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Umlaufender Druckaustauscher Die Erfindung bezieht sich auf umlaufende
Druckaustauscher mit einem Zellenrad, in dessen Zellen sich die Kompression und
Expansion der Gase vollzieht, mit Leitungen, in welchen Gas diesen Zellen zu-bzw.
von denselben abgeführt wird, z. B. in der Hoch-und Niederdruckspülzone, sowie mit
einer Einrichtung zur Herbeiführung einer relativen Drehung zwischen den Zellen
und den Leitungen.
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Der Druckaustauscher soll insbesondere zur Belieferung eines Verbrauchers,
z. B. einer Brennkraftmaschine, mit Gas von hohem Druck oder hoher Geschwindigkeit,
z. B. Ladeluft, benutzt werden.
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Die Kompression und die Expansion der Gase in den Zellen des Druckaustauschers
wird normalerweise durch Verdichtungs- und Verdünnungswellen hervorgerufen bzw.
in den Zellen jeweils infolge des plötzlichen Öffnens oder Schließens der Zellenstirnwände
erzeugt. Die Kompression und Expansion kann verstärkt werden durch die Benutzung
von überströmleitungen, die paarweise Zellen miteinander verbinden, in welchen Gas
von verschiedenem Druck enthalten ist. Es ist auch möglich, nur von dem Druckaustausch
Gebrauch zu machen, der sich in den überströmleitungen vollzieht. Doch selbst dann
würden Druck- oder Entspannungswellen erzeugt, wenn die Gasgeschwindigkeiten genügend
groß sind. Eine Stoßwelle tritt dann auf, wenn eine Zelle zu einem Kanal hin geöffnet
ist, die Gas von höherem Druck enthält als der in der Zelle herrschende Druck, und
in gleicher Weise tritt eine Entspannungswelle auf, wenn eine Zelle zu einem Kanal
hin geöffnet wird, der Gas von niedrigerem Druck enthält als derjenige, der in den
Zellen herrscht. In idealer Weise wird dann das öffnen und Schließen der Zellenstirnwände
zeitlich so gesteuert, daß, wenn eine Welle an einer Kante einer Stirnseite erregt
wird, dieselbe zu derjenigen Stirnseite der Zelle wandert, die geschlossen ist,
wobei sie von dieser anderen Stirnseite reflektiert wird und die genannte erste
Stirnseite gerade in dem Augenblick erreicht, in welchem diese wieder geschlossen
wurde. Dieser Betriebszustand hängt von folgenden Faktoren ab: Umfangsbreite der
Zellen, relative zeitliche Steuerung des Öffnens und Schließens gegenüberliegender
Zellwände einer Zelle, Umlaufgeschwindigkeit des Zellenringes relativ zu den Leitungen
und jeweiliger örtlicher Schallgeschwindigkeit.
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Bei einer bekannten Anordnung ist in der Hochdruck-Spülzone eines
Druckaustauschers eine Verstellm6glichkeit der Vorder- und Hinterkante der Auslaßöffnung
vorgesehen, indem an der öffnungsmündung eine in Umfangsrirhtung des Zellenringes
verstellbare Platte vorgesehen ist. Durch die Verstellung dieser Platte ist es zwar
möglich, die zeitliche Lage der Druck- und Expansionswellen innerhalb der Kanäle
der Hochdruck-Spülzone zu verändern, während es mit dieser Anordnung nicht möglich
ist, den Wellenverlauf in irgendwelchen anderen Kanälen des Druckaustauschers zu
beeinflussen.
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Die am Umfang sich anschließenden Einlaßkanäle der Niederdruck-Spülzone
sind bei dieser bekannten Anordnung mit Regelklappen versehen, die jeweils so betätigt
werden können, daß sich innerhalb der Niederdruck-Spülzone eine Verschiebung der
Einlaßkanäle in Umfangsrichtung mit Bezug auf die Auslaßkanäle ergibt. Die bekannte
Anordnung weist aber keinerlei Mittel auf, durch welche eine gemeinsame Betätigung
der einstellbaren Platte und der Regelklappen möglich wäre.
