DE1915632A1

DE1915632A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Antrieb einer Fluessigkeitsringpumpe

Info

Publication number: DE1915632A1
Application number: DE19691915632
Authority: DE
Inventors: Horst Guessefeld; Mentschel Dipl-Ing Hellmuth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-03-27
Filing date: 1969-03-27
Publication date: 1970-10-08
Also published as: NL7004172A; FR2040000A5

Description

Verfahren und Torrichtungen zum Antrieb einer Flüssigkeitsringpumpe

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Antrieb einer Flüssigkeitsringpumpe, bei der die Zentrifugalkraft gleichzeitig die Trennung des bei Betrieb entstehenden heterogenen Systems bewirkt sowie Vorrichtungen zu seiner Durchführung.

In der französischen Patentschrift 1 558 105 ist bereits eine Flüssigkeitsringpumpe mit exzentrisch bzw. konzentrisch angeordnetem und gegebenenfalls beidseitig abgedecktem Laufrad beschrieben, nachfolgend auch als Reaktionszentrifuge bezeichnet, bei der das heterogene System .Gas-Flüssigkeit aufgrund der Zentrifugalkraft getrennt wird. Der Ausgang des spezifisch schwereren Stoffes (Flüssigkeit) befindet sich hierbei an der äußeren Gehäusewand der Pumpe und der Ausgang des spezifisch leichteren Stoffes (Gas) im Laufradzentrum an der Druckseite. Die Zuführung für die umzusetzenden Stoffe erfolgt gemeinsam oder getrennt über die Laufradachse und/oder die Gehäusewand auf der Sogseite der Pumpe. Für den Antrieb der Reaktionszentrifuge ist ein Elektromotor vorgesehent

Aus der Verwendung des elektrischen Antriebes ergeben sich jedoch auf bestimmten Anwendungegebieten Schwierigkeiten und· Nachteile. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Reaktionszentrifuge zur Abtrennung von Wasserstoff aus Gasgemischen eingesetzt wird und der gewonnene reine Wasserstoff zur Erzeugung elektrischer Energie in Brennstoffzellenbatterien dient. Die Wasserstoff enthaltenden Gasgemische werden nämlich hierbei durch katalytische Umsetzung von

009841/0728

BAD

PLA 68/1710

- 2-

Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffderivaten unter Druck in Reformer-Aggregaten erzeugt und über Druckminderer in die Reaktionszentrifuge eingeleitet. Eine Ausnutzung der in den Gasgemischen gespeicherten Kompressionsenergie findet hierbei nicht statt. Außerdem muß der Antriebsmotor der Reaktionszentrifuge von der in der Batterie erzeugten elektrischen Energie gespeist werden, wodurch der elektrische Gesamtwirkungsgrad von Batterie und Reformer beträchtlich herabgesetzt wird. Darüber hinaus muß au3 Sicherheitsgründen der elektrische Antrieb Ex-geschützt sein, wodurch Leistungegewicht und -volumen ungünstig beeinflußt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren und Vorrichtungen zum Antrieb einer Flüssigkeitsringpumpe, die ein exzentrisch oder konzentrisch angeordnetes Laufrad aufweist und mit Vorrichtungen zur Trennung des bei Betrieb entstehenden heterogenen Systems aufgrund der Zentrifugalkraft versehen ist, zu finden, mit deren Hilfe die vorstehenden Nachteile vermieden werden und das Verfahren hinsichtlich Betriebssicherheit und Anlagekosten wesentlich verbessert wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß die Flüssigkeitsringpumpe allein von einem unter Überdruck befindlichen Reaktionsmedium angetrieben wird.

Unter einem Reaktionsmedium wird hler mindestens ein Auegangsstoff und/oder mindestens ein bei der Umsetzung in der Reaktionszentrifuge gebildetes Reaktionsprodukt verstanden. Das Reaktionsmedium kann flüssig und/oder gasförmig sein.

Der Antrieb der Reaktionszentrifuge mittels des Reaktionsmediums, kann gemäß der Erfindung auf verschiedene Weise erfolgen. Wie anhand der beiliegenden Figuren noch näher erläutert wird, kann der Antrieb ein Düsen- oder Turboantrieb, Hubkolbenmotor oder ein Drehkolbenmotor sein.

- 3 "-009841/0728

PLA 68/1710

Aus dem neuartigen Antrieb der Reaktionezentrifuge mittels dee Reaktionsmediums ergeben sich eine Reihe bedeutender technischer Vorteile, die sich besondere bei der Gewinnung von reinem Wasserstoff für Brennstoffzellenbatterien aus in Reformer-Aggregaten hergestellten Wasserstoffgemischen auswirken. So wird der bisher fUr den Antrieb der Reaktionezentrifuge erforderliche Elektromotor eingespart. Dadurch werden die Betriebssicherheit, der elektrische Gesamtwirkungsgrad sowie das Leistungsgewicht und -volumen verbessert.

Anstelle der bisher aus der Brennstoffzellenbatterie für den Antrieb der Reaktionszentrifuge entnommenen elektrischen Energie wird die im Rohgas gespeicherte Koapressionsenergie eingesetzt, die dabei gleichzeitig zur Erhöhung der Absorptionsgeschwindigkeit des Kohlendioxids in der Alkazidlauge ausgenutzt wird, indem das Rohgas mit dem überdruck im Reformer in die Flüssigkeitsringpumpe geleitet wird und der austretende Wasserstoff die Flüssigkeitsringpumpe antreibt. Gegebenenfalls kann auch die auf der Druckseite austretende Alkazidlauge zum Antrieb verwendet werden. Selbstverständlich kann die Flüssigkeitsringpumpe auch von zwei Motoren (Gas und Flüssigkeit) angetrieben werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, daß die auftretenden Schwierigkeiten bei der Wellenabdichtung nach außen bzw. zwischen Antriebsmotor und Reaktionszentrifuge wegfallen, da Antrieb und Reaktionezentrifuge auf einer Welle in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden können. Auch können die Antriebe, insbesondere der Düsen- und Turboantrieb, gewichts- und raumsparend in der Reaktionszentrifuge untergebracht werden, was besondere für den Einsatz von Brennstoffzellenbatterien in Kraftfahrzeugen von Bedeutung ist. Gemäß den Figuren 1 bis 3 befindet sich jeweils ein Düsen- oder Turboantrieb in einem Deckel des Laufrades der Reaktionszentrifuge, so daß dieser Antrieb hinsichtlich Bauvolumens und Gewichts besonders günstig ist.

