WO2006015682A1

WO2006015682A1 - Drehzahlregelbarer druckaustauscher

Info

Publication number: WO2006015682A1
Application number: PCT/EP2005/007649
Authority: WO
Inventors: Stephan Bross; Wolfgang Kochanowski
Original assignee: Ksb Aktiengesellschaft
Priority date: 2004-08-07
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2006-02-16
Also published as: US20070137170A1; EP1778983A1; DE102004038440A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckaustauscher zum Transferieren von Druckenergie von einer ersten Flüssigkeit eines ersten Flüssigkeitssystems auf eine zweite Flüssigkeit eines zweiten Flüssigkeitssystems, bestehend aus einem Gehäuse (8) mit Anschlussöffnungen (10 - 10.3) in Form von Einlass- und Auslassöffnungen für jede Flüssigkeit und einem innerhalb des Gehäuses (8) um seine longitudinale Achse drehbar angeordneten Rotor (1). Der Rotor (1) besitzt eine Mehrzahl von durchgehenden Kanälen (13) mit um dessen Longitudinalachse angeordneten Öffnungen (12) an jeder Rotorstirnseite (2, 3), wobei die Rotorkanäle (13) über gehäuseseitige Strömungsöffnungen (11 - 11.3) derartig zur Verbindung mit den Anschlussöffnungen (10, 10.3) des Gehäuses (8) in Verbindung stehen, dass sie während der Rotation des Rotors (1) alternierend Flüssigkeit bei hohem Druck und Flüssigkeit bei niedrigem Druck der betreffenden Systeme führen. Zwischen den gehäuseseitigen Strömungsöffnungen (11 - 11.3) und den Öffnungen (12) der Rotorkanäle (13) ist ein überwiegend axial verlaufender Strömungsübergang ausgebildet, wobei die gehäuseseitigen Strömungsöffnungen (11 - 11.3) Teile von bogenförmig gestalteten, mit den Anschlussöffnungen (10 - 10.3) verbundenen Hohlräumen (19) sind und jeder Hohlraum (19) gleichzeitig mehrere Öffnungen (12) der Rotorkanäle (13) überdeckt. Die Hohlräume (19) weisen eine die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der gehäuseseitigen Strömungsöffnung (11, 11.3) vergleichmäßigende Gestalt auf und die äußere Oberfläche (5 - 5.3) des Rotors (1) weist eine Energie umwandelnde und/oder Energie übertragende Formgebung (6) auf. Ein auf die Formgebung (6) auftreffender Teilstrom (TS) hoher Druck- und/oder Strömungsenergie erzeugt die Rotordrehzahl und Regelmittel (7) verändern die Menge des Teilstromes (TS) und die Drehzahl des Rotors (1) und regelt die Rotordrehzahl auf eine Drehzahl für einen überwiegend stoßfreien Eintritt des Mengenstromes in die Rotorkanäle (13) ein.

Description

Beschreibung

Drehzahlregelbarer Druckaustauscher

Die Erfindung betrifft einen Druckaustauscher zum Transferieren von Druckenergie von einer ersten Flüssigkeit eines ersten Flüssigkeitssystems auf eine zweite Flüssigkeit eines zweiten Flüssigkeitssystems, bestehend aus einem Gehäuse mit Änschlussöffnungen in Form von Einlass- und Auslassöffnungen für jede Flüssigkeit und einem innerhalb des Gehäuses um seine longitudinale Achse drehbar angeord¬ neten Rotor, der Rotor besitzt eine Mehrzahl von durchgehenden Kanälen mit an jeder Rotorstirnseite um dessen Longitudinalachse angeordneten Öffnungen, wobei die Rotorkanäle über gehäuseseitige Strömungsöffnungen derartig zur Verbindung mit den Anschlussöffnungen des Gehäuses in Verbindung stehen, dass sie während der Rotation des Rotors alternierend Flüssigkeit bei hohem Druck und Flüssigkeit bei niedrigem Druck der betreffenden Systeme führen, zwischen den gehäuseseitigen Strömungsöffnungen und den Öffnungen der Rotorkanäle ist ein überwiegend axial verlaufender Strömungsübergang ausgebildet, wobei die gehäuseseitigen Strö¬ mungsöffnungen Teile von bogenförmig gestalteten, mit den Anschlussöffnungen verbundenen Hohlräumen sind und jeder Hohlraum gleichzeitig mehrere Öffnungen der Rotorkanäle überdeckt.

