Anlage mit Druckaustauscher Gegenstand der Erfindung ist eine Anlage mit einem Druckaustauscher, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Druckaustauscher Zellen für die Ver dichtung und Expansion von Gas, Leitungen für die Zu- und Abführung von Gas zu bzw. von den Zellen mindestens in einer Wärmeabführstufe und in einer Spülstufe, Mittel zur Kühlung von Gas in der Wärme abführstufe und Mittel zur Herbeiführung einer Re lativbewegung zwischen den Zellen und den Leitungen aufweist,
wobei zu den Leitungen der Wärmeabführ- stufe eine solche gehört, die Gas bei einem Druck in die Zellen einführt, der niedriger ist als der Druck des Gases, der den Zellen in der Spülstufe zugeführt wird.
Beiliegende Zeichnung stellt drei Ausführungs beispiele des Erfindungsgegenstandes dar.
Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen schematisch diese drei Ausführungsbeispiele, wobei in jeder der Druckaus- tauscher in Abwicklung dargestellt ist.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird atmo sphärische Luft durch eine Leitung 2 einer Turbine 1 zugeführt, in dieser expandiert und dann durch die Einlassleitung 3 eines Druckaustauschers in einer Wärmeabführstufe dieses letzteren den in einem Kranz angeordneten Zellen 4 zugeführt. Die Lei tung 3 steht ausserhalb des Zellenringes mit einer Aus lassleitung 5 in Verbindung, die in dieser Wärme abführstufe Gas bei unteratmosphärischem Druck aus den Zellen 4 aufnimmt.
Die Leitungen 3 und 5 und die jeweils mit ihnen in Verbindung stehenden Zellen 4 bilden für den Druckaustauscher eine Nieder druckwärmeabführstufe, aus der Wärme durch eine Kühlschlange 6 (die z. B. zu einem Wärmeaustau- scher gehören kann) abgeführt wird. Die Kühlschlange 6 ist in der Einlassleitung 3 im Bereich der Verbindung dieser letzteren mit der Auslassleitung angeordnet.
Die Spülung der Zellen erfolgt durch Gas, das bei atmo- sphärischem Druck durch eine Spüleinlassleitung 7 zu geführt wird, wobei das weggespülte Gas durch eine Spülauslassleitung 8 in die Atmosphäre abfliesst. Die Spüleinlassleitung 7 ist von der Turbineneinlassleitung 2 abgezweigt. Die Turbinenwelle 9 gibt an einen Stromgenerator 10 (an dessen Stelle eine andere Ma schine treten könnte) Nutzleistung ab. Der Kranz von Zellen 4 ist auf einem Rotor angeordnet, und die Leitungen 3, 7, 8, 9 sind an Öffnungen von statio nären Stirnplatten angeschlossen, die sich beiderseits des Zellenkranzes befinden.
Der die Zellen aufwei sende Rotor kann entweder durch die Turbine 1 oder durch einen andern Motor, z. B. einen Elektromotor, angetrieben werden.
In der nun folgenden Beschreibung der Arbeits weise ist von in den Zellen wirksamen Verdichtungs- und Expansionswellen die Rede. In der Fig. 1 (und auch den Fig. 2 und 3) sind die Verdichtungswellen durch volle Linien und die Expansionswellen durch gestrichelte Linien angedeutet.
Atmosphärischen Druck aufweisendes Gas, z. B. Luft, strömt in die Turbine 1 ein, wird in dieser expandiert und dann durch die Kühlschlange 6 noch abgekühlt, um dann in eine sich im Sinne des Pfeils 11 bewegende Zelle 4 einzutreten. Dabei entstehen Verdichtungswellen bei korrekter Abstimmung der Öffnung der Zelle 4 auf die Leitung 3. Das Gas in der Zelle wird also verdichtet und zur nächsten Leitung 7 getragen.