_ 4 -009841/07 2 8

BAD

PLA 68/1710

Für die Erfindung ist es weiterhin von Vorteil, daß die Antriebsart dem zur Verwendung kommenden Reaktionsmedium angepaßt werden kann. So wird für relativ kleinen Gasdurchsatz, also einen Durchsatz von Rohgasen mit hohem Kohlendioxidgehalt, ein für kleine Drehzahlen geeigneter und dabei einen sicheren Anlauf gewährender Radialkolbenmotor vorteilhaft sein, hingegen für einen relativ großen Gasdurchsatz (kleine COg-Auswasehrate) ein für höhere Drehzahlen geeigneter Düsenr oder Turboantrieb.

Selbstverständlich ist der erfindungsgemäße Antrieb mittels des Reaktionsmediums nicht auf einstufige Reaktionszentrifugen beschränkt. Bei mehrstufigen Reaktionszentrifugen kann der Antrieb in einer beliebigen Stufe vorgesehen werden, etwa in der Stufe des Gasaustritts und Laugeneintritts. Die eben erwähnte letzte Stufe der Reaktionszentrifuge ist zur Anbringung des Antriebes deshalb besondere günstig, weil dabei alle genannten Vorteile gleichzeitig genützt werden. Das vom Reformer-Aggregat kommende Rohgas durchläuft die vorgeschalteten Stufen der Reaktionszentrifuge mit nur geringfügigem Druckverlust und die maximale Absorptionsgeschwindigkeit des Kohlendioxids in der Alkazidlauge wird gewährleitetet. Die eintretende frische bzw. regenerierte Alkazidlauge besitzt die beste Schmierfähigkeit und die Reibungsverluste in den Lagern werden dadurch klein gehalten. Die in ihnen erzeugte sehr geringe Reibungswärme wird von der Lauge aufgenommen und in die nächste Stufe oder nach außen abgeführt, so daß eine Lagerung mit geringen Temperaturschwankungen gesichert ist.

Anhand der beiliegenden Figuren wird nun der Gegenstand der Erfindung zunächst noch näher erläutert.

Fig. 1a zeigt im Grundriß eine einstufige, düsengetrieben· Reaktionszentrifuge und Fig. 1b einen Aufriß derselben im Schnitt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird zur Erhöhung der Absorptionsgeschwindigkeit der Druck des Rohgases, ,

- 5 - ■ ,-009841/0728 .

BAD

PLA 68/1710

vermindert um den Druckverluat im Düsenantrieb, ausgenutzt. Als flüssiges Reaktionsmedium wurde in diesen und den folgenden Ausführungsbeispielen Alkazidlauge (wässriges Kaliumacetat der Dimethylaminoessigsäure) eingesetzt und als gasförmiges Reaktionsmedium das bei der katalytischen Umsetzung im Reformer-Aggregat ■aus Methanol und Wasserdampf gewonnene, aus etwa 75 Vol.-# H₂ und 25 Vol.-# COg bestehende Rohgas.

Die Wasserringpumpe besteht aus dem exzentrisch im Gehäuse 2 angeordneten Hohlzylinder 4, auf dem das Laufrad mit den Flügeln 17 drehbar gelagert ist. Der Hohlzylinder 4- enthält zur Abführung des spezifisch leichteren Mediums, also des Wasserstoffes, auf der Druckseite die Bohrung 20 und das Laufrad 5 die Bohrungen 19. Der Ausstoß der beladenen Alkazidlauge er-.folgt auf der Druckseite über den Kanal 18 im Gehäuse 2.

Die zur Absorption des Kohlendioxids benötigte Alkazidlauge und das Rohgas werden gemeinsam in. den Stutzen 1 eingeleitet, der über den Kanal 3 im Gehäuse 2 in den feststehenden Zylinder 4 führt. Ton dort wird das Reaktionsmedium in die Kammer geleitet, die von den O-Ringen 6 und 7, den Keilen 8 und 9 und der Innenwand des beweglichen LaufradZylinders begrenzt ist. Im unteren Deckel des Laufrades befinden sich die Kanäle 12, die das Gemisch aus Alkazidlauge und Rohgas im Winkelbereich 14a aus der Kammer 11 aufnehmen und in die am Deckelumfang eingelassenen Düsen 13 führen. Die Düsen 13 bilden mit der Tangente am Laufrad 5 einen Winkel von etwa 30°. Das ausströmende Reaktionsmedium wirkt unmittelbar auf die im Gehäuse feststehenden Leitsohaufeln 15, so daß ein der Geschwindigkeit und Menge des auftreffenden Reaktionsmediums entsprechendes Drehmoment auf das Laufrad 5 wirkt und' dieses in der mit einem Pfeil angedeuteten Drehrichtung bewegt. Die das Drehmoment bewirkende Kraft wird noch dadurch verstärkt, daß das Reaktionsmedium die feststehenden Leitschaufeln 15 in der vorgegebenen Drehrichtuhg verlassen. Die Leitgehaufein 15 befinden sich im Gehäuse gegen-