Eine bekannte Bauart von Druckaustauschern zeigt die EP 1 019 636 B1. Damit wird der hohe Druck einer ersten Flüssigkeit eines ersten Flüssigkeitssystems übertragen auf eine zweite Flüssigkeit eines zweiten Flüssigkeitssystems, um in einer damit verbundenen Anlage eine Energie-Rückgewinnung zu erreichen. Diese Bauart eines Druckaustauschers ist ohne einen äußeren Antrieb ausgerüstet. Zu dessen Inbetrieb¬ nahme ist ein aufwendiges Verfahren erforderlich, um bei einem solchen Druckaus¬ tauscher den Rotor in Rotation zu versetzen. Für die Drehbewegung des Rotors ist der Flüssigkeitsstrom verantwortlich, der durch gehäuseseitige Strömungsöffnungen aus schräger Richtung auf die Stirnseiten des Rotors mit den darin befindlichen Öff¬ nungen auftrifft und einen Impulsantrieb des Rotors bewirkt. Während eines laufen- den Betriebes in einer kontinuierlich arbeitenden Anlage wird sich im Druckaustau- scher ein Gleichgewichtszustand einstellen, aufgrund dessen der Rotor mit einer annährend konstanten Drehzahl rotiert. Hierbei ist nachteilig, dass sich diese Dreh¬ zahl in Abhängigkeit von veränderten Anlagenbedingungen auf der Hochdruckseite und der Niederdruckseite selbsttätig auf einen Undefinierten Drehzahlwert einstellt. Dadurch ergeben sich in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Randbedingungen in den beiden Flüssigkeitssystemen unterschiedliche Drehzahlen des Rotors und damit auch unterschiedliche Durchmischungen der alternierend in den Rotorkanälen befindlichen beiden Flüssigkeiten.

Durch die US-A 3 431 747 und die US 6 537 035 B2 ist eine andere Bauart von Druckaustauschern bekannt, bei denen ein äußerer Antrieb den Rotor in Bewegung setzt und deren Rotorkanäle als Bohrungen ausgebildet sind, wobei in jeder Bohrung ein Trennelement in Form einer Kugel angeordnet ist. Diese Kugel dient zur Tren- nung der wechselweise in die Rotorkanäle einströmenden Flüssigkeiten mit hohem oder niedrigem Druckgehalt und vermeidet eine Durchmischung der in den Bohr¬ ungen befindlichen Flüssigkeiten. Nachteilig ist hierbei jedoch die Anordnung, Ab¬ dichtung und Gestaltung des Trennelementes und der dazugehörigen Sitzflächen. Und im Bereich einer Wellendurchführung für den äußeren Antrieb ist zusätzlich eine aufwendige Hochdruckdichtung als Wellenabdichtung erforderlich.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Druckaustauscher zu entwickeln, dessen Rotor in den Rotorkanälen keine Trennelemente aufweist und der bei einem Druckaustausch mit minimalen Mischungsverlusten in den Rotorkanälen arbeitet und diesen Zustand auch über einen großen Betriebsbereich mit wechselnden Mengen¬ strömen beibehält.

Die Lösung dieses Problems sieht vor, dass die Hohlräume eine die Strömungsge¬ schwindigkeit im Bereich der gehäuseseitigen Strömungsöffnung vergleichmäßigen- de Gestalt aufweisen, dass die äußere Oberfläche des Rotors eine Energie umwan¬ delnde und/oder Energie übertragende Formgebung aufweist, dass ein auf die Form¬ gebung auftreffender Teilstrom hoher Druck- und/oder Strömungsenergie die Rotordrehzahl erzeugt und dass Regelmittel die Menge des Teilstromes und die Drehzahl des Rotors verändern und die Rotordrehzahl auf eine Drehzahl für einen überwiegend stoßfreien Eintritt des Mengenstromes in die Rotorkanäle einregelt. Mit dieser Lösung ist es in einfacher Weise möglich, in einer Anlage aus dem einem Druckaustauscher zuströmenden gesamten Mengenstrom einen Teilstrom zu entnehmen und mit Hilfe dieses Teilstromes für den Rotor ein bestimmtes Antriebs¬ moment zu erzeugen. In vorteilhafter weise erleichtert dies auch einen Anfahrvor- gang des Rotors. Weiterhin bietet diese Lösung die Möglichkeit, mit Hilfe des in seiner Menge einstellbaren Teilstromes für den Dauerbetrieb des Rotors ein perma¬ nentes und regelbares Drehmoment als Antriebsmoment zu erzeugen. Damit wird im jeweiligen Betriebszustand die Drehgeschwindigkeit des Rotors an die vorhandenen Anlagenbedingungen durch entsprechende Variation des Teilstromes angepasst.

Infolge der im Gehäuse angeordneten Hohlräume mit ihrer vergleichmäßigenden Gestalt, also der Ausbildung, Form und Verlauf der den Hohlraum umhüllenden Wandflächen, stellt sich im Übergang zum Rotor und vor den Öffnungen der anzu¬ strömenden Rotorkanäle im Bereich der gehäuseseitigen Strömungsöffnung ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil einer Hauptströmung ein. Diese ist der um den Teilstrom geminderte Mengenstrom der Strömung. Der direkte Antrieb des Rotors durch den Teilstrom und die Ausbildung eines gleichmäßigen Geschwindigkeits¬ profils in der gehäuseseitigen Strömungsöffnung bedingt den Vorteil, dass der Haupt¬ strom die Rotorkanäle überwiegend stoßfrei anströmt. Und stellt sich aufgrund geän- derter Anlagenbedingungen am Druckaustauscher auch eine Veränderung des Mengenstromes ein, also eine Veränderung des Mengenstromes zu kleinerer oder größerer Fördermenge, dann erfolgt mit einem entsprechend veränderten Teilstrom eine Anpassung der Rotordrehzahl, um weiterhin eine überwiegend stoßfreie Anströ¬ mung des Hauptstromes bei dem Eintritt in die Rotorkanäle zu gewährleisten.

