from the cells through the inserts 20 and this gas leads to an ejector 23 which is directed downstream in the line 19.
In this way, the flow of gas that has passed through the insert promotes low pressure purging. The high-pressure flushing stage of such a pressure exchanger is expediently designed according to FIG. The inlet line 24 opens out onto the cells in an axially parallel direction, while the outflow line 25, similar to the line 22, has a radial connection piece.
In the case of low or high purge stages designed in this way, the heat exchange insert 20 in the low pressure stage absorbs heat from the gases, which then flow through line 22 to the ejector 23 in order to then give off heat to the compressed gases in the high pressure purge stage which are sent to the combustion chamber or another heat supply device flow men.
A similar support of the flushing by an ejector can also be achieved in versions in which the use is the same as in the versions according to FIGS. 1 and 2 in the cells angeord net. 6 shows a low-pressure rinsing stage of a corresponding arrangement, the inflow line being denoted by 26 and the outflow line being denoted by 26 '.
Immediately before a cell reaches the flushing stage, it opens into an additional opening 27 through which a small portion of its gas content is blown into a line 28 and then through an ejector 29 corresponding to the ejector 23 into the line 26 '. The size of the opening 27 is chosen so that the ejector effect compensates for the flow resistance of the insert 2 so that effective flushing is ensured.
The embodiment of FIG. 7 is in certain respects similar to that of FIG. 1, but has the inserts 20 arranged in pockets as described with reference to FIG. The low-pressure flushing lines are designated by 6 and 14, the high-pressure flushing lines by 7 and 8. Instead of taking the usable hot high-pressure gas directly from the cells as shown in FIG. 1, the high-pressure flushing lines are used for this purpose.
The flow emerging from the line 8 is divided, with a part flowing through the line, the combustion chamber and the line 7 back to the cell wheel and the remaining part being passed through the line 30 to the utility machine. This embodiment is a variant of that according to FIG. 1.
The annular channel for the insert 20 in the outer housing has two openings 31, 32 through which the gas can escape from the insert. The gas which exits through the opening 31 is led through the line 33 to an opening 34 to re-enter the cells, while that which exits through the opening 32 is led through the line 35 to an opening 36, to enter the cells again. If a cell in position 37 is considered, it becomes clear that it is filled with air, since it has just left the low-pressure flushing stage. At least some of the air contained in the cell exits through the insert 20 and the opening 31.
This insert is hot and the air entering the cell through opening 34 has been heated by heat exchange in the insert. By heating the working medium before it reaches the actual heat supply stage, pressure increases are achieved. The cell located in position 38 is filled with hot gas which, when it passes through the insert to the opening 32, heats the insert. The gas that re-enters the cells through the opening 36 is correspondingly cooler. The two sets 31, 33, 34 and 32, 35, 36 of openings and connecting lines form flow paths for heating at constant volume and cooling at constant volume. The pressure levels in the rotor are increased or decreased by this type of flow.
When installing the insert in pockets as described above, this insert is easily accessible after removing the corresponding housing part. If the insert is divided into, for example, semicircular segments, it can easily be removed for cleaning purposes.
Although it was mentioned above to produce the insert from wire mesh or mesh, other types can also be selected for the same, e.g. B. with ribs or plates. Ribs can e.g. B. be attached to the cell walls and protrude into the cells; Plates can be designed as concentric cylinders in the cell wheel (for inserts in the cells) or extend radially (for inserts in outer pockets). Care must be taken to avoid pressure losses as far as possible, and use should not significantly hinder the formation of pressure waves and expansion waves during operation.