DE102006030198A1

DE102006030198A1 - Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter mit rotierendem Gehäuse ohne Spalt-Verluste und ohne Reibungs-Verluste des Flüssigkeitsrings an der Gehäusewand

Info

Publication number: DE102006030198A1
Application number: DE200610030198
Authority: DE
Inventors: Richard Dr. Gerhold
Original assignee: SOLAR DYNAMICS GmbH
Current assignee: SOLAR DYNAMICS GmbH
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2008-01-03

Abstract

Neu am beschriebenen Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter ist, dass er nur wenig Antriebs-Leistung benötigt, weil er Spaltverluste völlig unterbindet und Reibung nur stattfindet bei geringer Relativgeschwindigkeit zwischen Füssigkeitsring und Flügelrad. Als Expansionsmaschine erzeugt er nahezu verlustfrei mechanische Energie aus extrem geringem Druckgefälle von weniger als 1 bar. Fig. 7 zeigt, dass im Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter das Flügelrad (4) mit der Nabe (5) seitlich Sperrteller (6) und (7) aufweist, deren Ränder in den Flüssigkeitsring (3) eingetaucht sind und so Spalt-Verluste verhindern. Das Gehäuse in Gestalt des Zylinders (2) und der Flüssigkeitsring (3) rotieren reibungslos mit gleicher Winkel- und Bahngeschwindigkeit. Zwei Verdichter, von denen einer als Expansionsmaschine fungiert, bilden eine Wärmekraftmaschine, die aus warmer feuchter Umgebungsluft sowohl mittels Kondensation Trinkwasser gewinnt als auch mechanische Energie erzeugt bei Kühlung mitttels Umgebungskühlwasser. Verdichtung und Expansion verlaufen so effizient im erfindungsgemäßen Verdichter, dass sein Einsatz in einer Wärmekraftmaschine die Gewinnung mechanischer Energie aus Wärme bei Temperaturen unter 100°C ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsring-Verdichter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
Bekannte Verdichter dieser Bauart weisen ein exzentrisch angeordnetes Flügelrad auf, welches mit dem Flüssigkeitsring, der das Flügelrad umgibt, Kammern von veränderlichem Volumen bildet.
Bei Einsatz dieser Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter tritt folgendes Problem auf, welches zu seiner Lösung der Erfindung bedarf, die im Patentanspruch 1 angegeben ist: Spalt-Verluste und Reibungs-Verluste setzen die Leistung der Verdichter herab oder erhöhen deren Bedarf an Antriebs-Energie.
Spalt-Verluste entstehen im Zentrum des Flüssigkeitsrings zwischen dem rotierenden Flügelrad und den feststehenden seitlichen Gehäusewänden, wo keine Abdichtung mittels Flüssigkeit erfolgt.
Reibungs-Verluste entstehen durch die Reibung des Flüssigkeitsrings am feststehenden Gehäuse – sowohl an den ebenen seitlichen Gehäusewänden wie an der zylindrischen Gehäusewand.
Das Problem, Spalt- und Reibungsverluste im Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter zu vermeiden, wird durch die Merkmale

– Rotation des Gehäuses und
– Abdichtung des Arbeitsraums durch im Flüssigkeitsring angebrachte Sperrteller gelöst, welche im Patentanspruch 1 aufgeführt sind.

Weitere wesentliche vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Neuheit und Nützlichkeit der Erfindung besteht darin, dass

1. keine Spalt-Verluste am erfindungsgemäßen Verdichter vorkommen,
2. keine Reibungs-Verluste des Flüssigkeits-Rings an der Gehäusewand des erfindungsgemäßen Verdichters vorkommen.

Diese beiden wesentlichen Vorzüge der vorliegenden Erfindung eröffnen Flüssigkeitsring-Verdichtern mehrere Einsatzgebiete, welche ihnen wegen bisheriger Ineffizienz verschlossen waren:

1. Verdichtungsvorgänge, welche die eingesetzte Antriebs-Energie nahezu vollständig in Druck-Energie umwandeln. Damit sind erfindungsgemäße Verdichter sehr wirtschaftlich. Nur sie ermöglichen Verdichtung auf wirtschaftliche Weise dort, wo nur wenig Antriebs-Energie zur Verfügung steht, z.B. an den Stellen, an denen die Antriebs-Energie aus schwachen regenerativen Energiequellen gewonnen wird.
2. Expansionsvorgänge, welche ein Druckgefälle nahezu vollständig in mechanische Energie umwandeln. Der erfindungsgemäße Verdichter kann verwendet werden als effiziente Expansionsmaschine zur Nutzung auch sehr geringer Druckunterschiede von weniger als 1 bar für die Erzeugung mechanischer Energie.
3. Durch Kombination von erfindungsgemäßem Verdichter und erfindungsgemäßer Expansionsmaschine ist eine Wärmekraftmaschine möglich, welche aus warmer, feuchter Umgebungsluft mittels Umgebungskühlwasser, z.B. Meerwasser, mechanische Energie gewinnen kann infolge abkühlungsbedingter Druck- und Volumenverminderung der Umgebungsluft – mit für Trinkwasser-Zwecke nutzbarem Kondensat als Koppelprodukt.
4. Kaltwasser kann auf wirtschaftliche Weise mittels des erfindungsgemäßen Verdichters erzeugt werden, wenn dessen Flüssigkeitsring aus Wasser besteht und durch andauernde Unterdruck-Erzeugung auf der Saugseite dem Flüssigkeitsring Verdunstungs-Wasser und auf diese Weise Wärme entzogen wird. Analog kann Warmwasser erzeugt werden, wenn dem Flüssigkeitsring durch andauernde Verdichtungsarbeit Kompressionswärme zugeführt wird.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Beobachtung, dass Spalt- und Reibungs-Verluste in herkömmlichen Flüssigkeitsring-Verdichtern entstehen durch den Geschwindigkeits-Unterschied zwischen rotierenden und feststehenden Teilen, d.h. zwischen Gehäuse einerseits und Flügelrad und Flüssigkeitsring andererseits. Geschwindigkeits-Angleichung und dazu erforderliche Umgestaltung dieser Funktionsteile führt zur Unterbindung solcher Spalt- und Reibungsverluste.
Zum Zweck der Geschwindigkeits-Angleichung der o.g. Funktionsteile sind Gehäuse und Flügelrad eines erfindungsgemäßen Verdichters anders gestaltet als in herkömmlichen Verdichtern:

