Druckaustauscher Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Druckaustauscher und betrifft eine Weiterentwicklung der Erfindung gemäss dem Hauptpatent Nr. 434 879.
Ein Druckaustauscher ist ein Apparat, welcher Zel len aufweist, in, denen eine erste Gasmenge expandiert, und dabei eine andere Gasmenge, mit welcher die erste in direktem Kontakt steht, komprimiert. Ferner sind Durch gänge vorhanden, um Gas bei verschiedenen Drücken stetig in und aus den Zellen zu leiten sowie Mittel, um die Zellen bezüglich den Durchgängen zu verschieben.
Ein solcher Druckaustauscher besitzt beispielsweise ein äusseres, rohrförmiges Organ und ein inneres Organ, eine Anzahl Wände, welche an einem der beiden Wände abgestützt sind und sich bis zum andern Organ erstrecken, um dazwischen eine Anzahl an den Enden offene Zellen in Form eines Zellenringes zu bilden, wo bei die Zellen durch Stirnplatten verschlossen oder ab gedeckt werden.
Bei einem solchen Druckaustauscher ist es notwen dig, falls seine Leistung nicht abfallen soll, den Arbeits spalt zwischen dem Zellenring und den Stirnplatten so klein wie möglich zu halten, damit so wenig wie möglich Gas von einer Hochdruckzone in eine Niederdruckzone des Druckaustauschers überströmen kann.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass auch bei einer Ausführung mit solch engen Arbeitsspalten zwischen den relativ zueinander beweglichen Teilen des Druckaustauschers immer gleich zeitig ein Leistungsabfall, der sich nicht einfach durch Druckverluste in der Hochdruckzone, wie sie entstehen, wenn Gas von dieser Zone in eine niedrigere Zone überströmt, erklären lässt. Es wird nunmehr angenom men, dass solche zusätzlichen Leistungsverluste durch die gegenseitige Beeinflussung des in die Niederdruck zone strömenden, unter hohem Druck stehenden Gases und dem in dieser Zone vorhandenen Gase mit niedri gerem Druck verursacht werden.
Das Hauptpatent Nr. 434 879 betritt einen Druck- austauscher mit zwei Wänden, zwischen denen ein ihre relative Verschiebung erlaubender Zwischenraum vor gesehen ist, welcher eine Bahn für einen sich von einer Hochdruckzone in eine Niederdruckzone bewegenden Leckgasstrom bildet, wobei in einer der beiden Wände Expansionsräume vorgesehen sind, und Durchgänge das Innere dieser Expansionsräume mit der Niederdruckzone verbinden, welche das sich darin bewegende Leckgas in die gleiche allgemeine Strömungsrichtung wie jene des in dieser Zone vorhandenen Arbeitsstromes bringen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dieser Druckaustauscher ferner dadurch aus, dass die andere der zwei genannten Wände so ausgebildet ist, dass sie das Leckgas an einer von den Durchgängen ent fernten Stelle in die Expansionsräume leitet.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher er läutert. Es zeigt: Fig. 1 einen Axialschnitt durch den erfindungsge mässen Druckaustauscher und Fig. 2 einen Ausschnitt, in grösserem Massstab des linken Endes des in Fig. 1 gezeigten Druckaustauschers.
Der Druckaustauscher nach Fig. 1 besitzt einen Zellenring 1, 2 der drehbar zwischen Stirnplatten 4 und 5, welche einen Teil seines Gehäuses bilden, gelagert ist. Der Zellenring besteht aus einem inneren Organ 1, welches koaxial in einem äusseren, rohrförmigen Organ 2 gelagert ist. Eine Anzahl sich in axialer Richtung er streckender Wände 3 teilt den Raum zwischen den Organen 1 und 2 in eine Anzahl offene Enden aufwei sende Zellen auf, welche durch die Stirnplatten 4 und 5 verschlossen bzw. abgedeckt werden. Sektorförmige Durchlassöffnungen 6 und 7 in der Stirnplatte 4 erlau ben einem Arbeitsgas mit niedrigem bzw.
hohem Druck über Leitungen (nicht dargestellt) in die Zellen einzu dringen, während ebenfalls sektorförmige Durchlassöff- nungen 8 und 9 in der Stirnplatte 5 dem Arbeitsgas mit niedrigem bzw. hohem Druck erlauben, die Zellen über weitere Leitungen (nicht dargestellt) wieder zu verlas sen.
