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Drucktauscher, z. B. für Gasturbinenanlagen Es ist bekannt, daß im
Drucktauseher mit Hilfe eines rotierenden Zellenrades die Drücke eines Gasstromes
ihohen Druckes und eines Gasstromes niedrigen Druckes miteinander ausgetauscht werden,
wobei das eine Gas durch Verdünnungswellen von höherem auf niedrigeren Druck und
das andere durch Verdichtungswellen von niedrigerem auf höheren Druck gebracht wird.
Diese Wanderwellen werden erzeugt @durch rasches Öffnen oder Schließen der Zellen
:bei stillstehendem oder strömendem Zelleninhalt. Das Offnen und Schließen der Zellen
erreicht man durch Drehers eines Zellenrades zwischen zwei stillstehenden Stirnwänden,
in denen entsprechende Steueröffnungen ausgespart sind. Die Wellenbildung vollzieht
sich also in rotierenden Zellen, ebenso das Verdrängen des einen Gases durch das
andere. Diese Vorgänge werden durch Fliehkräfte, unter deren Einwirkung der ganze
Zelleninhalt steht, gestört, was zu Verlusten führt. Diese Verluste werden vermieden,
wenn die erwähnten Vorgänge in einem feststehenden Kranz von als Schleusen dienenden
Zellen ablaufen. Die vorliegende Erfindung betrifft somit einen Drucktauscher, z.
B. für Gasturbinenanlagen, der einen Gasstrom von einer unteren Druckstufe auf eine
obere Druckstufe verdichtet und im Tausch einen zweiten Gasstrom von einer oberen
Druckstufe auf eine iuntere Druckstufe entspannt, rund ist gekennzeichnet durch
einen Ieeststehenden Kranz von als Schleusen dienenden Zellen und zwei drehbare
Verteiler, die bei ihrer kontinuierlichen Drehung die beiden Enden der Zellen abwechslungsweise
mit dien Zufluß- und Abflußleitungen der beiden Gasströme verbinden. Die Fliehkräfte
treten jetzt in den sich drehenden Verteilern auf, wo,sie aber keinen schädlichen
Einfuß ausüben können.
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In den Zeichnungen ist eine beispielsweise Ausführung eines erfindungsgemäßen
Drucktauschers
dargestellt,-- und zwar zeigt die, Fig. i einen solchen
im Längsschnitt und Fig. 2 .in axonometrischer Darstellung. Die Fig. 3 zeigt einen
Ausschnitt aus einer Abwicklung eines zylindrischen Schnittes durch den Zellenkranz
(und die Verteiler, wobei der Schnitt etwa gemäß -den Linien III-III der Fig. i
geführt ist: Es ist jedoch zu beachten, daß in Fig. i, zwecks Verdeutlichung ihres
Aufbaus, die beidseitig des Gellenkranzes angeordneten Verteiler im Schnitt um 9o°
gegeneinander verdreht dargestellt sind, während sie im Betrieb ,so gegeneinanderstehen,
wie dies aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht. Die letztgenannte Figur dient im folgenden
zur Erläuterung der Arbeitsweise des Drucktauschers nach der Erfindung.
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In allen drei Figuren, sofern. die Hinweiszeichen darin vorkommen,
bedeutet i den feststehenden Zellenkranz, 2 und 3 Ibzw. 4 und 5 die konzentrisch
ineinander angeordneten und mit dem Zellenkranz fest verschraubten Znzfluß- und
Abflußleitungen für die ,beiden Gasströme. 6 :und 7 sind die Verteiler, die die
beiden Gasströme steuern. Zweckmäßig wird der Gasstrom höheren Druckes und mithin
kleineren Volumens durch eine Leitung kleineren Durchmessers, z. B. Leitung 3, und
durch das Innere des jeweiligen Verteilers den Zellen zu- und aus ihnen abgeführt,
während der niedriger gespannte Gasstrom außen um den jeweiligen Verteiler herumgeführt
und durch eine Leitung größeren Durchmessers, z. B. Leitung 4, albgeleitet wird.
