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.
Method for compressing gas in a rotary valve pressure exchanger and pressure exchanger for carrying out the method The invention is concerned with the generation of pressurized gas in a rotary valve pressure exchanger. This is a machine known per se with cells for the compression and expansion of gas, lines for supplying and removing gas at various zones and drive means for bringing about a rotation of the cell wheel for the purpose of establishing a cyclical connection between the cells and the lines.
It has already been proposed to compress a gas such as air in the cell wheel of a pressure exchanger by introducing high pressure gas into cells containing low pressure air. The air is then produced by the direct action of the high pressure gas in the production of the Pressure equalization in the cell is compressed. The high pressure gas, which can consist of heated air, is introduced into the cells through suitable lines and the compressed air is discharged through other lines. The supply of compressed, hot high-pressure gas is carried out by a heating device located outside the cells.
The invention now relates to a method for compressing a gas in a rotary valve pressure exchanger by means of combustion within the cells of the pressure exchanger, characterized by the sequence of the following measures:
a) Charging the cells partly with a flammable gas mixture and partly with the gas to be compressed, b) igniting the flammable gas mixture from one end of the cell with the cell closed on both sides for the purpose of gas compression, c) opening the end of the cell opposite the igniting end and d) sharing the combustion pressure of the burned partial charge to expel the compressed gas.
The invention also relates to a pressure exchanger for carrying out this method, characterized by a line for supplying the gas to be compressed, in the wall of which an injection nozzle is arranged, by means of which fuel is injected into part of the supplied gas.
The method according to the invention is also explained, for example, on the basis of the accompanying drawing, which shows two exemplary embodiments of the pressure exchanger according to the invention.
1 and 2 show these two exemplary embodiments schematically in development.
In the embodiment according to FIG. 1, the cellular wheel 1 moves in the direction of arrow 2 between stator plates 3 and 4. A single cell in position 5 is considered. This cell is filled with fresh air which is passed through the line 6 in a manner to be described. Part of the air flowing through line 6 receives fuel from an injection nozzle 7 which, based on the direction of movement of the cell, is arranged on the rear line wall. The mixture enters the cell shortly before it is closed by the edge 8.
The fuel is injected into the line in the flow direction of the air, and not across it; so it is not distributed over the flow cross section; distribution can even be prevented by an intermediate wall if necessary. When the cell is in position 9, it contains fresh air and an air-fuel mixture at its inlet end. The course of the boundary between air and mixture is indicated by an irregular line. The mixture is ignited when the cell wanders past a glow plug 10 that is built into the stator plate 4.
The pressure increases during combustion. The fresh air is compressed at the end of the cell on the outlet side and then forced into the air or useful gas discharge line 11. This is arranged in such a way that the cell has just passed it before combustion gases pass into the pipe.
The latter remain in the cell until it arrives at the exhaust pipe 12, in order to then expand into it and generate a negative pressure in the cell, which favors the re-entry of fresh air from the pipe 6. Then the duty cycle starts again for that cell. If two gases under different pressures suddenly collide, as is the case when a cell of a pressurized gas exchanger comes into contact with a line in which the pressure is different from that in the cell, a wave is created which the cell approximately does The speed of sound wanders through.
It can be a pressure wave or an expansion wave, depending on whether the pressure in the cell was lower or higher than in the line. Compressed gas exchangers have been built in which this phenomenon is exploited; Improvements have also been made through the use of bypass channels. The efficiency of the process outlined above can be improved in a similar manner. This will now be explained with reference to FIG.
In the embodiment according to FIG. 2, the arrangement and mode of operation of the cells and lines are known in relation to the gas movement, so that an actual benefit is drawn from the pressure and expansion waves to support the filling and emptying of the cells. The curves of the pressure wave fronts in relation to the stationary lines are indicated with solid lines, those of the expansion waves with dashed lines.
The emptying of a cell into the exhaust pipe 12 is now supported by an expansion wave 13, which migrates through the cell and generates a strong negative pressure at its upstream end. The inlet line is then in direct connection with the cell, which is quickly filled with fresh air, since the exhaust gases flow off into the line 12. This is then closed because of the migration of the cell against it, and a pressure wave sets in which migrates towards the open end of the cell and causes a pressure increase in the fresh charge.
The cell is then closed by the edge 8. Under the predetermined working conditions, a considerable degree of charge can be achieved in the cell and thus a certain recovery of energy contained in the exhaust gases; Furthermore, the weight-based flow rate can also be increased.
The compression of the cell contents before combustion is also brought about by the return of previously compressed air through a transfer channel 14. This process is also improved by the expansion and pressure waves 15 and 16. Each wave travels through the cells and sets the cell contents in motion and is reflected on the stator plate 4. The reflected waves 17 and 18 wan countries back to the open end of the cells and bring the cell contents to remain in an expanded or compressed state.
A cell with the contents pre-compressed in this way then reaches the spark plug 10, and the combustion of the mixture generates a number of small, not indicated pressure waves, which travel through the cell at a greater speed than the expanding gases and compress the air at the other end of the cell. The cell then reaches the delivery line, where the pressure is slightly lower than in the cell. The release of the compressed air is supported by the expansion wave generated by this pressure difference. A portion of the amount of air remains in the cell in order to be returned via the transfer channel 14 for the pre-compression of the contents of other cells.
In these exemplary embodiments, as in previously known pressure exchangers, the cellular wheel can be driven from the outside by a motor, or it can be driven by the action of air or gas on suitably curved cell walls. The lines can be repeated several times on the circumference of an individual cell wheel, so that a cell goes through a cycle several times with each rotation of the cell wheel. Both types of drive just mentioned could also be used when the cellular wheel is stationary and the lines are running. The air can be compressed in several stages by passing through several cellular wheels or a variety of transfer channels.
If the compressed air is used to feed a turbine or thrust nozzles and if it is to be heated for this purpose, this heating can take place continuously or intermittently in an external combustion chamber. Instead, however, a suitable arrangement of the fuel injection system and the lines could achieve that the gases exiting through line 11 contain a substantial proportion of hot combustion gases. A separate exhaust pipe may then become completely superfluous.