Druckaustauscher Die Erfindung betrifft einen Druckaustauscher. Vorschläge zur Nutzbarmachung von Verdich- tungs- und Expansionswellen innerhalb der Zellen eines Druckaustauschers sind bereits früher gemacht worden. Die Konstrukteure haben aber danach ten diert, sich nach einer vereinfachten Version der wirk lich auftretenden und festgestellten Vorgänge zu richten; die Vernachlässigung gewisser Eigenheiten dieser Vorgänge beim Entwurf bzw. der Konstruktion von Druckaustauschern hat aber eine nachteilige Wirkung auf den erzielten Wirkungsgrad.
Es besteht eindeutig das Bedürfnis einer Verbesserung der thermo dynamischen Umkehrbarkeit der Prozesse, durch welche die Zellen Fluidum aufnehmen und abgeben.
Gegenstand der Erfindung ist ein Druckaustau- scher mit Zellen, Leitungen und Öffnungen, durch welche hindurch die Leitungen mit einzelnen Zellen in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von nebeneinanderliegenden Öffnungen so bemessen und angeordnet sind, dass bei den Soll betriebsbedingungen das Druckwellensystem, das in Zellen erzeugt wird, welche sich in einer Relativ bewegung an diesen Öffnungen vorbeibewegen, ein wenigstens angenähert zentriertes Wellensystem ist, das über diese nebeneinanderliegenden Öffnungen verteilt ist.
Der Ausdruck zentriertes Wellensystem ist ver ständlich für Fachleute, die sich mit der Analyse von nichtstationären Strömungen mit Hilfe von Wellen diagrammen befasst haben, die auf Zeit und Raum basiert sind. So benützt z. B. Rudinger in seinem Buch Wave Diagrams for Nonsteady Flow in Ducts (Verleger Van Nostrand, 1955) den Ausdruck a centred expansion wave , also eine zentrierte Ex pansionswelle zur Umschreibung eines Expansions wellensystems,
das von einem einzelnen Punkt ausgeht. Analog konvergieren in einem zentrierten Verdich- tungswellensystem die Wellen gegen einen einzelnen Punkt.
Beiliegende Zeichnung stellt nebst einer bekannten Ausführung einige Ausführungsbeispiele des erfin dungsgemässen Druckaustauschers dar, und zwar schematisch in Abwicklung.
Fig. 1, welche die bekannte Ausführung zeigt, dient zur Erläuterung der Natur des Problems, das sich in Druckaustauschern infolge von Wellenreflektion stellt.
Die Fig. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele, in welchen das Entleeren bzw. das Füllen von Zellen betrachtet wird.
Die Fig.4 und 5 zeigen Zellenentleerungs- und -füllungseinrichtungen.
Die Fig. 6 und 9 zeigen die Anordnung von Über leitungskanälen an einem Druckaustauscher mit nur einem Läufer bzw. an einem solchen mit zwei Rotoren.
Die Fig. 7 und 8 zeigen Massnahmen zur Nieder druck- bzw. zur Hochdruckspülung.
Fig. 10 zeigt einen Druckaustauscher mit zwei Rotoren und mit Parallelspülung.
Fig. 11 zeigt eine Einrichtung zur Seriehochdruck- spülung für einen Druckaustauscher mit zwei Rotoren. Die Fig. 12 und 14 dienen zur realistischeren Dar stellung von Wellenbildern, die an Druckaustauscher- öffnungen auftreten, und Fig. 13 zeigt einen Einzelrotordruckaustauscher; bei dem pro Umlauf des Rotors zwei Arbeitszyklen durchlaufen werden.
In allen Figuren sieht man ein oder zwei Zellen räder 11, die im Sinne des Pfeils 10 rotieren und je einen Kranz von Zellen 12 aufweisen. Die Zellenräder sind zwischen Stirnplatten 13 angeordnet, die<B>Öff-</B> nungen besitzen, durch welche hindurch im Betrieb Gas in die Zellen eintreten und aus denselben austreten.
Fig. 1 zeigt die allgemein übliche Anordnung eines Stutzens 15 zur teilweisen Entleerung des Zellen inhaltes. Beim Vorüberwandern jeder der Zellen an der Kante 14 zwischen Stirnplatte 13 und Stutzen 15 wird an dieser Kante eine Expansionswelle erzeugt, die sich durch die ganze Länge der Zelle fortpflanzt. Solche Wellen haben eine endliche Mächtigkeit und das, was man als Kopf der Welle bezeichnen kann, kommt eine Weile früher am entgegengesetzten Zellen ende an als der Schwanz der Welle. Im Laufe der Drehung des Zellenrades bewegt sich der Kopf der Welle etwa nach der Linie 16, der Schwanz aber etwa nach der Linie 17.
