DE1428203A1 - Druckaustauscher - Google Patents

Description

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Power Jets (Research and Development) Limited, 25> Green Street,

London W.1, üdagland

Druckaustauscher

Die Erfindung betrifft Druckaustauscher.

Unter der Bezeichnung "Druckaustauscher" sind im Zuge der nachstehenden Darlegungen Einrichtungen zu verstehen, weiche Zellen aufweisen, in welchen jeweils eine bestimmte Menge eines Gases expandiert, wodurch jeweils eine andere, mit diesem Strömungsmittel in Berührung stehende Gasmenge komprimiert wird, welche außerdem Kanäle aufweisen, durch welche die unter verschiedenen Drücken stehenden Gase stetig den Zellen zu- und von diesen abgeführt werden und welche

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außerdem Einrichtungen aufweisen, mittels welcher zwischen den Zellen und den Kanälen eine Relativbewegung erzeugt wird. Normalerweise sind die Zellen als Rotor in Form eines Zellenrades angeordnet.

Bei "bekannten Druckaustauschern haben die Zellen des Zellenrades ein unveränderliches Volumen. Hauptsächlich dieses unveränderliche Zellenvolumen begrenzt das in einer Arbeitsstufe erreichbare Druckverhältnis, wenn nicht verwickelte Kreisprozesse oder mehrstufige anlagen verwendet werden sollen.

Bei bekannten Druckaustauscher, mit unveränderlichem Zellenvolumen ist es auch schwierig, unmittelbar an der Rotorwelle eine Antriebsleistung abzugeben, wenn man nicht in den Kreisprozeß des Strömungsmittels an einer geeigneten Stelle eine Turbine einbaut. Dieselbe kann entweder als ein besonderes Aggregat vorgesehen sein oder sie kann auch mit dem Druckaustauscherzelxenrad eine einheitliche Baueinheit bilden.

Wenn andererseits dem Druckaustauscher über die Rotorwelle eine Antriebsleistung zugeführt werden soll, kann man innerhalb eines Druckaustauschers mit Zellen unveränderlichen Volumens das an der Rotorwelle zur Verfügung stehende Drehmoment nur dann in innere Energie des Strömungsmittels umwandeln, wenn man in den Kreisprozeß an einer geeigneten Stelle einen Verdichter einschaltet. Derselbe kann als besondere

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Baueinheit ausgeführt sein oder auch mit dem Druckaustauscher-Zellenrad ein gemeinsames Bauteil bilden.

Die Erfindung geht von einem Druckaustauscher mit einem, radiale, von einem zylindrischen Zellenradmantel umschlossene Zellenwände aufweisenden Zellenrad, das mit Bndplatten zusammenwirkt, in welchen öffnungen für den Durchtritt eines Strömungsmittels vorgesehen sind, aus und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Zellen während des Umlaufs des Zellenrades in Abhängigkeit von dem jeweiligen Drehwinkel des Zellenrades veränderlich ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nimmt das Zellenvolumen mit seinem Kleinstwert praktisch auf einen Nullwert ab.

Weiterhin schlägt die Erfindung nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eine exzentrische Anordnung der Zellenradachse in bezug auf den zylindrischen Zellenradmantel vor, wobei die Zellenwände in radialer Richtung mit Bezug auf die Zellenradnabe verschiebbar sind.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden bexspxelsweisen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den zugehörigen Zeichnungen. Es stellen dar:

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Figur 1 eine perspektivische Ansicht der Teile

eines bekannten Druckaustauscher in auseinandergezogenem Zustand,

Figur 2 eine Abwicklung eines "bekannten Druckaustauschers,

Figur 3 einen schematischen Schnitt durch das

Zellenrad eines Druckaustauscher nach der Erfindung mit Zellen veränderlichen Volumens,

Figur 4 eine Abwicklung eines Druckaustauschers

nach Figur 3, wobei Jeweils die Änderung der radialen Zellenabmessungen als Längenänderung der Zellenwände in axialer Richtung dargestellt ist,

die Figuren

5, 6 und 7 Abwicklungen weiterer Ausführungsformen

eines Druckaustausehers nach Figur 3_}

Figur 8 einen Schnitt durch das Zellenrad eines

Druckaustauschers nach der Erfindung, bei welchem eine Abdichtung der einzelnen Zellen auf hydrodynamischem Wege erfolgt,

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Figur 8A einen Teilausschnitt aus Figur 8 in

vergrößertem Maßstab,

Figur 9 einen Schnitt durch einen Druckaustauscher-

rotor nach der Erfindung, "bei welchem die Zellenwände in radialer Richtung verschiebbar sind,

Figur 10 eine Abwicklung einer weiteren Ausführungsform eines Druckaustauschers nach der Erfindung ,

Figur 11 einen schematischen Schnitt durch das Zellenrad eines Druckaustauschers nach Figur 10 und

Figur 12 eine Abwicklung einer weiteren Ausführungsform eines Druckaustauschers nach der Erfindung .

