DE879344C - Druckaustauscher - Google Patents

Druckaustauscher

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DE879344C
DE879344C DEJ1991A DEJ0001991A DE879344C DE 879344 C DE879344 C DE 879344C DE J1991 A DEJ1991 A DE J1991A DE J0001991 A DEJ0001991 A DE J0001991A DE 879344 C DE879344 C DE 879344C
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gas
rotor
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pressure
blades
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DEJ1991A
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Inventor
George Jendrassik
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04FPUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F13/00Pressure exchangers

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  • Druckaustauscher Die Erfindung bezieht sich auf rotierende Druckaustauscher für gasförmige Druckmittel, bei denen wenigstens ein Zellenring für die Kompression oder Expansion von Gas vorgesehen ist und bei denen im Betrieb (zu derjenigen Zeit, wenn eine Relativdrehung zwischen Zellenring und den benachbarten Austauscherteilen stattfindet) die Zellen, welche komprimiertes Gas enthalten, in Verbindung mit andern Zellen (des gleichen oder eines anderen Rings) gebracht werden, welche Gas unter geringerem Druck enthalten, so daß das komprimierte Gas expandiert und dadurch Gas in den andern Zellen komprimiert wird, wobei den Kompressions-und den Expansionszuständen, die auf diese Weise entstehen, `'Wärmezufuhr- und Wärmeahweisungszustände zugeordnet «-erden, «-elche den Gasfluß in die Zellen hinein und/oder aus ihnen heraus zur Folge haben, um die Raumveränderungen auszugleichen, die sich aus der Änderung des Wärmeinhalts ergeben.
  • Während sich eine im Kompressionszustand befindliche Zelle (Kompressionszelle) in Verbindung mit einer im Expansionszustand befindlichen Zelle (Expansionszelle) befindet, ist notwendigerweise ein Gasfluß (im nachfolgenden Durchgangsgas genannt) von der Zelle, in. welcher das Gas expandiert, zur Zelle, in welcher das Gas komprimiert wird, vorhanden.
  • Der Gasfluß, der im Wärmezufuhrstadium auftritt, braucht wenn möglich nicht größer zu sein, als der Gasentnahme aus den Zellen mit Überschußgas, das infolge der Raumvergrößerung auftritt, die ihrerseits eine Folge der-Wärm.ezufuhr ist,.entspricht, und in gleicher Weise braucht der Gasfluß, der beim Wärmeabgabe- oder Wärmeabweisungszustand auftritt, wenn. möglich,- nicht größer zu sein, als der Gaszufuhr zu den Zellen entspiicht, um den Raumverlust, der sich aus der Abkühlung ergibt, auszugleichen. . -In der Praxis ist es zweckmäßig, wenigstens soweit die Wärmeabweisung und gegebenenfalls auch die Wärmezufuhr in Betracht kommt, daß sie sich außerhalb der Zellen abspielt, und zu diesem Zweck ist bereits vorgeschlagen worden, daß der demWärmeabweisungszustand und der denWärme= zufuhrstadien zugeordnete GasluB durch einen Prozeß (im nachfolgenden bewirkt wird, durch welchen, aus jeder Zelle, die in die Wärmezufuhrzone oder --Wärmeabweisungszone eintritt, ihr Gasinhalt entfernt und dieser durch anderes Gas ersetzt wird, welches 'außerhalb der Zelle in besonderer Weise erwärmt oder abgekühlt worden ist oder welches jedenfalls einer Gasquelle entnommen wird, deren Gas bereits die gewünschte hohe oder niedrigere Temperatur hat, wobei dieser Prozeß des Entfernens und Ersetzens einen. Dauerstrom von Gas hervorruft, der durch die Zellen fließt, in welchen er sich gerade abspielt.
  • Die Punkte im Arbeitskreislauf, an. denen Wärmezufuhr und Wärmeabweisung stattfinden, hängen von dem beabsichtigten Verwendungszweck der Maschine ab. Wenn der Druckaustauscher als Gasquelle für heißes Hochdruckgas z. B. für die Expansion in einer Gasturbine oder einer anderen Maschine zwecks Erzeugung von: mechanischer Arbeit benutzt werden soll, dann tritt die Wärmezufuhr bei hohem Druck und die Wärmeabweisung bei niedrigerem Druck auf. Wird andererseits der Druckaustauscher als Wärmepumpe oder Kältemaschine benutzt, .dann ist es umgekehrt, d. h. Wärmezufuhr bei niedrigerem Drück, Wärmeabweisung bei hohem Druck. , Besonders zweckmäßig ist es, wenn jeder Zellenring einen Läufer bildet. Wird mehrmals ein Läufer verwendet, so kann die Anordnung so getroffen werden"daß der Fluß des Durchgangsgases von den Expansionszellen des einen Läufers her zu den Kompressionszellen. eines anderen Läufers hin erfolgt.
