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Druckaustauscher Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Druckaustauscher,
<l. 1i. auf umlaufende Maschinen, in welchen ein gasförmiges Medium komprimiert
wird, indem die Expansion eines anderen gasförmigen Mediums bzw. einer anderen Menge
desselben Mediums innerhalb ein und derselben Maschine ausgenutzt wird, wobei sowohl
dieKompression als auch die Expansion in mindestens einer kreisförniil; angeordneten
Reihe von Kammern stattfindet, wobei zwischen diesen und dem übrigen Teil der Maschine
eine Relativdrehung stattfindet und der Austausch der in den einzelnen Kammern befindlichen
Gasmengen sich jeweils im Verlauf eines Druckausgleichs bei niederem bzw. höherem
Druck vollzieht, wobei im ersteren Fall das in einer Kammer expandierte Gas durch
das zu komprimierende Gas ersetzt wird, während im letzteren Fall das in einer bzw.
mehreren Kammern komprimierte Gas durch das zu expandierende Gas ersetzt wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführung eines Druckaustauschers sind die
einzelnen Kammern in Form eines Rotors angeordnet, zu welchem das Gas über feststehende
Verteilereinrichtungen (Leitapparate) -zugeführt bzw. von diesem abgeführt wird.
In Abwandlung dessen wurde für bestimmte Ausführungsarten von Druckaustauschern
vorgeschlagen, zwei Kammerkränze, zwischen welchen Relativdrehung besteht, bzw.
einen feststehenden Kammerkranz in Verbindung mit umlaufenden Gasverteilungseinrichtungen
(Leitapparaten) zu verwenden.
Beispiele für Ausführungsarten von
Druckaustauschern sind an sich bekannt.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Druckaustauscher,
bei welchen die Kammern in Form eines oder mehrerer Rotoren gegeben sind und bei
welchen das Gas an mindestens einer Stirnseite eines dieser Rotoren in axialer Richtung
zu- bzw. abgeführt wird, weshalb auch die einzelnen Kammern an mindestens dieser
Stirnseite offen sind und die Abdeckung bzw. Freigabe dieser Kammeröffnungen zwecks
Ermöglichung des Gasaustausches an entsprechenden Zeitpunkten durch einen mit entsprechenden
Durchbrechungen versehenen feststehenden Zwischenboden bzw. einem denselben ZZveck
erfüllenden Bauteil erfolgt, der einen Teil des den bzw. die Rotoren umschließenden
Gehäuses bilden kann.
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Zwecks Kleinhaltung der Gasverluste ist es wesentlich, daß der jeweilige
Zwischenraum zwischen diesem Zwischenboden und der Stirnseite des Rotors so klein
wie möglich gemacht wird; dabei ergeben sich jedoch Schwierigkeiten auf Grund der
Wärmedehnung des Rotors. Der Hauptgegenstand der vorliegenden Erfindung ist die
Schaffung von Konstruktionen, bei welchen der genannte -Zwischenraum klein und im
wesentlichen von unveränderlicher Größe ist und bei welchen gleichzeitig die Wärmedehnung
des Rotors in axialer Richtung bzw. eine Axialverschiebung des Rotors möglich ist.