- 6 009841/0728

BADORlQtNAt: r- -

PLA 68/1710

über dem Austritt der Düsen 13 in dem mit 14b bezeichneten Winkelbereich und münden in Drehriehtung des Laufrades 5 in den Reaktionsraum 16. Die im Reaktionsraum'16 mit COg beladene Alkazidlauge wird dann in bekannter Weise über den'Kanal 18 in der Gehäusewand 2 auf der Druckseite der Reaktionszentrifuge abgeführt. Der reine Wasserstoff verläßt die Reaktionszentrifuge durch die Bohrungen 19 im Laufrad und die Austrittsöffnungen 20 im Hohlzylinder 4 und wird über den Leitungsanschluß 21 im Gehäuse 2 zum vorgesehenen Verbraucher, hier einer Brennstoffzellenbatterie, geführt.

Die den feststehenden Hohlzylinder 4 umgebenden O-Ringe 6 und ⁿ dichten den Zylinder gegen das Laufrad 5 ab und bestehen aus einem gegenüber dem Reaktionsmedium inerten Material, beispielsweise aus Polytetrafluoräthylen. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, daß die Keile 8 und 9 als Dichtflächen nur dann erforderlich sind, wenn die Durchsätze relativ klein sind, aus dem Rohgas also große Mengen an COp ausgewaschen werden müssen. Enthält das Rohgas nur geringe Anteile an verunreinigenden Gasen, hier COp, so können mit Vorteil über den ganzen Umfang des Laufrades 5 im Gehäuse 2 Leitschaufeln angebracht werden, so daß der Winkel 14b dann 360° beträgt.

Die zwischen den O-Ringen 6 und 7 im feststehenden Zylinder 4 eingelassenen Keile 8 und 9 dichten ebenfalls den Zylinder 4 gegen das Laufrad ab. Der dritte Keil 10 dient hier lediglich zur Verbesserung der Laufeigenschaften des Laufrades 5 im feststehenden Zylinder 4 (Dreipunktlagerung). Der in Pig. 1a angedeutete Winkel 14b hat die gleiche Größe wie der von der Kammer 11 gebildete Winkel 14a. >

Pig. 2 zeigt die Ausführungsform eines Turboantriebea, und gwar Pig. 2a den Grundriß, Pig". 2b den Schnitt A-B und Pig. 2c den Schnitt C-D.

- 7 009841/0728

BAD

PLA 68/1710

Bei dieser Ausführungeform der Erfindung wird das Alkazidlauge-Rohgas-Gemisch zunächst von außen über die Leitung 31 in die Kammer 33 im Gehäuse 32 geführt. Von dort tritt das Gemisch über die Düsen 35 nach oben tangential zum Teilkreis der Leitradschaufeln 36 in die öffnungen derselben im Deckel des exzentrisch gelagerten und um den feststehenden Hohlzylinder 40 drehbaren Laufrades 34 ein. Der von den Schaufeln 36 und der Waagerechten gebildete Eintrittewinkel beträgt etwa 30°. Die Schaufeln 36 entsprechen dabei den Strömungsöffnungen zwischen den Schaufeln eines Laufrades bekannter Turbinen. Das Alkazidlauge-Gas-Gemisch verläßt die Schaufeln 36 des Laufrades entgegen der Drehrichtung am Umfang des Laufrades und tritt in die Spaltöffnungen der im Gehäuse 32 befindlichen Leitschafein 38 ein. Durch die Öffnungen 39 verläßt dann das Gemisch das Gehäuse in Drehrichtung des Laufrades und strömt in den sogseitigen Reaktionsraum ein. Die beladene Lauge tritt über den Kanal 44 auf der Druckseite im Gehäuse 32 aus und der gereinigte Wasserstoff wird ebenfalls auf der Druckseite über die Bohrungen 42 im Laufrad 34 und die Bohrung 41 im Hohltylinder 40 über die Leitung 45 herausgeführt. Die Leitachaufeln 36.sind über den gesamten Umfang des Laufraddeckels verteilt.

Die eben beschriebene Ausführungsform der Erfindung eignet sich besondere für große Durchsätze, also Rohgas, die geringe Anteile an CO₂ enthalten.

Selbstverständlich kann die Zu- und Ableitung auch umgekehrt erfolgen, in dem das Reaktionsmedium stirnseiti^ zu- und nach oben oder unten abgeführt wird.

Bei gegebenem Durchsatz und gegebener Druckdifferenz des Reaktionsmediums zwischen Ein- und Austritt ist eine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades der Reaktionszentrifuge dann möglich, wenn die Anordnung der Schaufeln des Lauf-

- 8 -009841/0728

^BAD

1315632

PLA 68/1710

rades und der feetstehenden Leitschaufeln im Gehäuse gemäß Fig. 3 geändert wird. Bei dieeer Ausführungsform verläßt nämlich ' das Reaktionsmedium die Schaufeln tangential in Drehrichtung des Laufrades, so daß die Schubkraft des das Laufrad verlassenden Reaktionsmediums ohne seitlichen Winkelverluet auf das Laufrad übertragen wird, der axiale.cos^f also 1 ist.

