DE1503490A1 - Aerodynamic pressure wave machine - Google Patents
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- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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Description
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer aerodynamischen Druckwellenmaschine, die mindestens ein Zellenrad und stirnseitige Verteiler mit Ein- und Austrittsöffnungen für helsses und kaltes Gas umfasst, bei annähernd gleichen Druck des verdichteten kalten und des zu expandierenden heissen Oases in der Hochdruckzone und wesentlich tieferem Druck des zu verdichtenden kalten Oases gegenüber dem expandierten heissen Oas in der Niederdruckzone, und eine Druckwellenmaschine zur Durchführung des Verfahrens .The invention relates to a method for operating a aerodynamic pressure wave machine, which comprises at least one cellular wheel and frontal distributor with inlet and outlet openings for hot and cold gas approximately the same pressure of the compressed cold and the hot oasis to be expanded in the high pressure zone and significantly lower pressure of the cold oasis to be compressed compared to the expanded hot oasis in the low-pressure zone, and a pressure wave machine to carry out the process.
In aerodynamischen Druckwellenmaschinen wird ein heisses Oas von einem höheren auf einen tieferen Druck entspannt und die eo gewonnene fixpanslonsenergle dazu verwendet, ein kaltes Oas von einem tieferen auf einen höheren Druck eu verdichten* Bei diesen Maschinen werden zwei Hauptgruppen unterschieden»In aerodynamic pressure wave machines a hot Oas relaxes from a higher to a lower pressure and the fixpanslonsenergle obtained is used to create a compressing cold oas from a lower to a higher pressure eu * With these machines, two main groups differentiated »
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a) Der Drucktauscher (z.B. nach dem DP 724 998), bei dema) The pressure exchanger (e.g. after the DP 724 998), in which
Pp C~Vp . und p. s?p,, ist. DiE bedeutet, dass das kalte Gas von p, auf p? verdichtet wird und dar heisse Gas von p? auf p-, expandiert. (Die Indizes ν und η stehen also für vor bzw. nacr., 1 und 2 für das tiefere bzw. höhere Druckniveau.) Wie eine Energiebilanz zei^t, steht durch die bei hoher Temperatur erfolgende Expansion eine grössere Energiemenge zur Verfügung, als bei gleichem Massendurchsatz für die Verdich- ψ turi(i des kalten Gases benötigt wird. Zum Ausgleich muss entweder die im Drucktauscher verarbeitete Masse kalten Gsses grosser sein als diejenige des heissen Gases, oder es muss der überschüssige Teil des heissen Gases in einer anderen Maschine entspannt werden, wobei durch Mischung mit kaltem Gas eine für diese Maschine zulässige Temperatur erreicht wird, was aber eine thermodynamische Entwertung bedeutet.Pp C ~ Vp. and p. s? p ,, is. DiE means that the cold gas from p to p ? is compressed and the hot gas from p ? on p-, expands. (The indices ν and η therefore stand for before and nacr., 1 and 2 for the lower and higher pressure level, respectively.) As an energy balance shows, a greater amount of energy is available due to the expansion taking place at high temperature than at the same mass flow rate is required for the compression ψ turi (i of the cold gas. To compensate for this, either the mass of cold gas processed in the pressure exchanger must be greater than that of the hot gas, or the excess part of the hot gas must be expanded in another machine , whereby a temperature permissible for this machine is reached by mixing with cold gas, but this means a thermodynamic devaluation.
