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Druckaustauscher Die Erfindung betrifft Druckaustauscher mit einem
relativ zu in Endplatten angeordneten Gaszu- und Gasabführungskanälen beweglichen
Zellenrad.
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Es ist bereits bekannt, bei derartigen Druckaustauschern zur Regelung
oder zur Einstellung der Gasströmung in Anpassung an Schwankungen der Drehzahl des
Zellenrades oder zur Änderung der Drehzahl des Zellenrades in den Gaszuführungskanälen
in der Nähe der Austrittsöffnungen eine einstellbare Beschaufelung anzuordnen.
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Im Gegensatz zu dieser bekannten Anordnung liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, bei derartigen Druckaustauschern innerhalb der Zellen des Zellenrades
einen bestimmten Druckwellenverlauf zu erzielen, der seinerseits einen störungsfreieren
Betrieb des Druckaustauschers im Vergleich zu bisher bekannten Bauarten gewährleistet.
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Bei den bisher bekannten Druckaustauschern der angegebenen Bauart
haben die in den Endplatten des Gehäuses angeordneten Gasdurchtrittsöffnungen die
Form kreisbogenförmiger, zur Zellenradachse konzentrischer Schlitze von konstanter
radialer Abmessung. Die jeweiligen Vorder- und Hinterkanten dieser Durchtrittsöffnungen
verlaufen bei bekannten Anordnungen in genau radialer Richtung. Beim Vorbeilauf
der Zellenstirnseiten der Zellen des Zellenrades an diesen Durchtrittsöffnungen
werden nun bekanntlich Stoßwellen erzeugt, auf deren Wirkung die mit dem Druckaustauscher
erzielbare Verdichtungswirkung beruht. Läuft eine Zelle des Zellenrades in den Bereich
einer solchen Austrittsöffnung ein, so werden an der Radialkante der Austrittsöffnung,
an der die Zelle zuerst vorbeipassiert, Expansionswellen ausgelöst, die sich in
das Zelleninnere hinein fortpflanzen und an der die Zelle am anderen Ende abschließenden
Endplatte des Druckaustauschers reflektiert werden.
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Es kommt nun darauf an, daß die reflektierte Wellenfront einer solchen
Expansionswelle die die Öffnung aufweisende Endplatte genau dann wieder erreicht,
wenn die betreffende Zelle durch die Radial-Endkante der Austrittsöffnung wieder
verschlossen wird. Gelingt es nicht, genau diese Verhältnisse zu schaffen, dann
kann es vorkommen, daß die reflektierte Expansionswelle das an der Austrittsöffnung
liegende Zellenende bereits dann erreicht, wenn die betreffende Zelle durch die
Radial-Endkante der Austrittsöffnung noch nicht wieder verschlossen worden ist.
Dies hätte zur Folge, daß aus der betreffenden Zelle in der Nähe der Radial-Endkante
der Austrittsöffnung Gas mit niedrigerer Geschwindigkeit austritt als der Geschwindigkeit,
mit der das Gas aus der Zelle im Zuge des Vorbeilaufs am übrigen Öffnungsquerschnitt
der Austrittsöffnung abströmt. Das am hinteren Öffnungsende abströmende Gas hätte
also einen niedrigeren Staudruck als das übrige durch die Austrittsöffnung austretende
Gas. Dies wiederum könnte zu einem Abreißen der Grenzschicht in dem mit der Austrittsöffnung
verbundenen Abströmkanal führen, was einem nicht ordnungsgemäßen Druckaustauscherbetrieb
gleichkäme.
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Der hier beschriebene Sachverhalt gilt natürlich auch sinngemäß für
die Strömung an Eintrittsöffnungen.
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Der Zweck der Erfindung ist die Vermeidung der soeben angegebenen
Störungen.
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Demgemäß beinhaltet die Erfindung einen Druckaustauscher mit einem
relativ zu in Endplatten angeordneten Gaszu- und Gasabführungskanälen beweglichen
Zellenrad, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die radiale Breite eines Teils des
Durchtrittsquerschnitts eines oder mehrerer Gasdurchtrittsschlitze in den Endplatten
des Druckaustauschers sich in Umfangsrichtung fortschreitend verändert oder veränderbar
ist.
