DE1072352B - Dynamischer Druckaustauscher. I1S. 4. 56, Großbritannien - Google Patents

Description

Zellenrad-Druckaustauscher, bei welchen für die im Druckaustauscher sich vollziehenden Kompressionsund Expansionsvorgänge die Wirkung der an den Einlaß- und Auslaßöffnungen sich bildenden Stoßwellen ' ausgenutzt wird, sind als dynamische Druckaustauscher bereits bekannt. Weiterhin ist bekannt, daß bei der Umströmung einer Kante durch ein Druckmedium sich zentrierte Wellensysteme bilden. Derartige zentrierte Wellensysteme bedingen isentropische, d. h. umkehrbare Vorgänge. Beim Ausströmen eines Druckmediums durch einen Spalt können sich bei beliebiger Bemessung der .Spaltbreiten an der Auslaßseite Störwellen einstellen, die insofern zu Verlusten führen, als derartige Störwellen, nicht umkehrbare ■ Vorgänge verursachen.

Der vorliegenden Erfindung.liegt die Aufgabe zugrunde, diese Störwellen beim Expansionsvorgang durch entsprechende Bemessung der Spaltbreiten zu unterdrücken.

Gemäß der Erfindung ist.ein dynamischer Druckaustauscher, mit Zellenrad vorgesehen, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß jeweils nebeneinanderliegende und in gleicher Richtung durchströmte Durchtrittsöffnungen des Druckaiistauschers so bemessen und angeordnet sind, daß das sich in den relativ zu diesen Durchtrittsöffnungen an denselben vorbeibewegten Zellen entwickelnde Druckwellensystem mit Bezug auf eine Kante der Durchtrittsöffnungen zentriert ist.

Die nebeneinandeiiiegenden Durchtrittsöffnungen werden nach der Erfindung entweder von einer Hilfseintrittsöffnung und einer in Zellenbewegungsrichtung danebenliegenden Haupteintrittsöffnung oder von einer Hauptauslaßöffnung und einer in Zellenbewegungsrichtung, danebenliegenden Hilfsauslaßöffnung gebildet, durch welche beide jeweils das Arbeitsmedium in die Zellen ein- bzw. aus diesem austritt, wobei das Zentrum des Wellensystems im wesentlichen mit derjenigen Kante der Haupteintrittsöffnung bzw. der Hauptaustrittsöffnung zusammenfällt, an welcher die an den Durchtrittsöffnungen vorbeibewegten Zellen zuletzt bzw. zuerst vorbeipassieren.

Die HilfsÖffnungen sind in Bewegungsrichtung der Zellen enger als die Hauptöffnungen.

Nach der Erfindung können jeweils neben einer Hauptöffnung mehrere HilfsÖffnungen vorgesehen sein, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß jeweils der Zustand des eine unmittelbar neben, der Hauptöffnung gelegene HilfsÖffnung durchströmenden Arbeitsmediums dem Zustand des diese Hauptöffnung durchströmenden Arbeitsmediums näherkommt als der Zustand, des eine von der Hauptöffnung weiter abgelegaie HilfsÖffnung durchströmenden Arbeitsmediums.

Dynamischer Druckaustauscher

Anmelder:
Dudley Brian Spalding, London

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Holzer, Patentanwalt,
Augsburg, Philippine-Welser-Str. 14

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 22. April 1955

Dudley Brian Spalding, London,
ist als Erfinder genannt worden

Nach einer abgewandelten Ausführungsform eines Druckaustauschers nach der Erfindung sind die Hilfseintrittsöffnungen außerhalb des Zellenbereiches mit den Hilfsaustrittsöffnungen verbunden. Dabei bilden die Haupteintrittsöffnungen zusammen mit den Hauptaustrittsöffnungen jeweils eine Zellenspülzone, wobei nach der Erfindung eine äußere Verbindung der HilfsÖffnungen vorgesehen ist, welche das Zellensystem überbrückt.

Eine besondere Ausführungsform eines Druckaustauschers nach der Erfindung sieht mehrere parallel geschaltete, entgegengesetzt durchströmte Hoch- und Niederdruckspülzonen vor, deren jeweils einander zugeordnete Haupt- und HilfsÖffnungen jeweils an derselben Stirnseite des Zellenrades liegen.

Nach einer anderen, besonderen Ausführungsform eines Druckaustauschers der Erfindung sind in einem derartigen Druckaustauscher zwei gegenläufige Zellenräder vorgesehen, wobei eine dem einen dieser beiden Zellenräder zugeordnete Iiauptaustrittsöffnung unmittelbar mit einer dem jeweils anderen Zellenrad zugeordneten Haupteintrittsöffnung verbunden, ist und wobei die betreffenden HilfsÖffnungen ebenfalls unmittelbar miteinander verbunden sind.

Die Haupteintritts- und -aüstrittsöffnungen können an entgegengesetzten Enden eines Überleitungskanals angeordnet sein, und die betreffenden Hilfseintritts- und -aüstrittsöffnungen können demgemäß über Hilfsüberleitungskanäle miteinander verbunden sein.

Schließlich können gemäß der Erfindung die Haupt- und Hilfseintrittsöffnungen des Druckaustauschers an

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verschiedene Druckstufen eines Verdichters und die Haupt- und Hilfsaustrittsöffnungen an verschiedene Expansionsstufen einer Expansionsmaschine : an-

Die. Wellenfrorit erreicht das entgegengesetzte Ende der Zelle einige Zeit vor dem Wellenschwanz. Der Weg der Wellenfront bei sich drehendem Zellenrad ist durch.die Linie 16 angedeutet, während die Linie 17 die Bahn des Wellenschwanzes im Raum zeigt. Es wurde bereits früher vorgeschlagen, die Öffnung 18, durch welche hindurch der Austrittskanal 15 mit den Zellen in Verbindung steht, so weit zu machen, daß deren Welle jeweils der Zeitspanne entspricht, welche bi d kkibdi

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öffnung 'entstehenden Unterdruckwellen bzw. dem Grade der Konvergenz der Verdichtungswellen unter den jeweiligen konstruktiven und betrieblichen Verhältnissen entspricht.

Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise nachstehend unter Bezugnahme: auf die Zeichnungen an Hand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben. Es zeigt

eher die Verhältnisse ersichtlich sind, die sich ergeben, wenn im Betrieb derartiger Zellenrad - Druckaustauscher Wellenreflexionen "im Inneren des Druckaustauschers auftreten,

Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen von Teilabwicklungen von Druckaustauscher^ an welchen die Erfindung in Verbindung mit Expansionswellen bzw. mit Kompressionswellen verwirklicht ist,

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geschlossen sein.

Bekanntlich wird eine von einem einzigen Punkt ausgehende Expansionswelle als »zentrierte Expansionswelle« bezeichnet. Sinngemäß wird eine auf einen einzigen Punkt zusammenlaufende Kompres-

sionswelle als »zentrierte Kompressionswelle« be- j p p,

zeichnet. Hier handelt es sich um in bezug auf eine io bei der konstruktionsbedingten Betriebsdrehzahl des Kante zentrierte Wellen, d. h. Wellen, die in nur einer Druckaustauscher erforderlich ist, damit die Welle zur Kante senkrechten Ebene zentriert sind. 16 von dem einen Ende der Zelle zu dem anderen

Ganz allgemein kann gesagt werden, daß die Breite laufen und dort zurückgeworfen werden kann. Die der nach der Erfindung vorgesehenen HilfsÖffnungen Zelle wird also geschlossen, wenn sie an der Hinterin Zellenbewegungsrichtung von der jeweiligen Stärke 15 kante 19 der Öffnung 18 vorbeigeht, also wenn die der Strömung der beim Austritt aus einer Haupt- Welle 16 zu dem offenen Ende der Zelle gelangt, 'd kl b d Wäre die Welle unendlich dünn, dann würde der

Zelleninhalt in Ruhe bleiben, nachdem die Zelle an der Kante 19 vorbeigegangen ist. Da die Welle aber eine endliche Dicke hat, wird innerhalb der Zellen, welche an der Öffnung 18 vorbeigegangen sind, ein Wellensystem aufgebaut, welches bei Abwesenheit irgendwelcher Mittel, um das Gas isentropisch, d.h. verlustlos zur Ruhe zu bringen, zu regellosen, unge-

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teils 25 ordneten Wirbeln in Form, von nicht isentropischen einer Abwicklung eines Druckaustauscher, aus wel- Störwellen unter Verlust von Nutzarbeit entartet. Das

i di ih b gilt besonders dann, wenn das Entleeren der Zellen

mit hohem Drucksprung erfolgt. Obwohl die obige unter Bezugnahme auf Fig. 1 gegebene Darstellung etwas vereinfacht ist, gilt die Überlegung in angemessener Weise doch auch für Zellen geringer Weite.

In der Fig. 2 ist nun schematisch ein Zellenentleerungsprozeß dargestellt, bei welchem ein zweites

p Zurückwerfen der Expansionswellen vermieden oder

Fig. 4 und 5 schematische Darstellungen von Teil- 35 doch wenigstens in weitem Maße unterdrückt ist. Die abwicklungen von Druckaustauschern, aus welchen Weite der öffnung 18, d. h., der Abstand der Kanten die Anordnung der nach der Erfindung vorge- 14 und 19 wird durch die Lage der Wellenf ront 16 im sehenen Hilfseintritts- und -austrittsöffnungen ersieht- Konstruktionsbetriebszustand bestimmt, so daß die lieh ist. durch den Kanal 15 abgehende Strömung über die

Fig. 6 und 9 Anordnungen von Überleitungskanälen 40 ganze lichte Weite möglichst gleichmäßig ist. Neben nach der Erfindung bei Druckaustauschern mit einem der Hauptöffnung 18 befinden sich in Drehrichtung

anschließend an deren Hinterkante eine Anzahl von HilfsÖffnungen 20. Diese zeigen in. der Abwicklung eine geringe Breite im Vergleich zu der Hauptöffnung. Die Drücke und Geschwindigkeiten des Gases in diesen HilfsÖffnungen sind so bemessen, daß sie mit dem Abstand von der Hauptöffnung kontinuierlich abnehmen, bis die Geschwindigkeit in der öffnung, zu welcher der Schwanz der Welle 17 am offenen Ende der Zelle zurückkehrt, praktisch gleich Null ist. Nach der strengen Theorie wäre eine unendliche Anzahl von Öffnungen 20 erforderlich, aber schon einige wenige solcher öffnungen können zu einer bemerkenswerten

g Herabsetzung der Verluste an Nutzarbeit durch die

Fig. 13 einen Druckaustauscher mit einem einzigen 55 Verminderung der Reflexion der Wellen führen. Das Zellenrad und zwei Arbeitsspielen je Umdrehung. Vorbeiführen der Zellen des Zellenrades 11 an den

In den Figuren sind Druckaustauscher mit einem Öffnungen 18 und 20 führt dazu, daß eine Reihe von oder zwei jeweils in Pfeilrichtung 10 umlaufenden Zellen, die vor den öffnungen 18 und 20 ruhendes Zellenrädern 11 dargestellt, die an ihrem Umfang Hochdruckgas enthalten, nach Passieren der öffnuneinen Kranz von Zellen 12 tragen. Die Zellenräder 60 gen ruhendes Niederdruckgas enthalten, und daß ein drehen sich gegenüber Endplatten 13, in welchen sich stetiger Gasstrom unter einem Mitteldruck durch den Kanäle befinden, durch welche die Betriebsmedien in Kanal 15 abströmt und ferner, daß eine Anzahl kleiner die Zellen ein- bzw. aus denselben austreten. Gasströme bei einem Druck zwischen Mittel- und Nie-