Die Figuren 1 und 2 zeigen einen an sich bekannten Druckaustauscher, dessen Zellenrad zahlreiche radiale Zellenwände aufweist, welche in eine Rotornabe 2 eingelassen sind. Den Abschluß in radialer Richtung bildet ein mitumlaufender, zylindrischer Zellenradmantel 3· Die Zellen, welche durch die

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Wände 1, die Rotornabe 2 und den Zellenradmantel 5 "begrenzt sind, sind an ihren Jeweiligen finden in axialer Bichtung offen. Diese offenen Enden werden durch feststehende Endplatten 4 abgedeckt, in welchen Durchtrittsöffnungen 5, 6, und 8 vorgesehen sind, über welche ein oder mehrere Strömungsmittel in die Zellen ein- bzw. aus diesen austreten können. Im einzelnen sind beispielsweise eine Hochdruckeinlaßöffnung 5» eine Niederdruckeinlaßöffnung 6, eine Hochdruckauslaßoffnung und eine Niederdruckauslaßöffnung 8 vorgesehen. Die Durchtritt soff nungen gehen in entsprechende Leitungen 9₉ 1C, 11 und 12 über. Bei der praktischen Ausführung eir.es Druckaustauschers haben die Austauschöffnungen und die Zuleitungen in Umfangsrichtung des Zellenrades größere Abmessungen»als es in Figur 1 dargestellt ist. Durch Bohrungen 13, 14 und 15 einer Rotornabe bzw. der Endplatten 4 ragt eine nicht dargestellte Welle hindurch.

Beim Betrieb des Bruckaustauschers bewegen sich die Zellen 1 des Zellenrades fortlaufend an den Durchtrittsoffnungen und den geschlossenen Teilen der Endplatten vorbei. Infolgedessen kann man bei Beschreibung eines Arbeitsspieles mit einer beliebigen Bewegungsphase einer Druckaustauscherζeile beginnen.

Ein Arbeitsspiel des Druckaustauschers soll von der

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Stellung X nach Figur 2 seinen Ausgang nehmen. Das in der betreffenden Zelle enthaltene heiße Strömungsmittel ist an der Stelle X im wesentlichen stationär in bezug auf die Zellenwandungen, und beide axiale Endflächen der betreffenden Zelle sind durch die Endplatten 4 abgedeckt. Die Einbringung des heißen Strömungsmittels in die Zelle wird weiter unten noch beschrieben. Wenn sich die Zelle nunmehr weiterbewegt, öffnet sich das in bezug auf die Zeichnung linke Ende derselben zu der Auslaßöffnung 8 der Niederdruckspülstufe, an welche die Auslaßleitung 12 angeschlossen ist. Der in der Auslaßleitung 12 herrschende Strömungsmitteldruck ist geringer als der in der betreffenden Zelle herrschende Strömungsmitteldruck. Infolgedessen wird, wenn das in der betreffenden Zelle enthaltene Strömungsmittel durch die Austrittsöffnung 8 abströmt, an der Kante der Auslaßöffnung eine Folge von Expansionswellen 16 von kleiner Amplitude ausgelöst. Hierdurch ergibt sich am rechten Ende der betreffenden Zelle ein Niederdruckbereich. Bei der weiteren Drehung des Zellenrades wird dieses rechte Ende zu der Einlaßöffnung 6 der Niederdruckspülstufe hin geöffnet. Da der in der betreffenden Zelle nunmehr herrschende Druck kleiner als der Strömungsmitteldruck in der Einlaßleitung 10 ist, wird Strömungsmittel in die betreffende Zelle einströmen, wodurch der Zelleninhalt über die Auslaßöffnung 8 vollends ausgestoßen wird. Sobald das linke Zellenende jeweils von der Endplatte abgedeckt wird, breitet sich in der

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betreffenden Zelle eine Reihe von Kompressionswellen 17 aus.