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Diese fortschreitende Breitenveränderung kann die Form einer in Umfangsrichtung
fortschreitenden Breitenv erminderung haben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann an dem
Ende eines bogenförmigen Auslaßschlitzes von sonst konstanter radialer Breite, an
dem die Zellen des Zellenrades beim Verlassen des Schlitzes vorbeipassieren, ein
sich konisch verjüngendes Schlitzteil angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann
an dem Anfang eines bogenförmigen Auslaßschlitzes von sonst konstanter radialer
Breite, an dem die Zellen des Zellenrades bei dem
Erreichen des
Schlitzes vorbeipassieren, ein sich konisch verjüngendes Schlitzteil angeordnet
sein.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können die hinteren und/oder
vorderen Schlitzbegrenzungen im wesentlichen ganz von: den Kanten sich verjüngender
Schlitzteile gebildet werden.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Schlitzverjüngung
auch symmetrisch zu einer kreisbogenförmigen Mittellinie des Schlitzmündungsquerschnitts
verlaufen. Wieder eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die radiale
Schlitzbreite innerhalb der Schlitzmündungsebene an einer Stelle zwischen der Vorder-
und der Hinterkante des Schlitzes- verringert ist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Schlitzmündungsquerschnitt
durch eine im wesentlichen in der Schlitzmündungsebene verstellbare Revolverblende
veränderbar. Diese Revolverblende kann die Form einer koaxial zur Schlitzkanalachse
gelagerten Scheibe haben, die je nach ihrer Stellung mehr oder weniger weit in-den
Schlitzmündungsquerschnitt hineinragt.
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Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise unter Bezug auf die Zeichnungen
an Hand einiger bevorzugter Ausführungsformen beschrieben. Es stellt dar: Fig. 1
einen Teilschnitt durch das Zellenrad eines Druckaustauschers mit anschließendem
Gasaustrittskanal, Fig. 2 eine Aufsicht auf den gemäß der Erfindung gestalteten
Gasdurchtrittsschlitz der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung, in Richtung des Pfeiles
b der Fig. 1 gesehen, Fig.3 eine Ansicht einer Endplatte eines Druckaustauschers
nach der Erfindung, Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine weitere Ausführungsform
eines Druckaustauschers nach der Erfindung, Fig.5 eine Ansicht der Gasaustrittsöffnung
des Druckaustauschers gemäß der Fig.4, in Richtung der Pfeile b der Fig. 4 gesehen,
Fig.6 einen Teilschnitt einer weiteren. Ausführungsform eines Druckaustauschers
mach der Erfindung und die Fig.7 die Ansicht des Gasaustrittsschlitzes der in der
Fig.6 gezeigten Druckaustauscheranordnung, in Richtung der Pfeile b der Fig. 6 gesehen.
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In den Fig. 1, 4 und 6 der Zeichnungen sind die durch das plötzliche
Öffnen der Zellen an den Gasdurchtrittsschlitzen verursachten -Expansionswellen
in gestrichelten Linien dargestellt.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung,
gemäß der die Gasdurchtrittsöffnung 3 in der Gegend deren Hinterkante konisch verläuft.
Der konische Teil erstreckt sich in der Drehrichtung X des Zellenrades 1 und bildet
die eigentliche Hinterkante. Das Maß der Öffnung in der Umfangsrichtung ist dabei
größer als dies bei bekannter Schlitzausbildung mit radial verlaufenden Schlitz-Endkanten
unter sonst gleicher Bemessung der Fall wäre. Die bei bekannter Schlitzausführung
vorgesehene Schlitzlänge ist durch das Maß Z angedeutet, das sich von der Schlitz-Vorderkante
6 bis zu dem Beginn des konischen Teils 7 des Schlitzes erstreckt. Es kann demnach
durch die erfindungsgemäß konisch zulaufende Öffnung mehr Gas abgezogen werden als
bei der bisher bekannten ,Ausbildung der Schlitz-Endkanten. Die Konizität der-Öffnung
ermöglicht es, die durch den Schlitz geöffnete Stirnfläche der Zelle allmählich
zu verringern, wenn die Zelle an der konisch zulaufenden Hinterkante 7 vorbeiläuft.
