DE102004002151B3

DE102004002151B3 - Rotationskolbengebläse mit innerem Temperaturausgleich

Info

Publication number: DE102004002151B3
Application number: DE200410002151
Authority: DE
Inventors: Werner Goesling
Original assignee: Gossling Werner Ing(grad)
Current assignee: Gossling Werner Ing(grad)
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2024-01-16

Abstract

Für die Verdichtung oder Entspannung von Gasen wird aus energetischen Gründen die Annäherung an den isothermen Prozess ebenso wie die Vermeidung von Überverdichtung oder Überentspannung angestrebt. DOLLAR A Im Rotor des Gebläses werden rekuperative Wärmetauscher (W) so angeordnet, dass sie, in Abhängigkeit von der Umlaufposition, zwangsweise durchströmt werden. DOLLAR A Die verschwenkbar gelagerten Schaufeln (S) werden geometrisch so gestaltet, dass während eines Rotorumlaufes die Größenverhältnisse (LA) zu (LI) in der Pos. 30 DEG -90 DEG -180 DEG gegenüber dem Größenverhältnis in der Pos. 270 DEG -315 DEG -360 DEG wechseln. DOLLAR A Im Verdichtungsfall (V) hebt die Schaufel (S) vom Führungszylinder (F) ab, sobald der Druck in Drehrichtung vor der Schaufel geringer wird als der Druck hinter der Schaufel. DOLLAR A Im Entspannungsfall (E) geschieht das Gleiche bei Umkehrung der Vorzeichen (+/-) des Druckes. DOLLAR A Im Bereich der Pos. 270 DEG -360 DEG bewirkt das hier umgekehrte Verhältnis (LA) zu (LI) ein erforderliches Anliegen der Schaufel (S) am Führungszylinder (F).

Description

Die Anmeldung betrifft ein Rotationskolbengebläse mit einem Rotor und mit am Rotor verschwenkbar gelagerten Schaufeln. Ein solches Rotationsgebläse ist aus der EP 0 024 006 A1 bekannt.

Es ist bekannt, dass bei der Verdichtung oder Entspannung von Gasen die Annäherung an den isothermen Prozess sowie auch die Anpassung der inneren Verdichtung oder Entspannung an den jeweiligen Gasaustrittsdruck zur Steigerung des mechanischen Wirkungsgrades führt.

Bei einem Rotationskolbengebläse stellt insbesondere die Annäherung an einen isothermen Prozeß ein Problem dar.

Die Lösung des Problems erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Rotationskolbengebläse durch die Anordnung von rekuperativen Wärmetauschern am Rotor zwischen den verschwenkbar gelagerten Schaufeln in der Art, dass durch erzwungene Gasdurchströmung der Wärmeübergang zwischen Gas und Wärmetauscher gesteigert werden kann.

Außerdem werden durch die Formgebung der verschwenkbar gelagerten Schaufeln diese druckabhängig so gesteuert, dass innere Überverdichtung und unvorteilhafte adiabate Temperaturwechsel vermieden werden.