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Gemäß vorliegender Erfindung ist bei einem Druckaustauscher zur gleichzeitigen
Expansion eines unter hohem Druck stehenden Mediums und Kompression eines unter
niedrigem Druck stehenden Mediums, der mindestens eine kreisförmig angeordnete Reihe
von Kammern bzw. einen Kammerkranz und mindestens eine das Medium verteilende jeweils
gegenüber einer Stirnseite des Kammerkranzes angeordnete Verteilungseinrichtung,
z. B. einen Leitapparat bzw. einen Zwischenboden, aufweist, mit dessen Hilfe bei
gleichzeitiger Relativdrehung zwischen diesem und dem Kammerkranz der Gasaustausch
in axialer Richtung erfolgt, der Zwischenboden und der Kammerkranz zusammen mit
einer entsprechenden Lagerung so angeordnet, daß einerseits deren gegenseitige Relativdrehung
möglich ist und andererseits der Axialabstand zwischen denselben festgelegt wird,
wobei der Zwischenboden so axial verschiebbar angebracht ist, daß der Axialabstand
zwischen Kammerkranz und Zwischenboden unveränderlich ist. Die Lagerung kann in
mindestens einem Lager bestehen, welches den Axialabstand zwischen der Stirnseite
des Kammerkranzes und dem Zwischenboden festlegt. Der verschiebbare Zwischenboden
kann in Führungen gehalten werden, die zwar eine Axialverschiebung zulassen, die
jedoch ein Kippen desselben in bezug auf den Kammerkranz verhindern. Eine Ausführungsform
einer solchen Führung kann in einer parallel beweglichen Vorrichtung bestehen, die
eine Axialverschiebung des Zwischenbodens gestattet, ohne daä derselbe gekippt wird;
diese Vorrichtung kann aus mindestens zwei Wellen bestehen, die jeweils in einer
bzw. mehreren parallelen, senkrecht zur Richtung der Axialverschiebung des Zwischenbodens
stehenden Ebenen an einem in bezug auf den Zwischenboden feststehenden Teil drehbar
gelagert und zueinander nicht parallel sind. Jede dieser Wellen ist mit mindestens
zwei Hebeln verbunden; diese Wellen ermöglichen in Verbindung mit an dem Zwischenboden
anienkenden Gelenken eine Verschiebung desselben ohne Kippen. Der Zwischenboden
kann durch entsprechende seitliche Stützen an der Ausführung von seitlichen Bewegungen
gehindert werden. Eine andere Ausführung einer solchen Führung kann aus mindestens
einer Stange bzw. röhrenförmigen Hülse, die an dem verschiebbaren Zwischenboden
befestigt ist und von diesem absteht, und aus mindestens einer weiteren röhrenförmigen
Hülse bzw. Stange bestehen, die an einem in bezug auf den Zwischenboden feststehenden
Teil befestigt ist und die erstgenannte Stange bzw. die erstgenannte röhrenförmige
Hülse jeweils berührt und abstützt; auch in diesem Fall kann eine Axialhewegung
des Zwischenbodens ohne Kippen und ohne seitliche Bewegung stattfinden.
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Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise unter Bezug auf die Zeichnungen
beschrieben, in welchen Fig. i ein Längsschnitt durch einen Druckaustauscher ist,
Fig.2 einen Querschnitt durch den Druckaustauscher längs der Linie A-A der Fig.
i darstellt, Fig. 3 einen Schnitt durch einen Druckausgleichszylinder mit einem
ühersetzungsgelenkhebelsystem zeigt, Fig.4 eine schematische Ansicht eines anderen
Gelenkhebelsystems ist, Fig.5 eine Innenansicht eines Deckels eines Druckaustauschers
mit Parallelgelenkhebelsystem ist und Fig. 6 einen Querschnitt durch diesen Deckel
mit Gelenkhebelsystem zeigt.
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Der in Fig. i und 2 dargestellte Druckaustauscher i besitzt einen
von einer ringförmig angeordneten Anzahl von Kammern bzw. einem Kammerkranz 3 gebildeten
Rotor 2, der innerhalb eines Gehäuses 4 zwischen zwei Böden 5 und 6 umläuft. Die
einzelnen Kammern 3 liegen mit ihren Längsachsen jeweils parallel zur Drehachse
des Kammerkranzes. An dem Gehäuse .4 ist ein Boden 6 und ein Deckel 7 angebracht.