Ein früherer Vorschlag ging dahin, die Weite der auf den Entleerungsstutzen 15 aus mündenden Öffnung 18 der Stirnplatte 13 auf die Zeit abzustimmen, welche die Welle 16 bei den Sollbetriebs verhältnissen des Druckaustauschers braucht, um vom einen Zellenende zum andern und wieder zurück zu wandern. Es sollte dabei die Zelle zu jenem Zeitpunkt durch die Kante 19 geschlossen werden, an dem die Welle 16 auf ihrer Rückwanderung wieder an dem Zellenende anlangt, von dem sie ausging. Hätte die Welle nicht eine endliche Mächtigkeit, so würde dann der Zelleninhalt, nach Abschliessen der Zelle an der Kante 19, bezüglich den Zellenwänden stationär sein.
Da dem aber nicht so ist, wird in den Zellen nach deren Vorüberwandern an der Öffnung eine Anzahl von reflektierten Wellen wirksam sein, so dass infolge Fehlens von Mitteln, die das Gas dazu verhalten, in Ruhe zu bleiben, das Gas in eine ungeordnete Tur bulenz gerät, was einen entsprechenden Verlust zur Folge hat. Dies trifft insbesondere zu, wenn beim Entleerungsvorgang grosse Druckverhältnisse auftre ten. Obwohl die oben mit Bezug auf Fig. 1 erfolgte Erläuterung etwas vereinfacht ist, trifft die Schluss- folgerung auch für schmale Zellen zu.
Die Fig. 2 veranschaulicht einen Zellenentleerungs- vorgang, bei welchem zweite Reflektionen von Ex pansionswellen verhindert oder doch weitgehend unterdrückt sind. Die Weite der Öffnung 18 zwischen den Kanten 14 und 19 ist wieder auf den Wellenzug 16 bei Sollbetriebszustand abgestimmt, so dass der durch den Stutzen 15 austretende Strom über seine Breite möglichst gleichmässig ist. Zusätzlich ist neben der Hauptöffnung 18, und zwar neben deren durch die Kante 19 gebildeten hintern Rand, ein Satz von Hilfsöffnungen 20 angeordnet. Die in Umfangsrich tung gemessene Weite dieser Hilfsöffnungen ist im Vergleich zu derjenigen der Hauptöffnung 18 klein.
Druck und Strömungsgeschwindigkeit nehmen von Hilfsöffnung zu Hilfsöffnung ab, je weiter diese von der Hauptöffnung 18 entfernt sind, so dass in der Hilfsöffnung, bei der der Schwanz der Welle 17 wieder an demjenigen Zellenende ankommt, von dem er aus ging, die Geschwindigkeit praktisch gleich null ist. Nach strenger Theorie müsste eine unendlich grosse Anzahl von Hilfsöffnungen 20 vorgesehen werden; die Praxis zeigt aber, dass schon eine geringe Anzahl solcher Hilfsöffnungen durch Verminderung der Re- flektion von Wellen zu einer bedeutenden Vermin derung des Verlustes führt.
Schaut man sich die in Fig.2 gezeigte Anordnung an, so wird man sich darüber klar, dass das Vorüberbewegen der Zellen des Rotors 11 an den Öffnungen 18 und 20 in der Wirkung darauf herauskommt, eine Anzahl von Zellen, die ursprünglich ruhendes Hochdruckgas enthielten, gleich sam umzuwandeln a) in eine Anzahl von Zellen, die ruhendes Niederdruckgas enthalten, b) einen bestän digen Gasstrom, der bei einem Zwischendruck durch den Stutzen 15 fliesst, und c) eine Anzahl von schwa chen Gasströmen,
die mit einem vom Zwischendruck zum Niederdruck abfallenden Druck durch die an die einzelnen Hilfsöffnungen 20 anschliessenden Kanäle fliessen. Diese Gasströme verschiedenen Druckes können in mannigfaltiger Weise benützt werden; der durch den Stutzen 15 abfliessende Gasstrom kann z. B. dem Einströmstutzen einer Gasturbine zugeführt werden, und die durch die Hilfsöffnungen 20 ab strömenden Gasströme können verschiedenen Zwi schenstufen derselben Gasturbine zugeführt werden. Die Hilfsströme könnten aber auch zum Antrieb von Hilfsaggregaten mittels geeigneter Expansionsmaschi nen verwendet werden.
Die oben beschriebene An ordnung schafft ein im wesentlichen zentriertes Ex pansionswellensystem und ermöglicht, zumindest in erster Annäherung, die Durchführung eines thermo dynamisch umkehrbaren Prozesses; somit kann eine ähnliche Anordnung zur Durchführung des umge kehrten Prozesses angewendet werden, nämlich zur Einführung von Gas in die Zellen eines Druckaus- tauschers. Dies soll nun mit Bezug auf Fig. 3 erläutert werden.
