Druckaustauscher Der Wirkungsgrad einer einen Druckaustauscher aufweisenden Kraftanlage nimmt bei steigender obe rer Kreislauftemperatur des Arbeitsmediums zu, wes halb es wünschenswert ist, den Druckaustauscher so zu betreiben, dass das Arbeitsmedium in ihm eine höhere obere Temperatur erreicht. Es drängt sich dann die Kühlung jener Teile des Druckaustauschers auf, die mit dem auf hoher Temperatur befindlichen Arbeits medium in Berührung stehen. Bei diesen Teilen han delt es sich nebst den Leitungen für die Abführung des heissen Fluidums in erster Linie um die Zellen wände.
Gegenstand der Erfindung ist ein Druckaustau- scher, der nebst Zellen für die Verdichtung und Ex pansion von gasförmigem Arbeitsfluidum Mittel zur Zu- und Abführung des Arbeitsfluidums zu bzw. von den Zellen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenwände innen mit Mitteln zu ihrer Kühlung versehen sind.
Beiliegende Zeichnung stellt einige Ausführungs beispiele des Erfindungsgegenstandes dar.
Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispieles.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Va riante des zugehörigen Rotors.
Fig. 3 ist eine der Fig. 2 ähnliche Ansicht einer Ausführungsvariante des Zellenrotors.
Fig. 4 ist eine schematische Abwicklung eines Druckaustauschers, bei welchem als Kühlmittel Ar beitsmedium verwendet wird.
Fig.5 ist eine schematische Abwicklung eines anderen Ausführungsbeispieles, und Fig. 6 zeigt eine Einzelheit im Längsschnitt.
In Fig. 1 ist mit 1 der Druckaustauscherrotor be zeichnet, der radiale Wände 2 hat, zwischen denen sich Zellen befinden, und der auch eine Welle 3 hat, die einen zentralen Kanal 3A und einen koaxialen Ringkanal 3B besitzt, die beide am gleichen Wellen ende ausmünden. Der Rotor 1 ist in einem trommel- förmigen Gehäuse 5 angeordnet, das mit Lagern 4 für die Welle 3 ausgestattet ist.
Mit 14 und 15 sind Stirnwandteile mit Anschlüssen für den Frischluft eintritt bzw. für den Auslass in der Niederdruckspül- stufe; mit 19 und 17 sind Stirnwandteile mit Einlass- bzw. Auslassanschlüssen der Hochdruckspülstufe be zeichnet. Jede Zellwand 2 hat einen Kanal 18 für den Durchlass von Kühlmittel.
Jeder dieser Kanäle 18 steht am einen Ende mit dem Einlasskanal 3A und am anderen Ende mit dem Auslasskanal 3B in Ver bindung. Die Kanäle 18 sind somit parallel geschaltet. Auch das Gehäuse 5 hat Kanäle wie 10 für den Durchlass von Kühlmittel, mit einem Einlassanschluss 11 und einem Auslassanschluss 12.
Im Betrieb wird als Kühlmittel z. B. Wasser oder Luft in den zentralen Kanal 3A gepumpt, wobei gemäss Fig. 4 eine Dichtungsvorrichtung 20 zwischen die rotierenden und die stationären Kanäle geschaltet ist. Das Kühlmittel durchfliesst die Kanäle 18 gemäss den Pfeilen und tritt durch den Ringkanal 3B aus.
In ähnlicher Weise fliesst Kühlmittel durch die Kanäle 10, wobei die gleiche Kühlmittelquelle verwendet wer den kann und die aus 3B und 12 austretenden Kühl mittelströme durch einen nicht dargestellten Wärme- austauscher oder einen Kühler hindurchgeführt und dann wieder durch die Kanäle 10 und 18 gepumpt werden können; die austretenden Kühlmittelströme können aber anstatt dessen einfach weggeführt wer den.
