Rotierender Druckaustauscher. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein rotierender DruckaustaiLscher mit we nigstens einem Zellenring zur Kompression und Expansion von Gas und Kanälen für den Druckaustausch, welche dazu bestimmt, sind, Zellen paarweise miteinander zu verbinden, zwischen welchen der Druckaustausch erfolgen soll.
Wenn die Verbindung zwischen zwei Zel len hergestellt ist, expandiert Gas höheren Druckes in der einen Zelle und bewirkt so eine Kompression des Gases in der andern Zelle, wodurch ein Gasfluh durch die Kanäle entsteht.
Bei der beschriebenen. Druckaustauscher- art kann der oder jeder Zellenring rotierend angeordnet. sein, während die Kanäle statio när sind. Die Anordnung kann aber auch um gekehrt sein, es ist nur notwendig, dass zwi schen den Kanälen und den Zellen eine Rela tivrotation möglich ist.
Bei diesen Druekaustauschern ist der so genannte Druckaustausch zwischen zwei durch die Druekaustauschkanä1e miteinander verbundenen Zellen kein vollständiger Druck austausch indem Sinne, dass das Gas von ur sprünglich höherem Druck in der einen Zelle bis herunter auf den, ursprünglichen Druck des Gases in der Niederdriaekzelleexpandiert, während das letztgenannte Gas gleichzeitig den Ausgangsdruck des Gases in der Iloch- druekzelle annimmt.
In Wirklichkeit ist die ser Druckaustausch in den genannten Druck- austauschern nur ein Ausgleichen von Druck zwischen zwei miteinander verbundenen Zel len, so da.ss keine Kompressionszelle den höchsten Druck des Arbeitszyklus, d. h. den Druck des bei Hochdruckspülung zugeführten Frischgases und keine Expansionszelle den niedersten Druck des Arbeitszyklus, d. h. den Druck des bei Niederdruckspülung zugeführ ten Frischgases, erreichen kann.
Die vorliegende Erfindung bezweckt vor allem die bei solchen Maschinen auftretenden Verluste herabzusetzen, und zwar :durch eine solche Ausbildung des Druckaustauschers, dass man dem vollständigen Druckaustausch zwischen zwei beliebigen, miteinander verbun denen Expansions- und Kompressionszellen näher kommt als bei bekannten Druckaustau- schern.
Gemäss vorliegender Erfindung ist der Druckaustauscher dadurch gekennzeichnet, da.ss jeder Druckaustauscherkanal einen kon vergierenden Einlassabschnitt, einen Mittel abschnitt-, der einen konstanten Querschnitt besitzt und einen divergierenden Auslass- abschnitt aufweist, wobei beim Betrieb des Austauschers der Strom von Austauschgas zwischen zwei miteinander verbundenen Zellen weitergeht, nachdem die Drücke in den.
beiden Zellen annähernd gleich sind, so dass der Druck in der bezüglich des Austauschstromes stromabwärts liegenden Zelle grösser wird als der Druck in der stromaufwärts liegenden Zelle. Bei Di-Lickaustauschern der beschriebenen Art kommt eine Zelle mit höherem Gasdruek jeweils mit einer Zelle mit geringerem Gas drnek in Verbindung.
Wenn vorausgesetzt wird, dass die Strömungsvorgänge verlustlos verlaufen, nimmt während des ersten Teils des Druckaustauschvorganges die Geschwindigkeit des Au stauschgasstromes in dem oder den Ka nälen stetig zu, und zwar zufolge der Herr schenden Druckdifferenz, bis die Drücke in den Zellen einander gleich sind.
Anschlie ssend nimmt der Driickaustauseh, zufolge des weitergehenden Gasstromes in dem oder den Kanalabschnitten mit konstantem Querschnitt seinen Fortgang; da aber jetzt die Driiek4if- feren.z der Gasströmung entgegenwirkt, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Ga ses ab, bis sie den niedersten Wert erreicht. In diesem Augenblick ist der Druckaustausch zwischen den beiden beteiligten. Zellen voll ständig.
Im Idealfall, d. h. wenn keine Verluste auftreten, wäre es also theoretisch möglich, das Gas in der Kompressionszelle bis auf den Ausgangsdruck der Expansionszelle zu kom primieren, während das Gas in der letzt genannten Zelle bis auf den Anfangsdruck in der Kompressionszelle expandiert wird, vor ausgesetzt, dass die Volumina. der beiden. Zel len gleich sind.
Es scheint nun besonders vorteilhaft. zu sein, eine solche Anordnung zu treffen, dass die Kanäle, soweit dies möglich ist, stets mit Zellen in Verbindung stehen, so dass die Strö mungsgeschwindigkeit des Gases in den Ka nälen aufrechterhalten wird.
