Druckaustauscher In gewissen Abschnitten des Arbeitskreislaufes eines Druckaustauschers befinden sich in einer be stimmten Zelle eines Druckaustauschers verschiedene Fluiden, die auch verschiedene Eigenschaften auf weisen. In der Hochdruckspülstufe eines Druckgas- erzeugungsdruckaustauschers, der keine übertragungs- kanäle aufweist, tritt heisses Gas in Zellen ein, in denen sich bereits verdichtete Luft befindet.
Da ein Zellen ende nicht augenblicklich in seiner ganzen Grösse mit der Einlassleitung in Verbindung treten kann, tritt ein Heissgasstrahl entlang der vorderen Wand in die Zelle ein, und es entsteht eine schräge Zwischenfläche. Turbulenz veranlasst dann unvermeidlich eine Ver mischung der Heissgase mit der Luft in einer im Be reich dieser Zwischenfläche befindlichen Zone. Zu der durch die Schräglage dieser letzteren bedingten Schwierigkeit kommt noch, dass die Geschwindigkeits differenz zwischen der Luft und den neu eingeführten Heissgasen letztere dazu bringen, tief in die Zelle einzudringen; ausserdem verursacht die Turbulenz eine weitgehende Durchmischung.
Die gleichzeitige Anwesenheit von nebeneinander befindlichen Massen von verschiedener Dichte bringt auch eine Tendenz zur Vermischung, wenn Verdich- tungs- und Expansionswellen die Zellen der Länge nach durchwandern. Die Dichteunterschiede veran lassen eine Unstabilität der Zwischenfläche, wenn eine Verdichtungswelle von einem Fluidum zu einem dichteren wandert und auch wenn eine Expansions welle im entgegengesetzten Sinne wandert. Eine un stabile Zwischenfläche führt wegen der unvermeid lichen Turbulenz zur Vermischung. Auch die bei der Drehung des Zellenkranzes wirksamen Zentrifugal kräfte können eine Vermischung zur Folge haben.
Die Zentrifugalbeschleunigung kann auf Null herabge setzt werden für eine Stufe des Arbeitskreislaufes, bei spielsweise durch Anwendung von zur Rotordrehachse schräggestellten Zellenwänden; diese Schrägstellung behält aber ihre Wirkung auch in anderen Stufen des Arbeitskreislaufes; es kann ihr höchstens in eher geringem Ausmass entgegengewirkt werden durch Un terteilung der Zellen in Umfangsrichtung und durch Vergrösserung des Rotordurchmessers ohne gleich zeitige Vergrösserung der Zellenhöhe.
Gegenstand der Erfindung ist nun ein Druckaus- tauscher mit einem Zellenring, der relativ zu einem einen Satz von Leitungen aufweisenden Teil drehbar ist, der Niederdruckspulöffnungen sowie eine Ein tritts- und eine Austrittsöffnung besitzt, die auf entgegengesetzten Seiten des Zellenringes gelegen sind, wobei diese Austrittsöffnung so angeordnet ist, dass eine Zelle mit ihrem einen Ende zuerst an einer der Niederdruckspülöffnungen und dann an der Aus trittsöffnung vorbeiwandert, wobei im besagten Teil ferner eine zusätzliche Eintrittsöffnung vorhanden ist,
die in Drehrichtung des Zellenringes vor der Eintritts öffnung liegt und von ihr nur durch einen Steg ge trennt ist.
Erfindungsgemäss ist die zusätzliche Eintrittsöff nung durch eine zum besagten Teil gehörende Leitung mit der Austrittsöffnung verbunden, so dass durch die Austrittsöffnung hindurch aus den Zellen abgezapf tes Fluidum durch die zusätzliche Eintrittsöffnung hin durch wieder in die Zellen eingeführt wird zwecks Bildung einer Pufferzone zwischen dem schon vor her in den Zellen befindlichen Fluidum und dem Arbeitsfluidum, das anschliessend durch die Eintritts öffnung in die Zellen eintritt.