Und durch die gleichmäßige Strömungsverteilung des Hauptstromes vor den Öffnungen der Rotorkanäle stellt sich auch im Querschnitt der Rotorkanäle ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil der darin befindlichen Kanalströmung ein. Als Folge davon ergibt sich innerhalb der Rotorkanäle eine kleinere und stabilere Durch- mischungszone im Bereich zwischen den beiden Flüssigkeiten mit deren verschie¬ denen Eigenschaften. Dies verbessert den Wirkungsgrad eines solchen Druckaus- tauschers und einer davon beeinflussten Anlage erheblich. Der für den Antrieb des Rotors verwendete Teilstrom strömt innerhalb des Druckaustauschers in eine Zone niedrigeren Druckes ab, hier also in das zweite Flüssigkeitssystem. Mit den Regelmitteln wird die Menge des Teilstromes und die Drehzahl des Rotors verändert. Damit wird die Rotordrehzahl selbsttätig oder automatisch an sich verän¬ dernde Anlagenbedingungen angepasst. Der Wirkungsgrad eines Druckaus- tauschers in einer Anlage, beispielsweise einer Reverse-Osmose-Anlage, wird dadurch immer im besten Betriebspunkt gehalten.

Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Oberfläche des Rotors verteilt angeordnete Formgebung als eine Vielzahl von Schaufelelementen ausgebildet ist oder dass eine Vielzahl von Schaufelelementen im Bereich von einer oder beiden Rotorstirnseiten verteilt angeordnet sind. Diese können sowohl nur an den Stirn¬ seiten als auch im Bereich der Übergänge zwischen Stirnseiten und Oberfläche angeordnet sein. Die gleiche Funktionalität ergibt sich, wenn die Formgebung am Rotorumfang als eine oder mehrere spiralförmige Nuten ausgebildet ist.

Nach weiteren Ausgestaltungen strömt mindestens ein dem ersten Flüssigkeits¬ system entnommener Teilstrom der Formgebung zu. Damit erfolgt ein direkter Strö¬ mungsantrieb des Rotors. Und ein um einen Teilstrom geminderter Mengenstrom strömt als ein Hauptstrom der Flüssigkeiten die Rotorkanäle überwiegend stoßfrei an.

Die innerhalb des Druckaustauschers zirkulierenden Flüssigkeiten sind hierbei wie folgt definiert:

Einen hohen Druck besitzt die erste Flüssigkeit und das erste Flüssigkeitssystem. Über einen niedrigen Druck verfügt die zweite Flüssigkeit und das zweite Flüssig- keitssystem. Eine zum Druckaustauscher strömende Gesamtmenge der Flüssigkeit, beispielsweise eine aus einem Reverse-Osmose-Modul abströmende Flüssigkeit mit hohem Druck, entspricht dem vom Druckaustauscher zu verarbeitenden Mengen¬ strom. Von dem einen hohen Druck aufweisenden Mengenstrom abgezweigt wird ein Teilstrom, der auf die Formgebung geleitet wird und mit dessen Hilfe der Antrieb des Rotors erfolgt. Ein dadurch in seinem Energiegehalt um die Antriebsarbeit am Rotor reduzierter, druckärmerer Teilstrom strömt über die zwischen Rotor und Gehäuse befindlichen Spalte oder über einen separaten Abfluss in das zweite Flüssigkeits¬ system und letztlich zur Atmosphäre hin ab. In den Rotor des Druckaustauschers strömt zum Zweck des Druckaustausches der Hauptstrom, der in seiner Größe dem um den Teilstrom reduzierten Mengenstrom entspricht. Und die Energie umwandeln- de Formgebung ist als eine Vielzahl von Schaufelelementen oder spiralförmigen Nuten ausgebildet.

Bei veränderten Anlagenbedingungen erfolgt mit einer angepassten Rotordrehzahl für den Hauptstrom eine überwiegend stoßfreie Änströmung der Rotorkanäle. Dies vermeidet Durchmischungen in den Rotorkanälen. Und die Hohlräume, die für das gleichmäßige Geschwindigkeitsprofil vor dem Rotor maßgeblich sind, bestehen aus jeweils einem den Anschlussöffnungen nachgeordneten Diffusorteil und einem daran anschließenden, die gehäuseseitige Strömungsöffnung beinhaltenden Umlenkteil. Mit Hilfe des Umlenkteiles wird in einem sich ausbildenden Geschwindigkeitsdreieck der Einfluss von der Umfangskomponente des Rotors kompensiert. Und mit dem Diffusorteil erfolgt eine Vergleichmäßigung der Geschwindigkeitsverteilung von der im Hohlraum befindlichen Strömung. Der Übergang zwischen Diffusorteil und Umlenkteil ist stufig oder stufenlos ausgebildet.

