DK168997B1 - Trykudveksler til væsker - Google Patents

Description

DK 168997 B1

Opfindelsen angår trykudvekslere til overførsel af trykenergi fra en væskestrøm i ét væskesystem til en væskestrøm i et andet væskesystem, hvilken trykudveksler omfatter et hus med en ind- og en udløbsledning for hver væskestrøm og en cy-5 lindrisk rotor, der er placeret i huset og indrettet til at rotere omkring sin længdeakse og forsynet med et antal passager eller boringer, der strækker sig parallelt med længdeaksen og har en åbning i hver ende, hvilke ind- og udløbsledninger i væskesystemerne danner ledningspar, der er placeret 10 nær ved rotorens respektive endeflader, og hvilke boringer i rotoren er indrettet til at blive forbundet med husets ind-og udløbsledninger på en sådan måde, at de, når rotoren roterer, skiftevis indeholder de respektive systemers væske under højt tryk og under lavt tryk.

15 Fra US-patentskrift nr. 3 431 747 kendes der en trykudveksler af den ovenfor nævnte type, hvor hver indløbs- og udløbsledning omfatter en række passager. Ved hver af rotorens ender er der mellem denne og huset anbragt respektive lukningsplader, som er stationære i forhold til huset, og i 20 hvilke der er formet en række kanaler til opnåelse af forbindelse mellem respektive passager af indløbs- og udløbsledningerne. Der rager rørformede forlængelser af lukningspladernes kanaler ind i hver passage af indløbs- og udløbsledningerne, idet disse forlængelser kan glide tætnende i 25 passagerne. Fjedre, der er anbragt i de respektive passager af indløbs- og udløbsledningerne, ligger an mod enden af de rørformede forlængelser og trykker lukningspladerne til et tætnende anlæg mod rotoren.

Når rotoren roterer, er rotorens boringer indrettet til efter 30 tur at være i forbindelse med lukningspladens kanaler.

Kanalerne i lukningspladerne har en forholdsvis stor indbyrdes afstand, idet der mellem disse kanaler for det første må findes lukningsplademateriale til adskillelse af kanalerne, og for det andet optager de rørformede forlængelser plads 35 mellem kanalerne. Når rotoren roterer, og der strømmer væske DK 168997 B1 2 ind i rotorens boringer, vil rotorens boringer således skiftevis være i det mindste delvis blokeret og fri.

Hvis der kun er et lille antal kanaler for at reducere lukningspladernes og ledningernes kompleksitet og dermed pris, 5 vil afstanden mellem kanalerne kunne blive så stor, at væskestrømmen i rotorens boringer bliver intermitterende, hvilket vil være uheldigt, idet trykudveksleren hermed bliver meget enrgikrævende, og der vil forekomme trykstød, der belaster de øvrige bestanddele i det anlæg, som trykudveksleren indgår i.

10 Hvis antallet af kanaler i lukningspladerne øges, vil strømningen kunne forbedres, idet denne kan blive pulserende i stedet for at være intermitterende, men i dette tilfælde vil lukningsplademe og ledningerne blive tilsvarende mere komplicerede og dyre, og de nævnte ulemper elimineres ikke, men 15 reduceres bare.

De fjedre, der er anbragt i hver passage, vil også bevirke et energitab, idet strømningsmodstanden i passagen øges.

Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe en indretning, som i mindre grad er belastet af de ovennævnte ulemper.

20 Ifølge den foreliggende opfindelse er der tilvejebragt en trykudveksler til overførsel af trykenergi fra en væskestrøm i ét væskesystem til en væskestrøm i et andet'væskesystem, hvilken trykudveksler omfatter et hus med en indløbs- og en udløbsledning for hver væskestrøm og en cylindrisk rotor, der 25 er placeret i huset og indrettet til at rotere omkring sin længdeakse og forsynet med et antal passager eller boringer, der strækker sig parallelt med længdeaksen og har en åbning i hver ende, hvilke indløbs- og udløbsledninger i væskesystemerne danner ledningspar, der er placeret på respektive 30 sider af rotoren, og hvilke boringer i rotoren er indrettet til at blive forbundet med husets ind- og udløbsledninger på en sådan måde, at de, når rotoren roterer, skiftevis indeholder de respektive systemers væske under højt tryk og under 3 DK 168997 B1 lavt tryk, hvilken trykudveksler er ejendommelig ved, at ledningernes inderste åbninger, dvs. de åbninger, som er tæt på rotoren, er dannet omtrent som et cirkelsegment med en vinkel på 180°, at der i hver cirkelsegmentformet åbning 5 udmunder en flerhed af de langsgående rotorboringer, og at der er dannet en skillevæg mellem disse åbninger i hvert ledningspar.