Fig. 1 zeigt, wie. die Entleerung des Inhalts einer derdruck in die an die Öffnungen 20 angeschlossenen Zelle oder doch wenigstens die teilweise Entleerung 65 Kanäle abfließen. Diese Gasströme verschiedenen desselben vor sich geht. Jedesmal, wenn eine Zelle an Druckes können in verschiedener Art verwendet werder Kante 14 des Austrittskanals 15 vorbeiläuft, wird den. Beispielsweise kann das die Zellen durch den eine durch diese Kante erzeugte Expansionswelle über Kanal 15 verlassende Gas dem Eintrittsende einer die ganze Länge der Zelle durch diese hindurch über- Turbine, die verschiedenen durch die Öffnungen 20 abtragen. Derartige Wellen haben eine endliche Dicke. 70 gehenden Ströme verschiedenen Zwischenstufen der

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oder mit zwei Zellenrädern,

Fig. 7 und 8 Anordnungen der Niederdruck- bzw. der Hochdruckspül stufen bei Druckaustauschern nach der Erfindung,

Fig. 10 einen Druckaustauscher nach der Erfindung mit zwei Zellenrädern und Parallelspülung,

Fig. 11 eine Anordnung eines Druckaustauscher nach der Erfindung mit zwei Zellenrädern und Serien-Hochdruckspülung,

Fig. 12 und 14 Stoßwellendiagramme in etwas übertriebener Darstellung, wie sie an den Ein- und Austrittsöffnungen von Druckaustauschern nach der Erfindung auftreten, und

Turbine je nach deren Druckhöhe zugeführt werden. Natürlich könnte man die HilfsStrömungen auch zum Antrieb von Hilfsmaschinen mittels hierfür geeigneter Expansionsmaschinen verwenden. Durch den oben beschriebenen Prozeß erhält man ein im wesentlichen in bezug auf die Kante 14 zentriertes Expansionswellensystem, mindestens aber eine erste Annäherung an einen thermodynamisch umkehrbaren Prozeß. Eine ähnliche Anordnung kann daher für den umgekehrten Prozeß zur Anwendung gelangen, also auf den Eintritt der Gase in die Zellen eines Druckaustauscher. Die Fig. 3 stellt diesen umgekehrten Prozeß dar. Die Anordnung nach Fig. 3 ist so getroffen, daß jedes Gasteilchen der Niederdruckzellen bei Annäherung der Zelle an die öffnungen durch das eintretende Gas allmählich komprimiert wird und nicht etwa plötzlich durch eine Stoßwelle, wie es der Fall ist, wenn keine HilfsÖffnungen 21 vorhanden sind. Das Gas tritt durch eine Anzahl von HilfsÖffnungen 21 ein, bevor der gleichmäßige Hauptstrom, der durch den Kanal 22 ankommt, an der Öffnung 23 erreicht wird. Die Anordnung und Weite der Öffnungen ist dabei so bemessen, daß im Auslegungspunkt alle aus den aufeinanderfolgenden öffnungen herrührenden Kompressionswellen nach einmaliger Reflexion an der Zellenschlußkante 24 der öffnung 23 zusammenlaufen. Die Konvergenz der Kompressionswellen an dieser Kante, d. h. das Entstehen eines im wesentlichen zentrierten Kompressionswellensystems, führt dazu, daß bei den sich über die öffnung 23 hinaus bewegenden Zellen deren Inhalt in Ruhe verbleibt. Die durch die Öffnungen 21 eintretenden Ströme komprimieren allmählich den ursprünglichen Inhalt der Zellen. Da die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle durch die Zellen hindurch teilweise von dem Druckverhältnis zwischen dem eintretenden Strom und dem ursprünglichen Inhalt der Zelle abhängt, überschreitet die Fortpflanzungsgeschwindigkeit jeder Welle diejenige ihres Vorgängers. Daher ist die Zeit, welche für die erste Welle 25 erforderlich ist, um das entgegengesetzte Ende der Zelle zu erreichen und dort zurückgeworfen zu werden, langer als diejenige für die Welle 26, welche durch Öffnen der Hauptöffnung 23 zustande kommt. Die Quelle für die Ströme, welche unter verschiedenen Drücken durch die öffnungen 21 hindurch eintreten sollen, kann beispielsweise ein mehrstufiger Kompressor sein, der an geeigneten Stellen mit Anzapfungen versehen ist.

Der Gaswechsel- oder Spülvorgang in einer Zelle wird an Hand der Fig. 4 erläutert, wobei die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Prozesse so miteinander kombiniert werden, daß die sich aus der Entleerung der Zellen ergebenden Hilfsströme als zweckmäßige Quelle für die zum Füllen benötigten Hilfsströme verwendet werden können. Die Fig. 4 zeigt einen Niederdruckspülvorgang, bei welchem die HilfsÖffnungen 20 zum Entleeren der Zellen durch die Kanäle 27 mit den HilfsÖffnungen 21 direkt verbunden sind, mit denen jede Zelle in Berührung kommt, bevor sie auf die Einlaßöffnung 23 stößt. Eine ähnliche Anordnung, welche für die Hochdruckspülzone erforderlich ist und bei welcher die Zellen zuerst an die Hilfseintrittsöffnungen für das Gas gelangen, ist in der Fig. 5 dargestellt. Wiederum sind hier die Kanäle 20 oder öffnungen 20 durch die Kanäle 28 direkt mit den öffnungen 21 verbunden; diese Kanäle28 überbrücken den Eintrittskanal 22 und den Austrittskanal 15.