Die radiale Abmessung der Öffnung bestimmt den Druck auf der stromaufwärts gelegenen
Seite der Gasdurchtrittsöffnung und damit die Strömungsgeschwindigkeit durch die
Öffnung hindurch. Die Einschnürung des Schlitzes an irgendeiner Stelle in der Umfangsrichtung
kann so gewählt werden, daß an jeder Stelle der Gasdurchtrittsöffnung die jeweils
gewünschte Gasströmungsgeschwindigkeit erzielt wird. Die Form des konischen Teils
der Gasdurchtrittsöffnun:g wird also so gewählt, daß die Strömungsgeschwindigkeit
über die ganze Öffnung hinweg praktisch gleichförmig ist und nicht in der unmittelbaren
Nachbarschaft der Hinterkante 7 der Durchtrittsöffnung vermindert wird. Das eingangs
erwähnte Abreißen der Grenzschichtströmung ist daher weniger wahrscheinlich. Wahlweise
kann das Profil des konischen Teils aber auch so gewählt werden, daß die Gasströmungsgeschwindigkeit
in der unmittelbaren Nachbarschaft der Hinterkante der Durchtrittsöffnung zunimmt,
womit eine Grenzschichtbeschleunigung erzielt wird, welche die Strömung im Abströmkanal
stabilisiert. Der nichtkonische Teil der Durchtrittsöffnung hat die Gestalt eines
kreisbogenförmigen. Schlitzes vonpraktisch konstanter radialer Abmessung, und es
wird besonders bemerkt, daß der konische Teil der Durchtrittsöffnung nicht umbedingt
symmetrisch zu sein braucht.
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Die Fig.3 der Zeichnungen zeigt die Ansicht einer Endplatte 2 eines
Druckaustauschers nach der Erfindung. Bei dieser Endplatte verläuft bei der Auslaßöffnung
3 die Hinterkante 7 sich in der Drehrichtung des Zellenrades konisch verjüngend,
während bei der Einlaßöffnung 3' die Vorderkante 6' sich entgegengesetzt der Drehrichtung
des Zellenrades konisch verjüngend verläuft. Die Vorderkante 6 der Auslaßöffnung
3 und die Hinterkante 5' der Einlaßöffnung 3' verlaufen beide in an sich bekannter
Weise in radialer Richtung.
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Die Fig.4 und 5 der Zeichnungen zeigen an einer Spülstufe eines Druckaustauschers
eine weitere Form einer Auslaßöffnung 3 nach der Erfindung, bei der die radiale
Abmessung der Durchtrittsöffnung erst allmählich abnimmt und dann wieder zunimmt,
wodurch an einer mittleren Stelle der Öffnung eine Einschnürung 8 gebildet wird.
Durch diese Form der Durchtritts,öffnung 3 kann die Gas-Auslaßgeschwindigkeit an
allen Stellen der Öffnung gleichförmig gehalten werden. Ohne diese Einschnürung
würde sich, insbesondere im Falle einer Öffnung, die eine große Strecke in der Umfangsrichtung
einnimmt, ein Bereich verminderter Auslaßgeschwindigkeit in der Mitte der Öffnung
ergeben, da die Öffnungs-Expansionswellen dorthin reflektiert werden.
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Um sich verschiedenen Betriebsbedingungen, insbesondere verschiedenen
Druckverhältnissen, anpassen zu können, kann gemäß dem Merkmal einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung die Form der Durchtrittsöffnung veränderbar sein.