Da der Gasdruck in der Zelle immer noch unter atmosphärisch ist, wird aus der Leitung 7 unter atmosphärischem Druck stehendes Gas in diese Zelle eintreten und bei korrekter Abstimmung der Öffnung dieser Zelle werden in derselben erneut Verdichtungs wellen wirksam sein. Der Zelleninhalt wird dabei so stark verdichtet, dass der Enddruck den atmosphäri schen Druck übersteigt. Bei Eintreffen der Zelle bei der Leitung 8 entstehen Expansionswellen, und ein Teil des Zelleninhaltes fliesst durch die Leitung 8 in die Atmosphäre ab. Die Leitungen 7 und 8 haben als Spülleitungen gewirkt und aus der Zelle den gröss ten Teil des Gases entfernt, das aus der Leitung 3 in diese Zelle eingetreten ist, unter gleichzeitiger Erset zung durch Luft aus der Leitung 7.
Sobald die Zelle bei der Leitung 5 eintrifft, wirken in ihr erneut Ex pansionswellen, wobei in ihr der Druck bis etwas unter den Enddruck der Turbine abfällt, damit das bei 6 abgekühlte Gas in die Zelle eintreten kann. Der Umlauf von Gas durch die Anlage treibt die Turbine 1 an, die somit durch ihre Welle 9 Nutz leistung abgibt.
Die Turbine 1 kann eine Gasturbine von üblicher Bauart sein; sie könnte auch zum Antrieb des Druck- austauscher-Zellenkranzes herangezogen werden.
Anstatt in die Turbine und in die Zellen Gas, z. B. Luft, einzuführen, das unter atmosphärischem Druck steht, könnten die Leitungen 2 und 7 an eine oder zwei Zwischenstufen einer Turbine angeschlos sen sein, welcher Gas unter überatmosphärischem Druck zugeführt wird; die mit 1 bezeichnete Tur bine könnte aus einer oder mehreren Niederdruck stufen einer solchen Turbine bestehen.
Zur Unterstützung der durch die Verdichtungs- bzw. Expansionswellen bewirkten Verdichtung und Expansion könnten zusätzlich noch überleitungs- kanäle dem Druckaustauscher einverleibt sein.
Nach Fig. 1 sind die die Mündungen der Leitun gen 7, 8 bildenden Öffnungen der Stirnplatten in Umfangsrichtung des Zellenringes gerade nur so viel gegeneinander versetzt, dass sich einer Verdichtungs welle eine Expansionswelle überlagert. Dasselbe gilt bei den Mündungen der Leitungen 3, 5. Durch diese Überlagerungen werden Verluste reduziert. Bei Ver grösserung der Öffnungen wird die Spülung vollstän diger.
Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der eben beschriebenen nur dadurch, dass die Mündungen der Leitungen 3, 5 und 7, 8 in Umfangs richtung des Zellenkranzes stärker gegeneinander ver setzt sind, so dass die Expansionswellen sich nicht den Verdichtungswellen überlagern.
In den vorhin beschriebenen Beispielen kann Wärme in die Leitungen 2 oder 7 eingeführt werden zur Erhitzung eines Stromes von atmosphärischer Luft oder von unteratmosphärischem Druck stehendem Gas. Anstelle einer Kühlschlange 6 kann eine Düse vorgesehen werden, die Wasser oder ein sonstiges Kühlmittel einspritzt, und zwar in die Zellen un mittelbar bevor dieselben mit der Einlassleitung in Verbindung treten. In diesem Falle könnte die Aus lassleitung 5 und jede äussere Kühlungseinrichtung wie 6 weggelassen werden.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig.3 läuft ein Kranz von Zellen 4 zwischen Mündungen einer Ein lassleitung 3 und einer Auslassleitung 5, beide zu einer Niederdruckwärmeabführstufe gehörend, und zwi schen Mündungen einer Spüleinlassleitung 7 und einer Spülauslassleitung B. Der Leitung 3 strömt Abgas aus einem speziell ausgelegten Verbrennungsmotor oder einer Turbine bei unteratmosphärischem Druck durch eine Leitung 12 und einem Wärmeaustauscher 13 hin durch zu.