  • Die Erfindung dient in erster Linie dazu, die solchen Druckaustauschern "eigentümlichen Leistungsverluste zu verringern. Insbesondere ergibt sich aus dem Umstand, daß das Durchgangsgas beim Fließen von einer Zelle zur anderen, "gegebenenfalls über Spezialleitungsverbindungen, notwendigerweise etwas freie Expansion erfährt, die keine Nutzarbeit dadurch leistet, daß sie Gas in .einer Kompressionszelle komprimiert, und die daher einen Leistungsverlust darstellt.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Druckaustauscher der vorerwähnten Art geschaffen, bei welchem der Fluß, des Durchgangsgases so durch eine Turbinenbeschaufelung oder ein gleichwertiges Turbinenelement durchgeleitet wird, daß ein Teil der Leistung des Gases in Form von mechanischer Arbeit abgeleitet oder abgezweigt wird. Solche mechanische Arbeit kann (allein oder mit) zum Drehen eines oder mehrerer Läufer des Druckaustauschers benutzt werden und gegebenenfalls auch zum Abgeben von mechanischer oder Wellenleistung nach außen, hin. _ "Die Erfindung betrifft außerdem Druckaustauscher der vorerwähnten Art mit wenigstens einem Läufer, welcher einen Ring von. Zellen bildet, wobei der Läuferaufbau eine Turbinenbeschaufelung aufweist, welche beim Betrieb das Durchgangsgas aufnimmt, welches von den Expansionszellen her zu den Kompressionszellen hinfließt. Vorteilhaft wird dann ein, Ständerbesehaufelungssysteni in solcher Weise bemessen und vorgesehen, daß es Durchgangsgas aufnimmt, das mittels der Läuferbeschaufelung einer Expansionszelle gefördert wird, und daß dieses Gas über Führungsmittel der `Läuferbeschaufelung einer Kompressionszelle des gleichen Läufers oder eines anderen zugeführt wird.
  • Die Anordnung kann erfindungsgemäß so getroffen werden, daß die mechanische Arbeit, die von der Beschaufelung aufgenommen wird, nur so groß ist, daß damit der oder die Läufer angetrieben werden, oder sie kann so groß. sein, daß sie zum Antrieb des oder der Läufer ausreicht und darüber hinaus noch Leistung nach außen über die Läuferwelle oder -wellen abgibt, wobei der Rest der Nutzleistung des Druckaustauschers dazu benutzt werden kann, eine Belieferung mit Hochdruckgas für. Außenverwendung, z. B. in einer besonderen Turbine, durchzuführen. Die Anordnung kann so getroffen sein, daß die von gern Druckaustauscher geleistete Gesamtarbeit in irgendeinem gewünschten, Verhältnis aufgeteilt wird in Lieferung von komprimiertem Gas für Außenverwendung und mechanischer Arbeit, die vom Durchgangsgas in der Form von Wellenleistung abgenommen wird. In einem Grenzfall kann die gesamte Nutzleistung auch als Wellenleistung abgenommen werden, so daß also praktisch kein komprimiertes Gas für Fremdverwendung erzeugt wird. Es ist aber im allgemeinen vorteilhafter, den Druckaustauscher nur so viel mechanische Leistung erzeugen zu lassen, als der Wärmemenge entspricht, welche in jedem Falle beim Druckaustauschvorgang verlorengeht. Eine solche Leistung kann außer zum Antrieb des Zellenläufers oder der Zellenläufer zweckmäßig dazu verwandt werden, um Hilfsmaschinen, wie beispielsweise Spülgebläse oder -kompressoren oder Zusatzkompressoren, anzutreiben, welche Druckgas für die Spülung liefern können.
  • - Vorzugsweise werden die Druckaustauscher gemäß der Erfindung so- bemessen, da,ß im Betrieb die Verbindung zwischen einer Kompressionszelle und einer Expansionszelle erschwert bzw. gehemmt wird, bevor der Fluß des Durchgangsgases sein Ende gefunden, hat.
  • Ausführungsbeispiele für Druckausgleicher gemäß der Erfindung sollen nun an Hand der Zeichnung ausführlicher beschrieben werden. Die ein zelnen Beispiele, die nachfolgend beschrieben sind, beziehen sich alle auf Ausführungsformen, bei denen jeder Zellenring zu einem selbstantreibenden Läufer zusammengefa:ßt ist und die Zellen sowohl im Wärmeeinla,ß- als auch im Wärmeabweisstadium gespült werden. Der Einfachheit halber soll in der nachfolgenden Beschreibung angenommen werden, dar die beschriebenen _XIaschinen so entworfen sind, daß sie die Lieferung von heißem Druckgas bewirken. In der Zeichnung ist Fig. i ein Achsschnitt durch einen Ein-Läufer-Typ-Druckaustauscher gemäß der Schnittlinie 1-I in Fig. 4., Fig. 2 ein Querschnitt nach der Schnittlinie II-II in Fig. i, der ein Ende des Läufers wiedergibt, Fig. 3 ein ähnlicher Schnitt nach der Schnittlinie III-111 in Fig. i, welcher das andere Ende des Läufers wiedergibt, Fig. d. ein ähnlicher Schnitt nach der Schnittlinie IV-IV in Fig. i, Fig.5 ein ähnlicher Schnitt nach der Schnittlinie V-V in Fig. i, Fig. 6 eine Draufsicht von links her auf die Anordnung nach Fig. i, Fig. 7 ein Schnitt ähnlich demjenigen, in Fig. i, jedoch nach der Schnittlinie VII-VII in Fig. .I, also ein Achsschnitt unter rechtem Winkel zur Ebene 1-I in Fig. d., Fig. 8 eine Abwicklung in die Umfangsebene von Fig. i, Fig. 9 ein Geschwindigkeitsdiagramm entsprechend der Turbinenbeschaufelung nach Fig. 8, Fig. g a, eine Abänderung derjenigen nach Fig. i, Fig. io eine Ansicht ähnlich derjenigen nach F4-1- 4, jedoch einer abgeänderten Ausführungsform, Fig. i i eine Ansicht ähnlich derjenigen nach Fig.3, die jedcch eine abgeänderte Ausführungsform