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Dynamischer Druckaustauscher Die Erfindung betrifft dynamische Druckaustauscher
mit einer Hoch- und Niederdruckspülzone und mit Nutzdruckgasentnahme, bei welchen
die Ein- und Auslaßstutzen der Hochdruckspülzone außerhalb des Druckaustauschers
miteinander verbunden sind und in der Verbindungsleitung eine Vorrichtung zur Erhitzung
des Hochdruckgases angeordnet ist.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Erzeugung eines Nutzdruckgasstromes
zur Verwendung in einer Verbrauchervorrichtung außerhalb des Druckaustauschers,
beispielsweise für die Entspannung in einer Turbine oder in anderen Wärmekraftmaschinen.
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Die Erfindung besteht dabei in erster Linie in einer derartigen Anordnung
eines von den Stutzen und Leitungen der Spülzonen unabhängigen und getrennten Gasentnahmerohres,
daß das Entnahmegas einen über dem Druck der Niederdruckspülzone liegenden Druck
aufweist, und in einem derartigen Abstand der Steuerkanten des Entnahmerohres in
Umfangsrichtung, daß bei der Auslegungsdrehzahl des Drucktauschers während der Gasentnahme
die Steuerzeit der Zelle, aus der Gas entnommen wird, gleich der Laufzeit der -durch
die Zelle laufenden Verdünnungswelle ist.
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Bei der vorliegenden Erfindung, wo die Wirkungsweise des Druckaustauschers
darauf hinauslaufen soll, heißes Gas zu fördern, wird dies mittels des Nutzdruckgasentnahmestutzens
erreicht, welcher im Betrieb der Gesamtanlage strömungsmäßig nicht mit den Hochdruckspülstutzen
verbunden ist. Unter Berücksichtigung der Arbeitsgesch-,vindigkeit des Druckaustauschers
und der relativen Größe der Zellen und der Stutzen kann die zeitweise Verbindung
einer Zelle gleichzeitig mit dem Hochdruckspülstutzen und dem Gasentnahmestutzen
zugelassen werden, solange eine solche Verbindung derart kurz andauert, daß kein
Gasimpuls von einem Stutzen nach dem anderen gelangen kann. Solche zeitweise Verbindung
stellt keine strömungsmäßig wirksame Verbindung während des Betriebes der Anlage
dar. Wenn der Druckaustauscher stillsteht, ist eine gleichzeitige Verbindung zwischen
einer Zelle und den beiden vorerwähnten Stutzen nicht vorhanden.
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Während des Vorganges der Hochdruckspülung und des entsprechenden
Gaswechsels wird praktisch kein Gas aus der Hochdruckspülstutzenanlage abgeführt,
so daß dann, wenn eine bestimmte Zelle der Läufertrommel in Verbindung mit dem Stutzen
kommt, welcher die Mittel für die Wärmezufuhr enthält, und eine solche Verbindung
unterbrochen wird, nachdem die Hochdruckspülung erfolgt ist, die Zelle im wesentlichen
die gleiche Menge Gas, deren Masse durch den zugeführten Brennstoff vergrößert sein
kann, enthält, wie es der Fall war, als die Verbindung hergestellt wurde. Da die
Temperatur des Gases in der Zelle erhöht worden ist, muß ihr Druck notwendigerweise
höher sein. Auf diese Weise muß in dem Stutzenraum, welcher die Mittel für die Wärmezufuhr
enthält oder mit ihnen in Verbindung steht, ein höherer Druck als in den Zellen
vorhanden sein, welche das kältere Gas enthalten. Dieser Druckunterschied wird ausgenutzt,
um den erforderlichen Gaswechsel zu bewirken.
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Der Nutzdruckentnahmestutzen ist so angeordnet, daß er mit Zellen
in Verbindung kommt, welche die Niederdruckspülzone verlassen, aber noch nicht die
. Hochdruckspülzone erreicht haben.
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Die Erhitzungsvorrichtung im Hochdruckspülkreis kann eine Brennkammer
sein, die im Einlaßstutzen der Hochdruckspülstutzenänlage angeordnet ist. In der
Brennkammer kann vollständige Verbrennung erfolgen, bevor die heißen Gase die Zellen
erreichen. Alternativ kann jedoch die Verbrennung nicht vollständig vonstatten gehen,
bis die Gase die Zellen selbst erreicht haben. Zu diesem Zwecke können die Einlaß-
und Auslaßstutzen der Hochdruckspülstutzenanlage in Umfangsrichtung versetzt angeordnet
werden, so daß eine Zelle nicht gleichzeitig mit beiden Stutzen in Verbindung stehen
kann. Auf diese Weise kann jede Zelle bei ihrer Bewegung von einem Stutzen nach
dem anderen für kurze Zeit völlig abgeschlossen werden, während welcher eine Verbrennung
mit konstantem Volumen innerhalb der Zelle entweder vor sich geht oder beendet wird.