Ved en trykudveksler med de ovennævnte karakteristiske træk opnås, at rotorens boringer ikke skiftevis blokeres og fri-10 gøres, når de befinder sig over for indløbs- og udløbsledningerne, og at der i disse boringer og ledninger derfor opnås en jævn væskestrøm ved drift af trykudveksleren. Derudover møder væskestrømmen kun minimal modstand. Den energi, der kræves til drift af trykudveksleren er således minimal, 15 og der udøves ikke trykstød mod de øvrige bestanddele af det anlæg, som trykudveksleren indgår i. Der opnås også en trykudveksler med en enkel konstruktion, hvilket bidrager til at gøre den billig at producere.

Opfindelsen vil blive beskrevet i detaljer i den følgende 20 beskrivelse under henvisning til tegningen, der viser udførelsesformer for trykudveksleren ifølge opfindelsen, og som i fig. 1 skematiske viser en trykudveksler ifølge opfindelsen, set i perspektiv, 25 fig. 2 et snit langs linien II-II i fig. 1, hvor nogle dele er fjernet, fig. 3 et snit langs linien III-III i fig. 2, fig. 4 et snit i pilen A's retning i fig. 2, hvor der er fjernet nogle dele, 30 fig. 5 endedelsåbningerne, der vender mod rotoren, fig 6a til 6f snit, der viser trykudvekslerens funktionsmåde, fig. 7a og 7b hastighedsdiagrammer, der viser trykudvekslerens funktionsmåde, fig. 8 skematisk en indretning ifølge opfindelsen, hvor 35 indretningen er forbundet med to væskereservoirer, fig. 9a til 9c en anden udførelsesform for et endestykke.

4 DK 168997 B1

Som det tydeligt fremgår af fig. 1, omfatter trykudveksleren ifølge opfindelsen et rørformet, hovedsageligt cylindrisk hus 1, der ved hver ende har en cirkulær flange 2, 3 med et antal gennemgående huller.

5 To i det væsentlige identiske endestykker 4, 5, som begge er forsynet med en cirkulær flange 6, 7, med en diameter og gennemgående huller, der modsvarer husets flanger, er tæt-nende fastgjort til huset l's respektive endedele, idet huset l's flanger 2, 3 er fastgjort til de respektive endedele 4, 10 5's flanger 6, 7, ved hjælp af ikke viste skruer, som føres ind i hullerne, og møtrikker. For at opnå en tæt forbindelse må der placeres en tætningsring mellem flangerne.

I det rørformede hus 1 er der placeret en cylindrisk rotor 8, hvis yderdiameter er tilpasset huset l's inderste diameter på 15 en sådan måde, at rotoren nemt kan drejes inden i huset 1. Rotorens endeflader strækker sig vinkelret på rotorens længdeakse, og rotorens længde svarer omtrent til længden af huset 1. Rotoren 8 har et antal i aksial retning gennemgående passager 9. Disse passager kan som vist have et cirkulært 20 tværsnit, og deres længdeakser ligger i samme afstand fra hinanden og strækker sig langs to cylinderflader, der forløber koaksialt med rotoren. Diameteren af og mellemrummet mellem boringerne langs én af cylinderfladerne kan imidlertid være forskellig fra diameteren af og de indskudte mellemrum 25 mellem boringerne langs den anden cylinderflade. Desuden kan boringerne være placeret langs kun én eller flere end to cylinderflader.