Das Gehäuse 4 umschließt den Zwischenboden 5, der im Gehäuse so verschiebbar angeordnet
ist, daß er, ohne zu kippen und ohne sich zu verdrehen, axial verschoben werden
kann. An beiden Böden 5 und 6 befinden sich jeweils Lagerschilde 8 und 9, die Lager
io und t i enthalten. In den Lagern ruhen Wellen 12 und 13, die an den Stirnseiten
des Rotors 2 über Radsterne 14 und 15 mit diesem fest verbunden sind. Die beiden
Böden 5 und 6 weisen entsprechende Niederdruck- und Hochdruckeinlaß- und Auslaßdruckaustauschkanäle
16, 17 und 18, i9 auf, durch welche das unter niedrigem Druck stehende Medium (Luft)
und das unter hohem Druck stehende Medium (heiße Verbrennungsgase) zur Kompression
bzw.
l-xhansioci in den Kammern 3 des Rotors 2 zu- bzw. abgeführt wird. Die Druckaustauschkanäle
16 und 18 in (lern verschiebbaren Zwischenhoden 5 sind gasdicht verschiebbar an
Verbindungskanäle 20 und 21 im Gehäuse 4 angeschlossen. Zwischen den Verbindungskanälen
16, 20 und 18, 2#_ befinden sich jeweils Gasdichtungen 22 und 23,
die verhindern, claß beim Verschieben des Zwischenbodecis Arheitsmediucn verloren
geht. Die Wellen 12 und 13 sind in der Nähe der Radsterne 15 mittels einer
nachgiebigen Verbindung 24 miteiciander verbunden, die die axiale Verschiebung der
\N'ellen 12 und @i3 gegeneinander gestattet.
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Der Rotor 2 wird von zwei konzentrischen Zylindern, einem Außenzylinder
25 und einem Innenzylinder 26 gebildet, zwischen welchen radiale Trennwände 27 liegen,
die die Kammern 3 bilden. Zwischen dem Rotor 2 und den Böden 5 und 6 sind Labyrinthdichtungen
28 vorgesehen, die einen Gasverlust aus den Kammern 3 nach den Zwischenräumen innerhalb
des Gehäuses ,4 hin verhindern. Anstatt der Labyrinthdichtungen 28 können auch Kohledichtungen
aus hochtemperaturbeständigem und selbstschmierendem Kohlematerial Anwendung finden.
Das Gehäuse 4 bildet zusammen mit dem Deckel 7 und dem Boden 6 einen geschlossenen
Behälter, der den Rotor 2 umschließt. Die Zwischenräume entlang des Umfangs des
Rotors 2 können auf einem Druck gehalten werden, der zwischen dem Hochdruck und
dem Niederdruck der in den Kammern 3 expandierenden bzw. komprimierten Medien liegt,
um die Druckverluste aus den Kammern 3 möglichst niedrig zu halten.
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Das Lagerschild8 in dem verschiebbaren Zwischenboden 5 hält eine sich
in axialer Richtung erstreckende Hülse 29, die koaxial zu den Rotorwellen 12 bzw.
13 in eine Buchse 30 in den Gehäusedeckel 7 hineinragt, die von diesem
in Richtung nach dem Lagerschild 8 absteht. Die Hülse 29 enthält ein Lager
31, in welchem eine Verlängerung 1211 kleineren Durchmessers der Welle 12
bzw. 13 ruht, die durch eine Öffnung durch den Deckel ? hindurchragt. Die Hülse
29 ist axial innerhalb der Buchse 30 verschieblich und enthält eine Dichtung
33, welche die Wellenverlängerung 12" gegen die Hülse 29 abdichtet. während eine
Dichtung 32 die Öffnung in dem Deckel 7 abdichtet. Der Rotor 2 wird durch Antreiben
seiner Welle entweder über eine ihrer 1?nden 12a bzw. i311 oder auf irgendeine andere
Art in Umdrehung versetzt. ' In dem Deckel 7 befinden sich drei Druekausgleichszylinder
34 (Fig. i und 2), die dazu dienen, ein Kippen bzw. ein Verschieben des Zwischenlodens
5 unter dem Einfluß des hohen Druckes in einer der Kammern zu verhindern. Kolben
35, die jeweils in den Zylindern 34 gleiten, sind entweder über Stacigen36 direkt
oder über ein Ühersetzungsgelenkliel>elsvstem 36, 37, 38 (Fig. 3), welch letzteres
gestattet, daß kleinere Kolben und Zylinder Anwendung finden, indirekt mit dem Zwischenloden
5 verbunden.