Ein in den Leitungen des Teilstromes angeordnetes Regelmittel verändert als Dros¬ seleinrichtung die Durchflussmenge des Teilstromes. Somit wird die Drehzahl des Rotors und damit die Leistung des Druckaustauschers in einfacher Weise an die jeweiligen Anlagenverhältnisse angepasst. Durch eine Veränderung der Einstellung von dem Regelmittel verändert sich die Teilmenge, die unmittelbar auf die Schaufel- elemente des Rotors einwirkt und damit dessen Drehzahl beeinflusst.

Eine andere Ausgestaltung bezieht sich auf einen gattungsgemäßen Druckaustau- scher, bei dem eine externe Antriebsein richtung über eine Welle den Rotor antreibt. Bei einer solchen Ausführungsform sieht die Problemlösung vor, dass die Hohlräume eine die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der gehäuseseitigen Strömungsöff¬ nung vergleichmäßigende Gestalt aufweisen und dass in Abhängigkeit von den Anla¬ genbedingungen ein Regelmittel als Drehzahlregeleinrichtung die externe Antriebs¬ einrichtung und damit die Rotordrehzahl auf eine Drehzahl für einen überwiegend stoßfreien Eintritt des Mengenstromes in die Rotorkanäle einregelt. Hier strömt der gesamte Mengenstrom von HP-in die Rotorkanäle überwiegend stoßfrei an. Es hängt von den an einem Einsatzort vorhandenen Verhältnissen ab, welches Antriebskon¬ zept für den Rotor das jeweils vorteilhafteste ist. In den Flüssigkeitssystemen angeordnete Sensorelemente überwachen die Betriebs- ∑ustände und eine mit den Sensorelementen verbundene Regeleinrichtung passt bei auftretenden Abweichungen den Teilstrom und/oder die Rotordrehzahl an die verän¬ derten Betriebszustände an.

Die Regeleinrichtung erfasst mit einer Einrichtung die Drehzahlen des Rotors und erzeugt aus den Rotordrehzahlen entsprechende Stellsignale für eine Drehzahl¬ regelung von ein oder mehreren Pumpen im ersten und/oder zweiten Flüssigkeits¬ system. Somit lassen sich beispielsweise in einer Anlage die Druck erzeugenden Pumpen regeln. Dies kann durch an sich bekannte elektronische Verstellmittel erfolgen, die mit Hilfe der von der Einrichtung gelieferten und zu verarbeitenden Stellsignalen über die Rotordrehzahl des Druckaustauschers eine oder mehrere Kreiselpumpen in der Leistung und/oder Drehzahl an veränderte Anlagenbeding¬ ungen anpassen. Somit ergeben sich verbesserte wirtschaftliche Betriebsbe- dingungen.

Weiterhin ist dem Druckaustauscher in einer Leitung für den abfließenden Flüssig¬ keitsstrom LP-out ein Regelmittel nachgeordnet, welches über die Regeleinrichtung den zufließenden Flüssigkeitsstrom LP-in an den angereicherten Flüssigkeitsstrom HP-out angleicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Rotorantriebes mit einem

Teilstrom,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Druckaustauscher nach Fig. 1 ,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht auf einen Rotor,

Fig. 4 und 5 andere schematische Darstellungen des Rotorantriebes,

Fig. 6 einen Schnitt durch einen Druckaustauscher mit am Rotor angeordneten Nuten, Fig. ? einen Schnitt gemäß Linie VII - VII von Figur 6

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Strömungswege innerhalb des Druckaustauschers,

Fig. 9 eine Abwicklung der im Gehäuse des Druckaustauschers angeordneten

Strömungswege

Fig. 10 eine Darstellung einer Anlage mit Druckaustauscher.

Die Fig. 1 zeigt einen zylindrischen Rotor 1 eines Druckaustauschers. Er ist in der Draufsicht mit in der Zeichnungsebene liegender Drehachse gezeigt und aus Grün¬ den einer besseren Übersichtlichkeit wurden die übrigen Gehäuseteile, die den Rotor umgeben und in denen die Strömungsführungen angeordnet sind, weggelassen. Die Pfeile symbolisieren die Strömungsrichtungen der verschiedenen Flüssigkeiten, die mit dem Rotor in Wirkverbindung stehen. An einer Rotorstirnseite 2 zeigt der Pfeil HP-in die Strömungsrichtung einer ersten Flüssigkeit an. Diese weist einen hohen Druck auf, der auf eine zweite Flüssigkeit LP-in zu übertragen ist, welche auf der anderen Rotorstirnseite 3 in den Rotor 1 einströmt. Nach der im Druckaustauscher aufgrund der Rotation des Rotors 1 erfolgten Druckübertragung von HP-in auf LP-in strömt auf der Rotorstimseite 3 eine im Druck gesteigerte Flüssigkeit als HP-out aus dem Druckaustauscher und zurück in eine Anlage. Auf der hier rechten Rotorstirn¬ seite 2 symbolisiert ein vom Rotor 1 wegweisender Pfeil LP-out die Ström ungsrich- tung der aus dem Rotor 1 austretenden, energieärmeren zweiten Flüssigkeit LP-out mit geringerem Druckniveau. Hierbei handelt es sich um das ursprüngliche HP-in, dessen Druckenergie übertragen wurde und das nun als energiearmes LP-out abfließt. Die Abkürzung LP und HP stehen für Low Pressure und High Pressure. Die Indizes out und in geben die Strömungsrichtung zum oder vom Rotor an.