In der in Fig. 2 gezeigten Variante wird ein sekundäres Kühlmittel wie Wasser oder Luft durch den zentralen Kanal 3A gepumpt, der sich vom einen Ende der Welle 3 zum anderen Ende erstreckt. Die Zellenwände haben je einen in sich geschlossenen Kühlmittelkanal 8, dessen achsnächster Abschnitt vom Kanal 3A zweckmässig nur durch Material ge trennt ist, das die Wärme gut leitet. Die Kanäle 8 sind mit einem primären Kühlmittel gefüllt, das z. B. aus Wasser oder aus im Betrieb flüssigem Metall wie Natrium bestehen kann.
Die von dem gemäss den Pfeilen im Kreislauf strömenden, primären Kühl mittel aufgenommene Wärme wird an das durch den Kanal 3A strömende sekundäre Kühlmittel übertra gen, was begünstigt werden kann z. B. durch Hinein ziehen der Zellwände in den Kanal 3A oder durch Anordnung von Rippen an den Wärmeübertragungs- flächen.
In Druckaustauschern besteht meistens ein axialer Temperaturgradient längs den Zellwänden. In der Fig. 1 ist in der Nähe der Hochdruckspülstufe das linksseitige Ende des Rotors heisser als das andere, da die Wärmezuführleitung 19 (Fig. 4) auf der lin ken Seite gelegen ist. Dadurch ergibt sich der in Fig. 2 durch Pfeile angegebene Strömungssinn.
In der in Fig. 3 gezeigten Variante erstrecken sich die Strömungskanäle 9 für das Kühlmittel in den Zellwänden radial bis nahe an den zentralen Kanal 3A für das sekundäre Kühlmittel. Das in den Kanälen 9 enthaltene primäre Kühlmittel (z. B. Wasser oder Natrium) zirkuliert als Flüssigkeit oder als Dampf und überträgt Wärme von den wärmeren äusseren Enden an die abgekühlten inneren Enden, wo die Wärme an das durch den Kanal 3A strömende sekundäre Kühl mittel abgegeben wird, was wieder durch die weiter oben angedeuteten Massnahmen begünstigt werden kann.
In dem in Fig. 4 dargestellten Druckaustauscher besteht das Kühlmittel aus Arbeitsmittel, das den Zellen bei einer geeigneten Temperatur und einem geeigneten Druck entnommen wird. Im Rotor sind die Kühlmittelkanäle 3A, 3B und 18 ähnlich ange ordnet wie in Fig. 1. Eine Leitung 21A nimmt Luft (oder sonstiges Arbeitsmittel) auf, die in der Hoch druckspülstufe von der Leitung abgezweigt wird, welche Arbeitsmittel von den Zellen zum Erhitzer 13 führt, und führt sie dem Kanal 3A zu. Nach Durch strömen der Kanäle 18 als Kühlmittel gelangt diese Luft durch den Ringkanal 3B und die Leitung 22 wieder in die Zellen.
In nicht gezeigter Art und Weise könnte die Kühlluft zwischen der Hoch- und der Niederdruckspülstufe den Zellen entnommen und nach Durchströmen der Kanäle 18 in die Atmosphäre abgelassen werden.
Mit der Anordnung nach Fig. 5 kann ein zusätz licher Kühleffekt erreicht werden. In Fig. 5 sind die oben bereits beschriebenen Kühlvorrichtungen der Einfachheit halber weggelassen worden. Die Leitun gen 14, 15 der Niederdruckspülstufe und diejenigen 17, 19 der Hochdruckspülstufe sind asymmetrisch am Zellenringumfang angeordnet. Der Bogenabstand A von 14, 15 zu 19, 17 in Bewegungsrichtung der Zellen ist wesentlich grösser als jener B von 17, 19 zu 14, 15 im gleichen Sinne.
Man erreicht hierdurch, dass die mittlere Zellwandtemperatur weniger hoch ist als bei symmetrischer Anordnung (d. h. bei<I>A = B),</I> und zwar, weil die in der Niederdruckspülstufe eingelas sene kühle Frischluft länger in den Zellen belassen wird als die heissen Gase, die in der Hochdruckspül- stufe in die Zellen eingelassen werden. Es wurden keine Übertragungsleitungen gezeigt, obwohl solche vorhanden sein können zur Verbindung von Zellen auf der einen oder anderen Seite des Rotors; auch solche Übertragungsleitungen könnten asymmetrisch angeordnet sein.