Bei der weiteren Drehung des Zellenrades wird die Zelle nunmehr wieder vollständig von den beiden Endplatten 4-abgedeckt, bis das linke Zellenende bei Erreichen der Einlaßöffnung 5 der Hochdruckspülstufe geöffnet wird. Das in der Einlaßleitung 9 befindliche Strömungsmittel hat einen höheren Druck als das in den Zellen befindliche Strömungsmittel, so daß in der betreffenden Zelle eine Folge von Kompressionswellen 18 ausgelöst wird, wodurch das in der betreffenden Zelle befindliche Strömungsmittel komprimiert wird. Wenn nunmehr bei der weiteren Drehung des Zellenrades die Zelle auch zu der Auslaßöffnung 7 der Hochdruckspülstufe hin geöffnet wird, wird das in der betreffenden Zelle enthaltene Strömungsmittel in die Auslaßleitung 11 ausgestoßen. Sobald das linke Zellenende durch die betreffende Endplatte abgedeckt wird, breitet sich eine Folge von Expansionswellen 19 durch die betreffende Zelle aus. Bei der weiteren Drehung des Zellenrades erreicht die betreffende Zelle wieder die Stellung X, worauf sich das oben beschriebene Arbeitsspiel wiederholt.

Der in Figur 3 dargestellte Schnitt durch ein Zellenrad nach der Erfindung läßt erkennen, wie sich das Volumen der Zellen eines Zellenrades im Sinne der vorliegenden Erfindung bei Drehung desselben ändert. Das Zellenrad weist zahlreiche radiale Wände 20 auf, die in eine Zellenradnabe 21 eingelassen

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sind. Die Drehachse 22 des Zellenrades ist exzentrisch zu der Symmetrieachse 24 eines feststehenden Zellenradmantels 23 angeordnet, welcher das Zellenrad umgibt. Aus der Zeichnung ergibt sich unmittelbar, daß bei Drehung des Zellenrades im Uhrzeigersinn das Zellenvolumen ausgehend von einem Größtwert 25 sich -fortschreitend vermindert, bis das Zellenvolumen einen Kleinstwert 2b erreicht. Bei weiterer Drehung vergrößert sich das Zellenvolumen wieder, bis es wiederum seinen Größtwert 25 erreicht.

Es gibt zahlreiche technische Möglichkeiten, die jeweilige Änderung des Zellenvolumens praktisch auszuführen. Einige bevorzugte Ausführungsformen sollen noch im einzelnen beschrieben werden.

Bei der in Figur 4- dargestellten Abwicklung eines Zellen-.rades nach Figur 3. sind die Änderungen der radialen Abmessungen der Zellen zum Zwecke einer einfacheren Darstellung als Änderungen der axialen Länge der Zellen eingetragen. Der Druckaustauscher weist Zellen 2'/ mit veränderlichem Volumen auf, welche zwischen Endpiatten 28 und 29 eingeschlossen sind. In den Endplatten sind Durchtrittsöffnungen 30» 31» 32 und für den eintritt des Sbrömungsmittels in die Zellen bzw. 'den Austritt desselben aus denselben vorgesehen. Eine zufuhr des Hochdruckströinungsmitbels erfolgt über die Eintritfcsöffnung 30,

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eine Zufuhr des Niederdruckströmungsmittels über die Eintritt soff nung 31. Andererseits verläßt das Hochdruckströmungsmittel die Zellen über die Austrittsöffnung 32 und das Niederdruckströmungsmittel verläßt die Zellen über die Austrittsöffnung 33. An diese Durchtrittsöffnungen sind jeweils Zuführungsleitungen 34-j 35_} 36 und 37 angeschlossen. Die Arbeitsweise dieses Druckaustauschers entspricht im wesentlichen derjenigen eines bekannten Druckaustauschers nach den Figuren 1 und 2. Im Gegensatz zu einem bekannten Druckaustauscher wird jedoch das Strömungsmittel in den Zellen nach Durchlaufen der Stellung 25 durch Verkleinerung des Zellenvolumens fortgesetzt komprimiert, bis die jeweilige Zelle die Stellung 26 erreicht hat, wonach im Zuge der Drehung des Zellenrades das in die Zellen eingelassene Strömungsmittel infolge der Vergrößerung des Zellenvolumens expandiert wird. Man kann infolgedessen bei Verwendung von Zellen mit veränderlichem Volumen in der Hochdruckspülstufe ein höheres liompressionsverhältnis des Strömungsmittels gegenüber einem an sich bekannten Druckaustauscher mit konstantem Zellenvolumen erreichen. Dieses Arbeitsspiel ist infolgedessen insbesondere für einen Ladebetrieb geeignet. Bei dieser Ausführungsform eines Druckaustauschers kann auch eine Nutzleistung an der rotorwelle abgegeben werden, wenn dies auch nicht der hauptsächliche Zweck dieser -ausführungsform ist, denn infolge der in der Hochdruckspulstufe unvermeidlichen Verluste britt bei dieser ^usführungsforc: eines Druckaustauschers in dem üxpansions-

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bereich des Zellenrades ein höherer Druck auf als in dem entsprechenden Kompressionsbereich, so daß dem Strömungsmittel während des Durchströmens des Druckaustauscher eine .arbeit sie istung entnommen werden kann. Durch diese abgegebene Arbeitsleistung kann beispielsweise die Antriebsleistung der Rotorwelle für die Drehung des Zellenrades vermindert werden, bzw. es ist sogar mögxich, ohne einen besonderen Antrieb der jfciotorwelle auszukommen.