In
praktisch angewandten Druckaustauschern sind die Zellen in einem Läufer angeordnet,
der relativ zu den Stutzen drehbar ist, und die folgende Beschreibung wird der Einfachheit
halber hauptsächlich auf derartige Druckaustauscher angewendet, aber es wird darauf
hingewiesen, daß dies nicht die Möglichkeit der Verwendung einer stationären Zellentrommel
und einer rotierenden Stutzenanlage ausschließt.
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Es ist bereits früher ein dynamischer Druckaustauscher vorgeschlagen
worden, bei welchem ein Gasabführrohr mit Zellen zwischen einer Hochdruckspülzone
und einer Niederdruckspülzone in Verbindung steht; aber dieses Gasentnahmerohr steht
an seinem dem Zellenring entfernten Ende mit dem Auslaßstutzen der Niederdruckspülzone
in Verbindung, und zwar um Niederdruckspülung durch die Wirkung einer Strahlpumpe
zu unterstützen. Die bekannte Gasentnahmeanordnung unterscheidet sich von derjenigen
gemäß der vorliegenden Erfindung, da erfindungsgemäß das Gasentnahmerohr gesondert
von den Stutzenanlagen der Hoch- und Niederdruckspülzone angeordnet und dazu bestimmt
ist, Nutzdruckgas von den Zellen nach einer Verbrauchervorrichtung zu fördern, und
zwar unter einem Druck, der größer ist als der des Gases in der Niederdruckspülzone.
Bei der bekannten Anordnung vermischt sich das Gas, das durch das Entnahmerohr abgeführt
wird, um die Wirkung einer Strahlpumpe zu fördern, mit dem von der Niederdruckspülzone
abgeführten Gas. Es besteht ein weiterer Unterschied darin, daß nämlich die Stutzenanlage
der Hochdruckspülzone beim vorgeschlagenen Druckaustauscher nicht geschlossen ist,
da heißes Gas direkt von der Brennkammer in den Stutzenkreislauf abgeführt wird.
Die vorliegende Erfindung weist einen technischen Fortschritt gegenüber dem früheren
Vorschlag auf, weil das Entnahmerohr vollkommen von den Stutzenanlagen der Hoch-und
Niederdruckspülzone gesondert ist und nicht bei der Spültätigkeit mitwirkt. Die
geschlossene Hochdruckspülzone kann bei hoher Temperatur arbeiten und deshalb sehr
leistungsfähig sein, ohne auf den aus dem getrennten Nutzdruckgasentnahmerohr abgeführten
Gasstrom einzuwirken, da dieser so angeordnet werden kann, daß er mit Zellen in
einer Position zwischen den zwei Spülzonen in Verbindung steht, um einen Gasstrom
in dem für die Verbrauchervorrichtung erforderlichen Zustand zu liefern. Das Entnahmerohr
kann in Drehrichtung vor oder hinter der Stutzenanlage der Hochdruckspülzone angebracht
sein.
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Einige Beispiele für Druckaustauscher gemäß der Erfindung sollen nun
an Hand der Fig. 1 bis 5 beschrieben werden, von denen jede ein Schaubild in Form
einer Umfangsabwicklung des Zellenläufers oder Teiles eines Zellenläufers darstellt,
wobei die Drehrichtung des Zellenläufers durch einen Pfeil l' bezeichnet ist.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 kommen die Zellen 6 des Läufers
1, nachdem sie die Stutzen 2' und 2 der Hochdruckspülzone verlassen haben, in Verbindung
mit dem Entnahmestutzen 20, mit welchem das Nutzdruckgas abgezapft werden kann.