Die Fig. 6 erläutert das gleiche Verfahren in seiner Anwendung auf die Verdichtung des Zelleninhalts mittels eines Gases von höherem Druck aus einer späteren Stufe des Arbeitsprozesses. Der Kanal, durch^: welchen dieses Kompressionsgas geleitet wird, ist gemeinhin unter der Bezeichnung »Überleitungskanal« bekannt und hier bei 29 dargestellt. Außer diesem Hauptüberleitüngskanal gibt es noch die Hilfskanäle 30, welche die öffnungen 20 und 21 miteinander verbinden. Natürlich können die Eintritts- und die Aus^ trittskanäle auf entgegengesetzten Enden des Zellenrades angeordnet werden. In diesem Falle müssen

ίο dann die Überleitungskanäle das Zellenrad außerhalb desselben überbrücken.

Wenn in einem Druckaustauscher ein Spülprozeß ausgeführt werden soll, dann müssen die öffnungen für Eintritt und Austritt der Gase an entgegengesetzten Enden der Zellen angeordnet werden. In den Fig. 7 und 8 sind derartige Spülvorgänge in der Hoch- und Niederdruckspülzone dargestellt. In der Fig. 7 trifft eine Zelle 12, die sich in der Richtung des Pfeils 10 bewegt, zunächst auf die Austrittsöffnung 18, wobei Expansionswellen zwischen den Grenzwellen 16 und 17 von der stromaufwärts gelegenen Kante jener öffnung ausgehen. Die stromaufwärts gelegene Kante der öffnung 23 ist so angeordnet, daß sie mit der Stelle, an welcher die Welle 17 das andere Ende der Zelle erreicht, zusammenfällt. Zwischen jener Stelle und der Stelle, an welcher die Welle 16 das gleiche Ende der Zelle erreicht, befinden sich die Hilfsöffnungen 31, von denen hier schematisch nur zwei dargestellt sind. Jenseits der stromabwärts gelegenen Kante der öffnung 18 befinden sich weitere Hilfs^: öffnungen 32. Die Kompressionswellen werden durch die Zellen hindurch und über die ganze Weite der HilfsÖffnungen fortgepflanzt; sie laufen an einer Steile am anderen Ende der Zellen zusammen, und an dieser Stelle befindet sich auch die stromabwärts gelegene Kante des Kanals 23. Die HilfsÖffnungen 31 und 32 sind durch die Kanäle 33, welche hier in strichpunktierten Linien dargestellt sind, miteinander verbunden. Die stromabwärts gelegene Öffnung 32 ist mit der stromaufwärts gelegenen öffnung31 verbunden; in ähnlicher Weise wird das Zellenrad bei den anderen miteinander verbundenen Öffnungen überbrückt. Das Gas strömt von den Öffnungen 32 durch die Kanäle 33 hindurch zu den Öffnungen 31. Die Anordnung ist dabei so, daß im Auslegungspunkt die Expansionswellen 16 und 17 an dem Zurückwerfen verhindert werden, wenn sie durch die Zellen hindurchgegangen sind, weil sie dann nämlich auf Gasströme treffen, welche durch die Öffnungen 31 stromabwärts gerichtet mit allmählich abnehmendem Druck und allmählich, zunehmender Geschwindigkeit eintreten. Dabei muß jeder eintretende Strom hinsichtlich seines Druckes und seiner Geschwindigkeit möglichst nahe herankommen an den Zustand des Inhalts einer Zelle in der gleichen Umfangslage. Die durch die öffnungen 32 abgehenden Ströme nehmen allmählich in der Richr tung stromabwärts an Druck und Geschwindigkeit ab. In der Fig. 8 ist eine Hochdruckspülanordnung dargestellt, welche in einiger Hinsicht ähnlich der in Fig. 7 dargestellten Anordnung ist. In diesem Falle trifft jedoch eine Zelle 12, die sich in Richtung des Pfeiles 10 bewegt, zunächst auf die HilfsÖffnungen 34 auf der Einlaßseite des Zellenrades. Durch diese Öffnungen treten nacheinander Ströme des Gases unter einem solchen Druck und einer solchen Geschwindigkeit ein, daß die an den Kanten der HilfsÖffnungen erzeugten Kompressionswellen 25 und 26 an einer einzigen Stelle am anderen Ende der Zelle zusammenlaufen. An dieser letzteren Stelle befindet sich auch die Vorderkante der Auslaßöffnung 18. Jenseits der

stromabwärts gelegenen Kante der Öffnung 18 befinden, sich die Hilf soff nungen. 35, die durch die in strichpunktierten Linien dargestellten Kanäle 36 mit den; HilfsÖffnungen 34 verbunden sind, wobei wiederum die Leitung für das Gas das Zellenrad überbrückt. Die durch die Hinterkante der öffnung 23 erzeugten Expansionswellen breiten sich, fächerförmig aus und werden an der Reflexion gehindert durch den geregelten Austritt des Gases aus den öffnungen 35. Bei den

Gas verdichtet, so daß ein Druckübergang stattgefunden hat. Auf ihrer weiteren Bahn bewegt sich die Zelle 38 über die Kante.46 des Überleitungskanals 47. hinweg, und zwar bei verdichtetem Zelleninhalt. Die 5 sich in der entgegengesetzten Richtung bewegende Zelle 39 macht den umgekehrten Prozeß durch. Beim Vorbeigang an der Kante 49 des Überleitungskanals 47 werden die Expansionswellen 50 und 51 erzeugt, die im Auslegungspunkt zurückgeworfen werden, wo-Ausführungsbeispielen nach den Fig. 7 und 8 ist die io bei der Wellenfächer die Fläche der HilfsÖffnungen durch die Zellen strömende Gasmenge größer, als zum 52 bestreicht. Diese letzteren sind durch die Hilfsgenauen Ersatz des ursprünglichen Inhalts der Zellen Überleitungskanäle 41 direkt an die Hilfsöffnüngen 40 durch die durch die Öffnung 23 eintretende Gasmenge angeschlossen. Ein Teil des Gasinhaltes der aus' der erforderlich ist. Das ist schematisch dargestellt in der Stellung 39 kommenden Zelle wird durch die Kanäle Fig. 7;', durch die gestrichelte Linie 37, welche die 15 47 und 41 abgezogen, so daß nach dem Vorbeigang Grenzfläche andeuten soll zwischen den durch die Öff- an den HilfsÖffnungen 52 der Inhalt der Zelle sich nungen 31 und 23 eintretenden Gasmengen und der in
der Zelle 12, welche sich diesen öffnungen nähert, ursprünglich enthaltenen Gasmenge. Dieser Spülgasüberschuß ist gerade erforderlich und ist bei Hoch- 20
druckspülung oft unerwünscht. Die hierdurch bedingten Spülverluste können dadurch verhindert werden,
daß man die Hauptöffnungen genügend eng macht.