1. Die Seitenwände des Gehäuses haben statt der Saug- und Druckschlitze mittige Öffnungen, durch welche berührungsfrei die exzentrisch zum Gehäuse rotierenden Saug- und Druckleitungen geführt werden, die mit dem Flügelrad verbunden sind.
2. Das Flügelrad hat seitliche Schilde in Form von Sperrtellern, welche den Arbeitsraum, der von Flügelrad und Flüssigkeitsring gebildet wird, abdichten, indem sie mit ihren Rändern in den Flüssigkeitsring eintauchen.
3. Die Saug- und Druckleitungen rotieren gleich schnell mit dem Flügelrad. Sie werden durch die Sperrteller geführt, mit denen sie gasdicht fest verbunden sind und münden im Arbeitsraum zwischen den Sperrtellern des Flügelrads. Außerhalb des Verdichters sind die Saug- und Druckleitungen entweder mit weiteren rotierenden Teilen anderer Vorrichtungen verbunden oder sie sind mit feststehenden Teilen anderer Vorrichtungen mittels Dichtung verbunden, falls nicht entweder die Saugleitung oder die Druckleitung frei in die Umgebungsluft ragen.

Eine erfindungsgemäße Ausführung eines Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichters wird nachfolgend anhand eines Ausführungs-Beispiels erläutert, von dem die Zeichnungen 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7 Prinzip-Darstellungen sind.
In 1 ist grob schematisch der erfindungsgemäße Verdichter 1 dargestellt, mit rotierendem Zylinder 2, rotierendem Flüssigkeitsring 3 und rotierendem Flügelrad 4, bestehend aus zwei Flügeln und der Nabe 5. Das Flügelrad 4 ist an seinen Seiten fest und gasdicht mit den Sperrtellern 6 und 7 verbunden. Flügelrad 5 und die Sperrteller 6 und 7 haben den gleichen Durchmesser.
Schraffiert dargestellt ist der Flüssigkeitsring 3, der mit dem Flügelrad 4 einen in zwei Kammern geteilten Arbeitsraum bildet.
In je eine dieser Kammern münden die Saugleitungen 10 und 11, welche von außen durch den Sperrteller 6 geführt werden, fest und gasdicht mit diesem verbunden sind und zunächst axial und dann radial durch die Nabe 5 verlaufen, an deren Oberfläche sie enden.
An der gegenüberliegenden Seite des Flügelrads, wo die Druckleitungen 12 und 13 durch den Sperrteller 7 geführt werden, fest und gasdicht mit diesem verbunden sind und zunächst axial und dann radial durch die Nabe 5 verlaufen, an deren Oberfläche sie enden, mündet sowohl die Druckleitung 12 in die Kammer, in welche die Saug leitung 10 mündet als auch die Druckleitung 13 in die Kammer, in welche die Saugleitung 11 mündet.
Während der Rotation von Zylinder 2, Flüssigkeitsring 3 und Flügelrad 4 verändern die Kammern ihre Position und ihr Volumen. Von diesen Vorgängen wird ein gasförmiges Fluid 14 bewegt in den Kammern des Arbeitsraums und in den Saug- und Druckleitungen 10, 11, 12 und 13.
Dieses Fluid 14 wird von den Rückschlagklappen oder -ventilen 15, 16, 17 und 18, welche sich in den Saug- und Druckleitungen 10, 11, 12 und 13 befinden, daran gehindert, hin und her zu strömen, und wird dazu gezwungen, den Arbeitsraum ausschließlich vom Sperrteller 6 zum Sperrteller 7 zu passieren.
Außerhalb des Flügelrads bildet sich so vor dem Sperrteller 6 in den Saugleitungen 10 und 11 ein Unterdruck und vor dem Sperrteller 7 in den Druckleitungen 12 und 13 ein Überdruck. Die beiden Kammern des Arbeitsraums verändern damit während jeder Rotation auch ihre Funktion: Sie werden abwechselnd zu Saug- und Druckkammern. Jenseits der Rückschlagklappen oder -ventile 15, 16, 17 und 18 vereinigen sich die Saugleitungen 10 und 11 zu einer Saugleitung, nachfolgend Saugseite genannt, und die Druckleitungen 12 und 13 zu einer Druckleitung, nachfolgend Druckseite genannt.
Die Kammern des Arbeitsraums im Verdichter 1 können Drücke und Unterdrücke aufnehmen, weil sie zu den Öffnungen im Boden 8 und Deckel 9 des Zylinders 2 abgedichtet sind von den Sperrtellern 6 und 7 und vom hydrostatischen Druck des Flüssigkeitsrings 3.
Der hydrostatische Druck des Flüssigkeitsrings 3 wächst quadratisch mit dessen Drehzahl und linear mit dessen Dicke sowie linear mit dem Radius des Zylinders 2. Mittels dieser Variablen kann der hydrostatische Druck des Flüssigkeitsrings 3 variiert werden. Als Betriebsdruck im Verdichter 1 muss der hydrostatische Druck des Flüssig keitsrings 3 so festgelegt werden, dass er stets sowohl über dem vorgegebenen Druck auf der Druckseite des Verdichters 1 liegt als auch über dem Druck liegt, welcher in der Druckkammer im Arbeitsraum des Verdichters 1 zwischen den Sperrtellern 6 und 7 herrscht und welcher höher ist als der Druck auf der Druckseite des Verdichters 1.
Der Antrieb des Verdichters 1 erfolgt von außen mittels Antrieb des Zylinders 2, z.B. durch ein Reibrad 19.
Das Flügelrad 4 kann mehr als 2 Flügel aufweisen. Es hat stets so viele Arbeitsraum-Kammern wie Flügel. Üblich sind bei Flüssigkeitsring-Verdichtern 12 bis 24 Flügel und Kammern.
Mittels Veränderung des Achs-Abstandes zwischen der Achse des Zylinders 2 und der Achse des Flügelrads 4 kann das Ausmaß der Volumenzu- und -abnahme der beiden Arbeitsraum-Kammern während einer Rotation variiert werden und damit der Druck-Unterschied zwischen Saugseite und Druckseite des Verdichters 1 variiert werden.