Eine derartige Anordnung zeigen die Fig. 6 und 7 der Zeichnungen. Die dort dargestellte
Endplatte 2 weist eine Durchtrittsöffnung 3 auf, bei der ein Tei19 der konischen
Öffnungsform von einer Revolverblende 10 gebildet wird, die in einer Aussparung
16 der Endplatte 2 auf einer Welle 12 befestigt ist, die mit einem Ende in der Endplatte
2 gelagert ist und von einer ebenfalls an der Endplatte2 befestigten. und die Aussparung16
abschließenden Deckplatte 15 gehalten wird. Die Revolverblende 10 hat die Form einer
Kreisscheibe und ist auf der Welle 12 außermittig angebracht, die mittels
eines
Handgriffes oder einer Kurbel 13 gedreht werden kann. Durch das Drehen der
Welle 12 und damit der Revolverblende 10 können verschiedene Stellungen eingestellt
werden, in denen die Durchtrittsöffnung 3, welche die Gestalt eines kreisbogenförmigen
Schlitzes von gleichmäßiger radialer Abmessung hat, in verschiedenem Maße abgedeckt
wird. In einer durch die Bezugsziffer 11 (Fig. 7) angedeuteten Grenzstellung läßt
die Revolverblende 10 die Öffnung 3 völlig frei. Auf diese Weise kann die Konizität
an der Hinterkante der Durchtrittsöffnung 3 geändert werden. Die Revolverblende
10 kann sowohl vor Inbetriebnahme des Druckaustauschers als auch während des Betriebes
desselben eingestellt werden. Die AbmessungZ in der Umfangsrichtung zwischen der
Vorderkante 6 und dem Beginn; des konischen Teiles der Durchtrittsöffnung ist die
gleiche wie bei der in der Fig. 1 der Zeichnungen dargestellten Ausführungsform
der Erfindung. Die Bezugsziffer 17 bezeichnet einen an die Gasdurchtrittsöffn.ung
3 angeschlossenen Gasauslaßkanal.
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Wenn die Revolverblende 10 in der in der Fig. 6 dargestellten Stellung
in die Gasdurchtrittsöffnung 3 hineinragt, dann kann, in dem Kanal 17 unter
Umständen ein Abreißen der Grenzschichtströmung eintreten. Um dies zu verhindern,
kann an der Kante 9 von der Revolverblende 10 ausgehend stromabwärts, eine biegsame
Diffusorwandung in solcher Weise angeordnet sein, daß sie zusammen mit der Revolverblende
10 bewegt wird. Diese Diffusorwandung kann aus miteinander verbundenen Metallstreifen
hergestellt sein.
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Anstatt hinsichtlich ihrer konischen Formen veränderbare Durchtrittsöffnungen
vorzusehen, können die Druckaustauscher auch mit mehreren austauschbaren Endplatten
versehen sein, die jeweils eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen von erfindungsgemäßer
Form aufweisen. Außer den in den Fig. 2 oder 5 dargestellten Schlitzformen können
auch andere Schlitzformen Anwendung finden, die eine nicht gleichmäßige radiale
Abmessung haben.
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Bei den in den Fig. 2, 3, 6 und 7 dargestellten Ausführungsformen
der Erfindung ist die Hinterkante der Auslaßöffnung konisch ausgebildet, jedoch
kann die Auslaßöffnung 3 auch an der Vorderkante eine solche Konizität aufweisen,
wobei sich die Konizität in einer Richtung entgegengesetzt der Drehrichtung X verjüngt.
Hierdurch ergeben sich hohe Strömungsgeschwindigkeiten an der Vorderkante, wodurch
Grenzschichteffekten, die sonst auftreten könnten, entgegengewirkt wird. Der zwischen
den beiden konisch zulaufenden Endbereichen liegende Teil der Durchtrittsöffnung
ist dann von praktisch gleichmäßiger radialer Abmessung.
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Obwohl vor allem konisch zulaufende Auslaßöffnungen dargestellt und
beschrieben sind, erstreckt sich die Erfindung selbstverständlich auch auf Einlaßöffnungen.
Zweckmäßig ist dabei, wie in der Fig.3 dargestellt, die Kon.izität an der Vorderkante
der Einlaßöffnung und verjüngt sich in einer Richtung entgegengesetzt zur Drehrichtung
des Zellenrades.
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Da die Abmessungen der Zellen in der Umfangsrichtung begrenzt sind,
ergibt sich ein allmähliches Schließen und Öffnen der Zellen. Bei bestimmten Zellenbreiten
kann jedoch unter Umständen auf das allmähliche Schließen und Öffnen auf Grund der
besonderen Öffnungsformen nach der Erfindung verzichtet werden. Bei hohen Drücken
wird aber die Anwendung der Erfindung stets von Vorteil sein.
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Obwohl die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, der Erfindung
ein drehbares Zellenrad und feststehende Endplatten aufweisen, können auch die Endplatten
drehbar sein, während dann das Zellenrad ein feststehendes Bauelement ist.