Somit bilden die Öffnungen 6, 8 und die ständig mit ihnen in Verbindung stehenden Zellen eine Nieder druckzone des Druckaustauschers, während die öff- nungen 7, 9 und die ständig mit ihnen in Verbindung stehenden Zellen eine Hochdruckzone bilden.
Die Stirnplatten besitzen mit diesen aus einem Stück gebildete zylindrische Verlängerungen 10 bzw. 11, die gleitend ineinandergeschoben werden, um ein den Zellenring umgebendes Gehäuse zu bilden. Die Ver längerungen 10, 11 dienen der axialen Ausrichtung der Stirnplatten 4, 5 zueinander, und erlauben gleichzeitig, letztere zu verschieben.
Der Zellenring ist so montiert, dass ein vorbestimmter Spalt zwischen den Stirnplatten und dem Zellenring verbleibt, wobei dieser Spalt im Betrieb beibehalten wird, und zwar auch bei Aus dehnung oder Zusammenziehung des Zellenringes, da jede Stirnplatte gezwungenermassen jede axiale Bewe gung des zugehörigen Endes des Zellenringes mitmachen muss.
Am Einlassende des Druckaustauschers, welches in Fig. 2 in grösserem Massstab gezeigt ist, ist eine Nut 12 in die Stirnplatte 4 eingelassen.
Die Organe 1, 2 des Zellenringes weisen ringförmige axial verlaufende Verlängerungen 13 bzw. 14 auf, welche in die Nut 12 auslaufen, wobei zwischen den anliegenden axial ver laufenden Verlängerungsflächen 13, 14 und der Nut 12 ein Spalt vorgesehen ist, damit der Zellenring in bezug auf die Stirnplatte 4 in allen Arbeitslagen des Druckaus tausches frei rotieren kann.
Ein Teil 15 der Stirnfläche des Organs 2 bildet mit einem benachbarten Teil 16 der Stirnplatte 4 einen ra dial ausserhalb der Verlängerung 14 liegenden Spalt von bestimmter Breite, durch welchen Leckgas in die Nie derdruckzone fliessen kann. Gleichermassen bildet ein Teil 18 der Stirnfläche des Organs 1 mit einem be nachbarten Teil 19 der Stirnplatte 4 einen radial inner halb der Verlängerung 13 liegenden Spalte von be stimmter Breite.
Die Stirnfläche der Verlängerungen 13, 14 bildet mit einem benachbarten Teil der Nut 12 der Stirnplatte 4 ebenfalls einen Spalt mit derselben vor bestimmten Breite, welche in Fig. 1 neben der Öffnung 7 verdeutlicht wird.
Die Öffnungen 6 und 7 öffnen sich in den Boden der Nut 12. Die Höhe der Öffnung 7, das heisst der Abstand zwischen den inneren und äusseren Kanten, ist im wesentlichen dieselbe wie die Höhe der Zellen. welche gleichbedeutend mit dem radialen Abstand zwi schen den Organen 1 und 2 ist.
Die Öffnung 6, wie aus Fig. 2 deutlich hervorgeht, weist jedoch eine geringere Höhe auf als die Zellen des Zellenringes. Eine Nut 20, welche sich über den Bogen der radial äusseren Kante der Öffnung 6 erstreckt, ist in den Boden der Nut 12 der Stirnplatte 4 eingelassen. Die Nut 20 verläuft über die innere Fläche 21 des Organs 2 radial nach innen und wird von der Öffnung 6 durch eine dünne Wand 22 getrennt. Die Wand 22 und die angrenzende Kante 23 des Organs 2 bilden einen Durchgang 24, über wel chen die Nut mit den Zellen des Zellenrings in Ver bindung steht.
Eine Nut 25, die ähnlich ausgebildet ist wie die Nut 20, erstreckt sich über den Bogen der radial äusseren Kante der Öffnung 6 und ist ebenfalls in den Boden der Nut 12 eingeformt, wobei eine Wand 26 der Nut mit der danebenliegenden Kante 27 des Organs 1 einen Durch gang 28 bildet, über welchen die Nut 25 mit den Zellen des Zellenrings in Verbindung steht.