Beiliegende Zeichnung stellt einige Ausführungs beispiele des erfindungsgemässen Druckaustauschers dar.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform schema tisch in Abwicklung, und die Fig. 2 und 3 zeigen zwei weitere Ausführungs formen auch schematisch und in Abwicklung.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Kranz von Zellen bezeich net, der sich zwischen Stirnplatten 2 und 3 im Sinne des Pfeils 4 dreht. Es ist eine Niederdruckspülstufe von üblicher Bauart vorhanden, die sich zusammen setzt aus einer Einlassleitung 16 und einer Auslass leitung 17; die durch die Leitung 16 eintretende Frischluft spült in dieser Stufe die Zellen vollständig. In bekannter Art und Weise werden Expansionswellen 18 und Verdichtungswellen 19 in den Zellen hervor gerufen.
Die Leitungen 5 und 6 mit den Öffnungen 5a bzw. 6a bilden Teile einer Hochdruckspülstufe, wobei hei sses Gas aus der Leitung 5 in die vorbeiwandernden Zellen eintritt und durch die Leitung 6 verdichtete Luft aus den Zellen austritt. 5a ist eine Eintritts öffnung, und 6a ist eine Austrittsöffnung. Die Leitun gen 5 und 6 sind durch eine Erhitzungsvorrichtung, beispielsweise eine Brennkammer, miteinander ver bunden; es kann übrigens eine Entnahme von ver dichtetem Gas aus der Verbindung der beiden Lei tungen erfolgen. Jede Zelle ist, wenn sie sich von der Stelle 7 her der Hochdruckspülstufe nähert, mit Luft angefüllt.
Wenn diese Zelle die Stelle 8 erreicht, so wird sie von einer Verdichtungswelle durchwandert, welche die Luft verdichtet; im Sollbetriebszustand er reicht diese Welle das andere Zellenende gerade dann, wenn die Zelle am Rand 9 der zur Austrittsleitung 10 gehörenden Austrittsöffnung 10a vorbeiwandert, durch welche verdichtete Luft austritt und einer zusätz lichen Einführleitung 11 zugeführt wird, die durch eine zugehörige Austrittsöffnung lla auf der anderen Seite des Zellenkranzes ausmündet. Gerade die hier wieder in die Zellen eintretende Luft gibt zur Bildung der eben erwähnten Verdichtungswelle Anlass.
Zuerst erfolgt der Eintritt in die noch teilweise verschlossene Zelle in der Form eines Strahles; da aber die Eigen schaften des eintretenden Fluidums denjenigen des bereits in der Zelle befindlichen Fluidums sehr weit gehend angeglichen sind, sind die Auswirkungen nicht bedeutend. Das an der Einmündung 11a der Lei tung 11 vorbeiwandernde Zellenende wird dann wie der mehr und mehr geschlossen und der Zelleninhalt in Bewegung gesetzt, so dass, wenn die Zelle an der Kante des Steges 12 zwischen l la und 5a vorbeiwan- dert, sich nicht ein Strahl von plötzlich in die Zelle einströmendem Heissgas bildet.
Währenddem die Zelle an der Ausmündung 5a der Leitung 5 vorbeiwandert, erfolgt ein anhaltenderEintritt von Heissgas, das aber von der schon vorher in der Zelle befindlichen Heissluft durch eine Pufferzone ge trennt gehalten wird, die aus der durch die Zusatz leitung 11 eintretenden Druckluft besteht. Diese Puf ferzone durchwandert die Zelle nach und nach in ihrer Längsrichtung und tritt schliesslich von der Zelle in die Leitung 6 über, wie durch die Linien 13 ange deutet ist.
Im bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel er folgt die Vermischung zwischen Druckluft, die den anfänglichen Zelleninhalt bildet, und zusätzlicher Druckluft, die durch die Leitung 11 eintritt. Diese Vermischung ist somit harmlos. Die Vermischung, die stattfindet zwischen der durch die Leitung 11 ein tretenden Luft und dem durch die Leitung 5 ein tretenden Gas, wird an Wichtigkeit verlieren, wenn dafür gesorgt wird, dass die Luft durch die Leitung 11 etwas schneller strömt als das Heissgas durch die Lei tung 5. Man erreicht so einen Verzögerungseffekt im Bereich der Trennfläche zwischen Luft und Heissgas.