b) Der Druckwandler oder Drucktransformer (z.B. nach dem DP 1 000 132), bei dem die für den Drucktauscher geltenden einschränkenden Bedingungen hinsichtlich Druckgleichheit nicht auftreten. Nach dem derzeitigen Stand der Technik ist dabei ein grosser Druckunterschied (p, - p, ) nur erreichbar, wenn auch (po ■- Po ) gross 1st, weil sich sonst, wie aus dem Druck-Geschwindigkeitsdiagraram ersichtlich ist, der Wellenzyklus nicht schliessen würde. Soll für das kalt· Gas ein grösseres Druckverhältnis er-b) The pressure transducer or pressure transformer (e.g. according to DP 1 000 132), in which the restrictive conditions applicable to the pressure exchanger with regard to pressure equality do not occur. According to the current state of the art, a large pressure difference (p, - p,) can only be achieved if (p o ■ - Po) is large because otherwise, as can be seen from the pressure-speed diagram, the wave cycle will not close would. Should a greater pressure ratio be required for the cold gas
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reicht werden, also Ppn^lv·^ Ρ2^^1η sein» lässt sich auch bei gleichem Massendurchsatz kalten und heissen Gases die Energiebilanz zwischen Verdichtungs- und Expansionsenerj.;le ausgleichen.be enough, so Ppn ^ lv ^ Ρ · 2 ^^ 1η his "can also at the same mass flow rate cold and hot gas, the energy balance between compression and Expansionsenerj;. le compensate.
Für manche thermische Prozesse wäre eine Druckwellenmaschine erwünscht, bei der Ppn^Ppv unci *Ί ^^l ist/ ^ie Expansion in einem möglichst hohen Temperaturgebiet erfolgt und der Massendurchsatz kalten und heissen Gases annähernd gleich ist. Soll beispielsweise in einer Gasturbinenanlage die Druckwellenmaschine strömungsseitig dem Verdichter nach- bzw. der Gasturbine vorgeschaltet werden, so wäre Ppn^Pp / ^a ^er Druckverlust in der Brennkammer verhältnismässig klein ist. Es könnte die ganze Masse des heissen Verbrennungegases in der Druckwellenmaschine expandieren und es würde die Luft auf einem Druckniveau angesaugt, das bedeutend tiefer läge als dasjenige des Gasaustrittes. Das würde bedeuten, dass der Verdichter entlastet würde, also weniger Leistung aufnahme und daher Nutzleistung und Wirkungsgrad ansteigen würden.For some thermal processes, a pressure wave machine would be desirable, in which Ppn ^ Ppv unci * Ί ^^ l is / ^ ie expansion takes place in as high a temperature range as possible and the mass flow rate of cold and hot gas is approximately the same. If, for example, in a gas turbine system the pressure wave machine is to be connected downstream of the compressor or upstream of the gas turbine on the flow side, then Pp n ^ Pp / ^ a ^ er pressure loss in the combustion chamber would be relatively small. The whole mass of the hot combustion gas in the pressure wave machine could expand and the air would be sucked in at a pressure level that would be significantly lower than that of the gas outlet. That would mean that the compressor would be relieved, i.e. less power consumption and therefore useful power and efficiency would increase.
Eine Lösung dieses Problems war bisher nicht bekannt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aerodynamische Druckwellenmaschine so auszubilden, dass sie unter denA solution to this problem was not previously known. The invention is based on the object of an aerodynamic To train pressure wave machine so that it is under the
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genannten Bedingungen arbeiten kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mindestens ein Oasstrom in der Hochdruckzone geteilt und der Hauptstrom der Energieerzeugung dient, während der restliche Teilstrom die Spülung der Zellen in der Niederdruckzone unterstützt. Eine Druckwellenmaschine, welche zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist, weist eine zusätzliche Eintrittsöffnung für den Teilstrom auf. mentioned conditions can work. According to the invention, this object is achieved in that at least one gas flow divided in the high pressure zone and the main flow is used to generate energy, while the remaining partial flow supports the flushing of the cells in the low pressure zone. A pressure wave machine which is used to carry out this Process is suitable, has an additional inlet opening for the partial flow.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungßbe!spiele der Erfindung dargestellt, die nachfolgend näner beschrieben werden. Es zeigenIn the drawing are two embodiments of the invention which are described in more detail below. Show it
Fig. 1 und 3 scnematische Darstellungen der Abwicklungen je eines Zylinderschnittes in halber Höhe der Zellen durch das Zellenrad und durch die stirnseitigen Verteiler mit den Ein- und Austrittsöffnungen; Fig. 1 and 3 schematic representations of the developments each a cylinder section at half the height of the cells through the cellular wheel and through the frontal ones Distributor with the inlet and outlet openings;
Fig. 2 und 4 die zugehörigen Wellenzyklen im Druck-Oeschwindigkeitsdiagramm. 2 and 4 the associated wave cycles in the pressure-speed diagram.