Um einen Druckaustausch über den Gleich- geu-iehtspunkt der Gasdrücke hinaus zu ermöglichen, muss die Verbindung zwischen Zellen und Kanälen natürlich auch nachdem die Drücke an den Enden der Kanäle ein ander gleich geworden sind, aufrechterhalten werden.
Es kann vorkommen, dass bei plötzlichem Öffnen und Schliessen (teilweise oder voll ständig) der Kanalenden Verdichtungs- und Verdünnungswellen durch die Kanäle schie ssen; dies wird aber den Diuickaustauschvor- gang nicht beeinträchtigen, besonders darum nicht, weil an den Ausla.ssenden der Kanäle Diffusoren vorgesehen sind.
Um einen wirkungsvollen Betrieb zu ge währleisten und besonders um ein Rückströ men von Gas in den Druckaustauschkanälen zu verhindern, ist, der Drnekaustauscher zweckmässig auf Grund folgender Gleichung dimensioniert
EMI0002.0032
darin bedeuten:
a = Schallgeschwindigkeit in dem Kanal abschnitt mit, konstantem Querschnitt., t = Zeit, während welcher ein Kanal mit einer Zelle in Verbindung steht, L = Länge des oder der Kanalabschnitte mit konstantem Querschnitt, t' =Volumen einer Zelle, Ve = Summe der Volumina aller mit, einer Zelle in Verbindung stehenden Kanal abschnitte mit. konstantem Querschnitt, C =eine Konstante, etwa 2,5.
Physikalisch sagt. obige Gleichung aus, dass die Zeit, während welcher ein Kanal mit. einer Zelle in Verbindung steht, nicht grösser sein soll als die hälfte der Zeit eines ganzen Zyklus des durch die miteinander verbunde nen, Zellen und' -des sie verbindenden Kanäle gebildeten Resonanzsystems.
Wenn diese Zeit länger ist., als sie diese Grenze angibt, dann steigen die Verluste stark an.
Die beiliegende schematische Zeichnung zeigt einige Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes.
Fig. 1 ist. ein Längsschnitt durch einen Druckaustauscher mit einem Zellenrotor. Fig. 2 ist ein Querschnitt. nach der Linie A-.1 in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt in grösserem Massstab einen der in Fig. 1 gezeigten Kanäle im Axialschnitt. Fig. 4 ist ein Schnitt. nach der Linie B-B in Fig. 3.
Fig. 5 ist ein Längsschnitt durch einen Druckaustauscher mit zwei Zellenrotoren, Fig. 6 ist ein Schnitt nach der Linie C-C in Fig. 5.
Fig.7 ist ein Teilschnitt nach der zylin drischen Schnittfläche D-D in Fig. 5, und Fig.8 und 9 zeigen je eine Abwicklung auf eine Ebene eines Schnittes durch die Zel len und Kanäle eines zweirotorigen Druek- austauschers, und dienen zur schematischen Darstellung verschiedener Varianten.
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Druekaustauscher besitzt einen einzigen Ro tor 1 mit, einer Anzahl von rund um den Rotor angeordneten Zellen, die dureh Trenn wände 5 gebildet sind, welche sich zwischen einem Aussenmantel Da und einem Innen mantel 5b des Rotors in radialer Richtung erstreeken. Der Rotor 1 ist in Lagern 3, 3' drehbar gelagert. Diese Lager sind in statio nären Endplatten 2, 2' angeordnet, wobei die Drehrichtung des Rotors durch den. Pfeil<B>10</B> in Fig. 2 angedeutet ist..
Die Spülleitungen für die Hochdruckspülzone 4 stehen durch die Endplatten mit den Zellen in Verbindung. Dasselbe gilt auch für die Leitungen der Nie- derdruekspül@zone,6. Beim Betrieb des Druck austauschers erfolgt eine Kompression in den Zellen des Sektors 7, während in den Zellen des Sektors 8 (Fug. 2) eine Expansion erfolgt..
Um die Verbindung zwischen Zellen in den Sektoren 7 und 8 herzustellen, zweeks Ermög- licliung des Druckaustausches zwischen diesen Zellen, sind Kanäle 9 so angeordnet, dass ihr eines Ende mit Zellen im Kompressionssektor und ihr anderes Ende mit Zellen im Expan sionssektor und Verbindung steht. Jeder Ka nal weist. geradlinige Abschnitte 11, 11' von konstantem Querschnitt, Diffusoren 12, 12' und konvergierende Abschnitte 13, 13' auf.
