Verfahren zum Verdichten von Gas in einem Zellenrad-Druckaustauscher und Druckaustauscher zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung befasst sich mit der Erzeugung von Druckgas in einem Zellenrad-Druckaustauscher. Das ist eine an sich bekannte Maschine mit Zellen für die Verdichtung und Expansion von Gas, Leitungen zur Zu- und Abfuhr von Gas an verschiedenen Zonen und Antriebsmitteln zur Herbeiführung einer Drehung des Zellenrades zwecks Herstellung einer zyklischen Verbindung zwischen den Zellen und den Leitungen.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, ein Gas, wie zum Beispiel Luft, in dem Zellenrad eines Druckaus- tauschers zu verdichten, durch Einführung von Hochdruckgas in Zellen, die Niederdruckluft enthal ten. Die Luft wird dann durch die direkte Wirkung des Hochdruckgases bei der Herstellung des Druck ausgleiches in der Zelle verdichtet. Das Hochdruck gas, das aus erhitzter Luft bestehen kann, wird durch geeignete Leitungen in die Zellen eingeführt und die verdichtete Luft durch andere Leitungen abgeführt. Die Speisung mit verdichtetem, heissem Hochdruck gas erfolgt dabei durch eine ausserhalb der Zellen gelegene Erhitzungsvorrichtung.
Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zum Verdichten eines Gases in einem Zellenrad- Druckaustauscher mittels Verbrennung innerhalb der Zellen des Druckaustauschers, gekennzeichnet durch die Reihenfolge nachstehender Massnahmen:
a) Laden der Zellen teils mit einem brennbaren Gasgemisch und teils mit dem zu verdichtenden Gas, b) Zünden des brennbaren Gasgemisches von einem Zellenende aus bei beiderseits geschlossener Zelle zum Zwecke der Gasverdichtung, c) öffnen -des dem Zündende entgegengesetzten Zellenendes und d) Mitbenutzung des Verbrennungsdruckes der verbrannten Teilladung zum Ausschieben des ver dichteten Gases.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Druck- austauscher zur Durchführung dieses Verfahrens, ge kennzeichnet durch .eine Leitung zur Zuführung des zu verdichtenden Gases, in deren Wandung eine Ein spritzdüse angeordnet ist, mittels welcher Brennstoff in einen Teil des zugeführten Gases eingespritzt wird.
Anhand beiliegender Zeichnung, die zwei Ausfüh rungsbeispiele des erfindungsgemässen Druckaustau- schers darstellt, wird auch das erfindungsgemässe Ver fahren beispielsweise erläutert.
Fig. 1 und 2 zeigen diese beiden Ausführungs- beispiele schematisch in Abwicklung.
In der Ausführungsform nach Fig.1 bewegt sich das Zellenrad 1 im Sinne des Pfeils 2 zwischen Stator- platten 3 und 4. Es sei eine einzelne Zelle in der Lage 5 betrachtet. Diese Zelle füllt sich mit Frisch luft, die in noch zu beschreibender Weise durch die Leitung 6 geführt wird. Ein Teil der durch die Leitung 6 strömenden Luft erhält Brennstoff aus einer Einspritzdüse 7, die, bezogen auf den Bewe gungssinn der Zelle, an der hintern Leitungswand an geordnet ist. Das Gemisch tritt in die Zelle ein, kurz bevor diese durch die Kante 8 verschlossen wird.
Der Brennstoff wird in der Leitung in der Strömungsrich tung der Luft eingespritzt, und nicht quer dazu; er verteilt sich also nicht über dem Strömungsquer schnitt; eine Verteilung kann sogar durch eine Zwi schenwand notwendigenfalls verhindert werden. Wenn sich die Zelle in der Lage 9 befindet, enthält sie Frischluft und an ihrem Eintrittsende ein Luft-Brenn- stoff-Gemisch. Der Verlauf der Grenze zwischen Luft und Gemisch ist durch eine unregelmässige Linie an gedeutet. Die Mischung wird entzündet, wenn die Zelle an einer Glühkerze 10 vorbeiwandert, die in der Statorplatte 4 eingebaut ist.
Der Druck nimmt bei der Verbrennung zu. Die Frischluft wird am aus- trittsseitigen Ende der Zelle verdichtet und dann in die Luft- bzw. Nutzgasabführleitung 11 hinein ver drängt. Diese ist so angeordnet, dass die Zelle gerade an ihr vorbeigewandert ist, bevor Verbrennungsgase in die Leitung übertreten.
Letztere verbleiben in der Zelle, bis diese an der Abgasleitung 12 ankommt, um dann in diese hinein zu expandieren und in der Zelle einen Unterdruck zu erzeugen, der das Wiedereinströ- men von Frischluft aus .der Leitung 6 begünstigt. Dann beginnt der Arbeitszyklus für diese Zelle erneut. Wenn zwei unter verschiedenen Drücken stehende Gase plötzlich aufeinanderstossen, wie das der Fall ist, wenn eine Zelle eines Druckgasaustauschers mit einer Leitung in Verbindung tritt, in der ein anderer Druck als in der Zelle herrscht, so kommt eine Welle zustande, welche die Zelle mit ungefähr Schall geschwindigkeit durchwandert.