Fig. 3a zeigt, den Teil eines Seitenrisses einer derartigen turbogetriebenen Reaktionszentrifuge. Das Alkazidlauge-RohgaS-Gemisch tritt zunächst über den Stutzen 50 im Gehäuse 51 in -

* , die Kammer 52 ein und strömt dann über die Düsen :53 in die öffnungen der gekrümmten Schaufeln 54 im Deckel des Laufrades 55 ein. Dabei liegt - wie in Flg. 3b schematisch angedeutet -sowohl die Anströmungsrichtung der Schaufeln, als auch die Ausströmungsrichtung tangential in der Drehrichtung des Laufrades. Nach dem-Verlassen des Laufrades tritt das Reaktionsmedium in die feststehenden Leitschaufeln 56 im Gehäuse, wobei das Reaktionsmedium in die Drehrichtung des Laufrades zurückgelenkt wird, so daß es über den Kanal 57 in den Reaktionsraum 58 der Reaktionszentrifuge in der Drehrichtung einfließen kann. Die Abführung der beladenen Lauge erfolgt wie bei den Aue- / führungen in den Figuren 1 und 2 im äußeren Gehäuse (nicht gezeichnet) und der Austritt des gereinigten Wasserstoffes im

" Laufradzentrum über den Stutzen 59.

Nach einer weiteren 'Ausführungsform der Erfindung können sich die Düsen 53 auch unter den Schattfein 54 befinden und die Leitschaufeln 56 im Gehäuse oberhalb der Schaufeln 54. Ein Vorteil dieser Ausführungeform wird darin gesehen, daß die resultierende Schubkraft das Laufrad entlastet.

Für den Turboantrieb können flüssiges und gasförmiges Reaktion·- medium gemeinsam eingesetzt werden, jedoch kann auch dae gasförmige bzw. flüssige Medium allein zum Antrieb verwendet wer-

- 9 * ''' 009841/0728

\~'- ILA 6B/171Ö

den. Bei Gasen, deren Verunreinigungen sehr hoch sind, wird der Antrieb zweokmäßigerweiee gins oder Überwiegend mit des flüssigen Medium bewerkstelligt. Umgekehrt kann bei Gaemiachungen mit nur einem geringen Anteil mn auszuwaschenden Gasen das Gas allein oder liberwiegend als Antriebsmittel eingesetzt werden«

Wie bereite erwähnt, ist der Gegenstand der !Erfindung nicht auf den Düsen- oder Turboantrieb beschränkt. So sind für Langsamläufer und sicheren Anlauf aus dem Stillstand weggesteuerte Hubkolbenmotore besser geeignet als s.B. Turboantriebe, die bei achnellaufenden größeren Einheiten eines besonderen Anlaufmotors bedürfen. Hit Flüssigkeit angetriebene weggesteuerte Hubkolbenmotore sind bereits bekannt (W. Stieas "Pumpen-Atlas I" A.G. I - Verlag Georg Thum-Ludwigsburg» 1966, S. 72 bis 83). Β*τ Antrieb derartiger Hubkolbenmotor mit Gasen und Gaa-Flüsaigkeit-Gemiaehen ist jedoch neu,

Sie Fig. 4a und 4b zeigen einen Radialkolbenmotor mit umlaufendem Zylinderstern im Grund- und Aufriß. Die Reibung zwischen dem exzentrisch angeordneten Zylinderstern 61 und der feststehenden Gehäusewand 62 wird gemäß der Erfindung von dem Nadellager 63 übernommen und es tritt nur die durch die exzentrische Lagerung des Zylindersternes bedingte Bewegung und damit verbundene Reibung zwischen der Kugelabitützung 64 der Kolben und dem Innenmantel des Nadellagers 63 auf. Die Kolben 65 im umlaufenden Zylinderstern 61 nüssen selbstverständlich den Betriebsbedingungen der mit dem Reaktionsmedium - hier Alkazidlaufce und/oder Gas - beschickten Reaktionszentrifuge angepaßt werden. Im vorliegenden Beispiel betrüg das Volumenverhältnis Rohgas zu Alkazidlauge etwa 100:1.

Bei der Verwendung des bekannten Radialkolbenmotors für das Verfahren nach der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, je Arbeitskolben einen oder mehrere Führungsringe aus

, - 10 -

0098*1/0728

1S1SS32

Kunetstoff, vorteilhafterweiae Polytetrafluorethylen, anzubringen. In den Pig. 4« und 4b aind «wet derartig» ?ührungeringe eingezeichnet, Sie sind alt den Ziffern 66* und 66b gekennzeichnet und haben die Aufgabe, bei geringen Seibungeverlusten den Kolben 65 zu führen. Auf diese Weise wird ein Kiespen des Kolbens verhindert.

Die Abdichtung der Spaltfläche 67 kann mittels einer Hutaanschette 68 erfolgen. Anstelle der Manschette kann auch eine etwa 0,1 bis 0,2 mm dicke Künstetoffolie, die als Xippendichtung wirkt, eingesetzt werden·

Die Einführung des für den Antrieb der leaktIonszentrifuge eingesetzten Mediums in die Zylinder des Radialkolbenmotors erfolgt im Zentrum über die öffnung 69. Bas in die Kammer 70 eintretende Reaktionsmedium schiebt den Kolben 65 nach außen, wobei sich der Zylinderstern in der Bit ein·» Pfeil angedeuteten Richtung bewegt. Nach der Arbeitsleistung wird der Kolben wieder nach innen gedrückt und das Reaktionsmedium tritt über die öffnung 71 ins Zentrum,* aus welche« es über eine Leitung auf der Sogseite der übersichtlichkeitshalber nicht eingezeichneten Reaktionszentrifuge geführt wird.