Der Strömungspfeil für HP-in entspricht einem Vektor für den gesamten Mengen¬ strom MS. Vom Mengenstrom MS abgezweigt wird ein Teilstrom TS und der um die¬ se Menge reduzierte Mengenstrom MS strömt als ein Hauptstrom HS in den Rotor 1. Der Teilstrom TS wird über interne oder externe Leitungen 4 zur Oberfläche 5 des Rotors 1 geführt, in der eine energieübertragende Formgebung 6 angeordnet ist. Der für den Antrieb des Rotors 1 verwendete Teilstrom TS strömt innerhalb des Druck- austauschers in eine Zone niedrigeren Druckes ab, hier also in das zweite Flüssig¬ keitssystem.

In diesem Beispiel ist die Formgebung 6 mittig auf der Oberfläche 5 des Rotors 1 angebracht, so dass sich zwei symmetrische Teiloberflächen 5 und 5.1 ergeben. Innerhalb der Leitung 4 ist ein Regelmittel 7 angeordnet, mit dessen Hilfe die durch die Leitung 4 strömende Menge des Teilstromes TS beeinflusst und somit unmittel¬ bar die Drehzahl des Rotors 1 gesteuert oder geregelt wird. Die Formgebung 6 kann hier jede geeignete Form aufweisen, um einen darauf einwirkenden Teilstrom TS hoher Druck- und/oder Strömungsenergie umzuwandeln in ein Antriebsmoment für den Rotor 1.

Fig. 2 zeigt ein Gehäuse 8 eines Druckaustauschers mit einem darin angeordneten Rotor 1. An den Stirnseiten des Gehäuses 8 sind Verschlussplatten 9, 9.1 angeord¬ net, die insgesamt vier Anschlussöffnungen 10 - 10.3 aufweisen, welche als Einlass¬ und Auslassöffnungen für die mit dem Druckaustauscher verbundenen beiden Flüs¬ sigkeitssysteme. Der Rotor 1 ist mit seiner Oberfläche 5 innerhalb des Gehäuses 8 gelagert. Im Übergang zwischen den Verschlussplatten 9, 9.1 und dem Rotor 1 befinden sich vier gehäuseseitige Strömungsöffnungen 11 - 11.3 durch die hindurch ein Flüssigkeitsaustausch zwischen dem Rotor 1 und den Verschlussplatten 9, 9.1 erfolgt.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Rotors 1. Hierbei ist erkennbar, dass die Formgebung 6, auf die ein energiereicher, d. h. einen hohen Druck aufweisender Teilstrom TS zur Erzeugung eines Antriebsmomentes geleitet wird, nach Art von Schaufeln gestaltet ist. Hierbei kann jede bekannte Form und Art von druckübertra¬ genden Schaufelformen Verwendung finden. In der Rotorstirnseite 3 befinden sich die Öffnungen 12 der gleichmäßig verteilt angeordneten Rotorkanäle 13. Die Rotor- kanäle und deren Öffnungen 12 weisen in diesem Ausführungsbeispiel einen trapez¬ förmigen Querschnitt auf, so dass zwischen den Rotorkanälen in radialer Richtung verlaufende, stegartig ausgebildete, Wandflächen bestehen. Selbstverständlich sind auch andere Querschnittsformen der Rotorkanäle 13 möglich. Die hier gezeigte Form hat jedoch den Vorteil, dass sie über das größte Öffnungsvolumen verfügt. Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Darstellung von Fig. 1. Bei dieser Ausführungsform ist eine energieübertragende Formgebung 6 auf der Oberfläche 5 des Rotors 1 im Bereich der Rotorstirnseite 2 angeordnet.

Bei der Darstellung in Fig. 5 wird der Teilstrom TS über die Leitungen 4 und durch das Regelmittel 7 aus axialer Richtung auf die hier stirnseitige Formgebung 6 gelei¬ tet. Die Formgebung 6 erstreckt sich in die Oberfläche 5 des Rotors 1 und ist mit einer Beschaufelung ausgeführt, die eine Umlenkung der axialen Anströmung des Teilstromes TS bewirkt und in Umfangsrichtung des Rotors 1 einen Antriebsimpuls erzeugt.

Die Fig. 6 zeigt eine Abwandlung des Druckaustauschers, bei dem in der Oberfläche 5 des Rotors 1 ein oder mehrere Spiralnuten 14 die Funktion der energieübertragen¬ den Formgebung übernehmen. In die Spiralnuten 14 wird über die Leitung 4 ein Teil- ström eingespeist und erzeugt darin aufgrund der wirkenden Reaktionskräfte ein An¬ triebsmoment für den Rotor 1 und löst die Rotationsbewegung aus. Die Einströmung des Teilstromes in die Spiralnuten 14 erfolgt über einen tangential zur Rotor-Ober¬ fläche 5 angeordneten Einströmspalt 15. Aus den Spiralnuten 14 strömt der Teil¬ strom in eine Zone 16 mit niedrigerem Druckniveau ab. Mit Hilfe der Drehzahlrege- lung 7, die den Volumenstrom des Teilstromes beeinflusst, wird die Drehzahl des Rotors eingestellt.