./Im Falle der Hochdruckspülung kann die relative
Geschwindigkeit des durch die Zellen strömenden 25 wurden bereits oben beschrieben und sollen daher Gases,über die Schallgeschwindigkeit hinausgehen. Es nicht weiter in den Einzelheiten beschrieben werden, können..also Überschallgeschwindigkeiten sowohl an
den Haupt- als auch an den HilfsÖffnungen auftreten.

zum Teil entspannt hat und dazu verwendet wurde, den Inhalt der Zelle in dem anderen Zellenrad zu verdichten.

Die Fig. 10 zeigt in schematischer Form eine vollständige periphere Abwicklung eines Druckaustauscher mit zwei Zellenrädern gemäß der vorliegenden Erfindung. Alle bei der. vorliegenden Ausführungsform - der Erfindung beschriebenen Wellenprozesse

Wenn, Geschwindigkeitsänderungen in den an diese

Frischluft tritt in die beiden Zellenräder durch die Kanäle 53 ein. In.der Niederdruckspülzone tritt das Gas aus den beiden Zellenrädern durch die beiden ge-

Teile ,angeschlossenen Kanälen erwünscht sind, dann 30 meinsame Öffnung 54 und den Abluftkahal 55 aus. .rniiss.en.die Kanäle von geeigneter Form sein. Die in das linke Zellenrad eingetretene Luft wird an-

_;;._:,_;EsjiWurde bereits; früher vorgeschlagen, die Über- fänglich mittels der Überleitüngskanäle 56 verdichtet, leitungskanäl.e bei Druckaustauschern. zu vereinfachen, (zu vergleichen mit Fig. 9). Anschließend gelangen igdem ,man. _;zweL_: gegenläufige ; und koaxiale Zellen- die Zellen des betreffenden Rades in die Hochdruckräder .Seite ^ 35 spülstüfe, an deren Öffnungen 57 und 58 die in sich ,,^erlassende Gas muß dann in dem anderen Zellenrad geschlossene Ringleitung 59 angeschlossen ist, in der die. Kompression bewirken. Ein Teil, der Abwicklung eine Erhitzungsvorrichtung 60 angeordnet ist. Den desi;:TJmfanges eines solchen Druckaustauscher ge- beiden Zellenrädern wird im Parallelström entweder. Äiäß 4er vorliegenden Erfindung ist in der Fig. 9 dar- heißes Gas oder.heiße Luft zugeführt, je nachdem, ob gestellt. ;Die beiden. Zellenräder 11 sind so angeordnet 40. die Wärme der Ringleitung mittels innerer Verbrenund;;dargestellt, daß sie in entgegengesetzten Richtun- nung oder mittels äußerer Beheizung zugeführt wird. gea, wie ,es· die Pfeile 10 andeuten, umlaufen. Anfang- Diese Hochdruckspülstufe kann mit der Fig. 8 ver^ lieh,hat eine Zelle in.der Stellung 38 einen verhältnis- glichen werden.. Die-Entnahme von nutzbarem Armäßig !niedrigen .Innendruck, während die. Zelle in der beitsgas aus dem linken Zellenrad erfolgt durch die Stellung; 39 unter, einem ..verhältnismäßig hohen 4-5 Hauptöffnung 61 und die Hilfsöffnuhgen 62, wobei die

Druck :.steht, ,Die, Ζε11ε,38 wird durch die ZellenraddEehung. nacheinander mit einer Anzahl von Hilfs-Qffnungen 40 in Verbindung gebracht, die mit Kanälen 41;;im_;feststehenden Zwischengehäuse42 zwischen den

, flüchten. Aus diesen Öffnungen 40 50 werden.

Hauptöffnung mit ,dem Einlaß der Turbine 63 verbunden ist, während die Hilfsöffnüngen zu Zwischenstufen in der Turbine 63 führen. Die Entnahme von Gas aus dem Zellenrad kann mit. der Fig. 2 verglichen

nimmt ,.die Zelle, das Gas unter allmählich zunehmendem.Druck und allmählich zunehmender Geschwindigkeit .,auf./Von jeder Öffnung/,aus, werfen Kompresen durch die ganze Länge,der Zelle.hindurch

Öffnung 54..

Die Zellen des rechten Zellenrades machen genau die gleiche Reihe von Arbeitsgängen durch. Nachdem

Alsdann trifft dann in Umfangsrichtung eine Zelle des linken Zellenrades auf den Überleitüngskanal 64, durch welchen hindurch ein Teil des Zelleninhalts ausströmen kann,, um die Luft in dem anderen Zellen-.fortgepflanzt. Die Grenzwellen sind bei 43 als erste 35 rad zu verdichten. Hierauf gelangt der Zelleninhalt in und;;bei..44:als letzte dargestellt. Die letzte Kompres- die Niederdruckstufe und verläßt dieselbe durch die sipnsw;,elle geht nämlich von der Kante der Hauptöffnung 45 aus, durch welche hindurch .ein gleichmäßiger Strom in die.Zelle von dem anderen ,Zellen?