Figur 5 zeigt ebenfalls eine Abwicklung exner weiteren Ausführungsform eines Druckaustauschers nach der Erfindung, dessen Arbeitsspiel ebenfalls zur Abgabe einer Leistung an der Rotorwelle geeignet ist. Die Druckaustauscherzellen 38 sind zwischen Endplatten 39 und 40 eingeschlossen, in welch letzteren Durchtrittsöffnungen 41, 42, 43 und 44 für den Austausch des Strömungsmittels vorgesehen sind. Das Hochdruckst römungsmittel strömt über die Durchtrittsöffnung 41 in die Zellen, das Niederdruckströmungsmittel über die Durchtrittsöffnung 42. Das Hochdruckströmungsmittel wird andererseits über die Durchtrittsöffnung 43, das Niederdruckströmungsmittel über die Durchtrittsöffnung 44 abgenommen. Der in Figur 5 dargestellte Druckaustauscher unterscheidet sich von dem in Figur 4 dargestellten Druckaustauscher lediglich in der gegenseitigen Anordnung und relativen Größe der Durchtrittsöffnungen für den Hochdruckeinlaß und den Hochdruckauslaß.

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Bei einem Druckaustauscher nach Figur 5 kann man nach Durchlaufen der Hochdruckspülstufe für ein gegebenes Kompressionsverhältnis und gegebene Machzahlen in den Durchtrittsöffnungen der Hochdruckspülstufe einen vergleichsweise höheren Enddruck in den Zellen erzielen, als es bei einem Druckaustauscher nach Figur 4 möglich ist. Ein Druckaustauscher nach Figur 5 kann infolgedessen eine höhere Arbeitsleistung an der Rotorwelle abgeben.

Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Druckaustauschers nach der Erfindung, dessen Zellen ein veränderliches Volumen haben. Die Druckaustauscherzellen 4-5 sind zwischen Endplatten 46 und 4-7 angeordnet, welche ebenfalls Durchtrittsöffnungen 4-8, 4-9 und 50 für den Austausch eines Strömungsmittels mit den Zellen aufweisen. Das Hochdruckströmungsmittel wird den Zellen über eine Hochdruckeinlaß-, öffnung 48 zugeführt, das Niederdrückströmungsmittel über eine ITiederdruckeinlaßöffnung 4-9. Strömungsmittel mit einem mittleren Druck, welcher zwischen den genannten Drücken des Hochdruck- bzw. Niederdruckströmungsmittels liegt, wird über eine Mitteldruckauslaßöffnung 50 abgeführt. Die Durchtrittsöffnungen sind jeweils mit zugehörigen Leitungen 51» 52 und 53 verbunden.

Beim Betrieb des Druckaustauschers laufen die Zellen fortgesetzt an den Durchtrittsöffnungen und an den festen

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Teilen der Endplatten vorbei. Infolgedessen kann die Beschreibung eines Arbeitsspieles von einer beliebigen Stelle ihren Ausgang nehmen. An der Stelle Y ist das Strömungsmittel in den Zellen eingeschlossen, da beide Zellenenden von den Endplatten 46 und 47 abgedeckt sind. Die Einleitung des Strömungsmittels wird im folgenden noch beschrieben.

Bei der weiteren Drehung des Zellenrades wird das Strömungsmittel in der betreffenden Zelle fortgesetzt komprimiert, da das Zellenvolumen kleiner wird. Sodann öffnet sich das linke Zellenende an der Hochdruckeinlaßöffnung 48. Da der in der betreffenden Zelle herrschende Strömungsmitteldruck kleiner als der in der Einlaßleitung 51 herrschende Druck ist, strömt über die Einlaßöffnung 48 Strömungsmittel in die Zelle ein. Dadurch wird in der betreffenden Zelle eine 3?olge von Kompressionswellen 54 ausgelöst, welche den Zelleninhalt weiter komprimiert. Diese Kompressionswellen laufen nach Reflexion von der Endplatte als Kompressionswellenzug 55 wieder durch die betreffende Zelle zurück, wodurch der Zelleninhalt weiter komprimiert wird. Bei weiterer Drehung des Zellenrades wird die betreffende Zelle durch die Endplatte 46 wieder abgeschlossen. Danach expandiert das Strömungsmittel im Zuge der fortschreitenden Vergrößerung des Zellenvolumens fortgesetzt, bis das rechte Zellenende sich zu der Mitteldruck-Auslaßöffnung 50 hin öffnet. Da der in der betreffenden Zelle herrschende Strömungsmitteldruck größer als der in der Mitteldruckleitung 5$