Am Auslassende des Druckaustauschers, nicht detail liert dargestellt, ist die Stirnplatte 5 mit zwei ringförmi gen, axialen Verlängerungen 29, 30 ausgestattet, wo bei die radial innere Verlängerung 29 auf die radial innern, und die radial äussere Verlängerung 30 auf die radial äusseren Flächen der Öffnungen 8 und 9 ausge richtet ist. Eine ringförmige Nut ist in die Stirnfläche des Zellenringorgans 1 eingelassen und nimmt die Ver längerung 29 auf.
Eine andere, ringförmige Nut ist in die Stirnfläche des Zellenringorgans 2 eingelassen und nimmt die Verlängerung 30 auf. Am Auslassende bildet ein radial ausserhalb der Verlängerung 30 gelegener Teil der Stirnplatte 5 mit einem benachbarten Teil der Stirn- fläche des Organs 2 einen Spalt von vorbestimmter Breite.
Gleichermassen bildet ein radial innerhalb der Verlängerung 29 gelegener Teil der Stirnplatte 5 mit einem benachbarten Teil der Stirnfläche des Organs 1 einen Spalt von vorbestimmter Breite.
Die Höhen der Zellen des Zellrings sind geringer als die Höhe der Auslassöffnung B. In die Stirnflächen des Organs 2 sind mehrere Nuten 31 eingelassen. Die Nuten sind Ende an Ende angeordnet, um einen durch Stege unterbrochenen Kreis zu bilden, wobei die Bo genlänge jeder Nut 31 kleiner ist als der Abstand zwi schen den Öffnungen 8 und 9 in der Stirnplatte 5, so dass eine Nut keine Verbindung zwischen den Öff nungen bilden kann.
Die Nuten 31 sind von den Zellen durch dünne Wände abgetrennt, und diese bilden mit der benachbarten Kante der Öffnung 8 einen Durch gang, um jede Nut 31 mit der Öffnung 8 zu verbinden.
Nuten 33 und Durchgänge 34, ähnlich den Nuten 31 und den Durchgängen 32, sind in der Stirnfläche des Organs 1 vorgesehen.
Wenn sich der Druckaustauscher im Betrieb be findet, wird ein Teil des Hochdruck-Arbeitsgases von der Hochdruckzone durch die anliegenden Arbeitsspal ten Wegströmen, indem es radial nach aussen in den den Zellenring umgebenden Raum und radial nach innen in den die Achse des Zellenrings umgebenden Raum, und dann von diesen Räumen durch die benachbarten Ar beitsspalten in die Niederdruckzone dringt.
Das Leckgas bewegt sich zuerst mit hoher Ge schwindigkeit und senkrecht zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases in der Niederdruckzone, aber sobald es die neben den Niederdruckeinlass- und Auslassöffnungen liegenden Verlängerungen 13, 14, 29, 30 erreicht, wird es in die von den Nuten 20, 25, 31, 33 gebildeten Ex pansionsräume gelenkt.
Das Gas fliesst durch die Durch gänge 24, 28, 32, 34, um in der gleichen allgemeinen Richtung wie der Strom des in der Niederdruckzone vorhandenen Arbeitsgases in diese Zone einzudringen. Somit wird die gegenseitige Beeinflussung der beiden Gasströme auf ein Minimum reduziert.
Aus obigen Ausführungen geht hervor, dass die Verlängerungen den Leckgasstrom an einem von den Durchgängen entlegenen Punkt in die Nuten lenken, und zwar so, dass das Gas in einer seinen Eintritt in die Niederdruckzone unterstützenden Richtung umgelenkt wird.
Obwohl in der Zeichnung die Nuten einen rechtecki gen Querschnitt besitzen, ist es klar, dass sie auch irgend eine andere Form aufweisen könnten, insbesondere eine solche, welche den Eintritt des Leckgasstromes in die Durchgänge erleichtert.
Zweckmässig ist der Gesamtquerschnitt der Durch gänge so gewählt, dass das daraus ausströmende Leckgas auf den Strom des in der Niederdruckzone vorhandenen Arbeitsgases eine Saugwirkung ausübt.
Obwohl in der Zeichnung die Spalten zum besseren Verständnis übertrieben breit dargestellt wurden, ist es klar, dass sie in der Praxis so eng wie möglich aus gebildet werden, wobei natürlich der Zellenring im Be trieb des Druckaustauschers jederzeit frei drehbar sein muss. Die Breite der Spalten hängt einerseits von den äusseren Abmessungen des Druckaustauschers und an derseits von der Temperatur des Arbeitsgases ab.