Soll beispielsweise .in einer Gasturibinenanlage Abgas eines Verbrennungsvorganges
dazu benutzt werden, um die für die Verbrennung nötige Luft zu verdichten, so können
die Strömungen im Drucktauschen vorerst kurz wie folgt beschrieben wenden: Das zu
entspannende Albgas gelangt beispielsweise durch die Zufiuß1eitu@ng 3 und das Innere
des Verteilers 6 in die Zellen des Zellenkranzes i, in welchen es durch die Vorgäavge
entspannt wird, die im folgenden an Hand der Fig. 3 näher erläutert werden. Das
entspannte Abgas fließt nach Verlassen der Zellen außen um die Arme des Verteilers
7 herum und -wird durch die Leitung 4 abgeführt. Luft niedrigeren Druckes wird durch
die Leitung 2 zugeführt, fließt außen .um den Verteiler 6 herum in die Zellen, wird
in diesen verdichtet, und verläßt diese als verdichtete Luft durch das Innere des
Verteilers, 7, und die Leitung 5.
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",.:,his ist ferner vorteilhaft, die Verteiler zum Zweck des Druck-
und Massenausgleiches so auszubilden, daß auf eine Umdrehung ,mindestens zwei Arbeitsspiele
fallen. Die Figuren zeigen die Verteiler 6 und. 7 für zwei Arbeitsspiele. Sie sitzen
fest verkeilt auf derselben Welle 8, die im Tragkörper des Zellenkranzes i gelagert
ist. Angetrieben werden sie z. B. durch einen Elektromotor i i, entweder, w die
Fig. i darstellt, über ein Kegelräderpaar 9,
, i"e i o, oder Über ein herausgeführtes
Wellenende.
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Um den Zellen einen drallfreien Gasstrom zuzuführen, kann man die
Kanäle des Verteilers 6 schraubenförmig ausbilden, @so. daß trotz der Rotation der
Verteiler durch den ganzen Drucktausaher hindurch eine, drall,freie Strömung erhalten
bleibt. Sollte es sich als vorteilhaft erweisen, den Verteilern durch die Gasströmung
einen Drehimpuls in Antriebsrichtung zu geben, so wäre auch das durch eine entsprechende
Formgebung der Verteilerkanäle möglich.
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Die ;beispielsweise gezeigte Ausführung der Verteiler 6 und 7 bringt
es mit sich, daß diese an ihren an den Zellenkranz anschließenden Enden ikreisrunde
Scheiben mit sektorförmigen Steueröffnungen haben, während ihre anderen Enden, die
mit den Zufluß- und Abflußleitungen 3 @bzw. 5 in Verbindung stehen, als Rotationszylinder
ausgeführt sind. Sind die Verteiler, wie im vorliegenden Beispiel angenommen, für
zwei Arbeitsspiele pro Umdrehung ausgebildet, so müssen in jedem Verteiler je zwei
Paare von Steueröffnungen vorhanden sein, die mit 12a, 12b ibmw. 13a, i36
bezeichnet sind.
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Die Anbeits.weise eines Drucktauschens nach der Erfindung ergibt .sich
aus der Gesamtheit der Vorgänge, die sich, zeitlich gegeneinander verschoben, in
jeder einzelnen Zelle ides Zelletikr@anzes abspielen. Der Ablauf dieser Vorgänge
kann an Hand der Figuren, insbesondere der Fig. 3, wie folgt beschrieben werden
a) Die betrachtete Zelle sei in der zuerst herausgegriffenen Phase des Arbeitsspiels
beidseitig offen; sie ist also, wie z. B. die Zelle a in Fig. 3, hinsichtlich oder
Verteiler 6 -und 7 in einer solchen Stellung, daß sowohl eine Steueröffnung 12b
des Verteilers 6 als auch eine Steueröffnung 13b des Verteilers 7 den Zufluß und
auch den Abfluß des in Betracht kommenden Stoffes gestatten. Das durch die Zuflußleitung
2 zugeführte und zu verdichtende Gas (z. B. Verbrennungsluft für eine Gasturbinenanlage)
tritt an einem Ende durch eine SteueröfnUng 12b des Verteilers 6 in,die Zelle ein
und verdrängt das entspannte andere Gas (z. B. Abgas einer Gasturbine), das am anderen
Ende durch eine Steueröffnung i3b des Verteilers 7 in die Abflußleitung 4 ,austritt.