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Dieselbe Wirkung kann jedoch auch mittels eines einzigen Druckausgleichszylinders
34 mit einem einzigen Kolben 35 erzielt werden, der mit einem Gelenkhebelsystem
verbunden ist, welches schematisch in Fig. 4 dargestellt ist. Der unter dem Druck
des Mediums in dem Zylinder 34 gleitende Kolben 35 wirkt über die Stange 36 auf
ein Ende eines Hebels 39, der über einen Gelenkhebel 4o an einem festen Punkt des
Deckels 7 angelenkt ist. Der Hebel 39 ist mit zwei in entsprechendem Abstand voneinander
befindlichenLenkern4i und 42 verbunden, die den Zwischenboden 5 gegen Verschiebungen
und Kippen infolge des Druckes in den Kammern 3 sichern.
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Der verschiebbare Zwischenboden 5 kann auch durch eine in den Fig.5
und 6 dargestellte Anordnung am Verschieben und Kippen gehindert werden. In dem
Deckel 7 ruhen zwei Wellen 43 und 44 in Lagern 45, 46 und 47, 48. Auf den Wellen
43 und 44 sind jeweils Hebel 49, 50 bzw. 51, 52 fest angebracht. An diesen
befinden sich Gelenkhebel 53, 54 und 55, 56, die mit dem Zwischenboden 5 beweglich
verbunden sind.
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In Verbindung mit den beiden Wellen 43 und 44 kann zur Ausgleichung
des Axialschubes, der von dem unter hohem Druck stehenden und entsprechend auf den
Zwischenboden 5 einwirkenden Medium 'herrührt, ein einzelner Druckausgleichszylinder
34 mit Kolben 35 und Kolbenstange 36 vorgesehen sein. An Stelle eines Druckausgleichszylinders
34 und Kolben 35 kann auch ein Membranausgleichssystem oder ein Ausgleichssystem
mit dehnbarem Balg Anwendung finden, das entweder unmittelbar oder mittelbar über
ein Gelenkhebelsy stem, wie oben beschrieben, auf den Zwischenboden 5 wirken kann.
Der Druckausgleichskolben, die Membranausgleichsvorrichtung bzw. die Bälge werden
vorzugsweise so angeordnet, daß sie im wesentlichen in axialerRichtung wirken, wobei
der für ihren Betrieb benötigte Mediumdruck aus einem geeignetenBereich desDruckaustauschers
bezogen wird.
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Im Betrieb sind dieVerbindungskanäle2i und i9 des Druckaustauschers
mit einem nicht gezeigten, unter hohem Druck stehenden Strömungskreis des Mediums
verbunden, während die Verbindungskanäle 20 und 17 mit ebenso nicht gezeigten,
unter niedrigem Druck stehenden Strömungskreisen des Mediums verbunden sind. Der
Zwischentoden 5 ist infolgedessen an einer Seite hohem Druck und an der anderen
Seite niedrigem Druck ausgesetzt. Die Druckdifferenz zwischen dem Hochdruck und
dem Niederdruck versucht, den Zwischenboden 5 zu kippen, während beide Beanspruchungen
versuchen, denselben axial zu verschieben und somit den Spalt zwischen dem Rotor
2 und dem Zwischenboden 5 zu vergrößern. Die Kolben 35 werden ebenfalls mit dem
Druck des Mediums beschickt, um die auf den Zwischenboden 5 wirkenden Beanspruchungen
auszugleichen. Das unter hohem Druck stehende, von einem entsprechenden Punkt des
Druckaustauschers i bezogene Medium kann über eine Röhre 57 zwei Kolben 35 beiderseits
des Hochdruckkanals 21 (Fig.2) zugeführt werden, während dem auf der Niederdruckkanalseite
20 liegenden
Kolben 35 über eine entsprechende Öffnung Atmosphärendruck
zugeführt wird. Gleichzeitig wird durch die Fixierung der Hülse 29 in der Buchse
30 der Zwischenboden 5 daran gehindert, zu kippen bzw. eine seitliche Bewegung auszuführen.