Fig. 7 entspricht einem Schnitt gemäß der Linie VII-VII von Fig. 6 und zeigt eine Ansicht auf die Rotorstirnseite 2 durch die gehäuseseitigen Strömungsöffnungen 11 , 11.1. Diese Strömungsöffnungen sind in der Verschlussplatte 9.1 angeordnet, verlaufen bogenförmig und umgeben eine Vielzahl von Öffnungen 12 der Rotor¬ kanäle 13. Die Strömungsöffnungen 11 , 11.1 sind Bestandteile von Hohlräumen, die in der Verschlussplatte 9.1 angeordnet sind und durch welche die Flüssigkeiten zum oder vom Rotor 1 strömen.

In Fig. 8 ist eine Abwandlung eines Druckaustauschers gezeigt, bei dem der Rotor 1 durch eine Welle 17 von einer externen Antriebseinrichtung 18 in Rotation versetzt wird. Hierbei kann es sich um einen Motor, Turbine oder dergleichen handeln. Die Formgebung und die Leitungen für den Teilstrom entfallen bei dieser Ausführungs- form. Dafür wirkt das Regelmittel 7 direkt auf die Antriebseinrichtung 18 ein. Bei dieser Ausführungsforrn strömt der gesamte Mengenstrom MS durch die Anschluss¬ öffnungen in die in den Verschlussplatten 9, 9.1 befindlichen Hohlräume 19. Diese verfügen über den Anschlussöffnungen 10 - 10.3 nachgeordnete Diffusorteile 21 und daran sich anschließende, die gehäuseseitigen Strömungsöffnungen 11 - 11.3 enthaltene Umlenkteile 20. Die Urnlenkteilβ entwickeln sich räumlich und diffusor- förmig bis zu den gehäuseseitigen Strömungsöffnungen 11 - 11.3.

Aufgrund des mit der Umfangsgeschwindigkeit u rotierenden Rotors ändert sich in dessen Kanälen 13 ständig die Durchströmrichtung. Um gleiche Verhältnisse zu erreichen, sind der Diffusorteil 21 und der Umlenkteil 20 spiegelbildlich beziehungs¬ weise symmetrisch angeordnet. Die in der Figur 8 dargestellten Geschwindigkeits¬ dreiecke sind um 90° gekippt gezeichnet. Tatsächlich steht der Winkel α und die Umfangsgeschwindigkeit u an diesen Stellen entsprechend der Drehrichtung senk¬ recht auf der Zeichnungsebene. In den Geschwindigkeitsdreiecken zeigt der Vektor c die relative Geschwindigkeit in axialer Richtung im rotierenden System. Der Vektor u zeigt die Umfangskomponente U der Strömung im rotierenden System. Und der Vektor w bildet die Einströmgeschwindigkeit des stehenden Systems im Übergang in das rotierende System ab. Der Vektor w bildet mit dem Vektor c den Einströmwin¬ kel α, der in Wirklichkeit senkrecht zur Zeichnungsebene steht. Die mit der Absolut- geschwindigkeit w im nicht rotierenden System in den Rotor 1 einströmende Flüssig¬ keit entspricht dem aus Teilstrom TS und Hauptstrom HS bestehenden gesamten Mengenstrom MS.

Die gehäuseseitigen Strömungsöffnungen 11 - 11.3 haben eine im wesentlichen bohnenförmige Querschnittsform. Die an deren beiden Enden befindlichen Run¬ dungen Tangieren einen auf der Longitudinalachse stehenden Radius. Die an den Rundungen auslaufende Wandflächen des Umlenkteiles 20 erstrecken sich unter dem Winkel α in die Achsrichtung des Hohlraumes 19 hinein. Mit dem Umlenkteil 20 und dem an den Öffnungen 12 der Rotorkanäle 13 vergleichmäßigten Geschwindig- keitsprofil der Strömung ergibt sich eine stoßfreie Einströmung in die Rotorkanäle unter dem Winkel a . Somit werden Durchmischungen innerhalb der Rotorkanäle 13 im Bereich einer Trennzone zwischen den innerhalb des Rotorkanales befindlichen zwei verschiedenen Flüssigkeiten zuverlässig vermieden. Fig. 9 zeigt über der strichpunktierten longitudinalachse 22 des Rotors eine Abwick¬ lung der Hohlräume 19 in den Verschlussplatten 9, 9.1. Ein durch die Anschluss¬ öffnung 10 einströmender Hauptstrom oder Mengenstrom, dies ist abhängig von der Antriebsart des Rotors, gelangt in den Hohlraum 19 und dessen Diffusorteil 21. Hier erfolgt bereits eine Vergleichmäßigung der Strömungsgeschwindigkeit. Diese erlangt im Bereich des Umlenkteiles 20 mit seiner der Rotorstirnseite 2 gegenüberliegenden, gehäuseseitigen Strömungsöffnung 11 eine gleichmäßige Geschwindigkeitsvertei¬ lung, wie sie im Geschwindigkeitsdiagramm A gezeigt ist. Aufgrund der gleichmäßi¬ gen Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit und deren Anströmung in die Rotor- kanäle 13 unter dem Winkel α ergibt sich eine gleichmäßige Durchströmung der Rotorkanäle 13. Dadurch werden Durchmischungen innerhalb der Rotorkanäle und in der Zone von den beiden aufeinandertreffenden Flüssigkeiten vermieden. Auf der anderen Rotorstirnseite 3 stellt sich eine analoge Geschwindigkeitsverteilung gemäß dem Diagramm B ein. Die Strömung tritt durch die gehäuseseitige Strömungsöffnung 11.2 in den Umlenkteil 20 ein und strömt über den nun umgekehrt durchströmten Diffusor 21 , der somit eine Düsenfunktion übernimmt, durch die Anschlussöffnung 10.2 als HP-out ab. In der unteren Darstellung von Figur 9 ist die analoge Situation im Bereich der Strömungsrichtung LP-in und LP-out gezeigt.