In den Figuren 1 und 2 strömt das heisse Gas den Hochdruck-Einlassöffnungen 2v der Druckwellenmaschine zu und tritt aus den Niederdruck-Auslassöffnungen In wieder aus. Das kalte Gas strömt den Niederdruck-Einlassöffnungen Iv zu und tritt aus den Hochdruck-Auslassöffnungen 2n wieder aus. Die gestrichelte Linie veranschaulicht die Trennfront zwi- In FIGS. 1 and 2, the hot gas flows to the high-pressure inlet openings 2v of the pressure wave machine and exits again from the low-pressure outlet openings In. The cold gas flows to the low-pressure inlet openings Iv and emerges again from the high-pressure outlet openings 2n. The dashed line illustrates the dividing front between
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sehen heissem und kaltem Gas. Die Bewegungsrichtung der Zellen ist durch einen Pfeil angedeutet.see hot and cold gas. The direction of movement of the Cells is indicated by an arrow.
Zu Beginn des Zyklus ist öle Zelle im FeIc O mit kaltem Gas gefüllt. In bekannter Weise strömt durch die Hochdruck-Einlassöffnung 2v der Hauptstrom des neisser; Gai.es vom Druck pp in den Feicern 1, 3# i> in die Zelle ein, verdichtet aas kalte Gas aui den Druck p« unc schiebt es in den Feldern 2, 4 aurcn die Hochdruck-Auslassöffnung 2n aus. Die Drücke p« unc p_ sine nur v<t-nit; voneinancier verschieden. Die Auslassöffnung 2n wii'd vor der Einlassöffnung 2v geschlossen, sodass nach der Spülung der Zelle in der Hochdruckzone der hohe Druck in Feld 6 verbleibt. In Feld "( tritt daher ein Teil des expandierten heissen Gases mit grosser Geschwindigkeit in die Niederdruck-Auslassöffnunfc In1 ein und saugt im Feld 8 aus der Niederdruck-Einlassöffnung Iv1 kaltes Gas nach. Weil aber der Druck im Feld 8 viel tiefer als im Feld 7 ist, würden Reflexionen der Wellen die Spülung in der Niederdruckzone rasch zum Stillstand und zur Umkehr bringen. Um dies zu verhindern, wird die Zelle rechtzeitig auf beiden Seiten wieder abgeschlossen und es bleibt ein mittlerer Druck im Feld 9.At the beginning of the cycle, the oil cell in FeIc O is filled with cold gas. In a known manner, the main stream of the neisser flows through the high pressure inlet opening 2v; Gas enters the cell from the pressure pp in the fields 1, 3, compresses the cold gas to the pressure p, and pushes it out in the fields 2, 4 through the high-pressure outlet opening 2n. The pressures p «and p_sine only v <t-nit; different from each other. The outlet opening 2n is closed in front of the inlet opening 2v, so that the high pressure in field 6 remains after the cell has been rinsed in the high-pressure zone. In field "( a part of the expanded hot gas therefore enters the low-pressure outlet opening In 1 at high speed and sucks in cold gas from the low-pressure inlet opening Iv 1 in field 8. But because the pressure in field 8 is much lower than in Field 7, reflections of the waves would quickly stop the flushing in the low pressure zone and reverse it. To prevent this, the cell is closed again in good time on both sides and a medium pressure remains in field 9.