wiedergibt, welche in Verbindung mit derjenigen nach Fig. io verwendet wird, Fig. i i a ein Diagramm für eine Ausführungsform einer Tu rbinenläuferbeschaufelung, wie sie für die Ausführungsform nach Fig. i i geeignet ist, Fig. i i b. ein Diagramm ähnlich demjenigen nach Fig. i i a, Fig. i-2 ein Achsschnitt durch einen Druckaustauscher mit einem Paar von gegendrehenden Läufern nach einer Schnittebene ähnlich derjenigen nach Fig.7. Fig. i2a eine gegenüber derjenigen nach Fig. 12 abgeänderte Ausführungsform, welche das in Fig. 9 a. dargestellte Merkmal verkörpert, Fig. 13 eine Abwicklung in eine Umfangsebene von Fig. i2, Fig. 14 ein Geschwindigkeitsdiagramm entsprechend der Turbinenbeschaufelung nach Fig. 13, Fig. 15 ein Schnitt ähnlich demjenigen nach Fig. 12, jedoch durch einen Druckaustauscher mit einem Paar von gegendrehenden Läufern, welche durch ein nichtdrehendes Trennelement voneinander geschieden sind, Fig. i5 a eine Kombination der Anordnung nach Fig. 15 und Fig. 9 a, Fig. 16 eine- Abwicklung in eine Umfangsebefi nach Fig. i5, Fig. 17 ein Geschwindigkeitsdiagramm entsprechend der Turbinenbeschaufelung nach Fig. 16, Fig. i8 eine Ansicht ähnlich derjenigen nach Fig. q., jedoch eines weiteren Ausführungsbeispiels, Fig. ig eine, Abwicklung in eine Umfangsebene von Fig. i2, die ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung veranschaulicht, Fig. 20 eine Ansicht weitgehend derjenigen nach Fig. ig, die die Anwendung des in Fig. i9 dargestellten Erfindungsmerkmals bei Ein-Läufer-Maschinen zeigt.
  • DerDruckaustauscher nach den Fig. i bis 7 besteht aus einem Läufer i, der aus dem inneren Zylinder 2 und dem äußeren Zylinder 3 besteht, wobei die Zylinder durch radiale Trennwände.I in Kammern 5 aufgeteilt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird. Umkehrspülung verwendet, wie im Nachfolgenden. beschrieben, und daher enthält der Läufer auch eine zylindrische Trennwand 6, welche die Zellen in radialer Richtung in innere und äußere Zellenteile aufteilt. Der Läufer ist an seiner einen Endfläche mit einem Ring von Turbinenläuferschaufeln 7 versehen., wobei die Zellen. 5 an diesem Ende bis auf die durch die Beschaufelung v orgesehe:nen Durchlässe geschlossen sind. An dem anderen Ende sind die Zellen 5 offen, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.
  • Der Läufer ist für die Drehung in einem äußeren Gehäuse 8 mit Endplatten 9 und, io vorgesehen, von denen. die Platte 9 mit Bögen aus Sta.torschaufeln i i, 1:2 (Fig. d.) versehen ist, wobei die Gasdurchlässe dieser Beschaufelung mit den Rohren 13 für die Gasübermittlung verbunden sind. Es sind mehrere Schaufeldurchlässe in Verbindung mit einer Zelle, wobei jedes Rohr 13 ebenfalls mit mehr als einem Schaufeldurchla.ß in Verbindung stehen kann; während des Arbeitsvorgangs besteht keine Verbindung zwischen den Zellen außer dort, wo sie für den Druckaustauschvorgang nötig ist.
  • Es sei angenommen, daß derLäufer sich im L'hrzeigersinn gemäß Fig. ,I dreht, wobei dann der Arbeitskreislauf der folgende ist: AD ist das Expansionsstadium bzw. der Expansion:s- oder Entspannungszustand, DC ist der Niederdruckspülzustand, währenddessen Wärmeabweisung bzw. Wärmeabgabe erfolgt, CB ist der Kompressionszustand, während B.4 dem Hochdruckspülzustand entspricht, bei welchem Wärmezufuhr vorliegt.
  • DieSpülaussparungen(Spülschlitze) in der Endplatte io sind mit einer Leitungsführung in Verbindung, wie dies aus Fig. 7 zu erkennen. ist, wobei 1d. die Hochdruckspülzuleitung ist und 15 die Niederdruckspülzuleitung. Im vorliegenden Falle wird angenommen, daß das Gas, das für die Hochdruckspülung benutzt wird, eine äußere Wärmezufuhr erfährt beispielsweise dadurch, daß Brennstoff in ihm in einer Brennkammer verbrannt wird und es später in zwei Teile aufteilt, von denen der eine zurück zum Druckaustauscher zwecks Wiederfüllung der Zellen bei der Hochdruckspülung geleitet und der andere einem Verbraucher, wie beispielsweise einer besonderen Gasturbinenanlage, übermittelt wird.
  • Die allgemeine Ausgestaltung und Wirkungsweise -der an Hand :der Fig. i bis 7 vorbeschriebenen. Maschine ist am besten aus Fig. 8 zu ersehen, welche eine vollständige Umfangsabwicklung des Läufers und der zugehörigen Teile wiedergibt. Der Läufer dreht sich von rechts nach links. Beginnend mit der Niederdruckspülzone DC wird Frischluft mit Atmospbärendruck über die Leitung 15 a zugeführt, und diese füllt die Zellen, welche mit der letzteren übereinstimmen bzw zusammenwirken, indem diese Zellen, vom Auspuffgas gereinigt werden, welches durch die Leitung i5b ausströmt. - Jede Zelle ist durch die Trennwand C in einen Innenradialteil und in einen Außenradialteil (vgl. auch Fig. i bis 7) aufgeteilt. Die Frischluft wird durch die Leitung 15a dem inneren Teil -der Zelle übermittelt, während das Auspuffgas vom äußeren Teil der Zelle durch die Leitung 15b abgeleitet wird, so daß der Weg des resultierenden Gasstromes, welcher durch die Zellen in der durch die Pfeile LP in den Fig. 7 und 8 kenntlich gemachten Weise hindurchfließt, einer Umkehrströmung entspricht. Der Kürze halber soll dieses Arbeitsverfahren GegenstromspÜlung genannt werden.
