Verfahren zur Veränderung des Druckes eines Fluidums und Druckwandler zur Durchführung des Verfahrens Gegenstand der Erfindung ist ein. Verfahren zur Veränderung des Druckes von Fluidum unter Ver wendung eines Druckwandlers, dadurch gekennzeich net, dass man folgende Schritte in der folgenden Rei henfolge ausführt:
Einführen von unter einem Aus gangsdruck stehendem Fluidum in einem ersten Strom in Zellen des Druckwandlers, Verdichten des Fluidums in den Zellen, Ausstossen eines Teils des Fluidums in einem zweiten Strom aus den Zellen bei einem höheren Druck als dem Ausgangsdruck, Ex pandieren des in den Zellen verbliebenen Fluidums und Ausstossen eines weiteren Teils des Fluidums aus den Zellen in einem dritten Strom bei einem. Druck, der niedriger ist als der Ausgangsdruck.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Druck- wandler zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass er je wenig stens eine Mitteldruckzuleitung, eine Hochdruck- und eine Niederdruckausströmleitung aufweist, die in sol cher Reihenfolge mit einzelnen Zellen des Wandlers in Verbindung treten, dass im Betrieb die oben er wähnte Reihenfolge der Verfahrensschritte eingehal ten wird.
Ein solcher Druckwandler wird im weiteren Ver lauf der Beschreibung vielfach Druckzerteilery> ge nannt werden.
Anhand beiliegender Zeichnung, die einige Aus führungsbeispiele des erfindungsgemässen Druck- wandlers schematisch darstellt, wird auch das erfin dungsgemässe Verfahren beispielsweise erläutert.
Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht die von einander entfernten Teile eines Druckwandlers, der als einfacher Druckzerteiler verwendet wird.
Fig.2 zeigt eine Abwicklung des zugehörigen Zellenrades und der zugehörigen Leitungen. Die Fig. 3 und 4 zeigen in je einer der Fig.2 ähnlichen Abwicklung zwei Varianten der Leitungs anordnung.
Fig. 5 zeigt eine Abwicklung eines Druckwandlers, der einen mehrfachen Druckzerteiler bildet.
Fig.6 zeigt in Abwicklung einen ebensolchen Druckwandler, und Fig. 7 zeigt einen Druckwandler mit Druckzertei- ler und Druckausgleicher, welche Ströme von zu Kühlzwecken verwendbarem Gas liefern.
Der als einfacher Druckzerteiler dienende Druck wandler, der in Fig.l dargestellt ist, weist einen Zellenring 1 auf, der sich aus einer Innentrommel 8, einer Aussentrommel 9 und radialen, achsparallelen Zellenwänden 10 zusammensetzt. Dieser Zellenring mit stirnseitig offenen Zellen kann sich zwischen Sta- torplatten 11, 12 mit einer Welle, die von einem Mo tor 14 angetrieben wird, im Sinne des Pfeils X dre hen. Die Statorplatte 11 hat zwei Öffnungen 15, 16, welche je mit einer Leitung 2 bzw. 4 zusammenstim men. Die Statorplatte 12 hat eine Öffnung 17, die mit einer Leitung 3 übereinstimmt.
Ein einzelner Strom von Fluidum, .das unter Ausgangsdruck - hier zweckmässig als Mitteldruck zu bezeichnen - steht, wird durch die Leitung 2 dem Zellenring zugeführt, und wenn der Druckwandler im Betrieb steht, strömt Fluidum unter höherem als Mitteldruck durch die Leitung 3 und unter niedrigerem als Mitteldruck durch die Leitung 4 ab.
Zur Erklärung der Arbeitsweise wird auf Fig.2 Bezug genommen. (In dieser Figur wie auch in den Fig. 3 bis 6 bedeutet ein V in vollen Linien ein Paar von Druckwellen und ein V in gestrichelten Linien ein Paar von Verdünnungswellen.) Der einzelne Strom von unter mittlerem Druck eintretendem Fluidum wird dem Zellenrad durch die Mitteldruck- zufuhrleitung 2 zugeführt und erzeugt ein Druck wellenpaar.
Demzufolge wird in den Zellen Fluidum verdichtet und zu der Hochdruckabgasleitung 3 ge tragen und in dieser unter höherem als Mitteldruck ausgestossen, wobei das in den Zellen verbleibende Fluidum dank einem Paar von Expansions- oder Ver dünnungswellen expandiert. Das auch dann in den Zellen verbliebene Fluidum wird zur Niederdruck- abgasleitung 4 getragen, in die hinein es unter nied rigerem als Mitteldruck ausströmt, unter erneuter Bildung von Verdünnungswellen.