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Die Erfindung geht aus von einem umlaufenden Druckaustauscher mit
ringförmig angeordneten Zellen zur Kompression und Expansion der Gase, mit Leitungen
zur Zu- und Abfuhr der Gase zu bzw. aus den Zellen, mit Einrichtungen zur Herbeiführung
einer Relativdrehung zwischen Zellen und Leitungen sowie mit einer zumindest gegenüber
einer Stirnseite der Zellen an den Mündungen der Leitungen angeordneten Regeleinrichtung
zum Verstellen des Zu- und Austritts der Gase zu bzw. aus den Zellen. Die Erfindung
besteht darin, daß die Regeleinrichtung die Form eines geschlossenen Ringes mit
Durchtrittsöffnungen hat, welche mit Bezug auf die mit ihnen zusammenwirkenden Mündungsöffnungen
der Leitungen so gestaltet und angeordnet sind, daß sie zumindest einen Teil dieser
Mündungsöffnungen abdecken, wobei die Durchtrittsöfftnungen in an sich bekannter
Weise in Umfangsrichtung verschiebbar angeordnet sind.
Die Öffnungen
in dem Steuerring können so abgemessen und angeordnet sein, daß die Einstellung
des Steuerringes eine Änderung der Öffnungs- und Schließungszeiten der anschließenden
Stirnseiten der Zellen durch den Steuerring und der zugehörigen Leitungen relativ
zu der zeitlichen Steuerung der Öffnung und Schließung der weiter abgelegenen Stirnseiten
der Zellen hervorruft. Die Öffnungen in dem Steuerring können so bemessen und angeordnet
sein, daß bei Einstellung des Steuerringes der zu den Zellen hin sich öffnende Querschnitt
geändert wird, wobei die Gassteuerung durch die Zellen hindurch beeinflußt wird.
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Der Steuerring kann von Hand verstellbar sein oder in Abhängigkeit
von der Drehzahl des Druckaustauschers bzw. von Druck oder Temperatur der Gase einstellbar
sein. Es kann ein Steuerring sein, der an beiden Stirnseiten der Zellen mit den
Leitungen zusammenwirkt.
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Die Erfindung stellt im Vergleich zu den bekannten Druckaustauschern
insofern einen Fortschritt dar, als ein den ganzen Umfang des Druckaustauschers
einnehmender Steuerring vorgesehen ist, dessen einzelne Durchbrüche mit den verschiedenen
Mündungsöffnungen der einzelnen Kanäle zusammenwirken, so daß die jeweilige zeitliche
Lage des Öffnungspunktes bzw. des Schließpunktes jeder einzelnen dieser Mündungsöffnungen
an einer Stirnseite des Zellenringes mit Bezug auf die andere Stirnseite des Zellenringes
leicht durch die einfache Verschiebung des Steuerringes in Umfangsrichtung eingestellt
werden kann. Bei der bekannten Anordnung war eine derart einfache Betätigung der
Regeleinrichtungen nicht möglich, da jeweils jede einzelne in Umfangsrichtung einstellbare
Platte und die einzelnen Regelklappen in den verschiedenen Kanälen jeweils getrennt
für sich betätigt werden mußten. Vorrichtungen, welche eine Zusammenfassung dieser
einzelnen Regelbewegungen bei der Anordnung nach dem bekannten Stand der Technik
ermöglichen .-: ürden, wären sowohl in baulicher als auch in betrieblicher Hinsicht
verhältnismäßig kompliziert und infoIgedessen praktisch kaum in dem Sinne anwendbar,
in -welchem die einfachen Mittel, durch welche der erfindungsgemäße Steuerring betätigt
werden kann, eingesetzt werden können. Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung
besteht darin, daß die in den einzelnen einstellbaren Platten vorgesehenen Durchlässe
im OOuerschnitt kleiner sind als die einzelnen Mündungsöffnungen der Kanäle, so
daß der Durchschnittsquerschnitt mittels dieser verstellbaren Platten nicht verändert
werden kann. Im Gegensatz dazu kann nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung eine Änderung der Durchschnittsquerschnitte an den einzelnen .Mündungsöffnungen
erzielt werden.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr an Hand der Zeichnungen
beschrieben, in welchen Fig.1 einen Längsschnitt durch einen Druckaustauscher gemäß
einer ersten Ausführung darstellt. Fig. 2 ist eine Schnittansicht längs der Linie
II-II der Fig. 1, in welchem ein verstellbarer, mit Öffnungen versehener, später
beschriebener Steuerring 10 in einer äußersten Lage dargestellt ist.