Es kann sich dabei um eine Druck- oder um eine Expansionswelle han deln, je nachdem ob der Druck in der Zelle niedriger oder höher war als in der Leitung. Es sind Druckgas- austauscher gebaut worden, in denen diese Erschei nung ausgenutzt wird; Verbesserungen sind auch durch Anwendung von Umführungskanälen erzielt worden. Der Wirkungsgrad des oben umrissenen Vor ganges kann in ähnlicher Weise verbessert werden. Dies wird nun anhand der Fig. 2 erläutert.
In der Ausführungsform nach Fig.2 sind An ordnung und Wirkungsweise der Zellen und Leitun gen in bezug auf die Gasbewegung bekannt, so dass ein tatsächlicher Nutzen aus den Druck- und Expan sionswellen gezogen wird zur Unterstützung des Fül lens und Entleerens der Zellen. Die Verläufe der Druckwellenfronten in bezug auf die stationären Lei tungen sind mit vollen Linien angedeutet, .diejenigen der Expansionswellen mit gestrichelten Linien.
Die Entleerung einer Zelle in die Abgasleitung 12 wird nun unterstützt durch eine Expansionswelle 13, welche durch die Zelle wandert und an deren strom- aufwärtigen Ende einen kräftigen Unterdruck erzeugt. Die Einlassleitung steht dann mit der Zelle in direkter Verbindung, die rasch mit Frischluft gefüllt wird, da die Abgase in die Leitung 12 abströmen. Diese wird sodann wegen der Wanderung der Zelle gegenüber dieser abgeschlossen, und es setzt eine Druckwelle ein, welche gegen das offene Zellenende wandert und in der frischen Ladung einen Druckanstieg bewirkt.
Die Zelle wird dann durch die Kante 8 verschlossen. Unter den vorbestimmten Arbeitsbedingungen kann in der Zelle ein beträchtlicher Aufladungsgrad er reicht werden und somit auch eine gewisse Rück gewinnung von in den Abgasen enthaltener Energie; ferner kann auch die gewichtsmässige Durchfluss- menge erhöht werden.
Die Verdichtung des Zelleninhaltes vor der Ver brennung wird ferner bewirkt durch Rücklauf von vorgängig verdichteter Luft durch einen überleitungs- kanal 14. Dieser Vorgang wird auch verbessert durch die Expansions- und Druckwellen 15 und 16. Jede Welle durchwandert die Zellen, setzt den Zellen- Inhalt in Bewegung und wird an der Statorplatte 4 reflektiert. Die reflektierten Wellen 17 und 18 wan dern zum offenen Ende der Zellen zurück und brin gen den Zelleninhalt dazu, in expandiertem bzw. ver dichtetem Zustand zu bleiben.
Eine Zelle mit in dieser Weise vorverdichteten Inhalt erreicht dann die Zünd kerze 10, und die Verbrennung des Gemisches er zeugt eine Anzahl von kleinen, nicht angedeuteten Druckwellen, welche mit grösserer Geschwindigkeit als die expandierenden Gase die Zelle durchwandern und am andern Zellenende die Luft verdichten. Die Zelle erreicht dann die Abgabeleitung, wo der Druck etwas niedriger ist als in der Zelle. Die Abgabe der verdichteten Luft wird unterstützt durch von dieser Druckdifferenz erzeugte Expansionswelle. Ein Anteil der Luftmenge verbleibt in der Zelle, um über den Überleitungskanal 14 in Rücklauf gebracht zu werden für die Vorverdichtung des Inhaltes anderer Zellen.
In diesen Ausführungsbeispielen kann wie in vor bekannten Druckaustauschern das Zellenrad von aussen her durch einen Motor, oder es kann durch Einwirkung der Luft oder des Gases auf geeignet gekrümmte Zellenwände angetrieben werden. Die Leitungen können sich am Umfang eines einzelnen Zellenrades mehrmals wiederholen, so dass eine Zelle bei jeder Umdrehung des Zellenrades mehrmals einen Zyklus durchmacht. Beide eben erwähnten Antriebs arten könnten auch bei ruhendem Zellenrad und um laufenden Leitungen angewendet werden. Die Luft kann in mehreren Stufen verdichtet werden im Durch gang durch mehrere Zellenräder oder eine Vielheit von Überleitungskanälen.
Dient die verdichtete Luft zur Speisung einer Turbine oder von Rückstossdüsen und ist sie zu die sem Zweck zu erhitzen, so kann diese Erhitzung kon tinuierlich oder intermittierend in einer äussern Brenn- kammer erfolgen. Anstatt dessen könnte aber durch geeignete Anordnung der Brennstoffeinspritzung und der Leitungen .erreicht werden, dass die durch die Leitung 11 austretenden Gase einen wesentlichen Anteil an heissen Verbrennungsgasen enthalten. Es kann dann eventuell eine getrennte Abgasleitung ganz überflüssig werden.