_;r.ß4* aus eintritt. Im Auslegungspunkt sollen die.. Weir 6q die Zelle Luft durch den Kanal 53 aufgenommen hat, •leti 43 und 44 so liegen/daß sie an den eutgegengesetzr bewegt sie sich in der Richtung des Pfeiles 10 an dem ten_: Enden der Zellen, welche sie durchlaufen haben, rechten Zellenrad und wird nach dem Verfahren der zurückgeworfen werden, um an der Hinterkante, 46 Überleitungskanäle 64 verdichtet. Hierauf gelangt die der Hauptöffnung 45 zusammenzulaufen. Die Öffnung Zelle in die Hochdruckspülstufe, in welcher sie durch 45:,ist,durch den geraden und direkten Überleitungs- 65 die Öffnung 65 hindurch entweder heißes Gas oder ericanal 47 mit einer öffnung 48 verbunden, die mit dem hitzte Luft aufnimmt. Anschließend wird das Gas anderen Zellenrad in Verbindung steht. Beim Vorbei- durch die Öffnungen 66 und 67 hindurch entnommen gang an den Öffnungen 40 und 45 wurde der Inhalt und zu der Turbine 68 geführt. Es folgt ein Druckder Zelle 38 durch das durch die Kanäle 41 und .47 austausch durch die Überleitungskanäle 56 hindurch !eintretende, aus dem anderen Zellenrad kommende .70 und schließlich die . Niederdruckspülstufe, wobei die

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Abluft durch die Öffnung 54 austritt und Frischluft spülung eines Druckaustauscher mit zwei Zellen-

wiederum durch den Kanal 53 eintritt. Die Turbinen rädern vorgesehen werden.

63 und 68 können zu einer einzigen Turbine zu- In der gesamten Beschreibung wurde die Richtung sammengefaßt werden, deren Einlaß die Gasmengen der Strömung in den Kanälen, die mit den Zellen in aus den Kanälen 61 und 66 zugeführt werden und 5 Verbindung stehen, der Einfachheit halber als rein deren Zwischenstufen mit den Gasmengen aus den axial dargestellt. Da die Umfangsgeschwindigkeit des verschiedenen HilfsÖffnungen 62 und 67 beaufschlagt Zellenrades groß sein kann im Vergleich zur Gaswerden, geschwindigkeit in den Kanälen, wurden axiale Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 sind die Kanäle nicht mit der resultierenden Strömungsrichzwei Zellenräder und die in ihnen sich abwickelnden io tung übereinstimmen und einen Druckabfall innerhalb Vorgänge parallel geschaltet. Es sind aber auch Druck- der Kanäle hervorrufen, so daß ein bestimmtes endaustauscher mit zwei Zellenrädern bekannt, bei denen liches Drehmoment zum Antrieb des Zellenrades erdie Zellen der Zellenräder hintereinandergeschaltet forderlich würde. Deshalb müssen die Wandungen der sind und gespült werden. Die Fig. 11 zeigt die Hoch- Kanäle zu der Achse geneigt sein, so daß die Gasdruckspülung eines solchen Druckaustauscher. In 15 strömung von der Zelle zum Kanal und vom Kanal dieser schematischen Darstellung ist das heiße Gas zur Zelle ohne scharfen Richtungswechsel glatt veraus der Erhitzungsvorrichtung 60 durch dichte Quer- laufen kann. Da die Aus- und Eintrittsgeschwindigschraffierung angedeutet, während die unschraffiert keiten durch die HilfsÖffnungen hindurch schwanken, gebliebenen Zellen und Kanäle Luft enthalten. Das können die Wandungen der Hilfskanäle unter entspre-Gas wird, wie oben beschrieben, durch die Öffnung 57 20 chend verschiedenen Winkeln angeordnet werden. Die eingeführt. Bevor eine Zelle auf diese Öffnung stößt, Fig. 12 zeigt eine genauere Darstellung der in Fig. 2 ist sie vorher an einigen HilfsÖffnungen 69 vorbei- beschriebenen Anordnung. Hierbei sind die gleichen gegangen, durch welche heißes Gas unter Drücken Bezugsnummern verwendet worden, so daß die beiden unterhalb desjenigen in dem Kanal 59 in die Zellen Figuren direkt miteinander verglichen werden köneintritt. Das in die Zellen eintretende heiße Gas setzt 25 nen. Die mit Pfeilen versehenen gestrichelten Linien den Inhalt derselben in Bewegung, wobei die Luft an- 80 und 81 zeigen die Bahn der Gasteilchen an, die sich fänglich verdichtet wird. Wenn nun das andere Ende anfänglich in den Zellen der Ruhelage befanden und der Zelle sich nach der Öffnung 70 zu öffnet, dann späterhin durch die Austrittsöffnungen abfließen. Die wird die Luft durch diese öffnung hindurch ausge- Bahn 80 der Teilchen trifft die Hauptaustrittsöffnung trieben und gelangt in einen Kanal, der sie zurück zur 30 18 an der Kante 19, die Bahn 81 der Teilchen ermög-Erhitzungsvorrichtung 60 führt. An der gleichen Seite licht deren Austritt durch die letzte der Hilfsöffnundes Zellenrades und in Umfangsrichtung neben der gen 20. In der Figur ist angedeutet, inwieweit die Öffnung 70 befindet sich eine zusätzliche Öffnung 71. Bahnen nicht parallel zueinander laufen, mit dem Er-Die Trennwand zwischen den beiden öffnungen soll gebnis, daß die Wandungen des Hauptkanals 15 und so nahe wie möglich mit der Grenzlinie zwischen Luft 35 der Kanäle, die mit den HilfsÖffnungen 20 in Verbmund heißem Gas in der Zellenaustrittsebene zusammen- dung stehen, fächerförmig divergieren, fallen. Diese Grenzlinie ist bei 72 gestrichelt darge- Fig. 13 zeigt einen Druckaustauscher mit einem einstellt. Das Spülen der Zellen in dem linken Zellenrad zelnen Zellenrad, bei welchem auf jede Umdrehung bei hohem Druck wird ausgeführt, indem heißes Gas zwei Arbeitsspiele entfallen. Eine Zelle 12 wird der durch die öffnung 71 und die HilfsÖffnungen 73 in 40 Reihe nach einer ersten Niederdruckspülung LPSX, das rechte Zellenrad übertritt. Die Zellen des linken einer ersten Hochdruckspülung HPSl, einer ersten Zellenrades bleiben mit heißem Gas angefüllt. Im Entnahme von Nutzgas El, einer zweiten Niederrechten Zellenrad gehen die entgegengesetzten Arbeits- druckspülung LPS 2, einer zweiten Hochdruckspülung gänge vor sich, indem sich die Zellen zuerst nach den HPS2 sowie einer zweiten Entnahme von Nutzgas HilfsÖffnungen.74, welche direkt mit den Öffnungen 45 £2 unterworfen.: JDie.entsprechenden HilfsÖffnungen 73 neben dem anderen Zellenrad verbunden sind, zu 31, 32, 34 und 35 der beiden Arbeitskreise sind durch öffnen. Hierauf treffen die Zellen auf die Hauptspül- die Kanäle 33 bzw. 36 zu beiden Seiten des Zellenöffnung 75, und heißes Gas strömt in die Zellen. Die rades 11 miteinander verbunden. Verbindungskanäle, Luft strömt durch die öffnung 76 heraus und von hier die das Zellenrad überbrücken, werden also vermieden, zurück zur Erhitzungsvorrichtung 60,· gerade so wie 50 Die Ein- und Auslaßkanäle der Hochdruckspülzone es bei der Luft durch die Öffnung 70 hindurch der können in bekannter Weise über eine Erhitzungsvor-FaIl war. Die Kante der Öffnung 76 fällt so nahe als richtung zu einer geschlossenen Leitung miteinander möglich mit der Grenzlinie in der Zellenaustrittsebene verbunden werden. Wenn aus einer solchen in sich gezwischen dem durch die öffnung 75 eintretenden schlossenen Leitung eine Gasentnahme erfolgt, dann heißen Gas und der bereits in den Zellen befindlichen 55 können die Entnahmekanäle £ 1 und E2 fortgelassen Luft zusammen. Diese Grenzlinie ist bei 77 ge- werden.