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Fig. 3 ist eine Schnittansicht längs der Linie II-II in Fig. 1. Sie
zeigt den-verstellbaren, mit Öffnungen versehenen Steuerring 10 in der anderen äußersten
Lage.
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Fig. 4 ist ein Teil von Fig. 1 und zeigt eine Handsteuerung, mit welcher
der verstellbare, mit Öffnungen versehene Steuerring 10 betätigt werden kann. Fig.5
ist eine Schnittansicht, die einem Teil von Fig.1 entspricht. Sie zeigt eine drehzahlabhängige
Steuerung für den verstellbaren, mit Öffnungen versehenen Steuerring 10 in einem
Druckaustauscher gemäß einer zweiten Ausführung.
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Fig. 6 ist eine Schnittansicht längs der Linie VI-V I in Fig. 5, wobei
die Stirndeckplatte 30 entfernt ist, wie nachher beschrieben.
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Fig. 7 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 4. Sie zeigt aber eine druckabhängige
Steuerung für den verstellbaren, mit Öffnungen versehenen Steuerring 10 an Stelle
einer Handsteuerung.
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Der in Fig.1 gezeigte Druckaustauscher enthält einen drehbaren Zellenring
1, der zylindrische Innen-und Außenwände 2 bzw. 3 enthält, die zusammen mit radialen
Scheidewänden die Zellen bilden. Der Zellenring wird von Wellenstümpfen 4 und 5
gehalten, die in Lagern 6 angeordnet sind und durch einen Riemenantrieb über Rollen
7 in Umdrehung versetzt werden. Die Stirnseiten der Zellen wirken mit Stirnplatten
8 und 9 zusammen, die Ein- und Auslaßkanäle für das Arbeitsmedium des Druckaustauschers
enthalten. Die Stirnplatten sind mit einem stationären Gehäuse für den Zellenring
verbunden, das teleskopartige zylindrische Wände 11 und 1-2 enthält, die mit Verschlüssen
versehen sind, die mit der äußeren zylindrischen Wand 3 der Zellenringe zusammenarbeiten.
Die Ein-und Auslässe für das Gas in den Stirnplatten sind folgendermaßen gebildet:
Die Endplatte 8 enthält einen Frischlufteinlaß 13 und einen Auslaß für komprimierte
Luft 14 zum Aufladen der Brennkraftmaschine. Der Auslaß 14 hat die Form eines Spiralgehäuses.