Um Stossverluste zu vermeiden, sind die Ab- sehnitte 12' und 13 an ihren Verbindungs enden mit. den. Zellen entsprechend ausgebil det., wie Fig.4 zeigt-. Ein Abschnitt 9a von konstantem, aber grösserem Querschnitt. ver bindet die Abschnitte 12 und 13' miteinander.
In Fig. 2 ist der Abstand der Kanäle 9 ab sichtlich etwas zu gross gezeichnet.
Die Wirkungsweise des besehriebenen Druckaustauschers ist folgende: Wenn der Rotor rotiert, kommen, die die Niederdxitck- spülzone 6 verlassenden Zellen mit den En den 12' der Kanäle 9 in Verbindung und Gas kann in diese Zellen eindringen, wodurch ihr Inhalt komprimiert- wird. Anderseits kommen dabei die die Hochdruckspülzone 4 verlassen den Zellen mit den Enden 13 in Verbindung, wodurch Gas in die Kanäle austritt,
das in die den Kompressionssektor durchlaufenden Zellen strömt.. Zufolge der Wirkung der Ka näle enthalten die in der Hochdruckzone 4 eintreffenden Zellern Gas von. annähernd dein in der Zone 4 herrschenden Druck. Dieses Gas wird je nach dem Verwendungszweck des Druckaustauschers weiter verwendet. Im vor liegenden Fäll sei angenommen, dass dieses Gas entfernt und durch zu expandierendes an deres Gas ersetzt werde.
Die Wirkungsweise der Kanäle ist dabei folgende: 'Wenn eine Zelle, in welcher eine Expansion erfolgen soll, mit einem Kanal 9 verbunden wird, dann herrscht im allgemei nen in dieser Zelle ein höherer Druck als am andern Ende des Kanals. Demzufolge strömt Austauschgas, bewirkt durch die herrschende Druckdifferenz durch den Kanal;
das Gas wird dabei beschleunigt, und demzufolge nimmt die kinetische Energie zii. Den grössten Wert nimmt. die kinetische Energie in den Abschnitten 11 und 1'1' an, in welchen Ab schnitten die Gasgeschwindigkeit am grössten ist. Der konvergierende Teil 13 gewährleistet einen stossfreien Eintritt des Gases und, dient zur Führung der Strömung in der gewünsch ten Richtung.
Der an lern Abschnitt 11 an schliessende Diffusor 12 setzt die Geschwin digkeit der austretenden Gase herab, so dass die Gase mit relativ kleiner kinetischer Ener gie den, Kanalteil 1'2 verlassen. Im Teil 9a da gegen bleibt. der Druck auf einem konstantien Hittelwert. In den Teilen 13' wird der Gas strom erneut besehleunigt, so dass auch in die sen Kanalteilen eine Zunahme der kinetischen Energie stattfindet.
Im Diffivsor 12' wird die kinetische Energie der den Abschnitt 11 ver lassenden Gase durch teilweise Umwandlung in Dr-tickenergie wieder verringert. Die Ver bindung zwischen den zwei Zellen wird über den Zeitpunkt hinaus aufrechterhalten, in welchem die Gasdrücke in den Zellen ein ander gleich sind. Von diesem Zeitpunkt an wird kinetische Energie zur Kompression des in der Kompressionszelle vorhandenen Gases über den in der Expansionszelle herrschenden Draek hinaus verwendet.
Bei einer Variante des beschriebenen Driickaustauschers ist ein Kanalabschnitt ent sprechend dem Abschnitt. 11 an Stelle des Ab schnittes 9a vorgesehen. Die Kanäle 11 usw. können bezüglich der Endplatte, z. B. wie bei 41 in Fig. 8 gezeigt-, auch schräg verlaufen. Beim Betrieb ist jede am DruckaustatLsch be teiligte Zelle gleichzeitig mit einer Mehrzahl von Kanälen verbunden.
Es ist auch möglich, an beiden Enden des Zellenrotors Kanäle anzuordnen.
Dichtungen 14 (Fig.4) sind vorgesehen, um Leckverluste an den Kanten der Zellen wände zu vermindern. Die Einlass- und Aus lassenden der Kanäle können ferner in ver schiedenen Radialabständen an .die Endplatte angeschlossen sein.
Der Druckaustauscher gemäss den Fig. 5, 6 und. 7 besitzt zwei koaxiale Zellenrotoren 15 und 16, wobei jeder Rotor annähernd gleich ausgebildet ist wie der Rotor 1 des voran gehend beschriebenen Beispiels. Die Rotoren 15, 16 sind gegenläufig rotierend in Lagern 18, 19, 20, 21 gelagert, welche Lager in Endplat- ten 22, 2-3, 24, 25 angeordnet sind. Die End- platten 24, 25 sind durch ein Zwischenstuck 26 miteinander verbunden. Die Pfeile in Fig.7 geben die Drehriehtungern der beiden Rotoren an..