  • Die Zellen, welche mit der Hochdruckspülleitüng 14 in der Zone BA zusammenarbeiten, sollen nunmehr betrachtet werden. Die inneren radialen Teile dieser Zellen) stehen, mit der Einlaßleitung 149 in Verbindung, die äußeren radialen Teile mit der Auslaßleitung 1q. b (s. auch Fig. 7). Die Leitung iq.P führt zu einer Brennkammer 2o, deren Auslaß in das Rohr 21 abzweigt, welches das heiße Hochdruckgas liefert, welches in diesem Falle den Nutzausgang der Maschine bildet, und in die bereits erwähnte Leitung iq.a. Zellen, die sich von rechts nach links bewegen und im Begriff sind, mit der Zone BA zusammenzuwirken, enthalten Gas, das wie vorerwähnt im Druckaustauscher auf einen Druck gebracht ist, der wesentlich oberhalb des Atmosphärendruckes liegt. Wenn diese Zellen die Zone BA erreichen, so, leiten sie ihre Inhalte in die Leitung iq.P ab. In der so geförderten komprimierten: Luft wird Brennstoff in der Brennkammer 2o, z. B. durch Einspritzen flüssigen.Brennr stoffes; verbrannt. Von den, resultierenden heißen Verbrennungsgasen, welche unter, hohem Druck sind, wird ein Teil- über die Leitung ai einem Verbraucher zugeführt. Im vorliegenden, Falle soll dieses Gas einer Gasturbine übermittelt werden, in welcher es expandiert, um mechanische Wellenleistung hervorzurufen. Der übrige Teil der heißen Gase wird über Leitung 149 zum Füllen der Zellen in der Zone BA im Austausch für das vorerwähntekomprimierte Gas benutzt. Es ist ersichtlich, daß dann, wenn die Maschine in Betrieb ist, eine Verbrennung in der Kammer 2o dauernd erfolgt, so daß in der Hochdruckspülzone BA ein dauernder Gasstrom durch die Zellen fegt bzw. strömt, welche komprimiertes Gas liefern und mit Ho-chdruckverbrennungsgasen neu gefüllt werden. Auch in -diesein Falle erfolgt das Spülen im Gegenstrom (s. Pfeile HP).
  • Die Zellen in der EXpansio@nszone AD stehen mit den Zellen in der Kompressionszone CB über Druckaustauschröhren 13 in Verbindung. Eine Zelle, die gerade: die Zone BA verläßt und Gas mit dem höchstmöglichen Druck der Kreisfolge enthält, kommt in Verbindung mit der Röhre 13a, welche sie kurzzeitig mit einer Zelle etwas geringeren Druckes in der Zone CB in Verbindung bringt. Während dieser kurzzeitigen, Verbindung nimmt der Druckunterschied zwischen den beiden kommunizierenden Zellen ab oder verschwindet ganz oder jedenfalls annähernd, wodurch notwendigerweise ein, kleiner Gasstrom entlang der Röhre 13" in Richtung der Pfeile von der Expansionszelle nach der Kompressionszelle fließt. Dieser Gasstrom soll der Kürze wegen Durchgangsgas (s. Pfeile T) genannt werden. Infolge des sogenannten Druckaustausches, welcher zwischen den, zusamrnenge,-schalteten Zellen eingetreten ist, hat die Zelle in, der Zone AD einen Druckabfall erfahren., während die Zelle in, der Zone CB einem Druckanstieg erfährt.
  • Die Zelle in Zone AD, die der Betrachtung zugrunde gelegt worden war, bewegt sich weiter und wird über die Röhre 13b mit einer anderen Zelle in der Zone CB in Verbindung gebracht, so daß ein ähnlicher Druckaustausch sich zwischen diesen Zellen abspielt. Der gleiche Vorgang erfolgt jedesmal, wenn eine Zelle in der Zone AD mit einer der Röhren 139 bis 13e inVerbindung kommt. Die Folge davon ist, daß eine Zelle während ihres Weges von A bis D aufeinanderfolgende Expansionsstufen durchläuft, und zwar mit dem Auspuffdruck endend, während gleichzeitig der Gasgehalt einer Zelle auf ihrem Weg von C bis B aufeinanderfolgendeDrucksteigerungen erfährt, und zwar endend mit oder mit nahezu dem Druck der Luft, welche bei iqP gefördert wird. Die Zellen, die in irgendeinem Augenblick in der Kompressionszone CB stehen, sind unter einem Druck, welcher schrittweise in Richtung von C nach B zunimmt, wie dies schaubildlich durch die strichpunktierte Linie X angedeutet ist, während die Zellen in, der Expansionszone AD unter einem Druck stehen, welcher schrittweise in Richtung von A nach D abfällt, wie dies durch die strichpunktierte Linie Y angedeutet ist. Es kann erforderlich sein, Windräder in der Leitung 1q., 15 vorzusehen, um den Spülstrom zu beschleunigen. Außerdem sei darauf hingewiesen, daß es beim Entwurf einer praktisch brauchbaren Maschine erwünscht ist, die Öffnungen der Röhren 13 so zu bemessen, daß kein Leckaustreten zwischen benachbarten Zellen in der Kompressions- oder Expa,n.-sionsstufe erfolgt.