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herrschende Druck ist, wird Strömungsmittel in die Leitung 53 abgegeben. Dabei "breitet sich eine Folge von Expansionswellen 56 durch die Zellen hindurch aus. Bei der weiteren Drehung des Zellenrades werden die Zellen wieder abgeschlossen und das Strömungsmittel expandiert in den Zellen im Maße der Volumenvergrößerung dieser Zellen weiter, bis sich das linke Zellenende jeweils zu der Uiederdruckeintrittsöffnung 4-9 hin öffnet. Durch dieselbe strömt Strömungsmittel in die Zellen ein, da der in den Zellen herrschende Druck kleiner ist,als der in der Einlaßleitung 52 herrschende Druck ist. Gleichzeitig wird innerhalb der Zellen eine Folge von Kompressionswellen 57 ausgelöst. Bei der weiteren Drehung des Zellenrades werden die Zellen abgeschlossen und erreichen schließlich wieder die Ausgangsstellung Y. Das zuvor beschriebene Arbeitsspiel wiederholt sich dann von neuem.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Anordnung der Mitteldruck-Durchtrittsöffnung sehr wichtig, da bei einer Verschiebung derselben in Richtung auf die Hochdruck-Durchtrittsöffnung hin die an der Rotorwelle verfügbare Antriebsleistung vermindert wird, während gleichzeitig bei gleichen Druckbedingungen an der Hochdruck- und Niederdruek-Durchtrittsöffnung der an der Mitteldruck-Durchtrittsöffnung herrschende Abgabedruck vergrößert wird. Bei Verschiebung der Mitteldruck-Durchtrittsöffnung in entgegengesetzter Richtung

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treten die umgekehrten Wirkungen auf.

Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Druckaustauschers nach der Erfindung mit Zellen, deren Volumen sich ändert. Die Druckaustauscherzellen 58 mit veränderlichem Volumen sind zwischen Endplatten 59 und 60 eingeschlossen, in welchen Durchtrittsöffnungen 61, 62 und bj> vorgesehen sind. Bei dieser Ausführungsform eines Druckaustauschers erreicht ein Strömungsmittel mit mittlerem Druck die Zellen über die Einlaßöffnung 61, während Strömungsmittel mit hohem Druck die Zellen über die Austrittsöffnung 62 und solches mit niederem Druck die Zellen über die Austrittsöffnung 63 verläßt. Die arbeitsweise dieses Druckaustauscher ist im wesentlichen die gleiche wie diejenige einer Ausführungsform nach Figur 6, wobei jeweils die Strömungsrichtungen innerhalb der Zuführungsleitungen umgekehrt sind. Die Anordnung der Mitteldruck-Durchtrittsöffnung in bezug auf die Hochdruck- und lliederdruck-Durchtrittsöffnungen ist insoweit von Bedeutung, als eine Verschiebung der Mitteldruck-Durchtrittsöffnung in Richtung auf die Hochdruck-Auslaßöffnung hin eine Vergrößerung der Arbeitsleistung der Rotorwelle mit sich bringt. Gleichzeitig wird der Strömungsmitteldruck im Bereich der Hitteldruck-Durchtrittsöffnung vergrößert. Bei einer Verschiebung der Mitteldruck-Durchtrittsöffnung in Richtung auf die Hiederdruck-Durchtrittsöffnung hin treten die umgekehrten Wirkungen ein.

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Figur 8 zeigt eine Ausführungsform eines Druckaustauschers, "bei welchem auf hydrodynamischem Wege ein dichter Zellenabschluß hergestellt ist. Das Zellenrad weist zahlreiche radiale, nicht ummantelte Wände 64- auf, welche in eine Nabe 65 eingelassen sind. Das Zellenrad rotiert um eine Drehachse 66. Ein um eine Drehachse 68 drehbarer Zylindermantel 67 umgibt das Zellenrad. An den jeweiligen axialen Enden des Zylindermantels 67 sind zwei kreisförmige Platten 69 angesetzt. Weiterhin hält der Zylindermantel 67 zahlreiche radiale Wände 70, welche sich über die gesamte axiale Länge . . des Zylindermantels erstrecken. Die radiale Ausdehnung der Wände 70 entspricht der radialen Ausdehnung der kreisringförmigen Platten 69. Jede in die Nabe 65 eingesetzte Zellenwandung 64 ragt in den Raum zwischen je zwei Wandungen 70 hinein. Das Zellenrad des Druckaustauschers ist innerhalb eines äußeren Gehäuses 72 angeordnet, welches ferner mit nicht dargestellten Endplatten abgeschlossen ist. In den Endplatten sind in an sich bekannter Weise Durchtrittsöffnungen zur Zuführung und Ableitung eines oder mehrerer Strömungsmittel vorgesehen.