Das auch dann noch in den Zellen verbliebene Fluidum wird zur Mittel druckeinfuhrleitung 2 hingetragen, wo der Zyklus von neuem beginnt.
Als Beispiel der Druckänderung, die mit einem einfachen Druckzerteiler erzielt werden kann, werden nun für die verschiedenen Regionen<I>A, B, C, D, E</I> und F der Fig. 2 die Drücke des Arbeitsfluidums an gegeben. In der Region A, also unmittelbar bevor die Zellen mit der Leitung 2 in Verbindung treten, wird der Druck etwa 0,95 ata betragen.
In der Region B, also in der Zufuhrleitung 2, beträgt der Ausgangs druck 3 ata. Dies ist der Stagnationsdruck , an einer Stelle, die genügend weit stromaufwärts liegt, damit die Strömungsgeschwindigkeit gleich null ist. Die mittlere Eintrittsgeschwindigkeit in die Zellen ist gleich etwa 0,6facher Schallgeschwindigkeit.
In den Zellen zwischen den Leitungen 2 und 3, also in der Region C, beträgt der Druck etwa 5 ata. Der Stagna tionsdruck in der Region D der Abgasleitung be trägt etwa 4,5 ata. Das Fluidum tritt mit O,lfacher Schallgeschwindigkeit von den Zellen in die Leitung 3 über.
In den Zellen zwischen den Leitungen 3 und 4, also in der Region E, beträgt der Druck etwa 1,4 ata, und in der Niederdruckabgasleitung 4, also in der Region F, beträgt er 1 ata. Es geht aus diesen An gaben hervor, dass der Druckzerteiler zwischen den Leitungen 3 und 2 ein Druckverhältnis von ungefähr 1,5:1 und zwischen den Leitungen 2 und 4 ein Druck verhältnis von ungefähr 3:
1 herstellt, und dass bei Speisung des Druckzerteilers durch die Leitung 2 mit einem schnellströmenden Mitteldruckgas ein Hoch druckfluidum mit relativ geringer Geschwindigkeit aus der Leitung 3 ausströmt.
Die Leitungen 2, 3, 4 können so nahe beieinander angeordnet werden, dass die Druck- und die Ver dünnungswellen sich überlagern, um eine einzige Welle von geringerer Stärke als derjenigen der ur sprünglichen Wellen zu bilden. Eine derartige Anord nung ist in Fig. 3 gezeigt.
Eine andere Anordnung der Leitungen in einem einfachen Druckzerteiler zeigt Fig. 4. Hier liegen die Mündungen der Einführleitungen <I>2a, 2b, 2c, 2d,</I> der Hochdruckleitungen 3a,<I>3b, 3c,</I> 3d und der Nieder druckleitungen<I>4a, 4b, 4c, 4d</I> so nahe beieinander,
dass die Druck- und die Verdünnungswellen sich zu Einzelwellen überlagern wie in der Ausführung nach Fig.3. Die Ausführung nach Fig.4 bietet den Vor teil einer maximalen Ausnützung der Statorplatten- flächen. Die gleichartigen Leitungen der eben beschriebe nen Ausführungsform können ausserhalb des Zellen ringes miteinander verbunden sein, zum Beispiel wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Hier wird ein Mitteldruck fluidumsstrom dem Druckwandler durch die Lei tung 5 zugeführt, die drei Äste<I>2a, 2b, 2c</I> hat.
In der Nähe der Ausmündung jedes dieser Äste befinden sich Einmündungen von Ästen 3a, 3b bzw. 3c einer Hochdruckleitung und solche von Ästen 4a, 4b bzw. 4c einer Niederdruckleitung. Diese Astgruppen bilden drei der mit Bezug auf Fig.3 beschriebenen ein fachen Druckzerteiler. Die Mündungen könnten aber auch weiter voneinander weg liegen, um Gruppen von Druckzerteilern gemäss Fig.2 zu bilden. Die Hockdruckäste vereinigen sich zu einer Leitung 6, die eine Mitteldruckeinführleitung eines letzten Druckzerteilers bildet.