Es kann auch wünschbar erscheinen, einen gleich mässigen Druckgradient im Heissgasstrom herbeizu führen, der durch die Leitung 5 in die Zelle ein tritt, damit die Strömungsgeschwindigkeit im Rotor drehsinn abnimmt. Solches könnte beispielsweise er reicht werden durch geeignete Einstellung der Druck verluste im Erhitzungskreislauf, z. B. durch Einsetzen eines geeigneten Drosselgliedes 14 in die Leitung 5.
Zur Überwindung der Reibung in der Verbin dungsleitung 15 zwischen 10a und 11a hat der stati sche Druck der Luft in der Austrittsöffnung 10a höher zu sein als in der zusätzlichen Eintrittsöffnung l l;a, die Leitung 10 also weiter zu sein als die Lei tung 11. Die zusätzliche Eintrittsöffnung lla hat mindestens so weit zu sein wie die Zellen selbst, damit die durch die endliche Zellengrösse bedingte Puffer zone von eintretender Luft vollständig ist, bevor die Einströmung von Heissgas durch die Leitung 5 be ginnt.
Die Wiedereinführung von verdichteter Luft in der oben beschriebenen Art und Weise hat keinen grossen Effekt auf den Wirkungsgrad des Druckaus- tauschers, obwohl geringfügig vergrösserte Druck verluste zu erwarten sind infolge der zusätzlichen Oberfläche von Leitungswandung. Es ist auch zu er wähnen, dass die Pufferzone aus verdichteter Luft zwischen den Linien 13 nicht durch den ganzen Ar beitskreislauf getragen wird, sondern nur durch die in Frage kommende Stufe.
Die in Fig. 2 in ihrer Ganzheit dargestellte Aus führungsform eines Druckaustauschers mit Hoch druckspülzone und Niederdruckspülzone weist andere Mittel auf zur Bildung der Pufferzone zwischen der verdichteten Luft, die sich in einer in der Hochdruck spülstufe ankommenden Zelle befindet, und dem Heissgas, welches in dieser Stufe in die Zelle eingeführt wird. Auch hier dreht der Zellenkranz 1 zwischen Stirnplatten 2 und 3 im Sinne des Pfeils 4. Die Nie derdruckspülstufe mit den Leitungen 16, 17 ist die gleiche wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Die Hochdruckspülstufe besteht aus einer Einlass- leitung 20, einem Auslassstutzen 21 und einer Ver bindungsleitung 22. Die so gebildete Kreislaufleitung hat eine Entnahmestelle 23, durch welche heisses Druckgas abfliessen kann, welches beispielsweise in einer Nutzleitung abgebenden Turbine verarbeitet wer den kann. In der Einlassleitung 20 ist ein Flammrohr 24 angeordnet, in welchem durch die Leitung 25 ein geführter Brennstoff verbrannt wird.
Das Flammrohr ist von üblicher Bauart, mit der Ausnahme, dass sein stromabwärtiges Ende 26 gegenüber dem übrigen Teil des Flammrohres seitlich versetzt ist, derart, dass der weitaus grösste Teil der Luftmenge, welche das Flamm rohr 24 umgeht, ohne am Brennprozess teilzuhaben oder sich mit den Brenngasen zu vermischen, durch die zusätzliche Eintrittsöffnung 27 in die Zellen ein treten kann, bevor die heissen Brenngase durch die Eintrittsöffnung 28 ebenfalls in diese Zellen ein treten können.
Die frische verdichtete Luft, welche sich in einer sich der Hochdruckspülstufe nähernden Zelle befindet, wird weiter verdichtet, sobald sie unter die Wirkung der Verdichtungswelle 29 kommt. Diese Zelle tritt dann mit der Einmündung des Aus trittsstutzens 21 in Verbindung und gibt ihren Inhalt an letzteren ab; die Gase strömen dann entweder durch den Auslassstutzen 23 oder durch die Verbin dungsleitung 22. Die durch die zusätzliche Eintritts öffnung 27 in die Zelle eintretende Luft ist etwas wärmer als jene, die durch die Verbindungsleitung 22 strömt, denn sie wurde verwendet zur Kühlung der Aussenseite des Flammrohres 24.