  • Eine Parallel- oder Nebenleitung 22 ist mit einem Ventil 23 versehen, um die Menge der Luft einregeln zu können, welche durch .die Brennkammer hindurchströmt. Ein Ventil 24 ist außerdem vorgesehen, um die Menge des Brennglases einregeln zu können, welches durch dieLeitung 21 und iq.a fließt.
  • Aus Fig. 8 ist zu ersehen, daß dieLäuferbeschaufelung 7 als Reaktionsbeschaufelung in bezug auf die Bewegung des Gases, das die Zellen I, die unter Expansion befindlich sind, verläßt, sowie als Impulsbeschaufelung mit Bezug auf das Gas, das in dieZellen 1I, die- unterKompressio-rn befindlich sind, eintritt, ausgebildet ist. Die Ständerbeschaufelung 11, 12 ist so ausgeführt, daß sie mit einem kleinstmöglichen Leistungsverlust übermitteltes Gas aufnimmt, welches von den Zellen herkommt, und da.ß sie dann in geeigneter Weise den, Ausstoß ein ,s solchen Gases zur Läuferbeschaufelung einer Kompressionszelle zuleitet. Fig. 9 ist ein typisches Geschwindigkeitsdiagramm für die durch Fig. 8 veranschaulichte Beschaufelung, wobei die- Bezugszeichen folgende vektorielle Bedeutung haben: LT Umfangsgeschwindigkeit, 0.4 Gasgeschwindigkeit relativ zum Läufer beim Verlassen der Expansionszellen, OB Gasgeschwindigkeit relativ zur Ständerbescha.ufelung beim Eintritt in dieselbe, 0E Gasgeschwindigkeit relativ zum Ständer beim Verlassen desselben und Eintritt in die Kompressionszellen, OF Gasgeschwindigkeit relativ zum Läufer beim Eintritt in die Kompressionszellen. OB Geschwindigkeit relativ zum Läufer des Gases beim Eintritt in die Kompressionszellen nach Verlassen der Läuferschaufeln.
  • Fig. 9 a zeigt eine Maschine ähnlich derjenigen nach Fig. i, bei welcher jedoch die Zellen und Endplatten Spülöffnungen an jedem Ende aufweisen, so daß ein durchlaufendes axiales Spülen, d.h. ohne Umkehrstrom ermöglicht wird. In diesem Falle sind die Läuferschaufeln 7 in einem Teil des Läufers vorgesehen, welcher einen größeren. Durchmesser aufweist, so daß der Fluß des Spülgases (s. Pfeile) die Beschaufelung in einer radialen nach innen gerichteten Zone umgehen kann. Die Ständerbeschaufelung 11, 1? ist notwendigerweise ebenfalls auf einem größeren Durchmesser vorgesehen. Die obere Hälfte von Fig. 9a ist ein Schnitt durch eine Spülstufe oder -zone, während die, untere einen Schnitt durch Kompressions- und Expansionsstufen oder -zonen wiedergibt.
  • Die Fig. io und ii zeigen eine Abwandlung, welche die Erreichung eines höheren Schaufelwirkungsgrades ermöglicht, und zwar dadurch, daß bei einer Anordnung gemäß Fig. 8 das Durchtrittsgas durch die Läuferbeschaufelung zuerst in der einen und dann in der anderen Richtung fließt. Zur BeseitigungdieserSchwierigkeitenkönnen dieBögen 11, 12 der Ständerschaufeln unter verschiedenen Halbmessern, xvie inFig. io angedeutet, vorgesehen werden, wobei der Läufer mit zwei konzentrischen Sätzen oder Gruppen von Läuferschaufeln 16, 17 versehen ist und die Ständerschaufeln i i und die Läuferschaufeln 16 so ausgebildet sind, daß sie für den Gasfluß in. der einenRichtung zusammenpassen, während die Läuferschaufeln 17 und die Ständerschaufeln 12 so ausgeführt sind, daß sie für einen Gasfluß in der anderen. Richtung zusammenpassen. Im Betrieb wird die betreffende Läuferbeschaufelung, die nicht in Benutzung ist, durch den nichtunterbrochenen Teil der Platte 9 abgedeckt. Die Fig. i i a, i 11) sind Schnittdarstellungen, die die Lä uferheschaufelung i6 und 17 veranschaulichen. Die in Fig. 12 und 13 dargestellte Maschine besteht aus einem Paar von gegendrehendenLäufern i. iA, die zur Ausführung der Drehung in. entgegengesetzten Richtungen in: einem Gehäuse 8 angeordnet sind. In diesem Falle sind keine Rohre entsprechend den Rohren 13 vorgesehen, und der Fluß des übertrittsgases (s. Pfeile T, Fig. 13) erfolgt unmittelbar von den Expansionszellen des einen Läufers in die Kompressionszellen des anderen Läufers, wobei das Spiel zwischen den Läufern gerade groß genug ist, daß ein zufriedenstellendes Arbeiten sichergestellt und ein übermäßiges Leckaustreten verhindert wird.