Gemäß einer anderen Ausführungsfor» der Erfindung kann die Reaktionszentrifuge entsprechend der Pig. 5a Und 5b auch mit einem konzentrischen Radialkolbenmotor angetrieben werden, bei , welchem der Zylinderstern ebenfalls beweglich ist und die Kolben je Umdrehung zwei Arbeitszyklen durchlaufen. In den Fig. 5a und 5b haben die Bezugsziffern die gleiche Bedeutung wie in den Fig. 4a und 4b. Anstelle des Nadellagers wird hierbei im Gehäuse ein Profilring 12 aus Kunststoff, inabesondere Bolytetrafluoräthylen, eingebaut, der mit seinen guten Gleiteigenschaften die. bei der Drehbewegung zwischen den Kugeln 64 der Kolben 65 und dem Gehäuse auftretenden Reibungsverluste gering hält. Der konzentrische Radialkolbenmotor ist als Antrieb besondere dann

- 11 -009841/0728

BAO ORIGINAL

PLA 68/1710

- 11 -

geeignet, wenn das geforderte Drehmoment groß sein soll, z.B. bei Gasgemischen mit großem Kohlendioxidgehalt.

Nach einer weiteren Aueführungeform der Erfindung kann für den Antrieb der Reaktionezentrifuge auch ein Radialkolbenmotor mit ruhendem Zylinderstern eingesetzt werden, bei dem die Kolben von außen beaufschlagt werden. Die Kolben werden zweckmäßigerweise entsprechend der in den Flg. 4 und 5 gezeigten Ausführungeform gebaut. Die bei mit Flüssigkeiten und/oder Gasen angetriebenen Radialkolbenmotoren auftretenden Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit und damit Drehbewegung stören die Vorgänge in der Reaktionszentrifuge nicht. In vielen Fällen wurde beobachtet, daß die Schwankungen der Drehbewegung die Schaumbildung in der Reaktionszentrifuge erhöhten, wodurch der Wirkungsgrad der Zentrifuge verbessert werden konnte.

Für den Antrieb der Reaktionezentrifuge können gemäß der Erfindung auch weggeeteuerte Axialkolbenmotor verwendet werden, und zwar sowohl solche mit rotierendem Kolben als auch solche mit ruhender Zylindertrommel. Axialkolbenmotor« mit gleichachsigem -Kurbeltrieb haben sich für den Antrieb mittels Gasen und/oder Flüssigkeiten besondere gut bewährt, wobei die Kolben wieder entsprechend der Fig. 4 und 5 ausgeführt waren. Die Schrägscheiben tragen zur Verminderung der Reibung auf der Oberfläche Kunststoffeinlagen. Sie können selbstverständlich auch ganz aus Kunststoff, Insbesondere Polytetrafluoräthylen, bestehen. *

Ein Nachteil der Axialkolbenmotor gegenüber den Radialkolbenmotoren und besonders den Turboantrieben wird darin gesehen, daß sie ein größeres Bauvolumen dann erfordern« wenn sie mit Flüssigkeitsring pumpen, die als Zentrifuge wirksam sind, kombiniert werden. Sie sind deshalb für einen Einbau in Reaktionszentrifugen in Brennstoffzellenanlagen, bei denen ein kleines Bauvolumen gefordert wird, weniger geeignet.

- 12 -009841/0728

BAD ORIGINAL

i^U

PLA 68/1710 - 12 -

Bei Axialkolbenmotoren mit ruhender Zylindertrommel werden die Kolben vorteilhafterweise wiederum entsprechend den Fig. 4 und 5 ausgeführt, wobei die Spalte zwischen Welle und Zylindertrommel ebenfalls mittels einer Polytetrafluoräthylenfolie abgedichtet werden kann. Ein derartiger Axialkolbenmotor ist; besonders für gleichförmige Langsamläufer geeignet und läuft noch bei nur einer Umdrehung pro Minute praktisch mit vollem Drehmoment.

Gemäß der Erfindung kann für den Antrieb der Reaktionszentrifuge auch ein exzentrischer Treibachieberkolbenmotor verwendet werden. ) , Nach einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung wird er raumsparend in einen Laufraddeckel der Reaktionszentrifuge, eingebaut. In Fig. 6 ist eine derartige Ausführungsform schematisch im Grundriß wiedergegeben. Dieser Antrieb ist ebenfalls als Langsamläufer geeignet.

Das Gehäuse der Reaktionszentrifuge ist in der Fig. mit 75 bezeichnet, durch dessen Bohrung 76 die Alkazidlauge gemeinsam mit dem Gas in den Raum 77 im Gehäuse der Reaktionszentrifuge eingeleitet wird. Der Raum 77 schließt Im Gehäuseumfang einen Winkel von etwa 90° ein. Im Rotor befinden sich gemäß der Erfindung vier, um ihre Achse drehbar und exzentrisch gelagerte Treibschieberkolben 7B, 79, 80 und 81. Befindet sich der durch die Bezugsziffer 82 angedeutete Rotor in der gezeichneten Stellung, so werden die Räume 83 und 84 zwischen den Treibschieberkolben 79 und ?8 bzw. 78 und 31 mit dem Rohgas-Lauge-Gemisch gefüllt., so daß auf die Treibschieberkolben 19 und 81 und damit auf den Rotor Kräfte wirksam werden. Auf den Treibechieberkolben 79 wirkt die Kraft P · F (79a) und auf den Treibschieberkolben 81 die Kraft P . F (81a), die nahezu Null ist und der auf den Treibschieberkolben 79 wirkenden Kraft entgegengerichtet ist.

In der gezeigten Stellung wirken auf die Treibschieberkolben

- 13 -009841/0728

PLA 68/1710 .: . . - 13 -

78 und 80 keine, ein Drehmoment erzeugende Druckkräfte, da sie von beiden Seiten mit gleich großem Druck beaufschlagt werden. Die resultierende Kraft P · F (79a) und P (81a)) bewegt den Rotor und damit das nicht eingezeichnete Laufrad der Reaktionszentrifuge in der angezeigten Pfeilrichtung.