strichelt dargestellt. Der Prozeß geht weiter fort, In Wirklichkeit besitzen die Druckaustauscher wenn die Zellen an den HilfsÖffnungen 78 vorbei- Zellen, welche im Vergleich zu den öffnungen keine gehen, durch welche Heißgasteilmengen verschiedener geringe Weite haben. Das bedeutet, daß die Kompres-Drücke abströmen. Diese Mengen werden dann durch 60 sions- und Expansionswellen in den Zellen erzeugt die durch die strichpunktierten Linien angedeuteten werden, noch bevor die Mittellinie irgendeiner Zelle Kanäle 79 aufgenommen und treten dann durch die die Kante, von welcher die Welle ausgeht, schneidet. Öffnungen 69 hindurch in das linke Zellenrad ein. Auf Ebenso werden die Wellen auch noch erzeugt, nachihrem weiteren Wege gehen dann die Zellen des rech- dem die Mittellinie die betreffende Kante bereits pasten Zellenrades an der mit heißem Gas angefüllten 65 siert hat. Das soll die Fig. 14 verdeutlichen. So ist bei Hochdruckspülstufe vorbei. Die HilfsÖffnungen und Zellenrädern mit endlicher Zellengröße das fächerdie Kanäle 79 verbinden die Zellen der beiden Zellen- förmige Ausbreiten der Wellen, wie es oben unter Beräder miteinander; dieses Kennzeichen findet sich zugnahme auf alle anderen Figuren besprochen wurde, nicht bei der Anordnung nach Fig. 10. Eine ähnliche' noch viel ausgeprägter. Die Wellen werden nicht von Anordnung kann für die Hintereinander-Niederdruck- 70 einer einzigen Kante aus erzeugt, sondern von einer

Fläche aus, deren Breite bis zur Breite einer Zelle betragen kann. In der Tat werden zwischen den Linien 82 und 83 unendlich viele Wellen erzeugt. Die Hilfsöffnungen neben den Hauptein- und -austrittsöffnungen müssen daher auch unter Berücksichtigung dieser Erscheinung angeordnet werden. Ebenso müssen die Innendrücke und die Strömungsgeschwindigkeiten dem angemessen sein. Die völlige Umkehrbarkeit des Betriebes kann in der Tat nicht erreicht werden, da die in die Zelle durch den kleinen Spalt zwischen der Zellenwandung und der Öffnungskante eintretende Strömung im wesentlichen nicht umkehrbar ist, wenn die Zelle unvollständig geöffnet ist.

Beim Betrieb der Druckaustauscher an einen Punkt der Kennlinie außerhalb des Auslegungspunktes wird beispielsweise das Druckverhältnis kleiner als im Auslegungspunkt. Dann breiten sich die Wellen weniger fächerförmig aus. Unter diesen Umständen führen die HilfsÖffnungen, welche den Hauptöffnungen am nächsten liegen, das Gas bei dem Druck und der Geschwindigkeit der letzteren, jedoch hat das wenig Bedeutung. Um der verminderten Drehzahl des Zellenrades zu begegnen, wurde vorgeschlagen, eine Anzahl von HilfsÖffnungen zu verwenden, welche die Zahl der jeweilig im Auslegungspunkt vorgesehenen übersteigt. Deshalb ist eine schwenkbare Platte angeordnet, welche die zusätzlichen HilfsÖffnungen im Auslegungspunkt verschließt und sie bei verminderter Drehzahl aber allmählich öffnet. Indessen sind bewegliche Platten nicht gerade wesentlich. Die zusätzlichen HilfsÖffnungen können neben den Spül-, Auslaß- und Überleitungsöffnungen vorgesehen werden. Auf Kosten einer zusätzlichen Komplikation kann es sogar der Mühe wert sein, veränderliche Führungs- bzw. Leitschaufeln an geeigneten Stellen der öffnungen einzubauen, um der Ablenkung der Strömung über die Winkel im Auslegungspunkt hinaus entgegenzuwirken. Dabei kann die eine Stirnplatte relativ zu der anderen drehbar sein, so daß die Hauptöffnungen die richtige relative Lage haben, ohne Rücksicht auf Drehzahl des Zellenrades und Geschwindigkeit der Gasströmung.