Nach Fig. 3 ist die Anordnung so getroffen, dass dasjenige Gas, das den unter niedrigem Druck stehen den Inhalt einer Zelle bildet, die sich der Haupt- und den Hilfsöffnungen nähert, durch das eintretende Gas mehr und mehr in Bewegung gesetzt und fortschreitend komprimiert wird, anstatt dass dies plötzlich durch eine Stosswelle erfolgt, wie dies der Fall ist, wenn keine Hilfsöffnungen 21 vorgesehen sind. Das Gas tritt durch diese Hilfsöffnungen 21 in jede ankom mende Zelle ein, bevor diese die Hauptöffnung 23 erreicht, durch welche dann aus dem Stutzen 22 der über seinem Querschnitt gleichmässige Hauptstrom in sie eintritt.
Lage und Weite der Öffnungen sind nach der Regel zu bestimmen, dass im Sollbetriebszustand alle Kompressionswellen, die von den hintereinander liegenden Öffnungen ausgehen, nach ihrer Reflektion an der gegenüberliegenden Stirnplatte gegen den durch die Kante 24 gebildeten Öffnungsrand konvergieren sollen, durch den die betrachtete Zelle verschlossen wird. Infolge der Konvergenz der Druckwellen gegen diesen Rand ergibt sich, dass in der nun verschlossenen Zelle das Gas in Ruhe ist. Die durch die Hilfsöffnun gen 21 eingetretenen Ströme haben den ursprünglichen Zelleninhalt fortschreitend komprimiert.
Da die Fort pflanzungsgeschwindigkeit der Welle durch die Zelle zum Teil vom Druckverhältnis zwischen dem eintre tenden Strom und dem ursprünglichen Zelleninhalt abhängt, übersteigt die Fortpflanzungsgeschwindig keit jeder Welle diejenige ihrer Vorgängerin. Deshalb benötigt die erste Welle 25 für ihre Wanderung zum gegenüberliegenden Zellenende und zurück mehr Zeit als die Welle 26, die entsteht, wenn die Zelle die Hauptöffnung 23 erreicht. Die Quellen der Ströme, die unter verschiedenen Drücken durch die Hilfs öffnungen 21 in die Zellen eintreten, können aus ver schiedenen Entnahmestellen eines vielstufigen Ver dichters bestehen.
Das Entleeren des Inhaltes jeder Zelle und das Wiederauffüllen derselben sind Aufgaben, die beide in Druckaustauschern stets zu erfüllen sind. Fig.4 zeigt eine Anordnung, durch welche die anhand der Fig. 2 und 3 erklärten Vorgänge so kombiniert werden können, dass die Hilfsströme, die vom Entleeren der Zellen herrühren, als Hilfsströme benützt werden, die beim Auffüllen benötigt werden. Die bei der Ent leerung wirksamen Hilfsöffnungen 20 sind durch Kanäle 27 direkt mit den Hilfsöffnungen 21 verbun den, welche durch jede Zelle erreicht werden, bevor diese an der Haupteinlassöffnung 23 ankommt.
Diese Anordnung dient für Niederdruckentleerung und -füllung. Für Hochdruckentleerung und -füllung, wo bei zuerst die Eintrittsöffnungen erreicht werden, gebraucht man die Anordnung nach Fig. 5, gemäss welcher die Hilfsöffnungen 20 durch Kanäle 28, welche den Eintrittsstutzen 22 und den Austritts stutzen 15 überbrücken, direkt mit den Hilfsöffnungen 21 verbunden sind.
In Fig. 6 ist eine Anordnung gezeigt, mittels wel cher derselbe Vorgang benützt wird zur Kompression des Inhaltes einer Zelle durch Einwirkung von Gas, das an einer späteren Stelle des Arbeitskreislaufes dem Druckaustauscher entzogen wird. Der Kanal, durch welchen dieses Kompressionsgas geleitet wird, wird üblicherweise Überleitkanal genannt und ist hier mit 29 bezeichnet. Nebst diesem Hauptüberleitkanal sind Hilfsüberieitkanäle 30 vorgesehen, welche je.eine der Hilfsöffnungen 20 mit einer der Hilfsöffnungen 21 verbinden.
Natürlich könnten sich die Eintritts- und Austrittsstutzen auf entgegengesetzten Enden des Rotors befinden; die Überleitkanäle müssen dann aber den Rotor kreuzen.
Ist in einem Druckaustauscher ein Spülvorgang durchzuführen, so liegt es auf der Hand, dass der Gaseintritt auf der einen Seite und der Gasaustritt auf der andern Seite des Rotors erfolgt. Die Einzel heiten einer Niederdruck- bzw. einer Hochdruckspül- anordnung werden nun mit Bezug auf die Fig. 7 bzw. 8 erläutert.