Nach den Figuren 1 und 2 strömt nun in Feld 10 ein Teil-According to Figures 1 and 2 now flows into field 10 a part
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strom des heissen Gases vom Dru.k p2v in die Hochdruck-Einlassöffnung 2v' ein und ladet die Zelle im PeId 11 auf einen.gegenüber dem Feld 9 höheren Druck auf. Damit ist genügend Energie für eine zweite Spülung in der Niederdruckzone vorhanden. In den Feldern 12, 14 strömt das restliche heisse Gas in die Niederdruck-Auslassöffnung In aus und in Feld 1} erfolgt durch die Niederdruck-Einlassöffnung Iv das Auffüllen der Zelle mit kaltem Frischgas. Nötigenfalls kann eine weitere Hochdruck-Einlassöffnung 2v'f und eine dritte Spülung in der Niederdruckzone vorgeeehen werden, ansonsten der Zyklus im Feld 15 a O von neuem beginnt. flow of the hot gas from the pressure kp 2v into the high-pressure inlet opening 2v 'and charges the cell in the area 11 to a pressure which is higher than that in the area 9. This means that there is enough energy for a second flush in the low-pressure zone. In fields 12, 14 the remaining hot gas flows out into the low-pressure outlet opening In and in field 1} the cell is filled with cold fresh gas through the low-pressure inlet opening Iv. If necessary, a further high-pressure inlet port 2v f 'and a third purge vorgeeehen be in the low pressure zone, otherwise the cycle in the box 15 a O begins again.
Der Zyklus gemäss den Figuren 2 und 4 ist bis zum Zustand im Feld 9 identisch mit jenem nach den Figuren 1 und 2. Dann erfolgt aber die zweite Spülung in der Niederdruckzone nicht durch erneutes Aufladen der Zelle durch heieses Gas, sondern es wird vom verdichteten kalten Gas, das unter dem Druck p2 steht, ein Teilstrom abgezweigt und durch die Hochdruck-Einlassöffnung 2η1 in Feld 10 der Zelle zugeleitet, während der Hauptstrom der vorgesehenen Verwendung zugeführt wird. Damit steht die nötige Energie für eine zweite Spülung der Zelle in der Niederdruckzone zur Verfügung, sodass in Feld 12 die restlichen heissen Oase durch die Niederdruck-Auslassöffnung In ausströmen. In den Feldern 13, 14 erfo^ ein gutes Durchspülen und das Auffüllen der Zelle mit kaltem Frischgas.The cycle according to Figures 2 and 4 is identical to that of Figures 1 and 2 up to the state in field 9 Gas which is under pressure p 2 , branched off a partial flow and fed through the high-pressure inlet opening 2η 1 in field 10 of the cell, while the main flow is fed to the intended use. This means that the energy required for a second flushing of the cell in the low-pressure zone is available, so that the remaining hot oases in field 12 flow out through the low-pressure outlet opening In. In the fields 13, 14 a thorough flushing and the filling of the cell with cold fresh gas takes place.
BAu OruUiBAu OruUi
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Dieser Prozess ist wohl im Gesamtwirkungsgrad dem Prozess nach den Figuren 1 und 2 unterlegen. Durch die Verwendung des kälteren Hochdruckgases zur Unterstützung der Spülung wird jedoch das heisse Gas schneller aus der Zelle verdrängt und somit die Zelle besser durchspült und gekühlt.This process is probably inferior to the process according to FIGS. 1 and 2 in terms of overall efficiency. By using of the colder high-pressure gas to support the purging However, the hot gas is displaced from the cell faster and the cell is better flushed through and cooled.