Beim Betrieb des Zellenrades wird eine inkompressible Flüssigkeit, beispielsweise Wasser unter Zusatz eines Korrosionsschutzmittelsiin den Raum zwischen dem Zylindermantel 67» den radialen Wänden 70 und den kreisringförmigen Platten 69 eingefüllt. Unter der Wirkung der Zentrifugalkraft verbleibt

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das Wasser im Bereich des Zylindermantels 67· Die Enden der Zellenwände 64 tauchen in das Wasser ein. Infolge der Exzentrizität der Drehachsen der Zellenradnabe 66 und des Zylindermantels 67 ändert sich das Zellenvolumen heim Umlauf des Zellenrades. Die Rotationsgeschwindigkeit des Zellenrades muß mit der Rotationsgeschwindigkeit des Zylindermantels vollständig oder doch nahezu übereinstimmen.

Der Zylindermantel 6? wird beispielsweise durch einen üilektromotor über ein nicht dargestelltes Getriebe angetrieben. Es können jedoch auch die Zellenwände 64 mittelbar auf die radialen Wände 70 einwirken und dadurch den Zylindermantel antreiben. In diesem Fall bilden der Zylindermantel und der xiotor sozusagen ein Getriebe mit Innenverzahnung und Ritzelantrieb, wobei die inkompressible flüssigkeit als schmiermittel dient·

Die radialen Wände 7° verhindern eine strömung des Wassers in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Zellen, in denen ein verschiedener Druck herrscht· Die Wasseroberfläche wird vielmehr durch die verschiedenen Drücke in benachbarten Zellen in der in Figur 8A dargestellten Weise beeinflußt. Die Oberfläche des zwischen den Enden der Zellenwände 64 und der radialen Wände 70 eingeschlossenen Wassers ist in gestrichelten Linien angedeutet, so daß man die Niveauunterschiede der Wasserfläche in benachbarten Zellen des Druckaustauschers erkennen kann.

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Wenn man einen ständigen Wasserzufluß vorsieht, wird jeweils ein Teil der Flüssigkeit an den Endplatten austreten und dadurch gleichzeitig als Kühlmittel dienen. Man kann fernerhin eine Kühlung auch durch Verdampfen von Wasser erzielen.

Eine weitere Ausführungsform eines Druckaustauscher nach der Erfindung zeigt Figur 9 der Zeichnungen. Dieser Druckaustauscher umfaßt ein Zellenrad, in dessen Nabe 74- zahlreiche Hadialwände 73 angeordnet sind, welche sich gegen einen drehbaren Zylindermantel 75 abstützen. Die Zellen, welche von den Radialwänden 73 > der Nabe 7^ und dem Zylindermanbel 75 begrenzt sind, werden an den jeweils offenen Endflächen von nicht dargestellten Endplatten abgedeckt, über welche auch die Zufuhr und Abfuhr des Strömungsmittels erfolgt. Die Zellenwände 73 sind in Schlitzen 76 der Habe 74- in radialer Richtung verschiebbar und werden jeweils durch Federn gegen den Zylindermantel gedrückt. Das Zellenrad rotiert um eine Drehachse 78, die Zylinderwandung 75 um eine Drehachse 79» wobei die Drehzahlen von Zellenrad und Zylindermantel im wesentlichen gleich groß sind. Der Zylindermantel 75 is* auf vier Walzen 81 gelagert, welche ihrerseits in Gegenlagern des festen Gehäuses 80 aufgenommen sind. Die Walzen können jedoch auch in einem bewegliehen Käfig gelagert sein, so daß der Zylindermantel auf einem Wälzlager läuft, wobei das feste Gehäuse 80 die äußere Lauffläche und die Zylinderwandung 50 die innere Lauffläche darstellen.

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Wie man aus der Figur erkennt,ändert sich beim Betrieb des Druckaustauschers das geweilige Zellenvolumen infolge der Exzentrizität der Drehachse des Zellenrades in bezug auf die Drehachse des Zylindermantels.