  • Eine Hochdruckspülung 1.4 ist an jedem Ende vorgesehen. und eine entsprechende \Tiederdruckspülung 15 ist ebenfalls an beiden Enden vorhanden. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist jeder Läufer mit einer Turbinenlänferbeschaufelung 7 versehen. In diesem Falle ist keine entsprechende Ständerbeschaufelung vorhanden., und da das Gas nacheinander in verschiedenen Richtungen bei der gleichen Art vom Läuferbeschaufelung fließen muß, kann ein hoher Wirkungsgrad nicht erwartet wer-Z> 13 zeigt einen typischenQuerschnitt durch eine Beschaufelung, die sich für diese Maschinengattung eignet, während Fig. 14 ein typisches Geschwindigkeitsdiagramm für die Beschaufelung nach Fig. 13 wiedergibt, wobei die Bezugszeichen folgende Bedeutung haben: LT Umfangsgeschwindigkeit, 0.4 Gasgeschwindigkeit relativ zum Lä.trfer i beim Verlassen desselben, 0D Gasgeschwindigkeit relativ zum Läufer va beim Eintritt in denselben, OB Geschwindigkeit relativ zum Läufer 1a des Gases beim Eintritt in die Zelle und nach Verlassen der Läuferschaufel.
  • Fi.g. i2a zeigt eine Abwandlung der Fig. 12, um (las besondere Erfindungsmerkmal der Fig. 9 a ebenfalls zur Anwendung zu bringen, d. h. die, Läuferschaufeln 7 sind in. diametral vergrößerten Teilen der Läufertrommel zwecks Ermöglichung der geradeaus verlaufenden axialen Spülung vorgesehen. Eine ortsfeste Trennwand 16A zwischen den Läufern ist mit Öffnungen zum Durchlaß des Spülgasflusses in der durch Pfeile angedeuteten Richtung vorgesehen.
  • Zwecks Erzielung eines höheren Schaufelwirkungsgrades in einer Zwei-Läufer-Maschine kann die in Fig. 15 und 16 dargestellte Ausführungsform Anwendung finden, bei welcher die gegenläufigen Läufer i, ia durch ein ortsfeste Trennwand 16 voneinander geschieden sind, welche Bugen aus Ständerschaufeln 17, 18 aufweisen, die in ihrer Wirkung ähnlich den Beschaufelungen 11, 12 in Fig.4. sind. In Fig. 15 ist die obere Hälfte ein Schnitt durch eine Spülstufe oder Zone, während die andere Hälfte einen Schnitt durch Kompressions-und Expansionsstufen oder -zonen wiedergibt. Die Schaufeln 17, i8 können, wie aus Fig. 15 ersichtlich, je aus zwei Reihen von Schaufeln bestehen wie dargestellt, oder es kann alternativ eine einzige Schaufelreihe in jedem Fall zur Anwendung kommen. Fig. 17 ist ein typisches Geschwindigkeitsdiagramm für die in der Fig.16 gezeigte Beschaufelung, die Bezugszeichen haben folgende Bedeutung: U Umfangsgeschwindigkeit, 0A 'Gasgeschwindigkeit relativ zum Läufer i beim Verlassen desselben, OB Gasgeschwindigkeit relativ zum Zwischenteil (Ständer) beim Austritt aus Läufer z, 0C Gasgeschwindigkeit relativ zum Zwischenteil beim Verlassen desselben und Eintritt in Läufer ja, 0A Gasgeschwindigkeit relativ zum Läufer ja beim Eintritt in denselben, OB Geschwindigkeit relativ zum Läufer ja des Gases beim Eintritt in die Zellen nach Verlassen der Läuferschaufel.
  • Fig. 15 a zeigt eine Ausführungsform, welche sich durch einige praktische Vorteile auszeichnet und welche im wesentlichem die Kombination der Anordnung nach Fig. 15 mit dem besonderen Merkmai nach Fig.9a darstellt. Die obere Hälfte von Fig. 15 a ist ein Schnitt durch eine Spülstufe oder -zone, während die untere Hälfte einen Schnitt durch Kompressions- und Expansionsstufen oder -zonen wiedergibt. Es ist ersichtlich, daß in diesem Fall die Zellen in Parallelanordnung gespült werden.
  • In den Fällen, wo eine Gehäusebeschaufelung Verwendung findet, ist es aus Gründen, die sich aus den verschiedenen Gasdichten ergeben, vorteilhaft, die Anordnung so zu treffen, daß die Kompressions-und die Expansionszellen, die in der Nähe der Hochdruckzone sind, über eine Ständerbeschaufelung in Verbindung gebracht werden, bei welcher die Gasdurchlässe eine kleinere Querschnittsflüche aufweisen als diejenigen in der Niederdruckzone. Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in Fig. i8 dargestellt, bei welcher E den Expansionszustand und C den Kompressionszustand wiedergibt, wobei der Druck in den Expansionszellen in der Richtung des Pfeiles bei E abnimmt und der Druck in den Kompressionszellen in der Richtung des Pfeiles bei C zunimmt. Wie ersichtlich, wird das gewünschte Ergebnis dadurch erreicht, daß die Schaufelradiallänge der Ständerschaufeln stufenweise in Umfangsrichtung von der Niederdruckzur Hochdruckzone zu abnimmt. Als Alternativlösung einer solchen. Ausführungsform kann die Schaufellänge auch stetig und nicht schrittweise abnehmen. Zwecks Verbesserung des Schaufelwirkungsgrades können die zusammenwirkenden Läuferschaufelblätter aus Abschnitten mit _verschiedener Schaufelgestalt an den verschiedenen radialen Stellen verwendet werden, so da.ß sie in geeigneterer Weise mit den Ständerschaufeln der betreffenden Schaufellänge zusammenwirken. Die verschiedenen Abschnitte der Läuferschaufeln können über zylindrische Trennringe oder ähnliche Trennelemente voneinander geschieden werden, welche die Wirkung haben, daß sie das Strömungsmittel in besserer Weise den betreffenden Abschnitten der Läuferschaufeln zuführen.