Die Stirnplatte 9 enthält einen Kanal 15, der Abgas von der Brennkraftmaschine unter
überdruck dem Druckaustauscher zuleitet, und einen Kanal 16, der bei etwa Atmosphärendruck
die Abgase ausläßt. An der Stirnplatte 9 ist ein Gußstück 17 angebracht, mit welchem
die Abgasleitung der Brennkraftmaschine verbunden ist und welches die Auslaßöffnung
zur Atmosphäre enthält. Die Pfeile 18 zeigen die Richtung des Gasstromes durch den
Zellenring. Die Stirnplatte 9 ist beträchtlich heißer als die Stirnplatte B. Deswegen
hält der Zellenring 9 Kühlkanäle, durch die Wasser oder eine andere kühlende Flüssigkeit
zirkulieren kann. Es ist eine Einrichtung vorgesehen, die das Öffnen und Schließen
der Zellen an den Kanälen bzw. Leitungen in der Stirnplatte 8 steuert. Diese Einrichtung
enthält einen Steuerring in der Form einer mit Öffnungen versehenen Platte 10. deren
Öffnungen mit 13' und 14' bezeichnet sind und wobei diese Öffnungen den Öffnungen
zu den Leitungen 13 und 14 in der Stirnplatte entsprechen. Der verstellbare Steuerring
wird um einen kleinen Winkel mit Hilfe eines Zahnsegments 20 gedreht, der in Zähne
an der Außenseite des Steuerrings 10 eingreift. Die zwei äußersten Lagen des Steuerrings
sind in Fig. 2 bzw. 3 gezeigt. Das Zahnsegment 20 ist auf einer Welle 21 angebracht,
die von Hand gedreht wird. Die Öffnungen 13', 14' treffen stets mit Teilen der öffnungen
zu den Kanälen bzw. Leitungen 13 und 14 zusammen. Deshalb hat die Einstellung des
Steuerringes 10 zwischen den zwei äußersten Lagen keine Wirkung auf den Strömungsquerschnitt
der Öffnungen 13', 14'. Dagegen wird die Lage der Steuerkanten und damit die Öffnungszeit
der Zellen zu den Leitungen 15 und 16 beeinflußt. Die Verstellvorrichtung für das
Zahnsegment 20 ist in Fig. 4 gezeigt und umfaßt die Welle 21, die um einen kleinen
Winkel zwischen den beiden äußersten Lagen der Platte mittels eines Griffes 22 gedreht
werden kann. Nach der Einstellung kann
der Griff mittels des Klemmbackens
23 festgestellt werden.
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Bei der eben beschriebenen Ausführung, die sich auf die Fig. 1 bis
4 bezieht, wird das Zahnsegment 20 von Hand gedreht. Es könnte auch selbsttätig
in Abhängigkeit von der Drehzahl, dem Druck oder der Temperatur in einem Teil des
Druckaustauschers oder eines hiermit verbundenen Gerätes, z. B. einer Brennkraftmaschine,
die von einem Druckaustauscher aufgeladen wird, verstellt werden.
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Nach den Fig. 5 und 6 wird der Steuerring 10 selbsttätig in Abhängigkeit
von der Drehzahl des Zellenringes verstellt. Die am »kalten Ende« befindliche Stirnplatte
8 weist die aus Fig. 1 ersichtlichen Frischlufteinlässe 13 und Auslässe für komprimierte
Luft 14 auf. Diese Auslässe können mit dem Einlaßkrümmer einer Brennkraftmaschine
verbunden sein, die von dem Druckaustauscher aufgeladen werden soll. In der Stirnplatte
8 ist ein verstellbarer Steuerring 10. Die Zellenringwelle 4 trägt einen federbelasteten
Regler 24, der bei Änderung der Drehzahl die Enden der Schenkel eines U-förmigen
Gliedes 25 in axialer Richtung bewegt. Das U-förmige Glied 25 ist in Zapfen 26 befestigt.
Durch die Bewegung des U-förmigen Gliedes 25 in seinem Zapfen wird ein Arm 27 um
ein Ende dieses Gliedes gedreht. Die Bewegung des Armes 27 hinwiederum verursacht
eine Bewegung des U-förmigen Teiles 28, welches die Betätigungswelle 21 für den
Steuerring 10 dreht. Bei dieser Ausführung trägt die Welle 21 ein U-förmiges Teil
29 an Stelle des Zahnsegments 20 in Fig. 1. Das U-förmige Teil 29 wirkt mit einem
Stift 30 im Steuerring 10 zusammen. So verstellt diese Verstellv orrichtung bei
einer Änderung der Drehzahl der Zellenringwelle 4 den verstellbaren Steuerring 10
innerhalb der Grenzen der beiden äußersten Lagen, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt.