Dieser letztere hat eine Hoch druckabgasleitung 3d und eine Niederdruckabgas- leitung 4d. Die Leitung 3d wird demgemäss mit Gas gespiesen, das vorhin durch die drei parallel geschal teten Druckzerteiler vorverdichtet wurde. Deshalb ist der Druck in der Hochdruckabgasleitung 3d be trächtlich höher als der Ausgangsdruck in der Lei tung 5, da das Fluidum in jedem der ersten drei Druckzerteiler und dann noch im letzten Druck zerteiler verdichtet wurde.
Ferner wurde der Fluidums druck erhöht, weil Fluidum von jeder der Hochdruck abgasleitungen 3a,<I>3b,</I> 3c gesamthaft durch die ge meinsame Leitung 6 strömt. Die Strömungsgeschwin digkeit in dieser Leitung 6 ist deshalb ungefähr drei mal so gross wie diejenige in jeder der Leitungen 3a, <I>3b, 3c,</I> und aus diesem Grunde ist die Druckwelle im letzten Druckzerteiler viel grösser und dementspre chend auch der Fluidumsdruck in der Leitung 3d.
Die Niederdruckabgasleitungen <I>4a, 4b,</I> 4c und 4d können zu einer einzigen zusammenlaufen.
Anstatt der vier in Fig. 5 gezeigten Druckzerteiler könnte eine andere Anzahl derselben zusammen geschlossen sein.
In der Ausführung nach Fig. 6 finden zur Erzeu gung eines hohen Gasdruckes mehrere Zellenringe Anwendung, die durch Leitungen so miteinander ver bunden sind, dass diese mit jedem Zellenring einen Druckzerteiler bilden. Die Zellenringe sind mit<I>l a,</I> 1 b und 1 c bezeichnet, die Mitteldruckzuführleitungen mit<I>2a, 2b, 2c,</I> die Hochdruckabgasleitungen mit 3a, 3b, 3c und die Niederdruckabgasleitungen mit 4a, <I>4b,</I> 4c. Die Leitung 3a geht in die Leitung<I>2b</I> über, die Leitung 3b in die Leitung 2c. Die drei Druck zerteiler sind somit gleichsam in Serie geschaltet , mit einem Druckanstieg von einem zum andern, also recht hohem Druck in 3c.
Man sieht, dass die Dimen sionen von einem Druckzerteiler zum nächsten ab nehmen, was dazu dient, das Druckgas zu beschleuni gen, bevor es in den nächsten Zellenring eintritt. Man könnte aber für die einzelnen Druckzerteiler die glei chen Dimensionen wählen; die Geschwindigkeit würde dann von einem Zerteiler zum nächsten ab nehmen. Man könnte auch eine Ausführungsart nach Fig.5 mit einer solchen nach Fig.6 kombinieren, wobei zwei oder mehr, nach Fig. 5 parallel geschal tete Druckzerteiler gemeinsam einen oder mehrere Druckwandler mit einem zweiten Zellenrad beliefern würden usw.
Auf diese Weise könnten noch höhere Enddrücke erzielt werden.
Bis anhin wurden die Druckwandler nach den Fig. 1 und 2 Druckzerteiler genannt. Das gleiche ge schah in bezug auf die Fig. 3 bis 6. Diese Druckwand- ler können aber auch als Temperaturzerteiler an gesehen werden, weil, allgemein gesagt, der aus der Leitung 3 ausströmende Hochdruckgasstrom und der aus der Leitung 4 ausströmende Niederdruckgasstrom auch heisser bzw.
kühler sein werden als der durch die Leitung 2 eintretende Mitteldruckgasstrom. Bei sorgfältiger Isolierung können somit die Ausführungs arten nach den Fig. 5 und 6 zur Erzeugung eines sehr heissen Gasstromes verwendet werden. Diese Druck- wandler können somit sehr wohl in Wärmepumpen prozessen angewendet werden, wobei dann dem heisseren Strom Wärme entzogen werden kann. Eine andere Anwendungsmöglichkeit besteht bei der Gas verflüssigung. In diesem Fall kann der Druck- bzw. Temperaturzerteiler als Mittel zur Entziehung von Wärme aus dem in die Leitung 2 eintretenden Strom betrachtet werden.