Die an der Pig. dargestellte Stellung des Treibschieberkolbenantriebes entspricht der optimalen Kraftübertragung in Drehrichtung des Rotors. Der Kraftverlauf für alle möglichen Stellungen der Treibschieberkolben 79 und 81 ist über 1/4 Umdrehung aus Fig. 7 zu ersehen. In dieser Darstellung entspricht 1 der Kraft P · P (79a), wobei die Reibungsverluste vernachlässigt werden. P ist der Differenzdruck des Druckes vom Rohgas-Laugen-Gemisch am Eingang 76 des Antriebes und des Druckes in der Ableitung 85 zum Reaktionsraum der Reaktionszentrifuge. P stellt das Produkt aus der Höhe der Treibschieberkolben 78, 79» 80 bzw. 81 und der veränderlichen, von der Stellung der Kolben abhängigen wirksamen Länge der Treibschieberkolben dar.

Bei der Umdrehung des Rotors 82 schiebt das als Antriebsmedium eingesetzte Rohgas-Lauge-Gemisch im Raum 83 dem Treibschieberkolben 79 und fließt dann über den Schlitz 85 im Gehäuse über einen Kanal in den Reaktionsraum der nicht gezeichneten Reaktionszentrifuge.

Die Treibechieberkolben 78, 79, 80 und 81 sind, wie bereits erwähnt, exzentrisch im Rotor gelagert und werden mit dem Druck des Reaktionsmediums beaufschlagt. Da der Kolben 79 beispielsweise im Verhältnis b:c exzentrisch gelagert ist, bewirkt der Druck auf die Seite b eine Kraft, die den Kolben um seine Achse dreht. Dieser Kraft wirkt die Kraft aus dem Produkt von Druck und Seite c entgtgen, so daß die die Drehung bewirkende Kraft gleich P (P, - F_) ist. Die zur Dichtung des Treibschieberkolbens gegen die zylindrische Gehäusewand notwendige Kraft

009.841/0721

PLA 68/1710 -U-

kann so durch entsprechende Wahl des Verhältnisses b zu c bestimmt werden. Sie steigt oder fällt proportional mit der Druckdifferenz der Antriebemedien zwischen Ein- und Austritt aus dem Arbeitsraum des Treibschieberkolbenmotors.

Der Gegenstand der Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die hier gezeigten Ausführungsformen beschränkt. So kann beispielsweise der Treibschieberkolbenantrieb auch entsprechend der bekannten exzentrischen Treibschiebermotoren gestaltet werden, bei denen die Schieber im Rotor sich nur in radialer Richtung bewegen.

Nach der in den Fig. 8a und 8b gezeigten Ausführungsformen der Erfindung besteht der exzentrische Treibschieberantrieb aus einem Rotor 99 mit nur in radialer Richtung beweglichen Treibschiebern. Die Schieber sind in dem Grundriß 8a mit den Ziffern 100, 101, 102 und 103 angedeutet. Sie bestehen nach dem in Pig. 9a wiedergegebenen Grundriß aus einer Platte 105, die auf einer Seite mit einer Polytetrafluoräthylenfolie 104 überzogen ist. Die Folie wird mittels dem Rahmen 106 an die Platte angepaßt. Platte, Kunststoffolie und Rahmen sind miteinander fest verbunden, gegebenenfalls über die Bohrungen 107 mittels Schrauben, Nieten, Verklebungen oder anderen Verbindungen. Fig.9b zeigt den A-B-Schnitt zur Fig. 9a.

Platte und Rahmen der Treibschieber können aus Metall, Preßgewebe oder Kunststoff bestehen. Um gute Gleitfähigkeit und Dichtung zu gewährleisten, ragt die etwa 0,1 bis 0,2 mm dicke Polytetrafluoräthylenfolie an den vier Seiten geringfügig (ca. 1,0 mm) über den Rahmen hinaus. Auf diese Weise sind die Stirnseiten der Treibschieber gegenüber der Gehäueewand 108 sowie den im Aufriß 8b oben und unten eingezeichneten Gehäuseflächen 109 und 110 abgedichtet, so daß ein unerwünschtes Ausfließen dee zum Antrieb eingesetzten ReaktionsmedJine verhindert wird. Mittels der tiberstehenden Teflonfolie wird erreicht, daB

- 15 009841/0728

BAD ORIGINAL

PIA 68/1710

- 15 - "

die Gleitflächen zwischen Rotor und Treibschieber einerseits und Gehäuse und Treibechieber andererseits günstige Gleiteigenachaften aufweisen und trotz notwendiger großer Passungstoleranzen die Treibschieber gegen Gehäuse und Rotor ausreichend dicht sind.

Die Treibschieber 100, 101, 102 und 103 werden gemäß der Erfindung mittels der beiden Federringe 111 und 112 mit konstanter Kraft gegen die zylindrische Gehäueewand 108 gedrückt und gleichen etwaigen Verschleiß an den Stirnflächen der an der Gehäusewand 108 gleitenden Treibechieber aus.

Die Zuführung des Reaktionsmediums erfolgt wie in Fig. 8 von außen über einen Kanal und ausgespartem Raum im Gehäuse und die Abführung in die Reaktionazentrifuge über einen Schlitz im unteren Gehäuse des Treibschieberantriebes.

Für den Anlauf des Treibschiebermotors ist es von Vorteil, wenn neben guter Dichtung zwischen Druckraum und dem Raum über den Ausschubschlitz auch der Rotor gegen das Gehäuse besonders abgedichtet wird. Fig. 10 zeigt dafür eine geeignete Ausführung. Die rechteckigen Teflonfolien 113 werden durch Segmente 114 am Rotor 115 befestigt. Auf diese Weise 1st der Rotor sowohl oben (116) und unten (117) gegen das Gehäuse als auch vorn (118) und hinten (119) gegen die Treibechieber abgedichtet. Damit sind die Treibschieberschlitze dicht. Um einen allseitig abgedichteten Zylinder zu erhalten, benötigen die Treibschieber ebenfalls Dichtlippen, die diese oben (120),unten (121) und außen (122) gegen das Gehäuse abdichten. Wie bereite erwähnt, kann das ebenfalls mit Polytetrafluoräthylenfolien leicht verwirklicht werden.