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Das in Fig.4 dargestellte Einkolbengelenkhebelausgleichssystem stellt
eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar, die dazu verwendet werden kann,
alle, auf den Zwischenboden 5 wirkenden Kräfte auszugleichen. In diesem Fall kann
die innerhalb der Buchse 30 gleitende Hülse 29 ebenfalls ein Kippen bzw.
eine seitliche Bewegung des Zwischenbodens 5 verhindern.
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Das parallel bewegliche, in den Fig. 5 und 6 dargestellte Gelenkhebelsystem
kann in dem Druckaustauscher i je nach Erfordernis in Verbindung mit einem, zwei
oder drei Kolben 35 Anwendung finden, um das Kippen bzw. den Axialschub des Zwischenbodens
5 auszugleichen. In diesem Fall ist es notwendig, einen Mechanismus vorzusehen,
der die seitliche Bewegung des Zwischenbodens 5 verhindert; infolgedessen wird in
dieses System die in der Buchse 30 gleitende Hülse 29 bzw. ein eine gleiche
Wirkung ausübender :Mechanismus mit einbezogen.
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Bei einem Druckaustauscher, bei welchem zwei verschiebbare Zwischenböden,
zwischen welchen ein oder mehrere Rotoren liegen, vorgesehen sind, ist jeder Zwischenboden
axial verschiebbar angeordnet, so daß im wesentlichen in gleicher Art, wie oben
für einen einzelnen verschiebbaren Zwischenboden beschrieben, Axialbewegungen auf
Grund von Wärmedehnungen bzw. andere Axialverschiebungen des bzw. der Rotoren möglich
sind. Wenn zwei verschiebbare Zwischenböden einen Ausgleich erfordern, kann ein
Zwischenboden durch einen bzw. mehrere Druckausgleichskolben, Membranen oder Bälge
direkt ausgeglichen werden, während der andere Zwischenboden mittelbar über dieselben
Kolben, Membranen oder Bälge über Hebel und Gelenke ausgeglichen wird.
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Offensichtlich können, wo in Zylindern bewegliche Kolben zur Herstellung
der Ausgleichskräfte benutzt werden, dieZylinder auch an denZwischenböden und die
Kolben an dem feststehenden Teil der Maschine angeordnet werden, was dann einer
Umkehrung der in den Zeichnungen dargestellten und oben beschriebenen Anordnung
darstellt.
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Um die Erfindung mit gutem Erfolg anzuwenden, kann es von Vorteil
sein, bestimmte Teile der Anordnung zu heizen bzw. zu kühlen, indem von anderen
Teilen des Druckaustauschers Arbeitsmedium abgeleitet wird und dieses Medium so
weitergeleitet wird, daß es in Berührung mit den Teilen, deren Temperatur geregelt
werden soll, beispielsweise der Rotorwelle und den Lagern, kommt, wobei der Zweck
der ist, die Erwärmungstemperatur herabzusetzen bzw. in bestimmten Teilen des Austauschers
bestimmte Temperaturen herzustellen.
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Bei einem Druckaustauscher, hei welchem eines der Medien hohe Temperatur
hat, kann es nötig sein, bestimmte Teile, beispielsweise die Lager und die in deren
Nähe liegenden Abstützungen, zu kühlen. Das in Fig. i dargestellte Lagerschild 8
besitzt einen das Lager io umgebenden Flüssigkeitskühlmantel 58, während die Buchse
30, wie aus der Abbildung ersichtlich ist, mit einem die Hülse 29 umgebenden Flüssigkeitsmantel
59 ausgestattet ist.