Die Anwendung eines Druck- bzw. Temperatur zerteilers als Kühl- oder Gefriermaschine ist beson ders denkbar für Luftfahrzeuge. Obwohl letztere normalerweise sich in kühler Umgebung befinden, erreichen sie rasch die Stagnationstemperatur
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worin<I>T</I> die Lufttemperatur,<I>V</I> die Fluggeschwin digkeit und C@, die spezifische Wärme der Luft bei konstantem Druck bedeutet. Bei Überschall geschwindigkeiten wird die Stagnationstemperatur ganz unangenehm hoch. Ein Abkühlen des Flugzeu ges wird dann schwierig, weil Wärmeaustauschflächen im Flugzeug arbeiten, wie wenn sie mit einem Me dium in Berührung ständen, dessen Temperatur T" betrüge, obwohl die Umgebungstemperatur nur T beträgt.
Es ist deshalb zur Abkühlung irgendeines Teils unter die Temperatur T" notwendig, einen Wärmepumpenprozess durchzuführen, und dazu eig net sich einer der oben beschriebenen Druckwandler recht gut.
Bei Verwendung eines einfachen Druckzerteilers kann man angestaute Luft ( ram air) bei Stagnations temperatur durch die Mitteldruckeinführungsleitung 2 einführen (Fig.2 und 3). Die durch die Leitung 4 strömende Luft hat auf Luft gewirkt, welche durch die Leitung 3 ausströmt; erstere ist also kühl, letztere hingegen heiss.
Ist die Strömung isentropisch und die Geschwindigkeit der Niederdruckluft klein, so wird die Temperatur dieser letzteren gleich der Aussenluft temperatur T sein und diese Niederdruckluft bildet eine Wärmesenke, zu welcher Wärme aus der Ka- bine oder aus sonst einem Teil abgeführt werden kann. Die Hochdruckluft kann durch Düsen aus gestossen werden zwecks Erzielung eines Rückstosses, oder sie kann zu Heizzwecken verwendet werden.
Eine Variante des einfachen Druckzerteilers bestünde darin, dass man die angestaute Luft oder Mitteldruck luft über den ganzen Umfang des Zellenringes verteilt auf einer Seite derselben in die Zellen eintreten liesse und auf der andern Seite abwechslungsweise Nieder- und Hochd'ruckabgaskanäle anordnen würde.
Fig.7 zeigt einen Druckwandler, der sich beson ders zur Luftfahrzeugkühlung eignet. Dieser Wandler hat einen ersten Zellenring 20 und einen zweiten Zellenring 25. Angestaute Luft wird dem Zellen ring 20 durch die Mitteldruckleitung 21 zugeführt, die auf einer Seite des Zellenringes 20 ausmündet. An die andere Seite dieses letzteren schliessen ab wechslungsweise Hochdruckabgasleitungen 22 und Niederdruckabgasleitungen 23 an. Man hat es hier mit einem Druck- oder Temperaturzerteiler zu tun.
Die Niederdruckleitungen 23 sind durch Kühlschlan gen 24 mit der einen Seite des zweiten Zellenringes 25 verbunden. Die- Hochdruckleitungen 22 sind direkt an die gleiche Seite des Zellenringes 25 angeschlos sen und wechseln mit den Enden der Leitungen 23 am Umfang des Zellenringes 25 ab. Die andere Seite dieses letzteren mündet an der Stelle 26 auf die Atmo sphäre aus. Der Zellenring 25 nimmt durch 22 Heiss luftströme auf und durch 23 Niederdruckluftströme und stösst Luft in einem Strom bei einem Zwischen druck aus. Hier hat man es also mit einer Umkehrung eines Druckzerteilers, also mit einem Druckausglei cher, zu tun.
Die Kühlschlangen 24 können im Ge rippe des Flugzeuges und/oder in den Kabinenwän den angeordnet sein.
Der Ausdruck Fluidum soll sowohl Gase, Flüssigkeiten und Mischungen dieser beiden umfas sen. In letzterem Fall kann die Ausbildung des oder der Zellenringe so getroffen sein, dass das Gas auf dem hohen Druck und die Flüssigkeit bei niedrigem Druck ausgestossen wird oder umgekehrt.
In den obigen Ausführungsbeispielen von Druck zerteilern werden die Verdichtungen und Expansio nen durch Druck- bzw. Verdünnungswellen erzielt; es können aber auch überleitungskanäle Anwendung finden. Ausserdem könnten anstelle der Zellenringe die Leitungskomplexe drehen. Die Leitungen könnten in der Nähe der Zellenringe im Sinne deren Relativ drehung geneigt sein.