Der Regler 24 und die Verstellvorrichtung für den Steuerring 10 sind in einem Gehäuse
31 enthalten, das an der Stirnplatte 8 angebracht ist.
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Bei den beiden beschriebenen Ausführungen ist der Steuerring an der
Stirnplatte 8 des kalten Druckaustauscherendes angeordnet. Der Steuerring kann aber
auch an der heißen Stirnplatte 9 angeordnet sein. Dies aber könnte mechanische Schäden
hervorrufen, die auf die höhere Temperatur zurückzuführen wären, und außerdem wäre
Wasserkühlung erforderlich.
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Da der Zellenring umläuft, wird bei den Ausführungsbeispielen nach
den Fig. 1 bis 6 Frischluft durch die Einlässe 13 eingesaugt und in den Zellen komprimiert.
Die in den Zellen komprimierte Luft strömt durch die Öffnungen 14 zu der aufzuladenden
Brennkraftmaschine, während an der anderen Stirnseite der Zellen Abgas von der Brennkraftmaschine
her die Zellen durch die Leitung 15 beaufschlagt und dann in den Zellen ausgedehnt
und durch die Leitung 16 in die Atmosphäre abgeleitet wird. Die Kompression und
Expansion geht in den Zellen vor sich und wird durch Verdichtungs- und Verdünnungswellen
hervorgerufen, die beim rechtzeitigen Öffnen und Schließen der Stirnseiten der Zellen
durch den Steuerring entstanden sind. Da für jede Drehzahl bzw. jede einzelne örtliche
Schallgeschwindigkeit die Wellenlaufzeit zwischen den zwei Stirnplatten sich ändert,
muß der Steuerring 10 verstellbar sein. Die Verdrehung des Steuerringes entweder
von Hand, wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, oder selbsttätig in Abhängigkeit von
der Drehzahl, wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, oder selbsttätig in Abhängigkeit
von Temperatur oder Druck ergibt die notwendige Einstellungszeit für das Öffnen
und Schließen der Zellen durch die Stirnplatten.
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Fig. 7 zeigt eine Vorrichtung, bei der der Steuerring 10 in Abhängigkeit
von dem in dem Auslaß für komprimierte Luft 14 herrschenden Druck verdreht wird.
Die Vorrichtung schließt das Zahnsegment 20 und die Welle 21 ein, die so angeordnet
sind, wie in Fig. 4 gezeigt. An Stelle des Handgriffes 22 arbeitet die Vorrichtung
mit einem Zahnstangentrieb. Der Zahnstangentrieb enthält ein Ritzel32, welches an
demjenigen Ende der Welle 21 angeordnet ist, das von dem Zahnsegment 20 abgelegen
ist. Weiterhin enthält der Trieb eine Zahnstange 33, in welche das Ritzel eingreift.