Fig. 10 zeigt ein Flussschema einer mit einem Drucktauscher 23 ausgerüsteten Anlage. Eine Speisepumpe 24 fördert in die Anlage eine Speiseflüssigkeit. Ein Teil dieser Speiseflüssigkeit wird von einer Hochdruckpumpe 25 direkt zu einem Reverse-Osmose-Modul 26 geführt, in dem eine Art von Strömungsteilung stattfindet, da aus dem Modul 26 ein Flüssigkeitsanteil als gereinigte Flüssigkeit, das sogenan- nte Permeat PE, abfließt. Der restliche Flüssigkeitsanteil, das sogenannte Brine BR, strömt mit hohem Druck zum Drucktauscher 23 ab. In diesem wird der hohe Druck¬ anteil des Brine BR auf den anderen Teil der von Speisepumpe 24 geförderten und zu verarbeitenden Speiseflüssigkeit übertragen. Diese Menge entspricht dem aus dem System abfließenden Permeat PE. Somit hat eine dem Drucktauscher 23 nach- geordnete Zirkulationspumpe 27 nur noch einen geringen Förderdruck zu entwickeln, der in etwa den Druckverlusten im Kreislauf 28 entspricht. In den Zuleitungen zum Drucktauscher 23 für HP-in und LP-in sind Sensorelemente oder Durchflussmess- geräte 29, 30 angeordnet. Diese in den Flüssigkeitssystemen angeordneten Bauteile 29, 30 überwachen die Betriebszustände und eine damit verbundene Regeleinricht- ung 31 passt bei auftretenden Abweichungen über die Regeleinheit 7 den Teilstrom TS und/oder die Rotordrehzahl an die veränderten Betriebszustände an. Der vom Druckaustauscher 23 abströmenden Menge HP-out muss der dem Druckaustau- scher zufließenden Menge LP-in entsprechen, um eine Überströmung in den Rotorkanälen zu vermeiden. Mit dem Sensor oder Durchflussmessgerät 30 wird der Mengenstrom LP-in gemessen und aufgrund der Messsignale mit der Regelein¬ richtung 31 und dem Regelmittel 33 eine Anpassung von HP-out an LP-in vorge¬ nommen.

Am Drucktauscher 23 sind nur zur Illustration die beiden möglichen Antriebsarten eingezeichnet. In praxi erfolgt ein Rotorantrieb über den Teilstrom oder durch den Antrieb 18. Auch kann die Regeleinrichtung 30 und/oder eine Einrichtung 31 die Drehzahlen des Rotors erfassen und aus den Rotordrehzahlen entsprechende Stell¬ signale für eine Drehzahlregelung von einer oder mehreren der Pumpen 24, 25 oder 27 im ersten und/oder zweiten Flüssigkeitssystem erzeugen.

Claims

Patentansprüche

1. Druckaustauscher zum Transferieren von Druckenergie von einer ersten Flüssigkeit eines ersten Flüssigkeitssystems auf eine zweite Flüssigkeit eines zweiten Flüssigkeitssystems, bestehend aus einem Gehäuse (8) mit Anschluss¬ öffnungen (10 - 10.3) in Form von Einlass- und Auslassöffnungen für jede Flüssigkeit und einem innerhalb des Gehäuses (8) um seine longitudinale Achse drehbar angeordneten Rotor (1), der Rotor (1) besitzt eine Mehrzahl von durchge- henden Kanälen (13) mit um dessen Longitudinalachse angeordneten Öffnungen

(12) an jeder Rotorstirnseite (2, 3), wobei die Rotorkanäle (13) über gehäuse- seitige Strömungsöffnungen (11 - 11.3) derartig zur Verbindung mit den An¬ schlussöffnungen (10, 10.3) des Gehäuses (8) in Verbindung stehen, dass sie während der Rotation des Rotors (1) alternierend Flüssigkeit bei hohem Druck und Flüssigkeit bei niedrigem Druck der betreffenden Systeme führen, zwischen den gehäuseseitigen Strömungsöffnungen (11 - 11.3) und den Öffnungen (12) der Rotorkanäle (13) ist ein überwiegend axial verlaufender Strömungsübergang ausgebildet, wobei die gehäuseseitigen Strömungsöffnungen (11 - 11.3) Teile von bogenförmig gestalteten, mit den Anschlussöffnungen (10 - 10.3) verbun- denen Hohlräumen (19) sind und jeder Hohlraum (19) gleichzeitig mehrere