Die Figuren 10 und 11 verdeutlichen Einzelheiten eines Druckaustauschers nach der Erfindung, welcher zur Abgabe einer hohen Antriebsleistung an der Rotorwelle bestimmt ist. Der Kleinstwert des Zellenvolumens nimmt dabei praktisch auf einen Nullwert ab. Der Druckaustauscher umfaßt ein Zellenrad, in dessen Rotornabe 83 zahlreiche radiale Zellenwände 82 eingefügt sind. Das Zellenrad rotiert um eine Drehachse 84. Ein feststehender Zylindermantel 85ι dessen Mittelachse bei 86 angegeben ist, umgibt den Rotor. Die offenen Enden der Zellen, welche durch die Zellenwände 82, die Rotornabe 83 und den Zylindermantel 85 begrenzt sind, sind durch Endplatten 88 und 89 abgedeckt, in welchen Durchtrittsöffnungen 90, 91> 92 und vorgesehen sind. Die Durchtrittsöffnung 90 dient als Hochdruckeinlaß, die Durchtrittsöffnung 91 als Niederdruckeinlaß, die Durchtrittsöffnung 92 als Hochdruckauslaß und die Durchtrittsöffnung 93 als Niederdruckauslaß. Mit den Durchtrittsöffnungen sind jeweils entsprechende Zuleitungen 94, 95» 96 und 97 verbunden. In eine Hut der Zylinderwandung 85 ist eine Dichtungseinlage 98, beispielsweise aus einem unter dem Warenzeichen "Meehanite" im Handel befindlichen Werkstoff, eingesetzt,

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welche die Rotornabe 83 unmittelbar berührt, wenn das Zellenvolumen seinen Kleinstwert erreicht. Beim Betrieb laufen die Zellen des Zellenrades fortgesetzt an den Durchtrittsöffnungen und an den festen Teilen der Endplatten vorbei. Infolgedessen kann die Beschreibung eines Arbeitsspieles von einer beliebigen Winkelstellung der Zellen ihren Ausgang nehmen. Als Ausgangsstellung sei die Lage Z angenommen, in welcher die betreffende Zelle nach Durchlaufen der Stellung des Volumenkleinstwertes nahezu leer ist. Wenn das Zellenrad sich weiter dreht, öffnen sich die Zellen jeweils an der Hochdruckeinlaßöffnung 90· Da der an der Hochdruckeinlaßöffnung 90 herrschende Druck wesentlich größer als der Innendruck der betreffenden Zelle ist, wird eine sich in der betreffenden Zelle ausbreitende Folge intensiver Kompressionswellen 99 ausgelöst. Bei weiterer Drehung werden die Zellen wieder durch die Endplatte 88 abgeschlossen. Da sich dann weiterhin das Zellenvolumen vergrößert, expandiert das Strömungsmittel in den Zellen, bis die Zellen jeweils den Volumengrößtwert erreichen. Die Zellen werden dann an der Niederdruckauslaßöffnung 93 geöffnet. Der in der Auslaßleitung 97 herrschende Druck ist kleiner als der Innendruck in den Zellen, so daß, wenn das Strömungsmittel aus den Zellen ausströmt, in den Zellen eine Folge von Expansionswellen 100 ausgelöst wird. Infolgedessen entsteht an den der Endplatte 88 zugelegenen Enden der Zellen eine Zone niederen Druckes. Bei weiterer Drehung öffnen sich die Zellen auch zu der Niederdruckeinlaßöffnung 91 hin. Da an dem betreffenden Zellenende

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durch die Expansionswellen 100 eine Zone niederen Druckes erzeugt worden ist, wird nunmehr über die Leitung 95 Strömungsmittel in die Zellen einströmen. Die Durchtrittsöffnung 91 sperrt dann die Zellen wieder ab, wodurch in den Zellen eine Folge von Expansionswellen 101 ausgelöst wird. Bei weiterer Drehung des Zellenrades werden die Zellen auch von der Niederdruckauslaßöffnung 93 abgetrennt. Die Zellen sind dann an beiden Enden durch die Endplatten 88 und 89 vollständig abgeschlossen, so daß das Strömungsmittel in den Zellen infolge der Abnahme des Zellenvolumens komprimiert wird, bis die Zellen bei Erreichen der Hochdruckauslaßöffnung 92 wieder geöffnet werden, so daß das Strömungsmittel aus den Zellen ausströmt. In der Stellung, in welcher das Zellenvolumen seinen Kleinstwert erreicht, werden die Zellen von der Auslaßöffnung 92 wieder abgetrennt, worauf jede Zelle die Ausgangsstellung Z wieder erreicht und ein neues Arbeitsspiel beginnt.