Dieses Abzapfen von Gas aus den Zellen ruft einen Druckabfall in diesen hervor,
so daß die Zellen, welche in die Stellung 21 kommen, einen geringeren Druck aufweisen
als diejenigen, welche bei 2" den Stutzen 2 verlassen. Dieser Abzapfvorgang kann,
wenn er in der richtigen Weise zeitgesteuert wird, sich so abspielen, daß der Druck,
welcher dem Nutzdruckgasverbraucher übermittelt wird, zwischen den Drücken bei 2"
und 2' liegt. Das wird erreicht, wenn die Verdünnungswelle (gestrichelte Linie),
welche durch die Verbindung der Zelle mit dem Stutzen 20 entsteht, ungefähr gerade
das andere Ende der Zelle erreicht und dann durch Reflexion zurückgeworfen wird,
um das Strömungsabwärtsende der Zelle zu erreichen, wenn die Verbindung zwischen
der Zelle und dem Stutzen 20 durch die Steuerkante 22 abgeschnitten wird. Bei ihrer
weiteren Bewegung kommt die Zelle in Kontakt mit dem Niederdruckspülstutzen 23,
durch welchen hindurch der heiße Zelleninhalt ausgestoßen wird. Frischluft tritt
durch den Stutzen 24 ein. Uni das Spülen zu bewirken, können beliebige Vorrichtungen
zur Erzeugung des benötigten Druckes oder der benötigten Geschwindigkeit zur Anwendung
kommen, jedoch wird vorteilhaft von dem Restdruck in Zelle 21 Gebrauch gemacht.
Dies wird dadurch bewirkt, daß die Zelle in Verbindung mit dem Stutzen 23 gebracht
wird, bevor sie den Stutzen 24 erreicht, wobei die Steuerkanten der Stutzenwandungen
zu diesem Zweck in der dargestellten Weise versetzt sind. Auf diese Weise ruft der
Restdruck eine Geschwindigkeit durch Entspannen in den Stutzen 23 hinein hervor.
Falls andererseits am Ende dieser Niederdruckspülung noch eine Geschwindigkeit in
der Zelle vorhanden ist, so kann diese benutzt werden, um eine Überladung durch
das Verschließen des Strömungsabwärtsendes der Zelle hervorzurufen, bevor das Strömungsaufwärtsende
in Verbindung mit dem Stutzen 24 verschlossen wird. Dies wird wiederum durch die
versetzte Anordnung der Stutzenwandungen, wie gezeigt, bewirkt. Es sei darauf hingewiesen,
daß der Stutzen 20 vor den Stutzen 2 -und 2' statt hinter diesen angeordnet werden
kann, oder es kann auch ein Stutzen 20 sowohl vor- als auch hinterher vorgesehen
werden. Es ist möglich, mehrere Stutzen nach Art des Stutzens 20 vorzusehen, um
Gas aus den Zellen abzuführen. Diese Stutzen können so angeordnet werden, daß sie
hintereinander mit den Zellen in Kontakt kommen.
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Alternativ kann die Nutzdruckgasentnahmestutzenleitung aus zwei verschiedenen
Stutzenverbindungen, z. B. dem Stutzen 20 und einen zusätzlichen Stutzen 20A (Fig.
1), die mit entgegengesetzten Enden einer Zelle zusammenwirken, bestehen. In einem
solchen Falle kann die Breite eines jeden Stutzens kleiner sein, z. B. jeder die
Breite des Stutzens 20A haben.
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Es ist außerdem durch entsprechende Bemessung möglich, von der Zelle
so viel Nutzgas durch den Entnahmestutzen 20 abzuzapfen, daß ein Teilvakuum hinterher
in der Zelle vorhanden ist. In diesem Falle muß, um ein Spülen zu bewirken, der
Ladestutzen 24 der Niederdruckspülzone zur Zelle geöffnet werden, bevor sie sich
zum Abgasstutzen 23 der Niederdruckspülzone öffnet. Bei dieser Anordnung strömt,
wenn die Verbindung zwischen der Zelle und dein Ladestutzen 24 hergestellt wird,
die Luft in die Zelle ein, wobei eine solche Geschwindigkeit darin erzeugt wird,
daß dann, wenn der Abgasstutzen sich öffnet, das Spülen bewirkt wird.
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Fig. 2 zeigt nur die Stutzen der Hochdruckspülzone. In dieser Figur
sind mit 2 und 2' die Stutzen bezeichnet, welche mit den Zellen die Hochdruckspülzone
bilden. 3 stellt eine Brennkammer mit einem Einspritzgerät oder Brenner 4 dar, mittels
dessen Brennstoff in die Hochdruckspülleitung eingeführt wird, welcher in einem
Flammrohr 3A verbrannt wird. Der Einlaßstutzen 2 und der Auslaßstutzen 2' sind über
die Leitung 5 miteinander verbunden, so daß ein geschlossener Hochdruckspülkreis
entsteht.