Der soeben beschriebene Vorgang kann als Spülung auf der Unterstufe bezeichnet werden.
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b) Nach beendeter Spülung wird das Austrittsende der Zelle durch den
sich drehenden Verteiler 7 geschlossen. -Dadurch entsteht eine Verdichtungswelle,
die die Zelle vom Austritts- zum Eintrittsende durchwandert und den Spülstrom zum
Stillstand bringt. Die betrachtete Zelle befindet sich also jetzt in einer Stellung
wie die Zelle b in Fig. 3; die Lage der Verdichtungswelle in dieser Zelle .und den
ihr (benachbarten Zellen wird hier, wie auch in den nachfolgenden Phasen des Arbeitsspiels,
durch die schief über die Abwicklung des Zellenkranzes i laufende strichpunktierte
Linie angedeutet.
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c) Bei der Ankunft der Verdichtungswelle am Eintrittsende der Zelle
wird dieses durch den anderen sich drehenden- Verteiler 6 geschlossen, wodurch ein
Volumen verdichteten Gases (z. B. Luft) eingefangen wird. Die betrachtete Zelle
ist in einer Stellung wie die Zelle c in Fig. 3.
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d) Das Eintrittsende der Zelle wird durch den sich drehenden Verteiler
6 mit einer Steueröffnung 12, und, dadurch .mit der Zufuhrleitung 3 des zu
entspannenden
Gases (z. B. Abgas), das unter einem höheren Druck als der Zelleninhalt sein soll,
in Verbindung gebracht. Dadurch entsteht eine neue Ver-(lichtungswelle, die die
Zelle vom Eintritts- zum Austrittsende durchwandert und den Inhalt der Zelle wieder
in Bewegung bringt (vgl. Zelle d in Fig. 3)-e) Bei der Ankunft der Verdichtungswelle
am Austrittsende der Zelle wird dieses durch den sich drehenden Verteiler 7 geöffnet.
Damit ist die Spülung auf der Oberstufe eingeleitet; das zu entspannende Gas (z.
B. Abgas) tritt bei 12" in .die Zelle ein und verdrängt das verdichtete Gas (z.
B. Luft) durch eine Steueröffnung 13a,des Verteilers 7 in die Abflußleitung 5 (vgl.
Zelle e in Fig..3).
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f) Am Ende der Spülung wird das Eintrittsende der Zelle durch den
Verteiler 6 geschlossen; dadurch wird eine Verdünnungswelle erzeugt, die die Zelle
vom Eintritts- zum Austrittsende diurc`hwandert und den Spülstrom zum Stielstand
:bringt (vgl. Zelle f in Fig. 3).
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g) Bei der Ankunft der Verdünn@ungswefle am Austrittsende der Zelle
wird dieses durch den Verteiler 7 geschlossen, wodurch ein Volumen entspannten Gases
(z. B. Abgas) eingefangen wird (vgl. Zelle g in Fig. 3).
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h) Das Austrittsende der Zelle wird mit einer Steueröffnung 136 im
Verteiler 7 und dadurch mit der Abflußleitung 4 des entspannten Gases (z. B. Abgas),
in der ein tieferer Druck herrschen sol'1 als in der Zelle, in Verbindung gebracht;
dadurch entsteht eine neue Verdünnungswelle, die die Zelle vom Austritts- zum Eintrittsende
durchwandert und deren Inhalt wieder in Bewegung bringt (vgl.Zel'le 1i in Fig. 3).
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i) Bei der Ankunft der Verdünnungswelle am Eintrittsende der Zelle
wird dieses durch eine Steueröffnung 126 des sich drehenden Verteilers 6 geöffnet
und dadurch mit der Zuflußleitung 2 des zu verdichtenden Gases (z. B. Luft) in Verbindung
gebracht; damit ist der Spülvorgang auf der Unterstufe wieder eingeleitet, und das
Arbeitsspiel beginnt von neuem (vgl. Zelle i in Fig. 3, die wieder in der gleichen
Stellung zu den Verteilern ist wde die Zelle a, was durch die Beschriftung i = a
angedeutet ist).