Bei einem Druckaustauscher dieser Bauart der Erfindung sind die in der Expansionsζone auftretenden Drücke größer als die in entsprechenden Bereichen der Kompressionszone herrschenden Drücke. Infolgedessen kann man dem Strömungsmittel eine Arbeitsleistung entnehmen, welche zum Antrieb des Zellenradrotors dient und außerdem eine Leistungsabgabe an der Rotorwelle ermöglicht.

Figur 12 betrifft eine weitere Ausführungsform eines

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Druckaustausehers nach der Erfindung, welcher insbesondere als Lader geeignet ist. Die Zellen 102 dieses Druckaustauschers nach der Erfindung mit veränderlichem Volumen sind von Endplatten 103 und 104 abgeschlossen, in welch letzteren Durchtrittsöffnungen 105, 106, 107 und 108 vorgesehen sind. Das Hochdruckströmungsmittel strömt über die Durchtrittsöffnung 105 in die Zellen ein und das Niederdruckströmungsmittel strömt über die Durchtrittsöffnung 106 ein. Das Hochdruckströmungsmittel verläßt die Zellen über die Durchtrittsöffnung 107 und das Niederdruckströmungsmittel verläßt dieselben über die Durchtrittsöffnung 108. Dieser Druckaustauscher unterscheidet sich von der in Figur 10 dargestellten Ausführungsform eines Druckaustauscher allein in der Anordnung und der relativen Größe der Niederdruck-Einlaßöffnung und -auslaßöffnung, welche von den Zellen jeweils unmittelbar vor Erreichen der Stellung des maximalen Zellenvolumens 109 überstrichen werden.

Der ideale thermische Wirkungsgrad eines Arbeitsspieles ist bei den im vorigen beschriebenen Ausführungsformen'eines Druckaustauschers nach der Erfindung ebenso groß wie der ideale Wirkungsgrad bei konstantem Volumen einer an sich bekannten Brennkraftmaschine, deren volumetriscb.es Kompressionsverhältnis den gleichen Wert hat. Dies gilt unter der Voraussetzung, daß bei einem Druckaustauscher das volumetrische Kompressions- und Expansionsverhältnis gleich groß ist. Im

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Vergleich zu bekannten Verbrennungskraftmaschinen mit einem Arbeitsspiel mit konstantem Volumen bietet ein Druckaustauscher mit veränderlichem Zellenvolumen hinsichtlich der Antriebsleistung pro Arbeitsspiel beträchtliche thermodynamische Vorteile. Die Beeinflussung des Arbeitsprozesses des Druckaustauschers ist durch Regelung der Brennstoffzufuhr in einer zwischen dem Hochdruckauslaß und dem Hochdruckeinlaß angeordneten Brennungskammer leicht möglich. Es ist also beispielsweise eine Regelung durch Änderung des Brennstoff-Mischungsverhältnisses möglich. Die Regelung des Druckaustauschers durch Änderung des Mischungsverhältnisses ermöglicht es, die während eines Arbeitsspieles erreichte Maximaltemperatur festzulegen, wodurch einige Probleme der inneren Kühlung leichter gelöst werden können.

In der vorigen Beschreibung sind Druckaustauscherrotoren beschrieben, bei welchen die Zellenwände in Schlitzen der Rotornabe jeweils nach außen verschiebbar sind. Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, die Zellenwände in Schlitzen der äußeren Zylinderwandung des Rotors zu verschieben.

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Claims (1)

1. H28203

   Pat entansprüche

   \Λ. Druckaustauscher mit einem, radiale, von einem zylindrischen Zellenradmantel umschlossene Zellenwände aufweisenden Zellenrad, das mit Indplatten zusammenwirkt, in welchen Öffnungen für den Durchtritt eines Strömungsmittels vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Zellen (25) während des Umlaufs des Zellenrades in Abhängigkeit von dem jeweiligen Drehwinkel des Zellenrades veränderlich ist.

   2. Druckaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zellenvolumen mit seinem Kleinstwert praktisch auf einen Nullwert abnimmt.

   3. Druckaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine exzentrische Anordnung der Zellenradachse (22) in bezug auf den diese umgebenden zylindrischen Zellenradmantel.

   4-. Druckaustauscher nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenradmantel selbst drehbar gelagert ist (Figur 8 und 9). ·

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   5· Druckaustauscher nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß ein dichter Zellenabschluß auf hydrodynamischem Wege hergestellt ist (Figur 8).

   ö. Druckaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenwände in der Zellenradnabe (84) in radialer Richtung verschiebbar sind (Figur 9).

   7. Druckaustauscherantriebseinheit mit einem Druckaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelung des Druckaustauscher durch Regelung der Kraftstoffzufuhr zu einer Brennkammer erfolgt, welche ein Hochdruckströmungsmittel an den Druckaustauscher abgibt.

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