Gemäss Fig. 7 trifft eine im Sinne des Pfeils 10 wandernde Zelle 12 zuerst die Austrittsöffnung 18; vom in Laufrichtung zuerst getroffenen Rand (im folgenden laufaufwärtige Kante genannt) dieser letzteren breiten sich zwischen den Grenzwellen 16 und 17 Expansionswellen aus. Die laufaufwärtige Kante an der Öffnung 23 ist an der Stelle angeordnet, an der die Welle 17 das andere Zellenende erreicht; zwischen dieser Stelle und jener, an welcher die Welle 16 dieses andere Zellenende erreicht, sind Hilfsöffnun- gen 31 angeordnet; zur Kiarheit der Darstellung sind nur zwei dieser letzteren angedeutet.
Jenseits der lauf- abwärtigen Kante der Öffnung 18 sind ausserdem die Hilfsöffnungen 32 vorgesehen. Von letzteren gehen über die ganze in Umfangsrichtung gemessene Breite jeder Zelle Kompressionswellen aus, d'e gegen e'ne am andern Ende der Zellen gelegene Stelle konver gieren, an welcher sich die laufabwärtige Kante der Öffnung 23 befindet.
Jede der Hilfsöffnungen 31 ist mit einer der Hilfsöffnungen 32 verbunden durch einen strichpunktiert angedeuteten Kanal 33; die am näch sten bei der Hauptöffnung 23 liegende Hilfsöffnung 31 ist mit der am nächsten bei der Hauptöffnung 18 liegenden Hilfsöffnung 32 verbunden usw., wobei sich die einzelnen Kanäle 33 kreuzen; das Gas strömt je weils von der Hilfsöffnung 32 zur entsprechenden Hilfsöffnung 31.
Die Anordnung ist so getroffen, dass bei den Sollbetriebsbedingungen eine Reflektiön der Expausionswellen 16 und 17 verhindert wird, welche die Zellen einmal der Länge nach durchlaufen haben, dadurch, dass diese Wellen auf Gasströme treffen, die durch die Hilfsöffnungen 31 mit von Öffnung zu Öffnung im Rotorumlaufsinn abnehmendem Druck und zunehmender Geschwindigkeit eintreten. Es soll jeder eintretende Strom bezüglich Druck und Ge schwindigkeit so nahe wie möglich mit dem Inhalt des vor der entsprechenden Hilfsöffnung 31 befindlichen Zellenteils übereinstimmen.
Bei den das Zellenrad durch die Hilfsöffnungen 32 verlassenden Strömen soll von Strom zu Strom im Rotorumlaufsinn der Druck und die Geschwindigkeit abnehmen.
Die in Fig. 8 gezeigte Anordnung zur Hochdruck spülung ist in mancherlei Beziehung der eben beschrie benen ähnlich. Sie weicht aber davon ab, dass eine im Sinne des Pfeils 10 wandernde Zelle 12 zuerst bei den Hilfsöffnungen 34 auf der Einlassseite des Rotors ein trifft. Durch diese Hilfsöffnungen treten Ströme bei solchem Druck und solcher Geschwindigkeit ein, dass die Grenzkompressionswellen 25 und 26 gegen eine einzelne Stelle an der andern Seite des Zellenrades konvergieren. An dieser Stelle befindet sieh die lauf- aufwärtige Kante an der Hauptaustrittsöffnung 18.
Jenseits dieser Kante sind Hilfsöffnungen 35 vorge sehen, von denen durch strichpunktiert angedeutete, sich kreuzende Kanäle 36 Gasströme zu den einzelnen Hilfsöffnungen 34 fliessen. Die vom laufabwärtigen Rand der Haupteinströmöffnung 23 fächerartig aus= gehenden Expansionswellen durchlaufen die Zelle ein mal der Länge nach und ihre Reflektion wird ver hindert durch die gesteuerte Gasentleerung durch die Hilfsöffnungen 35.
Bei dieser Ausführung wie auch bei jener nach Fig. 7 fliesst mehr Gas durch die Zellen, als für das Ersetzen des ursprünglichen Zelleninhaltes gerade notwendig wäre; dies ist in Fig. 7 durch die gestrichelte Linie 37 angedeutet, welche den Grenz- verlauf zwischen dem durch die Öffnungen 31 und 23 eintretenden Gas und dem Gas andeutet, das sich ursprünglich in der an diesen Öffnungen vorbeiwan- dernden Zelle 12 befand. Dieser Spülüberschuss muss nicht sein und ist bei der Hochdruckspülung sogar oft unerwünscht.
Er kann beseitigt werden durch Verschmälerung der Hauptöffnungen.
Im Falle der Hochdruckspülung kann die Relativ geschwindigkeit des die Zellen durchströmenden Gases die Schallgeschwindigkeit übersteigen. Man kann also sowohl in den Haupt- wie auch in den Hilfsöffnungen Überschallgeschwindigkeiten antreffen. Wünscht man Geschwindigkeitsänderungen in den an diese Öffnun gen anschliessenden Kanälen, so kann dies durch ge eignete Formgebung dieser letzteren erreicht werden.