Die Zahnstange ist mittels einer Stange 34 an einem Kolben 35 befestigt, der in
einem Zylinder 36 leitet. Der Zylinder ist an der von der Zahnstange 31:3' abgelegenen
Stirnseite mit dem Auslaß 14 des Druckaustauschers durch ein Rohr 37 verbunden,
während er sich durch ein Rohr 38 an der Stirnwand nahe der Zahnstange 33 zur Atmosphäre
öffnet. Eine Feder 39 ist zwischen der erwähnten näher gelegenen Stirnwand des Zylinders
und dem Kolben 35 wirksam. Wenn der Druck in dem Auslaß 14 beträchtlich über den
atmosphärischen Druck ansteigt, so daß er die Kraft der Feder 39 überwindet, dann
wird die Zahnstange nach abwärts bewegt, wie in Fig. 7 gezeigt. Die Welle 21 und
das Zahnsegment 20 werden gedreht, wobei der Steuerring betätigt wird. Bei Verminderung
des Druckes in dem Auslaß 14 wird der Kolben nach oben bewegt und der Steuerring
in umgekehrter Richtung gedreht. Das Rohr 37 kann an Stelle des Auslasses 14 mit
einem anderen Teil des Druckaustauschers verbunden sein, falls der Steuerring in
Abhängigkeit von einem anderen veränderlichen Druck arbeiten soll. Falls der Druckaustauscher
mit einem anderen Gerät verbunden ist, z. B. einer Brennkraftmaschine, die von ihm
aufgeladen wird, kann das Rohr 37 an einen geeigneten Teil dieses Gerätes angeschlossen
sein.
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Nach der vorhergehenden Beschreibung ruft der Steuerring 10 nur Veränderungen
in den öffnungs-und Schließungszeiten der Zellen an den Stirnplatten hervor. Dies
ist der Fall, weil die Öffnungen 13' und 14' in dem Steuerring stets mit den Öffnungen
in der Stirnplatte zusammentreffen. Die Öffnungen 13' und 14' können so angeordnet
werden, daß ein größerer Zentriwinkel bestrichen wird, so daß die Öffnungen 13'
und 14' in einer äußersten Lage mit den öffnungen der Stirnplatte zusammenfallen,
aber in der anderen äußersten Lage durch die Öffnungen in den Stirnplatten teilweise
oder sogar völlig verdeckt sind.
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Auf diese Weise werden nicht nur die Öffnungs-und Schließzeiten der
Zellen geändert, sondern auch die Gasmenge durch die Öffnungen hindurch beeinflußt,
und in dem äußersten Fall, wenn die Stirnplattenöffnungen völlig verdeckt sind,
wird der Druckaustauscher geschlossen werden.
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Eine weitere Abwandlung innerhalb des Erfindungsgegenstandes ist die
Aufteilung des Stenerringes in zwei oder mehr Teilstücke, die voneinander durch
Zwischenräume getrennt sind. Jedes Teilstück könnte in Abhängigkeit von verschiedenen
Regelgrößen verstellbar sein, z. B. ein Teilstück könnte in Abhängigkeit von der
Drehzahl verstellt werden, während ein anderes Teilstück in Abhängigkeit vom Druck,
der an einem Punkt des Druckaustauschers herrscht, verstellt wird. Mit dieser Anordnung
könnten sowohl die zeitliche Steuerung als auch die Gasmenge durch die Einlässe
hindurch geändert werden.
Die beschriebenen Ausführungen haben stationäre
Stirnplatten und einen drehbaren Zellenring. Es liegt im Bereich der Erfindung,
den Zellenring stationär zu halten und die Stirnplatte rotieren zu lassen. Der Steuerring
wird an eine Stirnplatte angeschlossen, um mit ihr umlaufen zu können.
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Die beschriebenen Ausführungen besitzen Zellen, die sich in einer
Richtung parallel zu der Achse des Zellenringes erstrecken. Es liegt im Bereich
der Erfindung, an Stelle dessen sich radial erstreckende Zellen zu verwenden. Die
Leitung, die mit den Zellen zusammenwirkt, würde in diesem Fall an den radialen
Innen- und Außenstirnseiten der Zellen angeordnet sein oder an radial voneinander
entfernt liegenden Stellen, die mit den Öffnungen in den Zellwänden zusammenarbeiten.
Einstellbare Steuerringe würden zwischen den Zellenöffnungen und der Leitung vorgesehen
sein. Wie bei den Ausführungen, die Zellen haben, die sich parallel mit der Achse
des Zellenringes ausdehnen, kann der Zellenring stationär sein oder die Leitung
drehbar sein, oder umgekehrt.