10 Figuren

47 Patentansprüche

- 16 -,009841/0728

BAD

Claims

PLA 68/1710 - 16 -

Patentansprüche

M J Verfahren zum Antrieb einer Flüssigkeitsringpumpe, die ein exzentrisch oder konzentrisch angeordnetes Laufrad aufweist und mit Vorrichtungen zur Trennung des bei Betrieb entstehenden heterogenen Systems aufgrund der Zentrifugalkraft versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsringpumpe allein von einem unter Überdruck befindlichen Reaktionsmedium angetrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des für den Antrieb vorgesehenen Reaktionsmediums< im Zentrum erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des für den Antrieb vorgesehenen Reaktionsmediums im Gehäuseumfang erfolgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsringpumpe mit einem Düsenantrieb angetrieben wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsmedium über den Kanal (3) im Gehäuse (2) und dem feststehenden Hohlzylinder (4) in die Kammer (11) geleitet wird, aus der es über die Kanäle (12) und Düsen (13) in einem der beiden Laufraddeckel in die im Gehäueeumfang

angebrachten Leitschaufeln (15) einströmt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsringpumpe mit einem Turboantrieb angetrieben wird. ■

- 17 -

009841/0728

BADORlQiNAU

PLA 68/1710

- 17 -

7. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsmedium über die Leitung (31) in die Kammer (33) im Gehäuse (32) geführt wird, aus der der es über die Düsen (35) in die Öffnungen der Schaufeln (36) in einem der beiden Deckel des Laufrades (34) tangential zum Teilkreis der Schaufeln einströmt, diese entgegen der Drehrichtung an der Stirnseite des Deckels verlässt und über die Öffnungen (39) der im Gehäuse (32) befindlichen Leitachauf ein (38) in Drehrichtung des Laufrades in den Reaktionsraum der Flüssigkeitsringpumpe eintritt.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsmedium stirnseitig in die Öffnungen der Schaufeln in einem der beiden Deckel des Laufrades einströmt, diese entgegen der Drehrichtung tangential zum Teilkreis der Laufradschaufeln verläßt und durch Öffnungen der im Gehäuse befindlichen Leitschaufeln in Drehrichtung des Laufrades in den Reaktionsraum der Flüssigkeitsringpumpe eintritt.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsmedium über die Leitung (50), die Kammer (52) und die Düsen (53) im Gehäuse (51) von oben nach unten in die Leitschaufeln (54) in einem der beiden Deckel des Laufrades (55) eingeführt wird und über die im Gehäuse angebrachten Leitschaufeln (56) in den Reaktionsraum der Flüssigkeitsringpumpe einströmt.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsmedium über Düsen (53) im Gehäuse von unten nach oben in die Leitschaufeln (54) in einem der beiden Deckel des Laufrades eingeführt wird und über die im Gehäuse angebrachten Leitschaufeln (56) in den Reaktionsraum der Flüssigkeitsringpumpe eintritt.

- 18 009841/0728

PLA 68/1710

■ - 18 -

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsringpumpe mit einem weggesteuerten Hubkolbenmotor angetrieben wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsringpumpe mit einem konzentrisch oder exzentrischen Radialkolbenmotor mit umlaufendem Zylinderstern angetrieben wird. ■

13. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsmedium in der Arbeitsphase über die Öffnung (69) eines exzentrischen Radialkolbenmotors in die Kammer (70) der Kolbenzylinder eingeleitet wird und nach Arbeiteleistung über die Öffnung (71) in den Reaktionsraum der Flüssigkeitsringpumpe geführt wird.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsmedium in der Arbeitsphase aus dem Reaktionsraum der Flüssigkeitsringpumpe über die Öffnung (69) eines exzentrischen Radialkolbenmotors in die Kammer (70) der Kolbenzylinder eingeleitet wird und nach der Arbeitsleistung über die Öffnungen (71) den. Antrieb der Flüssigkeitsringpumpe verläßt.

15. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsmedium in den Arbeitsphasen über die öffnungen (69) eines konzentrischen Radialkolbenmotors eingeleitet wird und nach Arbeitsleistung über die Öffnungen (71) in den Reaktionsraum der Flüssigkeitsringpumpe geführt wird.

16. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsmedium aus dem Reaktionsraum der Flüssigkeits-

. ringpumpe in der Arbeitsphase über die Öffnungen (69) eines konzentrischen Radialkolbenmotors eingeleitet wird und n«ch der Arbeitsleistung über die Öffnungen (71) den Antrieb der Flüssigkeitsringpumpe verläßt.

009841/0728 " ¹⁹ "

PLA 68/1710

- 19 -■

17. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsringpumpe durch einen Radialkolbenmotor mit ruhendem Zylinderstern angetrieben wird.

18. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsringpumpe mit einem Drehkolbenmotor angetrieben wird.

19· Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehkolbenmotor ein exzentrischer Treibschieberkolbenantrieb eingesetzt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsmedium über den Kanal (76) in den Raum (77) im Gehäuse (75) in die jeweils durch drei Treibschieberkolben gebildeten beiden Kammern (83,84) eingeleitet werden, aus denen sie nach Drehung des Rotors (82) über den Schlitz (85) in den Reaktionsraum der Flüssigkeitsringpumpe einfließen.