Der Wärmeaustauscher überträgt der durch die Spüleinlassleitung fliessenden Frischluft Wärme, wobei das durch die Leitung 12 strömende Abgas gekühlt wird. In den Leitungen 3, 5 der Nieder druckwärmeabführstufe ist eine Kühlschlange 6 oder eine Kühlwasserspritzdüse angeordnet. Die Spülaus lassleitung 8 ist mit der Spüleinlassleitung 7 durch eine Bypassleitung 14 mit einstellbarem Steuerventil 15 verbunden. Auf diese Weise kann ein gesteuerter An teil der durch die Spülauslassleitung 8 abströmende Gasmenge dazu gebracht werden, erneut durch die Spülstufe zu fliessen.
Ein Überleitkanal 16 (es könn ten mehrere sein) mündet mit seinen Enden auf bei den Seiten der Wärmeabführstufe aus zur Her stellung einer Verbindung zwischen den gerade an diesen Mündungen vorbeiwandernden Zellen, dies zur Steigerung der Verdichtung und der Expan sion von in diesen Zellen enthaltenem Gas durch abgestimmte Verdichtungs- und Expansionswellen.
Eine detaillierte Beschreibung der Wirkungsweise dieser dritten Ausführungsform erübrigt sich, da diese Wirkungsweise sich von derjenigen der ersten Ausführungsform nur durch diese Wirkung der über leitkanäle unterscheidet. In der Anwendung im Verein mit einem Verbrennungsmotor hat der Druckaustau- scher eine Steigerung der Nutzleistung und des Spül wirkungsgrades des Verbrennungsmotors zur Folge. In der Anwendung im Verein mit einer Turbine hat der Druckaustauscher eine Steigerung der Turbinen leistung zur Folge.
System with pressure exchanger The subject of the invention is a system with a pressure exchanger, characterized in that this pressure exchanger cells for the compression and expansion of gas, lines for the supply and discharge of gas to and from the cells at least in one heat dissipation stage and in a flushing stage, means for cooling gas in the heat removal stage and means for bringing about a relative movement between the cells and the lines,
wherein the lines of the heat removal stage include one which introduces gas into the cells at a pressure which is lower than the pressure of the gas which is supplied to the cells in the flushing stage.
The accompanying drawing shows three execution examples of the subject invention.
FIGS. 1, 2 and 3 show these three exemplary embodiments schematically, with the pressure exchanger being shown in development in each.
In the exemplary embodiment according to FIG. 1, atmospheric air is fed through a line 2 to a turbine 1, expanded therein and then fed through the inlet line 3 of a pressure exchanger in a heat dissipation stage of the latter to the cells 4 arranged in a ring. The Lei device 3 is outside of the cell ring with an outlet line 5 in connection, which absorbs gas at subatmospheric pressure from the cells 4 in this heat dissipation stage.
The lines 3 and 5 and the cells 4 connected to them form a low-pressure heat dissipation stage for the pressure exchanger, from which heat is dissipated through a cooling coil 6 (which, for example, can belong to a heat exchanger). The cooling coil 6 is arranged in the inlet line 3 in the area of the connection between the latter and the outlet line.
The cells are rinsed by gas which is supplied at atmospheric pressure through a rinsing inlet line 7, the gas being rinsed away flowing through a rinsing outlet line 8 into the atmosphere. The flushing inlet line 7 branches off from the turbine inlet line 2. The turbine shaft 9 is a power generator 10 (in the place of which another Ma machine could step) from useful power. The ring of cells 4 is arranged on a rotor, and the lines 3, 7, 8, 9 are connected to openings of statio nary end plates, which are located on both sides of the cell ring.
The cells aufwei sending rotor can either by the turbine 1 or by another motor, for. B. an electric motor are driven.
In the description of the work that now follows, there is talk of compression and expansion waves that are effective in the cells. In FIG. 1 (and also FIGS. 2 and 3) the compression waves are indicated by solid lines and the expansion waves are indicated by dashed lines.