Je nach der Verwendung und dem Arbeiten des Druckaustauschers
können andere Stutzen, z. B. für die Niederdruckspülung oder für die Entnahme von
Nutzgas, entlang dem Umfang vorgesehen werden. Innerhalb einer Zelle in der Stellung
6 ist vor ihrer Verbindung mit den Stutzen 2 und 2' Gas vorhanden, das einen geringeren
Druck als das in den Stutzen aufweist. Die letzteren sind so angeordnet, daß das
Einlaßende 7 einer Zelle in Verbindung mit dem Einlaßstutzen 2 kommt, bevor deren
Auslaßenden 8 in Verbindung mit dem Auslaßstutzen 2' kommt. Auf diese Weise ruft
der höhere Druck im Stutzen 2 eine Verdichtungswelle in der Zelle hervor, wodurch
eine Bewegung in Richtung des Pfeiles 9 ausgelöst wird. Wenn die Verdichtungswelle
9 am Auslaßende der Zelle ankommt, dann wird eine Verbindung mit dem Stutzen 2'
hergestellt, wodurch es dem in der Zelle enthaltenen Gas möglich wird, frei auszutreten.
Da während dieser Zeitdauer bereits erwärmtes Gas bei 7 in die Zelle eintritt, wird
wenigstens ein Teil des Zelleninhaltes durch heißeres Gas erhitzt. Die Wirkung läuft
darauf hinaus, daß die Erwärmung des Gases in der Zelle mit im wesentlichen konstantem
Volumen erfolgt. Die Bewegung des Gases in der Zelle wird durch die Steuerkante
10 des Stutzens 2 beendet, durch welche die Verbindung zwischen Stutzen 2 und Zelle
unterbrochen wird, wodurch im vorliegenden Falle eine Verdünnungswelle entsprechend
der gestrichelten Linie A hervorgerufen wird, welche die Gasbewegung in der Zelle
beendigt. Steuerkante 11 des Stutzens 2' trennt die Auslaßverbindung, wenn die Verdünnnungswelle
am Auslaßende der Zelle eintrifft. In einer Zelle 12, welche die Stutzen 2 und 2'
verlassen hat, muß ein höherer Druck als in der Zelle 6 herrschen. Der Druck in
Zelle 12 kann trotzdem geringer sein als derjenige in den Stutzen 2, 2' und 5, und
zwar infolge der Verdünnungswelle A.
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Es ist möglich, die Lagen der Steuerkanten 10 und 11 relativ zueinander
zu vertauschen, derart, daß die Steuerkante 11 vor der Steuerkante 10 die Verbindung
trennt. In diesem Falle ist es möglich, daß ein höherer Druck in Zelle 12 als in
den Stutzen 2, 2' und 5 herrscht, und zwar infolge einer Verdichtungswelle in der
Zelle. Dies wäre der Fall, wenn die Steuerkante 10 an der Stelle vorhanden sein
würde, welche durch die gestrichelte Linie 13 angedeutet ist.
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An Stelle der Brennkammer 3 kann eine andere Heizvorrichtung, z. B.
ein Wärmeaustauscher 14, benutzt werden, welcher das Gas durch Wärmeübertragung
oder Strahlung und nicht durch Innenverbrennen von Brennstoff erwärmt. In beiden
Fällen wird der Strömungswiderstand des Wärmezufuhrgerätes durch die Wirkung des
Druckunterschiedes zwischen den Drücken in Stutzen 2 und der Zelle 6 ausgeglichen.
Die Heizvorrichtung 14 kann auch zusammen mit einer die Verbrennung von Brennstoff
bewirkenden Brennkammer, wie sie bei 3 angedeutet ist, zur Anwendung kommen.
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Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Erzeugung einer Innenverbrennung in
den Zellen. In diesem Falle ist die Kammer 15, deren Auslaß über Stutzen 16 mit
den Zellen verbunden ist, nach Art einer Vorkammer ausgebildet, in welcher eine
Teilverbrennung stattfindet. Die Hauptverbrennung jedoch erfolgt in den Zellen selbst.