Claims (14)

Patentansprüche: 45

1. Dynamischer Druckaustauscher mit Zellenrad, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nebeneinanderliegende und in gleicher Richtung durchströmte Durchtrittsöffnungen (z. B. 18, 20) des Druckaustauschers so bemessen und angeordnet sind, daß sich in den relativ zu diesen Durchtrittsöffnungen an denselben vorbeibewegten Zellen entwickelnde Druckwellensystem mit Bezug auf eine Kante der Durchtrittsöffnungen zentriert ist.

2. Druckaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nebeneinanderliegenden Durchtrittsöffnungen von einer Hilfseintrittsöffnung (21) und einer in Zellenbewegungsrichtung danebenliegenden Haupteintrittsöffnung (23) gebildet werden, durch welche beide das Arbeitsmedium in die Zellen (12) eintritt, wobei die Zentrallinie des Wellensystems im wesentlichen mit derjenigen Kante der Haupteintrittsöffnung zusammenfällt, an welcher die an den Durchtrittsöffnungen vorbeibewegten Zellen zuletzt vorbeipassieren.

3. Druckaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nebeneinanderliegenden Durchtrittsöffnungen von einer Hauptauslaßöffnung (18) und einer in Zellenbewegungsrichtung danebenliegenden Hilfsauslaßöffnung (20) gebildet werden, durch welche beide das Arbeitsmedium aus den Zellen austritt, wobei die Zentrallinie des Wellensystems im wesentlichen mit derjenigen Kante der Hauptaustrittsöffnung zusammenfällt, an welcher die an den Durchtrittsöffnungen vorbeibewegten Zellen zuerst vorbeipassieren.

4. Druckaustauscher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die HilfsÖffnungen (21, 20) in Bewegungsrichtung der Zellen (12) enger sind als die Hauptöffnungen (23, 18).

5. Druckaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils neben einer Hauptöffnung (23, 15) mehrere HilfsÖffnungen (21, 20) vorgesehen sind und daß jeweils der Zustand des eine unmittelbar neben der Hauptöffnung gelegene HilfsÖffnung durchströmenden Arbeitsmediums dem Zustand des diese Hauptöffnung durchströmenden Arbeitsmediums näherkommt als der Zustand des eine von der Hauptöffnung weiterabgelegene HilfsÖffnung durchströmenden Arbeitsmediums.

6. Druckaustauscher nach Anspruch 2 und 3 mit Haupt- und Hiliseintrittsöffnungen sowie Haupt- und Hilf saustrittsöffnungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfseintrittsöffnungen (21) außerhalb des Zellenbereiches mit den Hilfsaustrittsöffnungen (20) verbunden sind (Fig. 4, 5 und 6).

7. Druckaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupteintrittsöffnungen (23) zusammen mit den Hauptaustrittsöffnungen (18) eine Zellenspülzone bilden, wobei die äußere Verbindung (33, 36) der HilfsÖffnungen (31, 32, 34, 35) das Zellensystem (12) überbrückt (Fig. 7 und 8).

8. Druckaustauscher nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch mehrere parallel geschaltete, entgegengesetzt durchströmte Hoch- und Niederdruckspülzonen, deren jeweils einander zugeordnete Haupt- und HilfsÖffnungen jeweils an derselben Stirnseite des Zellenrades liegen (Fig. 13).

9. Druckaustauscher nach Anspruch 2 und 3 mit zwei gegenläufigen Zellenrädern, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem einen dieser beiden Zellenräder (11) zugeordnete Hauptaustrittsöffnung (48) unmittelbar mit einer dem jeweils anderen Zellenrad zugeordneten Haupteintrittsöffnung (45) verbunden ist und daß die betreffenden HilfsÖffnungen (52, 40) ebenfalls unmittelbar miteinander verbunden sind (Fig. 9).

10. Druckaustauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Haupteintritts- und -austrittsöffnungen (45, 48) an entgegengesetzten Enden eines Überleitungskanals (47) befinden und daß die betreffenden Hilfseintritts- und -austrittsöffnungen über Hilfsüberleitungskanäle (41) miteinander verbunden sind (Fig. 9).

11. Druckaustauscher nach Anspruch 2 oder mit zwei gegenläufigen Zellenrädern, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfseintrittsöffnungen (69) einer dem einen Zellenrad zugeordneten Hochdruckspülstufe über Kanäle (79) mit Hilf saustrittsöffnungen (78) einer dem anderen Zellenrad zugeordneten Hochdruckspül stufe verbunden sind (Fig. 11).

12. Druckaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an die HilfsÖffnungen (20) angeschlossenen Kanäle für das Arbeitsmedium

unter verschiedenen Winkeln zur Achs- und. Umfangsrichtung geneigt sind (Fig. 12).

13. Anordnung mit einem Druckaustauscher nach Anspruch 2 sowie einem Verdichter für das Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- und Hilfseintrittsöffnungen an verschiedene Druckstufen des Verdichters angeschlossen sind.

14. Anordnung mit einem Druckaustauscher nach Anspruch 3 und 8 sowie einer Maschine, in welcher das Arbeitsmedium expandiert, z. B. einer Turbine, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- und Hilfsaustrittsöffnungen (61, 62, 66, 67) an

verschiedene Expansionsstufen der Expansionsmaschine angeschlossen sind (Fig. 10).

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 485 386; schweizerische Patentschrift Nr. 220 293; belgische Patentschrift Nr. 512 204; S todola-Festschrift, Zürich und Leipzig S. 499 bis 509.

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1 000 132.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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