Der Achs-Abstand zwischen der Achse des Zylinders 2 und der Achse des Flügelrads 4 kann im erfindungsgemäßen Verdichter 1 so groß gewählt werden, dass seine Nabe 5 an ihrem Scheitel entweder den Flüssigkeitsring 3 berührt oder geringfügig in ihn eintaucht.
Dies hat gegenüber herkömmlichen Flüssigkeitsring-Verdichtern einen großen Vorteil, wenn das Flügelrad 4 wie bei Flüssigkeitsring-Verdichtern üblich, ca. 12 bis 24 Flügel aufweist:
Das Fluid 14 wird bei jeder Rotation des Flügelrads 4 vollständig aus den Druckkammern des Arbeitsraums verdrängt, weil bei 12 bis 24 Flügeln des Flügelrads 4 die Kammerbreite an der Nabe 5 so klein ist, dass die Nabe 5 nur wenig in den Flüssigkeitsring 3 eingetaucht sein muss, um über die gesamte Breite der jeweiligen Kammer in Kontakt mit dem Flüssigkeitsring 3 zu stehen und so das gesamte Fluid 14 aus der Kammer zu verdrängen. Andernfalls würde ein Restvolumen des Fluids 14 zur Saugseite verschleppt, es entstünden Überströmverluste und die Dichtigkeit und der Liefergrad des Verdichters 1 würden so herabgesetzt.
Überströmverluste werden im erfindungsgemäßen Verdichter 1 durch Kontakt der Nabe 5 mit dem Flüssigkeitsring 3 vermieden und der volumetrische Wirkungsgrad des Verdichters 1 über die Vermeidung der Lässigkeiten an den Spalten zwischen Läufer und Gehäuse hinaus weiter verbessert.
In herkömmlichen Verdichtern betragen die volumetrischen Verluste 10% bis 30%, aber 0% im erfindungsgemäßen Verdichter 1.
Überströmverluste treten in herkömmlichen Flüssigkeitsring-Verdichtern auf weil deren Flügelradnabe konstruktionsbedingt nicht völlig am Flüssigkeitsring anliegt, sondern wegen unvollständiger Entleerung der Druckkammern immer ein Restvolumen des zu verdichtenden gasförmigen Fluids darin verbleibt und über den Scheitel des Flügelrads hinweg zur Saugseite weiterströmt.
Überströmverluste sind in herkömmlichen Verdichtern nur vermeidbar, wenn der Nachteil hingenommen wird, die Druckschlitze so nahe am Scheitel des Flügelrads anzubringen, dass mit dem zu fördernden gasförmigen Fluid immer auch ein Teil der Flüssigkeit des Flüssigkeitsrings in die Druckleitung gelangt und zurück in den Flüssigkeitsring gefördert werden muss.
Im erfindungsgemäßen Verdichter 1 gelangt keine Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsring 3 in die Druckleitungen 12 und 13, weil diese radial in der Nabe 5 verlaufen, senkrecht auf der Oberfläche des Flüssigkeitsrings 3 stehen und Flüssigkeit durch die Zentrifugalkraft aus ihnen ferngehalten wird. Die Dicke des Flüssigkeitsrings 3 kann im erfindungsgemäßesn Verdichter 1 deshalb stets so groß gewählt werden, dass die Nabe 5 den Flüssigkeitsring 3 berührt oder in ihn eintaucht.
Flüssigkeitsring 3 und Flügelrad 4 bewegen sich mit gleicher Winkelgeschwindigkeit, aber die Bahngeschwindigkeit des Flüssigkeitsrings 4 ist an seinem inneren Radius kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit des Flügelrads 4 und an seinem äußeren Radius größer ist als die Umfangsgeschwindigkeit des Flügelrads 4.
Während das Flügelrad 4 den Flüssigkeitsring 3 durchfährt, beschleunigt es diesen beim Eintauchen und bremst ihn später bei größerer Eintauchtiefe.
Der Beschleunigungs-Effekt wird verstärkt und der Bremseffekt wird abgeschwächt, wenn die Enden der Flügel des Flügelrads 4 gebogen sind in Drehrichtung, wie bei Flüssigkeitsring-Verdichtern üblich. Damit wird der Flüssigkeitsring 3 schneller und verbraucht weniger Antriebs-Energie.
Vollständig lassen sich hydraulische Verluste im erfindungsgemäßen Verdichter 1 nicht vermeiden, weil wegen der Bahngeschwindigkeits-Unterschiede von Flüssigkeitsring 3 und Flügelrad 4 immer Turbulenzen im Flüssigkeitsring 3 vorkommen, doch liegen die hydraulischen Verluste des erfindungsgemäßen Verdichters 1 weit unter den Verlusten in Höhe von 50% bis 60% der Antriebsleistung, welche bei herkömmlichen Flüssigkeitsring-Verdichtern vor allem wegen der Wandreibungsverluste am zylindrischen Gehäusemantel und an den seitlichen Stirnflächen auftreten.
Der Durchsatz des Verdichters 1 verändert sich quadratisch mit dem Radius des Zylinders 1 und der Dicke des Flüssigkeitsrings 3 und linear mit dessen Drehzahl.
2 zeigt, dass der erfindungsgemäße Verdichter 1 bei unveränderter Bauweise zur Erzeugung mechanischer Energie als Expansionsmaschine 20 genutzt werden kann, wenn nicht sein Zylinder 2 von außen angetrieben wird, sondern sein Flügelrad 4 von innen durch Gas- oder Dampfdruck angetrieben wird mittels Umkehr des Druckgefälles zwischen Saug- und Druckseite:
Die Saugseite des Verdichters 1 wird auf diese Weise zur Druckseite der Expansionsmaschine 20 und die Druckseite des Verdichters 1 wird auf diese Weise zur Saugseite der Expansionsmaschine 20, so dass die Arbeitsrichtung der Rückschlagklappen oder -ventile 15, 16, 17 und 18 nicht geändert werden muss.
Die mechanische Energie des Flügelrads 4 wird entweder auf eine Abtriebswelle übertragen, welche direkt mit dem Flügelrad 4 verbunden ist, oder sie wird auf den Flüssigkeitsring 3 und von diesem auf den Zylinder 2 übertragen, der sie an eine mit diesem verbundene Abtriebswelle 21 abgibt.
3 zeigt, dass eine Wärmekraftmaschine 22 entsteht aus der Kombination von erfindungsgemäßem Verdichter 1 und erfindungsgemäßer Expansionsmaschine 20 unter folgenden Bedingungen:

1. Zwischen Verdichter 1 und Expansionsmaschine 20 befindet sich ein Wärmetauscher 23, welcher das Fluid 14, das vom Verdichter 1 zur Expansionsmaschine 20 oder umgekehrt befördert wird, erwärmt oder abkühlt.
2. Das Arbeitsraum-Volumen des Verdichters 1 ist kleiner als das der Expansionsmaschine 20, z.B. dadurch, dass sein Flügelrad 4 schmaler ist.
3. Die beiden Flügelräder 4 von Verdichter 1 und Expansionsmaschine 20 sind kraftschlüssig und gasdicht miteinander gekoppelt über die mit den Flügelrädern 4 rotierende Leitung 24, welche durch den Wärmetauscher 23 führt.

Die rotierende Leitung 24 hat zwei Aufgaben:

1. Sie überträgt einen Teil der mechanischen Energie, welche im Flügelrad 4 der Expansionsmaschine 20 gewonnen wird, auf das Flügelrad 4 des Verdichters 1 und treibt dieses damit an. Die verbleibende mechanische Energie der Expansionsmaschine 20 wird als Nutzenergie abgegeben an eine Abtriebswelle 25.
2. Sie verbindet die Druckseiten oder die Saugseiten der beiden Flügelräder 4 von Verdichter 1 und Expansionsmaschine 20 miteinander zwecks Transport des Fluids 14 vom Verdichter 1 zur Expansionsmaschine 20 oder umgekehrt.

Eine solche Wärmekraftmaschine 22 arbeitet in zwei Betriebsarten:
Betriebsart 1: Warmes gasförmiges Fluid 14 durchströmt die Expansionsmaschine 20, treibt diese dabei an wegen der Druckminderung, welche das Fluid 14 anschließend erfährt während seiner Abkühlung im Wärmetauscher 23 und wird danach im Verdichter 1 wieder auf den ursprünglichen Druck komprimiert.
Betriebsart 2: Kaltes gasförmiges Fluid 14 wird im Verdichter 1 komprimiert, danach im Wärmetauscher 23 erwärmt, durchströmt anschließend die Expansionsmaschine 20 und treibt diese dabei an.
Betriebsart 2 ist der Betriebsart 1 unterlegen unter dem Gesichtspunkt der Energie-Einsparung, weil aus der Expansionsmaschine 20 Abwärme ungenutzt entlassen wird. Betriebsart 2 wird deshalb nicht weiter beschrieben.
Zu Betriebsart 1: Diese Betriebsart eignet sich am besten für die Nutzung der thermischen Energie, welche in feuchtwarmer Umgebungsluft enthalten ist. Fluid 14, in diesem Fall Umgebungsluft, strömt von außen kommend durch die Expansionsmaschine 20 und treibt bei ihrer Passage durch die Expansionsmaschine deren Flügelrad 4, Flüssigkeitsring 3 und Zylinder 2 an, weil die Umgebungsluft bestrebt ist, die Druckminderung auszugleichen, welche im Wärmetauscher 23 hinter der Expansionsmaschine 20 entsteht durch Abkühlung der dort befindlichen Luft.
Der Luftdruck sinkt im Wärmetauscher 23 aus zwei Gründen:

1. Abkühlung der Luft verringert deren Volumen um ca. 3% pro 10°C Temperaturminderung.
2. Abkühlung der Luft verringert das Volumen des in ihr enthaltenen Wasserdampfs infolge Kondensation bei Taupunkt-Unterschreitung. Abkühlung von mit Wasserdampf gesättigter Luft verringert deren Wassergehalt, gemessen in g/m³, um ca. 60% pro 10°C Temperaturminderung. Die Sättigung der Luft mit Wasserdampf kann künstlich herbeigeführt werden mittels Wasser-Verdunstungs-Einrichtungen vor der Expansionsmaschine 20 zwecks Steigerung der Volumenabnahme der Luft durch die anschließende Kondensation des in ihr enthaltenen Wasserdampfs.