Anstelle der oder zusätzlich zu den oben beschrie benen Kühlvorrichtungen kann der Zellenring an seinem Umfang mit einer Anzahl von Kühlrippen versehen sein, z. B. wie in Fig. 6 gezeigt. Diese Kühl rippen sind dort mit 7 bezeichnet. Ähnliche in Um fangsrichtung verlaufende Kühlrippen 6 sind auch an der Innen- und der Aussenoberfläche des Gehäuses 5 vorhanden, wobei diejenigen an der Innenoberfläche und die Kühlrippen 7 des Zellenringes labyrinth- artig ineinandergreifen, zwecks Gewährleistung eines guten Wärmeüberganges insbesondere durch Strah lung, aber auch durch Konvektion, wobei das zwi schen den Rippen hindurchströmende Gas als Wärme träger dient.
Die an der Aussenoberfläche des Ge häuses vorhandenen Rippen geben Wärme insbeson dere durch Abstrahlung an die Umluft ab. Um Ven tilationsverluste zwischen den ineinander-reifenden Kühlrippen zu vermindern, kann der in Frage kom mende Raum unter Unterdruck gesetzt werden, was den Wärmeübergang durch Strahlung nicht vermin dert.
In einer weiteren, nicht gezeigten Variante kön nen die Zellenwände aus porösem Material bestehen, um so eine Verdünstungskühlung durch in sie einge führtes Kühlmittel zu ermöglichen.
Pressure exchanger The efficiency of a power plant having a pressure exchanger increases as the upper circulation temperature of the working medium rises, which is why it is half desirable to operate the pressure exchanger so that the working medium in it reaches a higher upper temperature. It is then necessary to cool those parts of the pressure exchanger that are in contact with the working medium at a high temperature. These parts, in addition to the lines for discharging the hot fluid, are primarily around the cell walls.
The invention relates to a pressure exchanger which, in addition to cells for the compression and expansion of gaseous working fluid, has means for supplying and removing the working fluid to and from the cells, characterized in that the cell walls are internally provided with means for cooling them are.
The accompanying drawing shows some execution examples of the subject invention.
Fig. 1 is a schematic longitudinal section of a first embodiment.
Fig. 2 is a perspective view of a variant of the associated rotor.
FIG. 3 is a view similar to FIG. 2 of a variant embodiment of the cell rotor.
Fig. 4 is a schematic development of a pressure exchanger in which the coolant Ar is used beitsmedium.
Fig. 5 is a schematic development of another embodiment, and Fig. 6 shows a detail in longitudinal section.
In Fig. 1, 1 is the pressure exchanger rotor be characterized, which has radial walls 2 between which cells are located, and which also has a shaft 3 having a central channel 3A and a coaxial annular channel 3B, both of which end at the same shaft flow out. The rotor 1 is arranged in a drum-shaped housing 5 which is equipped with bearings 4 for the shaft 3.
With 14 and 15 are end wall parts with connections for the fresh air inlet and for the outlet in the low-pressure flushing stage; with 19 and 17 end wall parts with inlet and outlet connections of the high-pressure flushing stage be characterized. Each cell wall 2 has a channel 18 for the passage of coolant.
Each of these channels 18 is connected at one end to the inlet channel 3A and at the other end to the outlet channel 3B. The channels 18 are thus connected in parallel. The housing 5 also has channels such as 10 for the passage of coolant, with an inlet connection 11 and an outlet connection 12.
In operation, z. B. water or air is pumped into the central channel 3A, wherein according to FIG. 4, a sealing device 20 is connected between the rotating and the stationary channels. The coolant flows through the channels 18 according to the arrows and exits through the annular channel 3B.