Öffnungen (12) der Rotorkanäle (13) überdeckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (19) eine die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der gehäuse¬ seitigen Strömungsöffnung (11 , 11.3) vergleichmäßigende Gestalt aufweisen, dass die äußere Oberfläche (5 - 5.3) des Rotors (1) eine Energie umwandelnde und/oder Energie übertragende Formgebung (6) aufweist, dass ein auf die

Formgebung (6) auftreffender Teilstrom (TS) hoher Druck- und/oder Strömungs¬ energie die Rotordrehzahl erzeugt und dass Regelmittel (7) die Menge des Teil¬ stromes (TS) und die Drehzahl des Rotors (1) verändern und die Rotordrehzahl auf eine Drehzahl für einen überwiegend stoßfreien Eintritt des Mengenstromes in die Rotorkanäle (13) einregelt.

2. Druckaustauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die über die Oberfläche (5 - 5.3) des Rotors (1) verteilt angeordnete Formgebung (6) als eine Vielzahl von Schaufelelementen ausgebildet ist. 3. Druckaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich von einer oder beiden Rotorstirnseiten (2,

3) eine Vielzahl von Schaufelelementen verteilt angeordnet sind.

4. Druckaustauscher nach Anspruch 2 oder 3, dass die Schaufelelemente an den Rotorstirnseiten (2, 3) und/oder im Bereich der Übergänge zwischen Rotorstirn¬ seiten (2, 3) und Oberfläche (5 - 5.3) angeordnet sind.

5. Druckaustauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Form¬ gebung (6) an der Oberfläche (5 - 5.3)) als eine oder mehrere spiralförmige

Nuten (14) ausgebildet ist.

6. Druckaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein dem ersten Flüssigkeitssystem entnommener Teilstrom (TS) der Formgebung (6) zuströmt.

7. Druckaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein um einen Teilstrom (TS) geminderter Mengenstrom (MS) als ein Hauptstrom (HS) der Flüssigkeiten die Rotorkanäle (13) überwiegend stoßfrei anströmt.

8. Druckaustauscher nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei veränderten Anlagenbedingungen mit einer angepassten Rotordrehzahl für den Hauptstrom (HS) eine überwiegend stoßfreie Anströmung der Rotorkanäle (13) erfolgt.

9. Druckaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (19) aus jeweils einem den Anschlussöff¬ nungen (10 - 10.3) nachgeordneten Diffusorteil (21) und einem anschließenden, die gehäuseseitige Strömungsöffnung (11 - 11.3) beinhaltenden Umlenkteil (20) bestehen.

10. Druckaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelmittel (7) in den Leitungen (4) des Teilstromes (TS) angeordnet ist und als Drosseleinrichtung die Durchflussmenge des Teilstromes (TS) verändert.

11. Druckaustauscher mit den Merkmalen des Obergriffes von Anspruch 1 , bei dem eine externe Antriebsein richtung über eine Welle den Rotor antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (19) eine die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der gehäuseseitigen Strömungsöffnung (11 - 11.3) vergleichmäßigende Gestalt aufweisen, dass in Abhängigkeit von den Anlagenbedingungen ein Regel¬ mittel (7) als Drehzahlregeleinrichtung die externe Antriebseinrichtung (18) und damit die Rotordrehzahl auf eine Drehzahl für einen überwiegend stoßfreien

Eintritt des Mengenstromes in die Rotorkanäle (13) einregelt.

12. Druckaustauscher nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Mengenstrom (MS) der Flüssigkeiten die Rotorkanäle (13) überwiegend stoßfrei anströmt.

13. Druckaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in den Flüssigkeitssystemen angeordnete Sensorelemente (29, 30) die Betriebszustände überwachen und dass eine mit den Sensorelemen- ten (29, 30) verbundene Regeleinrichtung (31) bei auftretenden Abweichungen den Teilstrom (TS) und/oder die Rotordrehzahl an die veränderten Betriebs¬ zustände anpasst.

14. Druckaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (31) mit einer Einrichtung (32) die

Drehzahlen des Rotors (1) erfasst und aus den Rotordrehzahlen entsprechende Stellsignale für eine Drehzahlregelung von ein oder mehreren Pumpen (24, 27) im ersten und/oder zweiten Flüssigkeitssystem erzeugt.

15. Druckaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Druckaustauscher (23) in einer Leitung für den abfließenden Flüssigkeitsstrom (LP-out) ein Regelmittel (33) nachgeordnet ist und dass über die Regeleinrichtung (31) den zufließenden Flüssigkeitsstrom (LP-in) an den angereicherten Flüssigkeitsstrom (HP-out) angleicht.