Hier sei erwähnt, dass die Dichtewechsel und die damit verbundenen adiabaten Temperaturwechsel drehzahlabhängig innerhalb von Millisekunden stattfinden und dass bereits die teilweise Unterdrückung der Temperaturwechsel deutliche Steigerungen des Wirkungsgrades erbringt.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der 1 und der 2 dargestellt. Die 1 zeigt ein Rotationskolbengebläse mit einem Rotor und mit den Rotor verschwenkbar gelagerten Schaufeln.
Dieses Rotationskolbengebläse ist erfindungsgemäß mit Wärmetauschern, die zwischen den Schaufeln angeordnet sind, ausgerüstet.
Die Arbeitsweise dieses Rotationskolbengebläses wird nachfolgend am Rotationsablauf eines Entspanners, auch Expansionsmaschine genannt, beschrieben. Die Drehrichtung als Entspanner ist in 1 mit (E) bezeichnet
Für den Verdichtungsprozeß gelten die adäquaten Merkmale.
Die zwangsweise Durchströmung der Wärmetauscher (W) wird dadurch erreicht, dass der durch jeweils zwei Gebläseschaufeln (S), das Gehäuse (A) und den freidrehbaren Führungszylinder (F) gebildete, als Förderzelle (VZ) bezeichnete Raum durch den Wärmetauscher (W) in eine äußere Kammer (VA) und eine innere Kammer (VI) unterteilt ist.
Zwischen den Rotationsphasen 30° bis 135° wird das Volumen der äußeren Kammer (VA) in Drehrichtung deutlich größer als das der inneren Kammer (VI), so dass zum Druckausgleich eine Gasströmung quer durch den gasdurchlässigen Wärmetauscher (W) erfolgt.
Zwischen Wärmetauscher (W) und Schaufel (S) gibt es den Bewegungsspalt (BS).
Die um die Drehachse (DA) verschwenkbaren S-förmig ausgebildeten Schaufeln (S) berühren mit ihrem inneren Schenkel den Führungszylinder (F). Der Abstand zwischen der Drehachse (DA) und der Berührungslinie der Schaufel (S) mit dem Führungszylinder (F) ist die druckwirksame innere Schenkellänge (LI).
Die S-förmigen Schaufeln weisen an ihrem äußeren Schenkel gegenüber dem Gehäuse (A) einen Bewegungsspalt mit einem Spaltminimum auf. Der Abstand zwischen der Drehachse (DA) und dem Spalt-Minimum am Gehäuse (A) ist die druckwirksame äußere Schenkellänge (LA).
Die gleich bleibende innere Breite des Gebläsegehäuses multipliziert mit den druckwirksamen Schenkellängen (LI) oder (LA) ergibt Flächen, auf die der in den Förderzellen auftretende Gasdruck wirkt Die Flächenverhältnisse an den Schaufeln sind damit proportional den druckwirksamen Schenkellängen (LI) oder (LA).
Die gasdruck abhängige Steuerung der Schaufelverschwenkung um die Drehachse (DA) erfolgt durch die Verhältnisse der druckwirksamen Schenkellängen (LI) zu (LA).
In der Rotationsphase der Schaufelachsen (DA) von 30° bis 180° bewirkt der Gasdruck auf die größere Fläche bei (LA), dass die Schaufel am Führungszylinder (F) anliegt, solange der Gasdruck in Drehrichtung absinkt.
Unterschreitet z.B. bei Schwachlast , d.h. bei geringer Füllung der Förderzelle (VZ), der Druck in der Förderzelle (VZ) auf Grund der Volumenvergrößerung in der Förderzelle den Druck in Drehrichtung vor der Förderzelle, d.h., ist der Gegendruck höher als der innere Druck, so hebt die Schaufel (S) vom Führungszylinder (F) ab, es erfolgt Druckausgleich.
Die Lage des Schaufelschwerpunktes (SP) erlaubt durch die auftretende Zentrifugalkraft eine konstruktive Gestaltung des Kräftegleichgewichtes an der Schaufel (S)
In der Rotationsphase der Schaufelachsen (DA) von 180° bis 225° erfolgt auf Grund von Druckausgleich keine deutliche Strömung durch den Wärmetauscher (W) und deshalb geringer Wärmeaustausch zwischen Gas und Wärmeaustauscher.
In der Rotationsphase der Schaufelachsen (DA) von 225° bis 270° erfolgt Strömung durch den Wärmetauscher bei geringer Gasdichte von Kammer (VI) zur Kammer (VA) mit Wärmeübertragung vom Wärmetauscher an den Gasstrom zur Kammer (VI).
In der Rotationsphase der Schaufelachsen (DA) von 270° bis 360° sind auf Grund der Schaufelformgebung die Flächenverhältnisse (LA) zu (LI) umgekehrt gegenüber den übrigen Rotationsphasen, hier ist die druckbeaufschlagte Schaufelfläche (LI) größer als die Fläche (LA). Dies erlaubt innerhalb der Förderzelle (VZ) einen höheren Gasdruck als in Drehrichtung vor der Förderzelle und ermöglicht damit eine Vorverdichtung des Gases mit vorteilhafter adiabater Temperaturerhöhung und Wärmeübertragung vom Gas an den Wärmetauscher.
Die hierbei zu leistende Verdichtungsarbeit wird in der Entspannungsphase vom Gaseintritt bei ca. 20° bis zum Gasaustritt bei 180° wieder freigesetzt.
Im hier nicht dargestellten Betriebsfall eines Verdichters mit der in 2 gezeigten Drehrichtung (V) erfolgt sinngemäß bei eintretendem höheren Gasdruck in der Förderzelle (VZ) gegenüber dem Gasdruck in Drehrichtung vor der Förderzelle ein Abheben der Schaufel (S) vom Führungszylinder (F) sowie auch die Umkehr der Schaufel-Flächenverhältnisse (LA) zu (LI) im Bereich der Rotationsphase 270° bis 360° wie beschrieben, so dass das in diesem Bereich in der Förderzelle (VZ) eingeschlossene verdichtete Gas in der folgenden Rotationsphase Entspannungsarbeit leisten kann und hierbei vorteilhafte adiabate Abkühlung erfährt.
Die schnell wechselnden Phasen von Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe des Wärmetauschers (W) stellen seine Oberflächentemperatur auf ein, innerhalb einer Rotorumdrehung jeweils nur gering wechselndes Niveau ein, weil seine am Temperaturwechsel teilhabende Masse ein Mehrfaches der spezifischen Wärmekapazität als die der durchgesetzten Gasmasse enthält.
Die innere Gestaltung des Wärmetauschers (W) greift auf bekannte Entwicklungen zurück, sie ist nicht Gegenstand dieser Erfindung.