Da der Druck in den Stutzen 16, 16', 17 und in der Kammer 15 höher ist als in der
Zelle 18, entsteht ein Gasstrom in die Zelle 18 hinein, wenn die Verbindung mit
dieser hergestellt wird. Diese Gasströmung wird ausgenutzt, um den Brennstoff, welcher
möglicherweise schon infolge der Zündung in der Kammer 15 brennt, in die Zelle zu
bringen und um dort, falls erforderlich, ein vollständiges Brennstoff-Luft-Gemisch
zu bilden. Da der Stutzen 16' in Verbindung mit Zellen steht, in welchen eine Verbrennung
bereits stattgefunden hat und in welchen daher der Druck bereits ein höherer ist,
wird die Menge an Gas, welche den Stutzen 16 verläßt, durch das Gas ersetzt, welches
durch den Stutzen 16' eintritt. Infolge der umfangsversetzten Anordnung der Stutzen
16, 16' relativ zueinander ist während einer kurzen Zeitdauer eine Zelle bei ihrer
Bewegung von dem einen Stutzen nach dem anderen von beiden abgetrennt. Daher findet
während der Zeit, während welcher eine Zelle sich aus der Stellung 18 in die Stellung
19 bewegt, die Innenverbrennung in den Zellen bei konstantem Volumen statt, wodurch
der Druck zunimmt. Bei dieser Anordnung kann die Kammer 15 kleiner sein als die
vorbeschriebene (Fig. 2), oder sie kann sogar vollkommen in Wegfall kommen, in welchem
Falle das Einströmen von Gas für das Zerstäuben oder das Feinverteilen des Brennstoffs,
z. B. auch pulverförmigen festen Brennstoffs, benutzt werden kann. Der Stutzen 16'
kann alternativ an der gleichen Seite der Zellen wie der Stutzen 16 vorgesehen werden.
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Fig. 4 zeigt eine Anordnung für eine ähnliche Verw endung wie bei
Fig. 1. Ein Unterschied besteht darin, daß in diesem Falle Druckausgleichrohre 25,
25' und 25" angeordnet sind, durch welche eine Verbindung zwischen Zellen, welche
die Hochdruckspülzone verlassen, und Zellen, welche sich dieser nähern, hergestellt
wird, wodurch Gebrauch von dem bekannten Druckausgleichsverfahren gemacht wird,
bei welchem Zellen eine stufenweise Drucksteigerung erfahren, während andere Zellen
eine stufenweise Druckminderung durchlaufen. Der Stutzen 26 dient dazu, die Zellen
anzuzapfen, und fördert verdichtetes Gas nach einem Nutzverbraucher. Der Stutzen
26 entspricht dem Stutzen 20 in Fig. 1 und weist einen Diffusor 27 zwecks Verringerung
von Geschwindigkeitsverlusten auf.
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In Fig. 5 ist die Verwendung eines Druckaustauschers als Brennkraftmaschine
für Heizzwecke dargestellt, beispielsweise für Erzeugung von heißem Gas zum Erwärmen
eines Kessels, wobei das Gas insgesamt oder zum Teil nachfolgend in einer Gasturbine
entspannt werden kann.
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Der Brennstoff, der durch die Sprühdüse 4 oder sonstwie eingebracht
wird, erhitzt das verdichtete Gas in dem geschlossenen Hochdruckspülkreislauf. Dieses
Gas gibt einen Teil seiner Wärme an die Rohre einer Heizvorrichtung oder eines Heizrohrkessels
32 ab.
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Die Abnahme von Druckgas durch den Stutzen 33 und die abgezogenen
Gase geben ihre Wärme mittels eines Wärmeaustauschers 34 an einen Wärmeverbraucher
14 ab. Im Niederdruckspülstutzen 35 ist ein weiterer Wärmeaustauscher 36 vorgesehen,
um den übrigen Teil der Restwärme aufzunehmen. Die Heizvorrichtungen 31, 34 und
36 können zu einer baulichen Einheit, z. B. zu Heizflächen eines Kessels, zusammengefaßt
werden.
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Die Wärme, welche von einem Wärmeaustauscher wie 34 oder 36 aufgenommen
wird, kann dazu benutzt werden, das Gas im Hochdruckspülstutzen vorzuwärmen. Daher
kann der Wärmeaustauscher 34 oder 36 oder können beide Wärmeaustauscher mit dem
Wärmeaustauscher 14 in Fig. 3 zusammengefaßt werden, wie dies aus den Schaubildern
hervorgeht. Ein Teil des Gases oder das gesamte Gas, welches
verdichtet
und abgezogen wird, kann benutzt werden, um mechanische Leistung zu erzeugen.