Atmospheric pressure gas, e.g. B. air, flows into the turbine 1, is expanded in this and then further cooled by the cooling coil 6 in order to then enter a cell 4 moving in the direction of the arrow 11. Compression waves arise when the opening of the cell 4 is correctly matched to the line 3. The gas in the cell is thus compressed and carried to the next line 7.
Since the gas pressure in the cell is still below atmospheric, gas under atmospheric pressure will enter this cell from line 7 and, if the opening of this cell is correctly adjusted, compression waves will again be effective in the same. The cell contents are compressed so strongly that the final pressure exceeds atmospheric pressure. When the cell arrives at line 8, expansion waves occur and part of the cell content flows through line 8 into the atmosphere. The lines 7 and 8 acted as flushing lines and removed the largest part of the gas from the cell that entered this cell from the line 3, while at the same time replacing it with air from the line 7.
As soon as the cell arrives at line 5, expansion waves act in it again, the pressure in it falling to slightly below the final pressure of the turbine so that the gas cooled at 6 can enter the cell. The circulation of gas through the system drives the turbine 1, which thus emits useful power through its shaft 9.
The turbine 1 can be a gas turbine of conventional design; it could also be used to drive the pressure exchanger cell ring.
Instead of gas in the turbine and cells, e.g. B. air, which is under atmospheric pressure, the lines 2 and 7 could be ruled out to one or two intermediate stages of a turbine, which gas is supplied under superatmospheric pressure; the designated 1 turbine could consist of one or more low pressure stages of such a turbine.
To support the compression and expansion brought about by the compression or expansion waves, transfer channels could additionally be incorporated into the pressure exchanger.
According to Fig. 1, the mouths of the lines 7, 8 forming openings of the end plates in the circumferential direction of the cell ring are offset against each other just enough that a compression wave is superimposed on an expansion wave. The same applies to the mouths of the lines 3, 5. Losses are reduced by these superimpositions. If the openings are enlarged, the flushing becomes more complete.
The embodiment according to FIG. 2 differs from the one just described only in that the mouths of the lines 3, 5 and 7, 8 are more strongly against each other in the circumferential direction of the cell ring, so that the expansion waves do not superimpose the compression waves.
In the examples described above, heat can be introduced into lines 2 or 7 to heat a stream of atmospheric air or sub-atmospheric pressure gas. Instead of a cooling coil 6, a nozzle can be provided which injects water or some other coolant into the cells immediately before they come into contact with the inlet line. In this case, the outlet line 5 and any external cooling device such as 6 could be omitted.
In the embodiment according to Figure 3, a ring of cells 4 runs between the mouths of an inlet line 3 and an outlet line 5, both belonging to a low-pressure heat dissipation stage, and between the mouths of a flushing inlet line 7 and a flushing outlet line B. The line 3 flows exhaust gas from a specially designed Internal combustion engine or a turbine at subatmospheric pressure through a line 12 and a heat exchanger 13 through to.
The heat exchanger transfers heat to the fresh air flowing through the flushing inlet line, the exhaust gas flowing through the line 12 being cooled. A cooling coil 6 or a cooling water spray nozzle is arranged in the lines 3, 5 of the low pressure heat removal stage. The flush outlet line 8 is connected to the flush inlet line 7 through a bypass line 14 with an adjustable control valve 15. In this way, a controlled proportion of the amount of gas flowing out through the flushing outlet line 8 can be made to flow again through the flushing stage.
A transfer channel 16 (there could be several) opens with its ends on the sides of the heat dissipation stage to establish a connection between the cells just passing these openings, this to increase the compression and expansion of the gas contained in these cells through coordinated compression and expansion waves.
A detailed description of the mode of action of this third embodiment is unnecessary, since this mode of action differs from that of the first embodiment only in this effect of the guide channels. When used in conjunction with an internal combustion engine, the pressure exchanger results in an increase in the useful power and the flushing efficiency of the internal combustion engine. When used in conjunction with a turbine, the pressure exchanger increases the turbine output.