Es können konvergent-divergente Düsen angewendet werden; aber die Diffusoren, durch welche das Gas die Zellen verlässt, haben vorzugsweise eckige Form nach Oswatitsch zwecks Gewährleistung einer unge fähr isentropischen Stromumlenkung. Der Leitungs krümmer ist so konstruiert, dass der ihn durchfliessende Strom eine Reihe von kleinen Druckwellen durchläuft, die gegen eine an der Krümmerinnenseite gelegene Stelle konvergieren. Das gleiche Prinzip, mit umge kehrter Strömungsrichtung, kann gewünschtenfalls für die Düse angewendet werden.
Diese ist dann eine Prandtl-Meyer-Expansionsdüse.
Es wurde schon früher vorgeschlagen, in Druck- austauschern bezüglich den Überleitkanälen Verein fachungen zu erzielen durch Verwendung von zwei Seite an Seite angeordneten, koaxialen und gegen läufigen Zellenrädern, wobei das Gas, welches das eine Zellenrad verlässt, im andern Zellenrad die Ver dichtung durchführt. In Fig. 9 ist ein Teil der Ab wicklung eines solchen Druckaustauschers, bei dem auch die oben beschriebenen Neuerungen angewendet sind, dargestellt. Die Gegenläufigkeit der Rotoren 11 ist durch die entgegengesetzt gerichteten Pfeile 10 angezeigt.
Es sei nun angenommen, dass eine der Zellen 38 ursprünglich unter niedrigem Innendruck stehe und eine der Zellen 39 ursprünglich unter hohem Innendruck stehe. Die Zelle 38 tritt sogleich mit einer Anzahl von Hilfsöffnungen 40 in Verbindung, die auf Kanäle 41 ausmünden, welche in dem zwischen den Rotoren befindlichen Statorteil 42 vorgesehen sind. Aus diesen Hilfsöffnungen 40 erhält die Zelle Gas bei von Öffnung zu Öffnung zunehmenden Werten von Druck und Geschwindigkeit. Von jeder der Hilfs öffnungen gehen Kompressionswellen aus, die über die ganze Länge der Zelle wandern. Von diesen Kom pressionswellen sind nur die Grenzwellen angedeutet, wobei die erste derselben mit 43 und die letzte mit 44 bezeichnet ist.
Letztere geht eigentlich von dem den Hilfsöffnungen 40 benachbarten Rand der Haupt öffnung 45 aus, durch welche ein im Querschnitt im wesentlichen gleichmässiger, vom andern Zellenrad stammender Gasstrom in die Zellen 38 eintritt. Bei den Sollbetriebsbedingungen sollen die Wellen 43 und 44 nach ihrer Reflektion an der entgegengesetzten Stirnplatte gegen einen gemeinsamen Ort 46 konver gieren, der übereinstimmt mit dem laufabwärtigen Rand der Hauptöffnung 45. Letztere ist durch einen kurzen und geraden Überleitkanal 47 mit einer auf das andere Zellenrad ausmündenden Hauptöffnung 48 verbunden.
Der Inhalt einer Zelle 38, welche die Öffnungen 40 und 45 passiert hat, wurde komprimiert durch die Einführung von aus dem andern Zellenrad stammendem Gas durch die Kanäle 41 und 47, so dass also ein Druckaustausch stattgefunden hat. Der Inhalt der am Rand 46 der Hauptöffnung 45 vorbeigewan- derten Zellen 38 ist somit komprimiert. Der Inhalt der Zellen 39 erfährt eine umgekehrte Wirkung. Beim Vorbeiwandern einer solchen Zelle am Rand 49 der Hauptöffnung 48 entstehen Expansionswellen - die Grenzwellen sind mit 50 und 51 bezeichnet -, die bei den Sollbetriebsbedingungen nach ihrer Reflektion an der entgegengesetzten Stirnplatte über die Gesamt weite der Hilfsöffnungen 52 verteilt sind.
Diese sind durch die direkten Hilfsüberleitkanäle 41 mit den Hilfsöffnungen 40 verbunden. Ein Teil des Inhaltes jeder der Zellen 39 strömt durch die Kanäle 47 und 41, so dass wenn eine solche Zelle an den Hilfsöffnun gen 52 vorbeigewandert ist, ihr Inhalt expandiert und dazu benützt worden ist, den Inhalt einer der Zellen 38 zu komprimieren.
In Fig. 10 ist ein zwei gegenläufige Rotoren auf weisender, mit den oben beschriebenen Neuerungen ausgestatteter Druckaustauscher samt gewissen an geschlossenen Maschinen in seiner Ganzheit schema tisch in Abwicklung dargestellt. Alle in ihm zur Wir kung gelangenden Welleneffekte wurden oben bereits beschrieben, weshalb man sich auf eine zusammen fassende Beschreibung des Aufbaues und der Wir kungsweise beschränken kann.