Bei dieser Gelegenheit kann Meerwasser entsalzt werden durch dessen Verdunstung vor der Wärmekraftmaschine 20 und anschließend aus dem verdunsteten Meerwasser salzfreies Kondensat als Trinkwasser gewonnen werden im Wärmetauscher 23.
Durch Abkühlung der mit Wasserdampf gesättigten Luft und Kondensation des in ihr enthaltenen Wasserdampfs entsteht bei Temperaturminderung von 40°C auf 20°C eine Volumenabnahme um ca. 6% durch Abkühlung und um weitere ca. 3% durch Kondensation (Es kondensieren ca. 34 Liter von ca. 51 Liter Wasserdampf pro m³ Luft.). Insgesamt beträgt die Volumenabnahme der Luft in diesem Fall ca. 9%.
Nach vorheriger Aufwärmung der Luft, z.B. mit Solarwärme, und Sättigung der Luft mit Wasserdampf beträgt die Volumenabnahme der Luft bei Temperaturminderung von 50°C auf 20°C ca. 9% durch Abkühlung und ca. 6% durch Kondensation, bei Temperaturminderung von 60°C auf 20°C ca. 12% durch Abkühlung und ca. 11% durch Kondensation und bei Temperaturminderung von 70°C auf 20°C ca. 15% durch Abkühlung und ca. 18% durch Kondensation.
Die im Wärmetauscher 23 abgekühlte Luft wird vom Verdichter 1 angesaugt und gegen den Luftdruck der Umgebungsluft an diese abgegeben vom Verdichter 1, der seine dazu benötigte Antriebs-Energie von der Expansionsmaschine 20 erhält über die rotierende Leitung 24.
Entweder rotiert der Wärmetauscher 23 mit der rotierenden Leitung 24 oder der Wärmetauscher 23 ist feststehend und an die rotierende Leitung 24 angeschlossen durch einen Gleitring oder eine ähnliche Dichtung.
4 zeigt, dass die vorliegende Erfindung noch eine zusätzliche Möglichkeit bietet, einen feststehenden Wärmetauscher 23 mit dem Flügelrad 4 eines Verdichters 1 (analog, und in 4 unten dargestellt: mit dem Flügelrad 4 einer Expansionsmaschine 20) gasdicht zu verbinden ohne Gleitringe oder ähnliche Dichtungen:
Im Zylinder 2 des Verdichters 1 kann zwischen dem Sperrteller 6 und dem Boden 8 ein zusätzlicher Sperrteller 26, welcher feststehend ist, angebracht werden, wenn außerhalb des Sperrtellers 6 die Saugleitungen 10 und 11 entfallen und an ihrer Stelle im Sperrteller 6 lediglich die Einlass-Öffnungen 27 und 28 mit den Rückschlagklappen oder -ventilen 15 und 16 vorhanden sind.
Der Sperrteller 26 gibt über eine Öffnung in seinem Zentrum und eine am Rand dieser Öffnung gasdicht und fest angebrachte feststehende Saugleitung 29 den Unterdruck des Arbeitsraums weiter an den Wärmetauscher 23.
Der Raum zwischen dem rotierenden Sperrteller 6 und dem feststehenden Sperrteller 26 ist durch den Flüssigkeitsring 3 abgedichtet.
Analog kann im Zylinder 2 der Expansionsmaschine 20 zwischen dem Sperrteller 7 und dem Deckel 9 ein zusätzlicher feststehender Sperrteller 30 angebracht werden, wenn außerhalb des Sperrtellers 7 die Druckleitungen 12 und 13 entfallen und an ihrer Stelle im Sperrteller 7 lediglich die Auslass-Öffnungen 31 und 32 mit den Rückschlagklappen oder -ventilen 17 und 18 vorhanden sind. Der Sperrteller 30 gibt den Druck des Arbeitsraums über die feststehende Druckleitung 33 weiter an den Wärmetauscher 23.
Der Raum zwischen dem rotierenden Sperrteller 7 und dem feststehenden Sperrteller 30 ist ebenfalls durch den Flüssigkeitsring 3 abgedichtet.
Diese Art der Übergabe von Druck oder Unterdruck eines gasförmigen Fluids in einem rotierenden Bauteil auf ein feststehendes Rohr und umgekehrt erfolgt unter Verwendung eines wesentlichen Merkmals der vorliegenden Erfindung:
Einsatz eines Sperrtellers in einem Flüssigkeitsring, doch mit der Besonderheit, dass der Sperrteller feststeht im rotierenden Flüssigkeitsring unter Hinnahme der damit verbundenen Reibung des rotierenden Flüssigkeitsrings am feststehenden Sperrteller. Auf diese Weise sind Dichtungen wie Gleitringe oder Stopfbuchsen entbehrlich.
5 zeigt den verallgemeinerten und vereinfachten Fall der Druck-Übergabe oder der Unterdruck-Übergabe von einem rotierenden Rohr 34 mit rotierendem Flüssigkeitsring 35 auf ein feststehendes Rohr 36 mit feststehendem Sperrteller 37.
Die Antriebs-Arbeit, welche die Luft in der Expansionsmaschine 20 verrichtet, ist größer als die Antriebs-Arbeit, die der Verdichter 1 benötigt, weil das Luftvolumen, von welchem die Expansionsmaschine 20 durchströmt wird, während seiner anschließenden Abkühlung im Wärmetauscher 23 kleiner wird und der Verdichter 1 nur dieses kleinere Luftvolumen bewegt, bei jeweils gleichem Druck in der Expansionsmaschine 20 und im Verdichter 1.
Betriebsart 1 eignet sich auch zur Nutzung von industrieller Abwärme und Erdwärme, wenn diese verwendet werden, um die Luft vor der Expansionsmaschine 20 zu erwärmen und mit warmer Wasserdampf zu sättigen.
Statt Umgebungsluft kann in der Wärmekraftmaschine 22 als gasförmiges Fluid 14 ein Arbeitsmittel verwendet werden, welches thermodynamisch weniger träge ist als Luft und bei Temperaturen zwischen 0°C und 100°C höhere Dampfdrücke erzeugt als Luft, z.B. ein organisches Arbeitsmittel oder ein zeotropes oder azeotropes Stoffgemisch oder ein Dampf oder Gas in Verbindung mit einem Lösungsmittel.
Wie 6 zeigt, muss ein solches Arbeitsmittel den Arbeitsprozess der Wärmekraftmaschine 22 in einem geschlossenen Kreislauf, welcher aus Expansionsmaschine 20, Wärmetauscher 23, Verdichter 1 und einem weiteren Wärmetauscher 38 besteht, durchlaufen. Der Wärmetauscher 38 erwärmt in diesem Fall das Arbeitsmittel. Als Arbeitsprozess ist auch ein Dampfprozess möglich, wenn das Arbeitsmittel im Wärmetauscher 23 kondensiert und im Wärmetauscher 38 verdampft.
Sinnvoll ist, unter Kostenvorbehalt, einen geschlossenen Arbeitsmittel-Kreislauf gegenüber dem Umgebungsdruck zu kapseln und mit einem bestimmten Anfangsdruck zu versehen, welcher unter oder über dem atmosphärischen Druck liegen kann, um in dem Bereich der vorgegebenen Temperatur-Spreizung zwischen Expansionsmaschine 20 und Wärmetauscher 23 möglichst hohe Gas- oder Dampfdruck-Unterschiede des Arbeitsmittels zu erzeugen, welche abhängig sind von der Dampfdruck-Kurve des Arbeitsmittels.
Wie 6 im unteren Teil zeigt, kann ein solcher geschlossener Arbeitsmittel-Kreislauf einer Wärmekraftmaschine 22 statt des Verdichters 1 mit einem verlustarm arbeitenden Verdichter 39 anderer Bauart, vorzugsweise einem Wälzkolben-Verdichter, ausgestattet sein und analog statt der Expansionsmaschine 20 mit einer bei geringem Druckgefälle effizient arbeitenden Expansionsmaschine 40 anderer Bauart, vorzugsweise einer Wälzkolben-Expansionsmaschine, ausgestattet sein.
Der erfindungsgemäße Verdichter 1 kann auch als Flüssigkeitsring-Pumpe verwendet werden, wenn statt des gasförmigen Fluids 14 eine Flüssigkeit gefördert wird, welche entweder identisch ist mit der Flüssigkeit des Flüssigkeitsrings 3 oder leichter als diese. Analog kann die Expansionsmaschine 20 auch als Hydraulik-Motor zur Erzeugung mechanischer Energie verwendet werden, wenn sie nicht von gasförmigem Fluid 14 durchströmt wird, sondern von einer Flüssigkeit, welche entweder identisch ist mit der Flüssigkeit des Flüssigkeitsrings 3 oder leichter als diese.