Claims

Rotationskolbengebläse mit einem Rotor und mit am Rotor verschwenkbar gelagerten Schaufeln (S), die durch einen exzentrisch zur Rotor-Drehachse angeordneten Führungszylinder (F) verschwenkt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmetauscher (W) am Rotor zwischen den Schaufeln (S) so angeordnet sind, dass sie den zwischen den Schaufeln befindlichen Raum (VZ) in eine äußere Kammer (VA) und eine innere Kammer (VI) unterteilen, deren Volumen bei der Drehung des Rotors eine unterschiedliche Änderung erfährt und dass dadurch zum Druckausgleich zwischen den Kammern (VA) und (VI) eine Strömung durch den gasdurchlässigen Wärmetauscher (W) herbeigeführt wird.
Rotationskolbengebläse nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (S) S-förmig sind und zwei auf ihre Drehachse (DA) bezogene Halbschenkel aufweisen, wobei der innere Halbschenkel am Führungszylinder (F) gasdicht anliegt und der zwischen der Drehachse (DA) und der Berührungslinie des inneren Halbschenkels mit dem Führungszylinder (F) gebildete Abstand (LI) eine für das Kräftegleichgewicht an der Schaufel (S) bestimmende Größe ist ebenso wie der Abstand (LA) am äußeren Halbschenkel zwischen der Drehachse (DA) und dem Bereich des Minimalspaltes zwischen der Schaufel (S) und dem Gehäuse (A) eine zweite bestimmende Größe darstellt, und dass die Größenverhältnisse (LA) zu (LI) auf Grund konstruktiver Gestaltung der Schaufeln (S) und des Gehäuses (A) bei einer Volldrehung des Rotors in festzulegenden Sektoren wiederkehrend wechseln mit dem Ziel, dass im Verdichtungsprozeß innere Überverdichtung dadurch vermieden wird, dass der auf die Schaufeln wirkende Gasdruck den inneren Halbschenkel der Schaufeln (S) vom Führungszylinder (F) abhebt und gleichzeitig den Bewegungsspalt zwischen Gehäuse (A) und äußerem Halbschenkel der Schaufel (S) vergrößert, sobald in Förderrichtung gesehen der Gasdruck (PH) hinter den Schaufeln mit der Kraft (PH) × (LA – LI) den Gasdruck (PV) vor den Schaufeln mit der Kraft (PV) × (LA – LI) überschreitet.
Rotationskolbengebläse nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Gestaltung der Form der Schaufeln (S) im Anwendungsfall als Verdichter in einem Winkelbereich von ca. 45° nach dem Passieren der Druckgas-Austrittsöffnung auf Grund des hier größeren Abstandes (LI) am inneren Halbschenkel gegenüber dem Abstand (LA) am äußeren Halbschenkel verdichtetes Gas in der Förderzelle (VZ) zwischen zwei Schaufeln (S) eingeschlossen ist und in der in Rotationsrichtung größer werdenden Förderzelle (VZ) Entspannungsarbeit leistet und hierbei vorteilhafte adiabate Abkühlung erfährt.
Rotationskolbengebläse nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Gestaltung der Form der Schaufeln (S) im Anwendungsfall als Entspanner in einem Winkelbereich von ca. 90° vor Annäherung an die Druckgas-Eintrittsöffnung der Abstand (LI) am inneren Halbschenkel größer ist als der Abstand (LA) am äußeren Halbschenkel, so dass das zwischen zwei Schaufeln in der Förderzelle (VZ) eingeschlossene Gas in der in Rotationsrichtung kleiner werdenden Förderzelle (VZ) eine Verdichtung und dadurch vorteilhafte adiabate Erwärmung erfährt.