Frischluft tritt durch die Leitungen 53 in die beiden Zellenräder ein und die Niederdruckspülung wird vervollständigt, indem die von den beiden Ro toren stammenden Auslassgase durch die gemeinsame Öffnung 54 und: die Auslassleitung 55 abströmen. Ver folgt man zuerst den Weg der in den linksseitigen Rotor eingetretenen Luft, so sieht man, dass diese zuerst verdichtet wird durch den beim Überleitkanal 56 (ähnlich dem in Fig. 9 gezeigten) stattfindenden Vorgang. Danach treffen die Zellen dieses Rotors in der Hochdruckspülstufe ein, in welcher die Öffnungen 57 und 58 im geschlossenen Kreislauf an die Wärme zufuhrleitungen 59 angeschlossen sind.
Die beiden Rotoren sind bezüglich Zufuhr heissen Gases parallel geschaltet; das heisse Gas besteht aus heissem Ver brennungsgas oder aus heisser Luft, je nachdem ob der Wärmezufuhrapparat 60 ein solcher mit direkter Verbrennung oder ein solcher mit indirekter Beheizung ist. Diese Hochdruckspülstufe entspricht derjenigen, die mit Bezug auf Fig. 8 beschrieben wurde. Die Ab führung von Nutzgas aus dem linksseitigen Zellenrad erfolgt durch die Hauptöffnung 61 und die Hilfs öffnungen 62 hindurch statt.
Diese Nutzgasströme werden dem Haupteinlassstutzen bzw. den Zwischen einlassstutzen der Nutzleistungsgasturhine 63 zuge führt. Der bei der Abführung des Nutzgases statt findende Vorgang wurde mit Bezug auf Fig.2 be schrieben.
Anschliessend trifft die betrachtete Zelle des links seitigen Rotors beim Teil mit dem Überleitkanal 64 ein, durch welchen ein Teil deren Inhaltes angewendet werden kann zur Verdichtung der Luft im andern Zellenrad. Danach wird der übrige Zelleninhalt in der Niederdruckspülstufe wieder durch Luft ersetzt und selbst durch die Öffnung 54 hindurch abgeführt.
Jede Zelle des rechtsseitigen Zellenrades durch läuft genau dieselbe Reihenfolge von Arbeitsgängen: nach ihrer Füllung mit Luft aus dem zugehörigen Stutzen 53 wird die aufgenommene Luft beim Teil mit dem Überleitkanal 64 verdichtet. Dieselbe Zelle trifft dann in der Wärmezufuhr- und Hochdruck spülstufe ein, in welcher ihr durch die Öffnung 65 hindurch heisses Gas oder heisse Luft zugeführt wird. Danach gibt sie durch die Öffnungen 66, 67 hindurch Nutzgas an die Turbine 68 ab.
Es folgt der Druck austausch durch den Hauptüberleitkanal 56 und die zugehörigen Hilfsüberleitkanäle und schliesslich kommt die betrachtete Zelle in der Niederdruckspülstufe an, in welcher sie ihren Inhalt durch die Öffnung 54 hindurch abgibt und aus dem rechtsseitigen Stutzen 53 Frischluft erhält. Es versteht sich, dass die beiden Turbinen 63 und 68 durch eine einzige ersetzt werden könnten, deren Haupteinlassstutzen das Nutzgas von den Hauptöffnungen 61 und 66 aus und deren ver schiedenen Zwischeneinlassstutzen das Nutzgas aus den einzelnen Hilfsöffnungspaaren 62, 67 zugeführt würde.
Bei dem eben beschriebenen Druckaustauscher werden die Niederdruck- und die Hochdruckspülung mit Strömen durchgeführt, die nebeneinander, also gleichsam in Parallelschaltung, durch die beiden Ro toren hindurchfliessen. Es ist schon ehedem vorge schlagen worden, Druckaustauscher zu bauen, bei denen die Zellen der beiden Rotoren in Serie gespült werden. Fig. 11 veranschaulicht eine derartige Variante der eben beschriebenen Ausführungsform. In dieser Figur ist durch Schraffur derjenige Teil angedeutet, der das aus dem Wärmezufuhrapparat stammende Heissgas führt, während der unschraffierte Teil die Luft führt.
Der Hauptanteil von Heissgas tritt wie vorhin durch die Öffnung 57 hindurch ein; bevor aber eine bestimmte Zelle an dieser Öffnung ankommt, trifft sie einige Hilfsöffnungen 69, durch welche hin durch einige Gasströme in sie eintreten, die auf nie drigeren Druckstufen stehen als derjenige im Stutzen 59. Diese Gasströme setzen den Zelleninhalt in Be wegung und verdichten dabei zuerst die Luft, um daraufhin, sobald das entgegengesetzte Zellenende die Öffnung 70 trifft, Luft durch letztere hindurch zu verdrängen; diese Luft strömt durch eine anschlie ssende Leitung zum Wärmeeinführapparat 60 zurück. Unmittelbar neben der Öffnung 70 befindet sich eine Öffnung 71, wobei die Trennwand so genau wie mög lich mit dem Ende der Grenzlinie 72 zwischen Luft und Heissgas in den Zellen übereinstimmen soll.