1

1: Verdichter
2: Zylinder
3: Flüssigkeitsring
4: Flügelrad
5: Nabe
6: Sperrteller
7: Sperrteller
8: Boden
9: Deckel
10: Saugleitung
11: Saugleitung
12: Druckleitung
13: Druckleitung
14: gasförmiges Fluid
15: Rückschlagklappe oder -ventil
16: Rückschlagklappe oder -ventil
17: Rückschlagklappe oder -ventil
18: Rückschlagklappe oder -ventil
19: Reibrad

2

20: Expansionsmaschine
21: Abtriebswelle

3

22: Wärmekraftmaschine
23: Wärmetauscher
24: rotierende Leitung
25: Abtriebswelle

4

26: Sperrteller
27: Einlass-Öffnung
28: Einlass-Öffnung
29: Saugleitung
30: Sperrteller
31: Auslass-Öffnung
32: Auslass-Öffnung
33: Druckleitung

5

34: rotierendes Rohr
35: rotierender Flüssigkeitsring
36: feststehendes Rohr
37: feststehender Sperrteller

6

38: Wärmetauscher
39: Verdichter (Wälzkolben-Verdichter)
40: Expansionsmaschine (Wälzkolben-Expansionsmaschine)

Claims

Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter mit rotierendem Gehäuse ohne Spalt-Verluste und ohne Reibungs-Verluste des Flüssigkeitsrings an der Gehäusewand, dadurch gekennzeichnet, dass 1 dieser Verdichter (1) als Gehäuse einen vertikal angeordneten Zylinder (2) aufweist, welcher um seine vertikale Zylinderachse rotiert, 1.1 dieser Zylinder (2) innen einen rotierenden Flüssigkeitsring (3) aufweist, 1.1.1 welcher mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie der Zylinder (2) rotiert, 1.2 dieser Zylinder (2) innen ein rotierendes Flügelrad (4) aufweist, 1.2.1 welches mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie der Zylinder (2) rotiert, 1.2.2 welches zwei Flügel aufweist, 1.2.2.1 deren Enden eingetaucht sind in den Flüssigkeitsring (3), 1.2.3 welches eine Nabe (5) aufweist, 1.2.4 welches zwei Sperrteller (6) und (7) aufweist, 1.2.4.1 deren Ränder ringsum eingetaucht sind in den Flüssigkeitsring (3), 1.2.4.2 von denen der Sperrteller (6) nahe am und parallel zum Boden (8) des Zylinders (2) fest und gasdicht am Flügelrad (4) angebracht ist, 1.2.4.3 von denen der Sperrteller (7) nahe am und parallel zum Deckel (9) des Zylinders (2) fest und gasdicht am Flügelrad (4) angebracht ist, 1.2.5 welches zwischen seinen Sperrtellern (6) und (7) einen Arbeitsraum bildet, 1.2.5.1 welcher begrenzt ist durch die Nabe (5) und die Sperrteller (6) und (7) des Flügelrads (4) sowie durch den Flüssigkeitsring (3), 1.2.5.2 welcher abgedichtet ist durch die mit ihren Rändern ringsum in den Flüssigkeitsring (3) eingetauchten Sperrteller (6) und (7). 1.2.5.3 welcher von den zwei Flügeln des Flügelrads (4) in zwei Kammern geteilt ist.
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 1 der Zylinder (2) in seinem Boden (8) mittig eine Öffnung aufweist, durch welche die mit dem Sperrteller (6) des Flügelrads (4) verbundenen Saugleitungen (10) und (11) geführt werden, 2 der Zylinder (2) in seinem Deckel (9) mittig eine Öffnung aufweist, durch welche die mit dem Sperrteller (7) des Flügelrads (4) verbundenen Druckleitungen (12) und (13) geführt werden.
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass 1 die Saugleitungen (10) und (11) und die Druckleitungen (12) und (13) mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie das Flügelrad (4) rotieren, 2.1 die Saugleitungen (10) und (11) von außen her erst berührungsfrei durch die Öffnung im Boden (8) des Zylinders (2) geführt werden, 2.1.1 dann durch den Sperrteller (6) geführt werden, 2.1.1.1 mit welchem sie fest und gasdicht verbunden sind, 2.1.2 dann zunächst axial und danach radial durch die Nabe (5) verlaufen, 2.1.2.1 an deren Oberfläche sie enden, 2.2 auf der Seite des Flügelrads (4), welche den Saugleitungen (10) und (11) gegenüberliegt, die Druckleitungen (12) und (13) von außen her erst berührungsfrei durch die Öffnung im Deckel (9) des Zylinders (2) geführt werden, 2.2.1 dann durch den Sperrteller (7) geführt werden, 2.2.1.1 mit welchem sie fest und gasdicht verbunden sind, 2.2.2 dann zunächst axial und danach radial durch die Nabe (5) verlaufen, 2.2.2.1 an deren Oberfläche sie enden, 3.1 die Saugleitungen (10) und (11) in je einer der beiden Kammern münden, in die der von den Sperrtellern (6) und (7) zusammen mit dem Flüssigkeitsring (3) und der Nabe (5) gebildete Arbeitsraum geteilt wird, 3.2 auf der Seite des Flügelrads (4), welche den Saugleitungen (10) und (11) gegenüberliegt, die Druckleitungen (12) und (13) in je einer der beiden Kammern münden, in welcher die Saugleitungen (10) und (11) münden.