In a similar way, coolant flows through the channels 10, whereby the same coolant source can be used and the coolant flows exiting from 3B and 12 can be passed through a heat exchanger (not shown) or a cooler and then pumped through the channels 10 and 18 again ; the exiting coolant flows can instead simply be carried away whoever.
In the variant shown in Fig. 2, a secondary coolant such as water or air is pumped through the central channel 3A, which extends from one end of the shaft 3 to the other end. The cell walls each have a self-contained coolant channel 8, the section closest to the axis of the channel 3A is suitably separated only by material that conducts heat well. The channels 8 are filled with a primary coolant which, for. B. can consist of water or of liquid metal such as sodium in operation.
The heat absorbed by the primary coolant flowing in the circuit according to the arrows is transferred to the secondary coolant flowing through the channel 3A, which can be favored e.g. B. by pulling the cell walls into channel 3A or by arranging ribs on the heat transfer surfaces.
In pressure exchangers there is usually an axial temperature gradient along the cell walls. In Fig. 1, the left-hand end of the rotor is hotter than the other in the vicinity of the high-pressure flushing stage, since the heat supply line 19 (Fig. 4) is located on the lin ken side. This results in the direction of flow indicated by arrows in FIG. 2.
In the variant shown in FIG. 3, the flow channels 9 for the coolant in the cell walls extend radially to close to the central channel 3A for the secondary coolant. The primary coolant (e.g. water or sodium) contained in the channels 9 circulates as liquid or as vapor and transfers heat from the warmer outer ends to the cooled inner ends, where the heat is transferred to the secondary coolant flowing through channel 3A is released, which can again be favored by the measures indicated above.
In the pressure exchanger shown in FIG. 4, the coolant consists of working fluid which is taken from the cells at a suitable temperature and a suitable pressure. In the rotor, the coolant channels 3A, 3B and 18 are similarly arranged as in Fig. 1. A line 21A takes in air (or other working medium), which is branched off in the high-pressure flushing stage from the line, which working medium from the cells to the heater 13 and feeds them to channel 3A. After flowing through the channels 18 as coolant, this air passes through the annular channel 3B and the line 22 back into the cells.
In a manner not shown, the cooling air between the high-pressure and low-pressure purging stages could be taken from the cells and, after flowing through the channels 18, released into the atmosphere.
With the arrangement according to FIG. 5, an additional Licher cooling effect can be achieved. In FIG. 5, the cooling devices already described above have been omitted for the sake of simplicity. The lines 14, 15 of the low-pressure flushing stage and those 17, 19 of the high-pressure flushing stage are arranged asymmetrically on the circumference of the cell ring. The arc distance A from 14, 15 to 19, 17 in the direction of movement of the cells is significantly greater than that B from 17, 19 to 14, 15 in the same sense.
This means that the mean cell wall temperature is less high than with a symmetrical arrangement (ie with <I> A = B), </I> because the cool fresh air admitted in the low-pressure purging stage is left in the cells longer than the hot gases that are let into the cells in the high-pressure flushing stage. No transmission lines have been shown, although there may be such to connect cells on one side or the other of the rotor; Such transmission lines could also be arranged asymmetrically.
Instead of or in addition to the above-described enclosed cooling devices, the cell ring can be provided on its circumference with a number of cooling fins, for. B. as shown in FIG. These cooling ribs are denoted by 7 there. Similar cooling fins 6 running in the circumferential direction are also present on the inner and outer surfaces of the housing 5, those on the inner surface and the cooling fins 7 of the cell ring interlocking like a labyrinth, in order to ensure good heat transfer, in particular through radiation, but also through Convection, with the gas flowing through between the ribs serving as a heat carrier.
The ribs on the outer surface of the housing emit heat, in particular through radiation to the surrounding air. In order to reduce ventilation losses between the cooling fins that merge into one another, the room in question can be placed under negative pressure, which does not reduce the heat transfer through radiation.
In a further variant, not shown, the cell walls can consist of porous material in order to enable evaporative cooling by means of coolant introduced into them.