Durch die zusätz liche Eintrittsöffnung 27 dringt somit ein Strahl von warmer, verdichteter Luft durch das Zellenende. Die Eigenschaften dieser Luft sind aber weit mehr an jene der verdichteten Luft angeglichen, die sich in der in der Hochdruckspülstufe ankommenden Zelle be findet, als die Heissgase, welche durch die Öffnung 28 hindurch aus dem Flammrohr 24 in die Zellen ein treten; somit treten keine schädlichen Wirkungen ein. Innerhalb der Zellen treten zwei Trennflächen auf, welche durch die strichpunktierten Linien 30 und 31 angedeutet sind. Die Trennfläche 30 ist jene zwi schen dem aus verdichteter Luft bestehenden ur sprünglichen Zelleninhalt und der verdichteten Luft, welche durch die zusätzliche Eintrittsöffnung 27 ein tritt.
Die zweite Trennfläche 31 besteht zwischen der durch die zusätzliche Eintrittsöffnung 27 eingetre tenen Luft und dem durch die Eintrittsöffnung 28 ein getretenen Gas. Somit ist zwischen den Trennflächen 30 und 31 eine Pufferzone vorhanden, welche dem gleichen Zweck dient, wie die oben im Zusammen hang mit Fig. 1 beschriebene Pufferzone.
Der in Fig. 3 dargestellte Druckaustauscher dient ebenfalls zur Erzeugung von Druckgas, welches durch den Stutzen 23 abfliessen kann. Er hat Niederdruck spülmittel, die denjenigen der zweiten Ausführungs form ähnlich sind, und ferner Hochdruckspülmittel von üblicher Bauart. Indessen hat er zusätzlich einen Übertragungskanal 32, dessen wohlbekannte Wirkung darin besteht, durch die Öffnung 33 hindurch eine ge wisse Menge von Hochdruckheissgas aufzunehmen und durch die Öffnung 34 hindurch wieder den Zellen zu zuführen, um in einem gewissen Ausmass Luft zu verdichten, die dem Druckaustauscher in der Nieder druckspülstufe zugeführt wurde.
Da die erstmalige Einführung von Heissgas in eine vorhin bei Nieder druck gespülte Zelle durch die Öffnung 34 hindurch erfolgt, besteht auch hier für die ankommenden und mit teilweise verdichteter Luft gefüllten Zellen das grösste Bedürfnis für die oben beschriebene Puffer- tone. Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform ist gegenüber der Öffnung, durch welche die Heiss gase aus dem übertragungskanal in die Zellen ein treten, eine Austrittsöffnung 35 vorgesehen, und diese ist durch eine Leitung 36 an eine zusätzliche Ein trittsöffnung 37 angeschlossen, die in Drehrichtung des Zellenrotors unmittelbar vor der Eintrittsöffnung 34 liegt.
Die durch die Austrittsöffnung 35 abge zapfte Druckluft strömt durch die Leitung 36 und die Öffnung 37 wieder in die Zellen zurück. Es wer den zwei Trennflächen gebildet, ähnlich wie in der zweiten Ausführungsform, und diese sind in Fig. 3 durch die strichpunktierten Linien 38 und 39 ange deutet. Zwischen diesen Trennflächen befindet sich die Pufferzone, welcher die in dieser Stufe in die Zelle ein tretende Druckluft von dem Heissgas trennt, welches durch den Übertragungskanal 32 in die betreffende Zelle eingeführt wird. Bei der weiteren Wanderung der Zelle enthält der linksseitige Teil jeder Zelle Heiss gas.
Somit ist es nicht wesentlich, dass eine weitere Pufferzone gebildet wird, wenn die Hochdruckspülstufe erreicht wird. Deswegen kann ein Flammrohr 40 von üblicher Bauart und eine Eintrittsöffnung 41 für hei sses Hochdruckgas vorgesehen sein.
In einem Druckaustauscher mit mehreren über tragungskanälen braucht nur für eine Begrenzung der Vermischung beim ersten übertragungskanal nach der Niederdruckspülzone gesorgt zu werden, denn gerade dort erfolgt die Berührung zwischen Frischluft und Heissgasen. Die Strahlvermischung bei nachfolgenden Einlassöffnungen ist verhältnismässig harmlos, denn sie führt nur zur Vermischung von eintretenden Heiss gasen mit solchen, die sich bereits an diesem Zellen ende befinden.