  • Die verschiedensten Abwandlungen, der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele können ohne weiteres verwendet werden, und insbesondere kann die Ausführungsform nach Fig. 15 mit den Merkmalen gemäß den Fig. 1o und ii ausgerüstet werden. Infolge der mechanischen Energie, die durch die Expansion .des Durchtrittsgases in Turbinen erzielt wird, können Druckaustauscher gebaut werden, bei denen die Läufer selbstantreibend sind. Es ist jedoch auch möglich, -däß ein >;lberschuß an Wellenleistung zur Verfügung steht und dieser eine nützliche Anwendung für den. Antrieb von Hilfsgeräten, wie beispielsweise Spülgebläsen, finden kann. Der Entwurf einer Maschine der hier in Betracht kommenden Art kann so sein, daß die Gesamta,rbeit, diel geleistet wird, in irgendeinem gewünschtem Verhältnis aufgeteilt wird in Lieferung eines Ausstoßes an komprimiertem Gas für Außenverwendung einerseits und Wellenleistung andererseits, die von den Turbinenschaufeln abgenommen wird, in denen das Durchgangsgas expandiert. Im Grenzfall kann die gesamte Arbeit in Form von Wellenleistung abgenommen werden, so daß kein Druckgas für Außenverwendung abgegeben wird.
  • Es ist einleuchtend, daß notwendigerweise ein. Unterschied zwischen dem Druck in einer Zelle, die gespült werden soll, und dem Druck des Frischgases mit hohem oder niedrigerem Druck, weiches das Spülen. vornimmt, besteht. Mit anderem, Worten, es ist niemals möglich, das Kompressionsgas bis auf dein höchsten Druck des Kreislaufs zu komprimieren, noch ist es möglich, das Gas in den Expansionszellen bis hinunter zum niedrigsten Druck des Kreislaufs zu expandieren. Das bedeutet, daß beim Spülen notwendigerweise ein Gasstoß auftritt, was freie Expansion und infolgedessen Leistungsverlust bedeutet, und zwar entweder in die Zellen hinein oder aus ihnen heraus. In Weitererntwicklung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, die Anordnung so zu treffen, daß jede Zelle beim Verlassen des Kompressions- oder Expansionszustandes und vor dem Erreichen des Spülzustandes über die vorbeschriebene Turbinenbeschaufelung in Verbindung mit den Spülleitungen (für den Eintritt von Frischgas mit hohem oder niedrigem Druck, wies es gerade der Fall sein mag) gebracht wird, so daß der Druck in einer solchen Zelle auf den Spüldruck gebracht wird, bevor er die Spülzelle erreicht, wobei eine derartige Druckangleichung eine Gasexpansion in der Turbinenbeschaufelung hervorruft, und damit ein Mehr an Nutzleistung.
  • Fig. i9 zeigt eine Ausbildungsform zum Erreichen, dieses Zieles bei Zwei-Läufer-Maschinen der in Fig. 12 gezeigten Art. Aus Fig. i9 geht hervor, daß die Hochdruckspülleitung 14 für den Läufer ja in Umfangsrichtung versetzt mit Bezug auf die Leitung 14, die dem Läufer i zugeordnet ist, verläuft. Es sei angenommen,, daß die am weitesten rechte Zelle des Läufers ja auf einen so hohen Druck wie möglich durch Übermittlung des Gases von denn Expansionszellen her gebracht worden ist, aber immer noch einen geringeren Druck als den Frischgashochdruck des Gases aufweist, das dem Läufer über die Leitung 14 zuge führt wird. Die Zelle kommt bei ihrer Bewegung nach links hin aus der in der Zeichnung dargestellten Lage in die Stellung, in welcher sie gespült wird, über die Beschaufelung 7 in Verbindung mit Zellen im Läufer i, welche dann gespült werden. Auf diese Weise wird der Druck in der Zelle des Läufers ia auf im wesentlichen den gleichen Wert wie der des Frischgasdrucks gebracht, der über Leitung 14 geführt wird. Dieses bedeutet einen Gasfluß durch die Beschaufelung 7 vom Läufer i zum Läufer ia, wie gezeigt, und damit die Expansion dieses Gases in der Beschaufelung. In gleicher Weise wird eine Zelle an der linken Seite: des Läufers i bei ihrer Bewegung nach rcchts hin in die Stellung, in welcher sie- gespült wird, auf den höchsten Druck des Kreislaufs gebracht, und zwar durch die Verbindung über die Beschaufelung 7 mit Zellen im Läufer ia, welche dann gespült werden, mit der Folge" daß Gas durch die Beschaufelung 7 vorn Läufer ia zum Läufer i gelangt und in einer derartigen Beschaufelung expandiert (vgl. die kleinen Pfeile in Fig. icg).
  • Eine ähnliche Wirkung kann beim Niederdruckspülen durch Versetzen' der Spülleitung erreicht «-erden. In diesem Fall ist es aber selbstverständlich, daß die sich dem Spülstadium nähernden Zellen im Druckherabgesetzt werden müssen.