Die Spülung der Zellen des linksseitigen Rotors bei hohem Druck wird vervoiiständigt durch Heissgas, das durch die Hauptöffnung 71 und die Hilfsöffnungen 73 hin durch in Einzelströmen dem rechtsseitigen Zellenrad zufliesst. Die Zellen des linksseitigen Zellenrades sind nun ganz mit Heissgas gefüllt.
Im rechtsseitigen Zellen- rad finden die umgekehrten Vorgänge statt: seine Zellen treffen zuerst die Hilfsöffnungen 74, die einzeln, aber direkt mit den Hilfsöffnungen 73 verbunden sind; dann kommt die Hauptspülöffnung 75 an die Reihe, durch welche hindurch das von der Hauptöffnung 71 kommende Heissgas in diese Zellen einströmt, unter Verdrängung von Luft, welche die Zellen durch die Öffnung 76 verlässt, um zusammen mit der von der Öffnung 70 kommenden Luft zum Wärmezufuhr apparat 60 zu fliessen.
Der eine Rand der Öffnung 76 stimmt so genau wie möglich mit dem Ende der gestrichelten Linie 77 überein, welche die Grenze zwischen dem durch 75 eingetretenen Heissgas und der noch in den Zellen verbliebenen Luft andeutet. Danach kommen die Zellen an den Hilfsöffnungen 78 an, wo Ströme von Heissgas erhalten werden, die auf verschiedenen hohen Druckpegeln stehen. Diese Ströme werden durch mit strichpunktierten Linien 79 angedeutete Kanäle den dem linksseitigen Zellenrad zugeordneten Hilfsöffnungen 69 zugeführt. Die Zellen des rechtsseitigen Zellenrades verlassen dann die Hochdruckspülstufe und sind mit Heissgas gefüllt.
Bemerkenswert ist, dass die Hilfsöffnungen 69, 78 und die Kanäle 79 die Zellen der beiden Rotoren mitein ander in Verbindung setzen; eine solche Verbindung ist in der Ausführung nach Fig. 10 nicht vorhanden. Eine ähnliche Anordnung kann auch für die Serie niederdruckspülung der Zellen der beiden Rotoren angewendet werden. ' In den oben beschriebenen Ausführungen wurde stets ein achsparalleler Verlauf der zu den Zellen hin führenden und der von diesen wegführenden Kanäle angenommen, und zwar lediglich der Einfachheit der Erklärung wegen.
Da aber die Umfangsgeschwindig keit im Verhältnis zu den Strömungsgeschwindig keiten des oder der Gase in den Kanälen gross sein kann, würde eine achsparallele Anordnung dieser letz teren erstens einen Druckabfall in denselben zur Folge haben und zweitens müssten der oder die Rotoren mit einem gewissen Drehmoment angetrieben werden. Deshalb ist es besser, wenn die Wandungen der Kanäle gegenüber der Drehachse so geneigt sind, dass der Strömungsübergang von Kanal zu Zelle und um gekehrt stossfrei erfolgt, also ohne plötzliche Strö mungsrichtungsänderung.
Da die Austritts- und Ein trittsgeschwindigkeit von Hilfsöffnung zu Hilfsöffnung verschieden ist, sollten auch die Wandungen der an diese Hilfsöffnungen anschliessenden Kanäle verschie den stark geneigt sein. Fig. 12 gibt von der in Fig. 2 gezeigten Anordnung ein realistischeres Bild. Zur Erleichterung des Vergleiches sind in beiden Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die mit Pfeilen versehenen, gestrichelten Linien 80 und 81 deuten die Bahnen von Gaspartikeln an, die anfänglich in bezug auf die Zellenwände stillstehen und dann durch die Haupt- und die Hilfsöffnungen hindurchtreten. Die Bahn der Partikeln 80 trifft die Hauptaustritts öffnung 18 an der Kante 19 und diejenige der Partikeln 81 verläuft so, dass letztere gerade noch durch die letzte der Hilfsöffnungen hindurch austreten können. Es ist angedeutet worden, dass die Bahnen nicht parallel bleiben, mit der Folge, dass die Wandungen des Stutzens 15 und der an die Hilfsöffnungen 20 an schliessenden Kanäle in leichtem Mass fächerartig anzuordnen sind.
In gewissen der oben beschriebenen Ausführungs formen sind Kanäle vorhanden, die auf entgegen gesetzten Seiten des Zellenrades gelegene Hilfsöffnun gen miteinander verbinden, so die Kanäle 33 in Fig. 7, die Kanäle 36 in Fig. B. In Fig. 13 ist ein Druckaus- tauscher dargestellt, der einen einzigen Rotor hat, der pro Umdrehung zwei Arbeitskreisläufe durchmacht.