21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsmedium aus dem Reaktionsraum der Flüssigkeitsringpumpe über den Kanal (76)- in den Raum (77) im Gehäuse (75) in die jeweils durch drei Treibschieberkolben gebildeten Kammern (83,84) eingeleitet wird, aus denen es nach Drehung des Rotors (82) über den Schlitz (85) aus dem Antrieb der Flüssigkeitsringpumpe abgeführt wird.

22. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsringpumpe mit einem Antrieb versehen ist, der allein von einem unter Überdruck befindlichen Reaktionsmedium angetrieben wird.

- 20 -009841/0728

ORIGINAL·

PLA 68/1710

- 20 -

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,daß Flüssigkeitsringpumpe und Antrieb auf der gleichen Welle angeordnet und vorteilhafterweiee von einem gemeinsamen Gehäuse umschlossen sind. · .

24. Vorrichtung nach den Ansprüchen 22 und 2?, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb in einem Laufraddeckel der Flüssigkeitsringpumpe angeordnet ist. .-- :. .

25. Vorrichtung nach den Ansprüchen 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb ein Düsenantrieb ist. .

26. Vorrichtung nach den Ansprüchen 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb ein Turboantrieb ist.

27. Vorrichtung naah den Ansprüchen 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb ein weggesteuerter Hubkolbenmotor, insbesondere ein Radialkolbenmotor,ist.

28. Vorrichtung nach den Ansprüchen 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb ein Drehkolbenmotor, insbesondere ein exzentrischer Treibechieberkolbenmotor, ist.

29. Vorrichtung nach den /Ansprüchen 25 und 26, dadurch gekenn-' zeichnet, daß sich die Leitschaufeln dee Antriebes (36, 54» 56,15) in einem Deckel eines Laufrade· der Flüssigkeitsringpumpe und/oder im Gehäuse befinden.

30. Vorrichtung nach den Ansprüchen 25 und 29, dadurch gekennzeichnet, daß die im Gehäuse (2) feststehenden Leitschaufeln (15) über einen Teil oder den gesamten Laufradumfang verteilt sind, ·

- 21 - ■' 009841/0728

_ BAD (Wl κ'W

PLA. 68/1710 ", - 2Ί. - ^:

'31. Vorrichtung nach den Ansprüchen 25, 29 und 30, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Laufraddeckel eingelassenen Düsen (13) mit der Tangente am Laufrad (5) einen Winkel von •etwa 30° bilden.

32. Vorrichtung nach den Ansprüchen 25 und 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Hohlzylinder (4) mit mindestens zwei O-Ringen (6,7) versehen ist.

33. Vorrichtung nach den Ansprüchen 25 und 29 bia 32, dadurch gekennzeichnet, daß in dem feststehenden Hohlzylinder (4·) mindestens drei Keile (8,9,10) eingelassen sind.

34. Vorrichtung nach den Ansprüchen 25 und 29 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (11) von den O-Ringen (6,7), den Keilen (8,9) und der Innenwand des beweglichen Laufradzylinders (5) begrenzt wird.

35. Vorrichtung nach den Ansprüchen 26 und 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (36) im Deckel des Laufrades (34) mit der Waagerechten einen Eintrittswinkel von etwa 30° bilden.

36. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß eich die Leitschaufeln (38) im Gehäuse längs des ganzen Laufraddeckelumfangee oder nur einem Teil desselben 'befinden.

37. Vorrichtung nach den Ansprüchen 26 und 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (54) im Deckel des Laufrades (55) so angeordnet aind, daß die Anetrömrichtung der Leitschaufeln tangential in der Drehriohtung des Laufrades liegt.

- 22 -009841/0728

PLA 68/1710

- 22 -

38. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (56) im Gehäuse (51) so angeordnet sind, daß das ausströmende Reaktionsmedium in die Drehrichtung des Laufrades zurückgelenkt wird. "

39. Vorrichtung nach den Ansprüchen 37 und 38, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung des Reaktionsmediums im Gehäuse (51) die Kammer (52) und mindestens eine Düse (53) vorgesehen sind.

40. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben der weggesteuerten Hubkolbenmotor mit zwei Führungsringen (66a , 66b) versehen sind.

41. Vorrichtung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltfläche (67) mittels einer Hutmanschette (68) abgedichtet ist.

42. Vorrichtung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltfläche (67) mittels einer Kunststoffolie, insbesondere Polytetrafluoräthylenfolie, abgedichtet ist.

43. Vorrichtung nach den Ansprüchen 40 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewand des exzentrischen Radialkolbenantriebes ein Nadellager (63) ist.

44. Vorrichtung nach den Ansprüchen 40 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewand des konzentrischen oder exzentrischen Radialkolbenantriebes mit einem Profilring aus Kunststoff, insbesondere einem Polytetrmfluoräthylenring versehen

ist. '

- 23 -009841/0728

BAÖOfcfGfNÄL " " "

PLA 68/1710

- 23 -

45. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der exzentrische Treibschieberkolbenantrieb aus einem Rotor (82) besteht, der mit drehbaren und exzentrisch gelagerten Treibschieberkolben (78, 79, 80, 81) versehen ist.

46. Vorrichtung,nach Anspruch 2R, dadurch gekennzeichnet, daß der exzentrische Treibschieberkolbenantrieb aus einem Rotor

, (99) besteht, der. mit nur in.radialer Richtung beweglichen Treibschiebern (100,101,102,103) sowie Federringen (111,112) versehen ist.

47. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der exzentrisch gelagerte Rotor (115) mit Dichtungsfolien (113), insbesondere Polytetrafluoräthylenfolien, versehen ist, die durch Segmente (114)* am Rotor befestigt sind, und Dichtlippen bilden, die oben und unten gegen das Gehäuse und beidseitig gegen die Treibschieberkolben abdichten.

009841/0728

^BAD

Leerseite