  • Fig. 2o -zeigt eine Einrichtung zur Erzielung der gleichen Wirkung bei einer Ein-Läufer- :Iaschine der in: Fig. i gezeigten Art. In Fig. 2o ist eine Umleitung 18 vongesehen, welche jede Zella in Verbindung mit dein einkommenden Frischgashochdruck bringt, bevor die Zelle den Spülbereich erreicht, so daß ein. Gasfluß vom Ende der Leitung 18 durch die Läuferbeschaufelun-, 7 in die Zellen erfolgt, wodurch der Druck ausgeglichen und Nutzarbeit gelleistet wird. Eine Ständerbeschaufelung i9 ist am offenen Ende der Leitung 18 vorgesehen. Als alternative Ausführung kann an Stelle der Leitung 18 eine Leitung i8A vorgesehen werden, welche eine Zelle, die gespült «=erden soll, mit einer Zelle verbindet, welche gerade gespült wird. Eine entsprechende Ständerbeschaufelung i9 kann an jedem Ende der Leitung 18A vo.rgeschen werden.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Rotierender Druckaustauscher für Gas (Durchgangsgas), das expandierend Gas mit geringem Druck komprimiert, dadurch gclcennzeichnet, daß eine Turbinenläuferverschaufelung (7) im Wege des Durchgangsgasstroines i-on Expansionszellen nach Kompressionszellen vorgesehen ist derart, daß ein Teil der Energie dieses Gases in Form mechanischer Arbeit alr genommen wird und daß die Anordnung, die Ausbildung und die Abmessungen der Zellen (5) und der Verschaufelung (7) derart sind, daß jede Zelle Durchgangsgas gleichzeitig nach mehr als einem Verscha,ufelungsdurchlaß liefert. Druckaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß er aus wenigstens einem Läufer (i) besteht, welcher einen Ring von. Zellen (5) bildet, und daß die Turbinenv erschaufelung einen Teil des Läufers bildet. 3. Druckaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ständerbeschaufelungssystem (i i, 12) in solcher Weise bemessen und vorgesehen: ist, daß es Durchgangsgas aufnimmt, das über die Läuferbeschaufelung von einer Expansionszelle her übermittelt wird, wobei dieses Gas über Führungsmittel der Läuferbeschaufelulrg einer Kompressionszelle des gleichen Läufers oder eines anderen zugeführt wird. -1. Druckaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressions-und die Expansionszellen in der Hochdruckzone über eine Ständerbeschaufelung, von welcher die Gasdurchlässe eine, kleinere Ouerschnittsfläche aufweisen als diejenigen in der Niederdruckzone, in Verbindung gebracht «-erden. 5. Druckausta.uscher nach Anspruch 3 oder .4, dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei verschiedenen Sätzen oder Gruppen von in verschiedener Weise ausgeführten. Läuferschaufeln besteht, die konzentrisch im Läufer oder in jedem der Läufer vorgesehen sind, daß der eine (16:) dieser Sätze zum Einlaß des Gases und der andere (17) zum Auslaß des Gases in bezug auf die- Zellen dienen, wobei verschiedene Sätze von Ständerschaufeln vorgesehen sind, von denen der eine (ii) so geformt und angeordnet ist, daß er mit dein einen Satz der Läuferschaufeln zum Transport des Gasflusses in der einen Richtung zusammenwirkt, während ein. anderer (12) so bemessen und angeordnet ist, daß er finit dein anderen Satz von Läuferschaufeln für den Transport des Gasflusses in der anderen Richtung zusammenwirkt, und daß die Anordnung in der Z`'eise getroffen ist, daß beim Betrieb die Läuferschaufeln, die für die betreffende Strörnungsrichtung nicht brauchbar sind, abgedeckt werden. 6. Drucka.ustauscher nach Anspruch d., dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelradiallänge der Ständerbeschaufelung stufenwelise in Umfangsrichtung von der Niederdruck- zur Hochdruckzone hin abnimmt (Fig. i8). 7. Druckaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferbeschaufelung aus Ringen cder ähnlichen Gruppen besteht, die, die Schaufeln in Abschnitte unterteilt, die an verschiedenen Stellen entlang der Schaufelra.diallänge vorgesehen sind, wobei die, Abschnitte in verschiedenster Weise gestaltet sein können und die Ringe so angeordnet sind, daß sie Abschnitte in der Läuferbeschaufelung bilden, welche mit der Ständerbeschaufelung an, den betreffenden Stellen übereinstimmen. B. Drucl:austauscher nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sätze von Läuferschaufeln (16, 17) konzentrische Ringe oder Bögen mit verschiedenen Halbmessern bilden und daß die Sätze der Ständerschaufeln (i 1, 12) ebenfalls verschiedene Halbmesser entsprechend denjenigen der Sätze der Läuferschaufeln aufweisen. 9. Druckaustauscher nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb so. eingerichtet ist, daß die Verbindung zwischen einer Kompressions- und einer Expansionszelle erschwert wird, bevor der Fluß des Durchgangsgases sein Ende gefunden hat. io. Druckaustauscher nach Anspruch 2 his 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptteil der Nutzleistung in. Form von mechanischer Arbeit durch das Durchgangsgas geleistet wird, so dal3 im Wärmeeintrittsstadium keine nennenswerte Menge komprimierten Gases abgegeben wird. i i. Druckaustauscher nach Anspruch 2 bis io, dadurch gekennzeichnet, da.ß die Spülung wenigstens im Wärmeabweisungsstadium bzw. bei der Wärmeabgabe und gegebenenfalls auch im Wärmeeinlaßstadium erfolgt, wobei jede Zelle vor Erreichung der Spülöffnungen. in Verbindung (über 18) mit einem Raum gebracht wird, der Gas unter Spüldruck enthält, wodurch die Drücke in der Zelle und in dem Raum im wesentlichen ausgeglichen werden, und zwar infolge des Flusses von Gas,durch die Turbinenbeschaufelung hindurch. 12. Druckaustauscher nach Anspruch i i, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum durch Zellen gebildet wird, welche der Spülung unterliegen, und zwar im gleichen oder in einem anderen Zellenläufer. 13. Druckaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, er so bemessen ist, daß er wenigstens in der Wärmeabweisungszone gespült wird, und daß die Zellen zu Spülzwecken mit anderen Aussparungen als. diejenigenm, die durch die Versehaufelungsdurchlässe gebildet werden, versehen sind.
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