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 1 ein gasförmiges Fluid (14) den Verdichter 1 durchströmt, 1.1 welches den Arbeitsraum, der von den Sperrtellern (6) und (7) zusammen mit dem Flüssigkeitsring (3) und der Nabe (5) gebildet wird, ausfüllt, 1.2 welches die Saugleitungen (10) und (11) und die Druckleitungen (12) und (13) ausfüllt, 2 in den Saug- und Druckleitungen (10), (11), (12) und (13) die Rückschlagklappen oder -ventile (15), (16), (17) und (18) eingebaut sind, welche das Fluid (14) nur von der Saug- zur Druckseite des Verdichters (1) passieren lassen, 3 außerhalb des Flügelrads (4) jenseits der Rückschlagklappen oder -ventile (15), (16), (17) und (18) sich alle Saugleitungen zu einer Saugleitung, genannt Saugseite, vereinigen und sich alle Druckleitungen zu einer Druckleitung, genannt Druckseite, vereinigen.
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 1 der Verdichter (1) alternativ zu seiner vertikalen Anordnung horizontal angeordnet ist.
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass 1 der Verdichter (1) angetrieben wird von außen 2 mittels Antrieb des Zylinders (2) 3 durch ein Reibrad (19).
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass 1 alternativ zum Flügelrad (4) ein Flügelrad mit mehr als zwei Flügeln eingesetzt wird, 1.1 welches den Arbeitsraum, der von den Sperrtellern (6) und (7) zusammen mit dem Flüssigkeitsring (3) und der Nabe (5) gebildet wird, in ebenso viele Kammern teilt wie das Flügelrad Flügel hat, 2 die Zahl der Saugleitungen und die Zahl der Druckleitungen gleich ist der Zahl der Flügel des Flügelrads, 3 außerhalb des Flügelrads (4) jenseits der in die Saug- und Druckleitungen eingebauten Rückschlagklappen oder -ventile sich alle Saugleitungen zu einer Saugleitung, genannt Saugseite, vereinigen und sich alle Druckleitungen zu einer Druckleitung, genannt Druckseite, vereinigen.
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass 1 die Enden der Flügel des Flügelrads (4) in Drehrichtung gebogen sind.
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass 1 der hydrostatische Druck des Flüssigkeitsrings (3) eingestellt wird 1.1 mittels Drehzahl und Dicke des Flüssigkeitsrings (3), 1.2 mittels Auswahl eines geeigneten Durchmessers des Zylinders (2), 2 für die Drücke im Verdichter (1) gilt: hydrostatischer Druck des Flüssigkeitsrings (3)> Druck in der Druckkammer des Arbeitsraums des Verdichters (1)> vorgegebener Druck auf der Druckseite des Verdichters (1)> vorgegebener Druck auf der Saugseite des Verdichters (1).
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass 1 das Druckverhältnis zwischen Druckseite und Saugseite des Verdichters (1) vergrößert wird 1.1 mittels Vergrößerung des Achs-Abstands 1.1.1 zwischen der Achse des Zylinders (2) 1.1.2 und der Achse des Flügelrads (4), 2 Überströmverluste vermieden werden, 2.1 entweder mittels Vergrößerung des Achs-Abstands 2.1.1 zwischen der Achse des Zylinders (2) 2.1.2 und der Achse des Flügelrads (4) 2.1.3 bis die Nabe (5) den Flüssigkeitsring (3) berührt oder in ihn eintaucht, 2.3 oder durch Variation der Dicke des Flüssigkeitsrings (3) 2.3.1 bis die Nabe (5) den Flüssigkeitsring (3) berührt oder in ihn eintaucht.
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass 1 der Verdichter (1) als Expansionsmaschine (20) genutzt werden kann, wenn sein Flügelrad (4) von innen angetrieben wird mittels Umkehr des Druckgefälles zwischen Saug- und Druckseite des Verdichters (1), 2 die mechanische Energie des Flügelrads (4) der Expansionsmaschine (20) auf eine Abtriebswelle (21) übertragen wird, welche 2.1 entweder mit einem der Sperrteller (6) oder (7) des Flügelrads (4) verbunden ist 2.2 oder mit dem Zylinder (2) verbunden ist.
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass 1 aus der Kombination von Verdichter (1) und Expansionsmaschine (20) eine Wärmekraftmaschine (22) entsteht, wenn 1.1 zwischen Verdichter (1) und Expansionsmaschine (20) sich ein Wärmetauscher (23) befindet, welcher das Fluid (14), welches vom Verdichter (1) zur Expansionsmaschine (20) oder umgekehrt befördert wird, erwärmt oder abkühlt, 1.2 das Arbeitsraum-Volumen des Verdichters (1) kleiner ist als das der Expansionsmaschine (20), 1.3 die Flügelräder (4) von Verdichter (1) und Expansionsmaschine (20) kraftschlüssig und deren Arbeitsräume gasdicht miteinander gekoppelt sind über die mit den Flügelrädern (4) rotierende Leitung (24), welche durch den Wärmetauscher (23) führt, 1.4 die in der Wärmekraftmaschine (22) gewonnene mechanische Energie abgegeben wird an eine Abtriebswelle (25), welche entweder mit dem Flügelrad (4) des Verdichters (1) verbunden ist oder mit dessen Zylinder (2) oder mit dem Flügelrad (4) oder dem Zylinder (2) der Expansionsmaschine (20) verbunden ist.