In einer bestimmten Zelle 12 erfolgt der Reihe nach die erste Niederdruckspülung bei LPSl, die erste Hochdruckspülung bei HPSl, die erste Nutzgas abführung bei El, die zweite Niederdruckspülung bei LPS2, die zweite Hochdruckspülung bei HPS2 und schliesslich die zweite Nutzgasabführung bei E2. Zu beachten sind die hinsichtlich Funktion analog zur Anordnung nach Fig. 10 hergestellten Verbindungen zwischen den Hilfsöffnungen der beiden Arbeitskreis läufe durch Leitungen 33, die ganz auf der einen bzw.
andern Seite des Rotors gelegen sind; gleiches gilt für die beiden Leitungen 36, welche die den beiden Arbeitskreisläufen zugehörigen Hilfsöffnungen 34, 35 miteinander verbinden. Kanalabschnitte, welche die Rotorebene kreuzen, sind somit ganz vermieden. Die Ein- und Auslasskanäle der beiden Hochdruckspül- stufen können analog zu Fig. 10 in einem Kreislauf system zusammengefasst werden, in dem die Wärme zufuhrapparatur eingeschaltet ist. Erfolgt die Nutzgas abführung aus diesem Kreislaufsystem, so können die Auslassstutzen El und E2 weggelassen werden.
In Wirklichkeit ist meistens die Breite der Zellen nicht klein im Verhältnis zu derjenigen der Öffnungen. Dies bedeutet, dass die Kompressions- und die Ex pansionswellen in den Zellen erzeugt werden, schon bevor die Mittellinie einer bestimmten Zelle auf die Kante ausgerichtet ist, von welcher die Welle ausgeht. Auch werden noch Wellen erzeugt, nachdem die Zellen mittellinie nicht mehr auf die besagte Kante ausge richtet ist. Dies soll durch die Fig. 14 veranschaulicht werden. Die daraus zu ziehende Lehre heisst, dass bei endlicher Grösse der Zelle das in allen Figuren ange deutete und auch häufig erwähnte Ausfächern der Wellen nun noch ausgesprochener ist.
Die Wellen werden nicht von einem Einzelpunkt aus erzeugt, sondern aus einer Distanz, die so gross sein kann wie eine Zellenbreite. In Wirklichkeit wird zwischen den Grenzwellen 82 und 83 eine unendlich grosse Anzahl von Wellen vorhanden sein. Die Hilfsöffnungen neben den Haupteinlass- und Auslassöffnungen sollten daher so gelegen sein und die darin herrschenden Drücke und Geschwindigkeiten sollten so gewählt sein, dass auch diesem Umstand Rechnung getragen ist.
Die vollständige Umkehrbarkeit des Arbeitsvorganges kann in Wirklichkeit nicht erreicht werden,- weil der Strom, der durch den schmalen Spalt zwischen Zellen wand und Öffnungsrand in die Zelle eintritt, von Natur aus irreversibel ist, wenn die Zelle unvoll ständig geöffnet ist.
Beachtung muss auch der Arbeitsweise von Druck- austauschern bei andern als Sollbetriebsbedingungen geschenkt werden. Ist z. B. das Druckverhältnis kleiner als ausgelegt, so fächern die Wellen weniger stark aus. In einem Satz von Hilfsöffnungen führt dann eine mittlere Hilfsöffnung Fluidum bei einem Druck und einer Geschwindigkeit, die bei Sollbedingungen in der am weitesten von der Hauptöffnung entfernten Hilfs öffnung herrschen, wobei diese letztere praktisch wir kungslos ist. Um den Verhältnissen bei Untersoll rotordrehzahl Rechnung zu tragen, ist es am besten, eine etwas grössere Anzahl von Hilfsöffnungen vorzu sehen, als für den Betrieb für die ausgelegten Verhält nisse notwendig wäre.
Es wird vorzugsweise eine Schieberplatte vorgesehen, die bei den Sollbetriebs bedingungen die überschüssigen Hilfsöffnungen ver deckt, diese aber in dem Mass freigibt, wie die Dreh zahl abfällt. Die zusätzlichen Hilfsöffnungen können bei den Spül-, den Auslass- und den Überleitungs öffnungen angeordnet werden. Es kann sich sogar als nützlich erweisen, auf Kosten weiterer Komplikationen an geeigneten Öffnungsstellen verstellbare Leitschau- feln anzuordnen, um einer zu grossen Abweichung der Strömungsrichtung von derjenigen entgegenzu wirken, die bei den Sollverhältnissen innegehalten wird.
Auch erscheint es wünschbar, eine der Stirn platten samt den daran angeschlossenen Leitungen gegenüber der andern um einen gewissen Winkel ver drehen zu können, um zu erreichen, dass die Haupt öffnungen korrekt in bezug aufeinander angeordnet sind, unbekümmert um Rotor- und Gasgeschwindig keit.