Zwischen den beiden Rotoren sind Druckaustauschkanäle 27, 2:8 angeordnet, welche den Durchfluss von Austauschgas aus Expansionszellen des einen Rotors in Kom pressionszellen des andern Rotors ermögli chen, wobei die Kanäle im obern Bogenstück des Stators in einer Richtung und die Kanäle im untern Bogenstück in der andern Rich tung vom Gas durchflossen werden.
Die Wirkungsweise dieses Di-tickaustau- schers entspricht. derjenigen des vorangehend beschriebenen Austauschers mit der Aus nahme, d'ass bei der zweirotorigen Ausfüh- rungsform die Expansionszellen des einen Ro tors mit den Kompressionszellen des andern Rotors zusammenarbeiten,. Diese Anordnung ermöglicht eine einfaehere Ausbildung der Di-LlekaiLstausehkanäle. In Fig. 7 ist ein Ka nalsystem dargestellt., bei dem die Kanäle mit.
Rücksicht. auf die Tangent.ialkomponente der Gasgeschwindigkeit an ihren Enden gebogen sind. Am einen Ende weisen die Kanäle einen konvergenten Teil und am andern Ende einen Diffusor auf. Die @V irkungsweise dieser Ka näle ist im übrigen gleich, wie sie an Hand der Fig. 1 bis 4 beschrieben wurde.
Die Kanäle 27 können in der Nieder druckzone eine grössere (luerschnittsfläehe aufweisen als in der Hochdruckzone, wie dies beispielsweise durch die gestrichelten Linien in Fig. 6 angedeutet. ist.
Beim Beispiel gemäss Fig. 8 sind 15 und 16 Zellenrotoren, 30, 31, 29 die Hochdi-tick- Spülkanäle, 38 Leitschaufeln zur Führung der Spülströmung und 39, 39 Dichtungen am Zwischenstück 26. In Fig. 8 sind verschiedene Varianten von Kanälen dargestellt. 27 sind Kanäle, wie sie an Hand von Fi-,. 7 beschrie ben wurden; 40 sind Kanäle, die so geformt sind, dass Stösse, die zufolge der Umfangs geschwindigkeit der Zellenrotoren auftreten können, vermeidbar sind.
Die Kanäle 41 be sitzen einen konvergenten Einlassteil, der in Richtung der Geschwindigkeit des den Zellen rotor verlassenden Gases verläuft. Sie besitzen ferner einen Diffusor 43 und einen gekrümm ten Auslassteil 42, um eine geeignete Ge schwindigkeitskomponente in Umfangsrich tung zu erzielen. Das Spülen erfolgt im Parallelstrom, wobei auf jeder Seite, wie durch die Pfeile Y angedeutet, Gas eintritt und durch die Leitun- 31 zentral abströmt..
'Gemäss Fig. 9 werden die Zellen durch schraubenlinienförmig verlaufende Teile 44 gebildet. Diese Teile 44 verlaufen dabei zweckmässig in solcher Richtung, dass das Gas, das eine Zelle in Richtung der Druck austauschkanäle verlä.sst, zur Hauptsache eine reine Axial!gesehwindigkeit besitzt, d. h., dass die Umfangsgeschwindigkeitskomponente stark herabgesetzt ist. Die Kanäle 45 besitzen einen gekrümmten Einlassteil, während die Kanäle -k6 einen gekrümmten Auslassteil aufweisen.
Die Leitschaufeln 38 können auch in den Zellenrotoren angeordnet. sein, oder die Enden der Zellentrennwände können die gewünschte, gebogene Form aufweisen.
Es ist natürlich möglich, mehrere annä hernd koaxial zueinander angeordnete Zellen rotoren vorzusehen, wobei aufeina.nderfol- ,-ende Rotoren gegenläufig rotieren. Zwischen jedem Paar nebeneinanderliegender Rotoren können für den Druekaustaiisehv organg be stimmte Kanäle vorgesehen sein,
und zwischen den Rotoren können Leitungen als Ein- oder Auslassverbindungen mit Nieder- und I3oeh- drttekspülräumen angeordnet sein.
Bei allen beschriebenen Ausführungsfor men können die radialen Zellenwände so ge formt sein, dass die in die Zellen eintretenden oder sie verlassenden Gase einen Drehantrieb des oder der Rotoren bewirken.