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass 1 die bevorzugte Betriebsart der Wärmekraftmaschine (22) darin besteht, 1.1 dass warmes gasförmiges Fluid (14) die Expansionsmaschine (20) durchströmt und diese dabei antreibt, 1.1.1 wegen der Druckminderung, welche das Fluid (14) anschließend erfährt während seiner Abkühlung im Wärmetauscher (23), 1.2 und danach im Verdichter (1) wieder auf den ursprünglichen Druck komprimiert wird.
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass 1 im Zylinder (2) des Verdichters (1) zwischen dem rotierenden Sperrteller (6) und dem rotierenden Boden (8) des Zylinders (2) ein zusätzlicher feststehender Sperrteller (26) angebracht wird, 1.1 wenn außerhalb des Sperrtellers (6) die Saugleitungen (10) und (11) entfallen und an ihrer Stelle im Sperrteller (6) lediglich die Einlass-Öffnungen (27) und (28) mit den Rückschlagklappen oder -ventilen (15) und (16) vorhanden sind, 1.2 damit der Sperrteller (26) über eine Öffnung in seinem Zentrum und eine am Rand dieser Öffnung gasdicht und fest angebrachte feststehende Saugleitung (29) den Unterdruck des Arbeitsraums weitergibt an den Wärmetauscher (23), 1.2 während der Raum zwischen dem rotierenden Sperrteller (6) und dem feststehenden Sperrteller (26) durch den Flüssigkeitsring (3) abgedichtet wird.
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass 1 im Zylinder (2) der Expansionsmaschine (20) zwischen dem rotierenden Sperrteller (7) und dem rotierenden Deckel (9) des Zylinders (2) ein zusätzlicher feststehender Sperrteller (30) angebracht wird, 1.1 wenn außerhalb des Sperrtellers (7) die Druckleitungen (12) und (13) entfallen und an ihrer Stelle im Sperrteller (7) lediglich die Auslass-Öffnungen (31) und (32) mit den Rückschlagklappen oder -ventilen (17) und (18) vorhanden sind, 1.2 damit der Sperrteller (30) über eine Öffnung in seinem Zentrum und eine am Rand dieser Öffnung gasdicht und fest angebrachte feststehende Druckleitung (33) den Druck des Arbeitsraums weitergibt an den Wärmetauscher (23), 1.3 während der Raum zwischen dem rotierenden Sperrteller (7) und dem feststehenden Sperrteller (30) durch den Flüssigkeitsring (3) abgedichtet wird.
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass 1 Druck-Übergabe oder Unterdruck-Übergabe erfolgt 1.1 von einem rotierenden Rohr (34) mit rotierendem Flüssigkeitsring (35) 1.2 auf ein feststehendes Rohr (36) mit feststehendem Sperrteller (37), 2 derart, dass der feststehende Sperrteller (37) mit seinem Rand ringsum eingetaucht ist in den rotierenden Flüssigkeitsring (35).
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass 1 das Fluid (14) oder ein anderes Arbeitsmittel den Arbeitsprozess der Wärmekraftmaschine (22) in einem geschlossenen Kreislauf durchläuft, 1.1 zu dem zwischen Verdichter (1) und Expansionsmaschine (20) ein weiterer Wärmetauscher (38) gehört, 1.1.1 welcher das Fluid (14) oder ein anderes Arbeitsmittel erwärmt.
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass 1 das Fluid (14) oder ein anderes Arbeitsmittel den Arbeitsprozess der Wärmekraftmaschine (22) in einem geschlossenen Kreislauf durchläuft, 1.1 zu dem zwischen den Wärmetauschern (23) und (38) statt des Verdichters (1) und der Expansionsmaschine (20) ein Verdichter (39) und eine Expansionsmaschine (40) gehört, 1.1.1 deren Bauart sich von der des Verdichters (1) und der Expansionsmaschine (20) unterscheidet, 1.1.2 vorzugsweise ein Wälzkolben-Verdichter statt des Verdichters (1), 1.1.1 vorzugsweise eine Wälzkolben-Expansionsmaschine statt der Expansionsmaschine (20).
Exzenter-Flüssigkeitsring-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass 1 der Verdichter (1) als Flüssigkeitsring-Pumpe arbeitet, 1.1 indem statt gasförmigen Fluids (14) eine Flüssigkeit gefördert wird, 1.1.1 welche entweder identisch ist mit der Flüssigkeit des Flüssigkeitsrings (3) oder leichter ist als diese, 2 die Expansionsmaschine (20) als Hydraulik-Motor arbeitet, 2.1 indem das Flügelrad (4) statt von gasförmigem Fluid (14) angetrieben wird von einer Flüssigkeit, 2.1.1 welche entweder identisch ist mit der Flüssigkeit des Flüssigkeitsrings (3) oder leichter ist als diese.