Auch hier kann, wenn notwendig, eine weitere Hochdruck-Einlassöffnung 2η1' und eine dritte Spülung in der Niederdruckzone vorgesehen werden. Ferner ist es möglich, sowohl vom heissen als auch vom kalten Hochdruckgas einen Teilstrom abzuzwigen und ihn zur Unterstützung der Spülung in der Niederdruckzone zu verwenden.Here, too, if necessary, a further high-pressure inlet opening 2η 1 'and a third flush can be provided in the low-pressure zone. It is also possible to divert a partial flow from both the hot and cold high-pressure gas and use it to support the flushing in the low-pressure zone.
Die Trennfront erreicht nach den Figuren 1 und j5 im Feld 6 das rechte Ende der Zelle nicht ganz, was von Vorteil sein kann, da die Pufferzone z.B. die Wärmeübertragung verkleinert. Die Auslegung der Maschine kann aber auch so erfolgen, dass die Trennfront das andere Ende erreicht.According to FIGS. 1 and j5, the separating front reaches in field 6 the right end of the cell, which can be an advantage, as the buffer zone e.g. reduces the heat transfer. The machine can also be designed so that the separating front reaches the other end.
In den Figuren, 1 und JJ ist eine Druckwellenmaschine mit Umkehrströmung dargestellt, d.h., das Gas tritt auf der selben Seite des Zellenrades wieder aus, auf der es eingetreten ist. Selbstverständlich ist der Erfindungsgedanke auch auf Maschinen mit Durchströmung anwendbar, bei denen das Gas auf der einen Seite ein- und auf der anderen Seite austritt. Auch ist es ohne Belang, ob die Maschine mit feststehenden stirnseitigen Verteilen und rotierendem Zellenrad oder mitIn Figures 1, 1 and JJ there is a reverse flow pressure wave machine shown, i.e. the gas exits on the same side of the cellular wheel on which it entered. Of course, the concept of the invention can also be applied to machines with a flow through which the gas is exposed enters on one side and exits on the other. It is also irrelevant whether the machine is stationary frontal distributing and rotating cellular wheel or with
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rotierenden Verteilern und feststehendem Zellenrad ausgeführt wird. Ebenso können die Ein- und Auelasskanäle innerhalb der Maschine gegabelt oder es können mehrere getrennte Leitungen angeordnet sein.rotating distributors and fixed star feeder. Likewise, the inlet and outlet canals within of the machine or several separate lines can be arranged.
Die erfindungsgemässe Druckwellenmaschine kann bei thermischen Prozessen eingesetzt werden, bei denen sie bisher nicht oder nur unter nachteiligen Einschränkungen anwendbar war. Die gute Spülung in der Niederdruckzone ermöglicht einen höheren Reinheitsgrad des zu verdichtenden kalten Gases, als er bisher erreichbar war. Wird die Druckwellenmaschine einer Oasturbine vorgeschaltet, so kann ihre Drehzahl meist optimal gewählt werden. Sollten bei gewissen Teillastzuständen doch Abstimmungsscnwierigkeiten auftreten, so können in bekannter Weise Gastaschen zur Anwendung kommen. Weitere Verwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäs-The pressure wave machine according to the invention can with thermal Processes are used in which they were previously not applicable or only applicable with disadvantageous restrictions was. The good flushing in the low pressure zone enables a higher degree of purity of the cold to be compressed Gases than he was previously available. If the pressure wave machine is connected upstream of an oasturbine, its speed can can usually be chosen optimally. Should coordination difficulties arise with certain partial load conditions, so gas pockets can be used in a known manner. Further possible uses of the invention
sen Druckwellenmaschine sind in der chemischen Industrie, in der Verfahrenstechnik und bei der Aufladung von Dieselmotoren vorhanden.These pressure wave machines are used in the chemical industry, in process engineering and for charging diesel engines available.
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Claims (1)
Verfahrens nach tspruch I, gekennzeichnet durch mindestens eine zusätzliche Eintrittaöffnung (2v*, 2n') für den Teilstroui.Λ
Method according to claim I, characterized by at least one additional inlet opening (2v *, 2n ') for the partial flow.
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