I hvert af endestykkerne 4, 5 er der udformet to passager henholdsvis 12, 13 og 14, 15, der forløber tæt på hinanden, 30 og som har en fælles væg eller skillevæg henholdsvis 16 og 17, der strækker sig fra huset l's inderste endeflade og rotoren 8 og langs i det mindste en del af ledningernes længde. Som det tydeligt fremgår af fig. 4 og 5 er hvert ledningspars inderste åbninger henholdsvis 18, 19 og 20, 21 35 omtrent halvcirkelformede, og cirkeldiametrene kan være lidt 5 DK 168997 B1 mindre end rotoren 8's diameter, hvorved der for rotoren dannes en skulder eller glideflade, der i alt væsentligt forhindrer bevægelse af rotoren 8 i huset l's længderetning, medens der tillades rotation, og hvorved der opnås en bedre 5 tætning mellem rotoren og huset. Skillevæggen mellem åbningerne henholdsvis 18, 19 og 20, 21 strækker sig mod rotoren 8's respektive endeflader på en sådan måde, at rotoren under rotation ligger tætnende an mod og glider på skillevæggens endekant. Skillevæggen og glidefladen kan yderligere 10 omfatte en tætningsindretning, der bevirker en tætning mellem henholdsvis rotor og skillevæg og endestykkerne. Skillevæggens tykkelse kan være konstant eller variere langs en radial linie fra centrum af de halvcirkelformede, inderste åbninger, som vist i fig. 9, og tykkelsen kan være noget større end 15 tværsnittet af de boringerne, der er placeret i en tilsvarende afstand fra rotorens længdeakse. Som det tydeligt fremgår af fig. 2, strækker ledningernes inderste del 107s længdeakse sig i det væsentlige under en vis vinkel i forhold til rotoren 8's rotationsplan, medens ledningernes yderste del 11's 20 længdeakser strækker sig i det væsentlige parallelt med dette. Ledningernes yderste del 11's længdeakser kan være parallelle eller forskudt under en vinkel fra hinanden i dette plan, som vist i fig. 9. Ledningernes yderste endedel 11 kan være forsynet med flanger eller gevind (ikke vist) til 25 at forbinde ledningerne med rørene i et rørsystem.

Den inderste ledningsdels skrånende vægge modsat rotoren er i det væsentlige S-formede set i et cirkulært koaksialt snit i forhold til rotorens længdeakse, hvorved de vægdele, der ligger nærmest ved og fjernest fra rotoren, strækker sig 30 omtrent parallelt med eller under en lille vinkel i forhold til rotationsplanet, medens mellemdelen strækker sig under en større vinkel i forhold til dette. Mere præcist kan væggens hældning langs dette snit i forhold til rotationsplanet omtrent være en sinusfunktion af den vinkel, der, målt i 35 rotorens rotationsplan og i rotationsretningen, er dannet mellem to planer, som begge indeholder rotorens længdeakse, men hvor det første plan eller referenceplanet yderligere 6 DK 168997 B1 indeholder den del af den aktuelle ledningsåbning, der under rotorens rotation først nås af dennes boringer, og det andet plan indeholder den aktuelle vægdel.

Som vist på tegningen, er de to endestykker 4, 5 indbyrdes 5 forskudt under en vinkel på 180° i rotationsplanet således, at ledningsparrenes yderste åbninger vender i modsatte retninger. Som vist i fig. 2 og 4 kan en aksel 22, der tætnet strækker sig gennem endestykket 4's skillevæg 17, og som er forbundet til en elektromotor (ikke vist) eller lignende, 10 være fast forbundet til rotoren for at dreje denne.

Funktionsmåden for trykudveksleren ifølge opfindelsen vil i det følgende blive beskrevet i detaljer under henvisning til fig. 6 og 7.

Til genvinding af trykenergi i en første væske, fx spildevand 15 i en proces, på en sådan måde at væsken kan benyttes til at hæve trykket i en anden væske, der benyttes i forbindelse med en anden proces, forbindes der et forsyningsrør 30, som indeholder spildevandet, til trykudvekslerens ledning 12, og et rør 31 til tilførsel af den anden væske forbindes til 20 ledningen 15. Yderligere er et afgangsrør 32 til spildevand forbundet til ledningen 13, og et afgangsrør 33 til den anden væske er forbundet til ledningen 14. I det følgende betegnes væsketryk med p, og til betegnelse af væsketryk i respektive ledninger, vil denne betegnelse få et suffiks; der svarer til 25 ledningens henvisningsbetegnelse.

Indledningsvis antages det, at pl2 > pl4 > pl5 > pl3. Til beskrivelse af funktionsmåden vil der blive beskrevet væskestrømning for en bestemt rotorboring under den forudsætning, at rotoren drives af en motor. Fig. 6a til 6f viser på hin-30 anden følgende stillinger for denne boring 9 under rotoren 8's drejning, Fig. 6a viser rotoren i en stilling, hvor den aktuelle boring 9 netop er bragt i forbindelse med ledningerne 13 og 15. Da pl5 > pl3 indledes forskydningen af spildevandet, som er indeholdt i boringen. Når rotoren har passeret 7 DK 168997 B1 den i fig. 6b viste stilling og har nået den stilling, der er vist i fig. 6c, i hvilken boringen lukkes af skillevæggene 16, 17, er omtrent alt spildevandet presset ud af boringen, og den er blevet fyldt med den anden væske. Idet rotoren når 5 den stilling, der er vist i fig. 6d, i hvilken boringen åbnes for forbindelse med ledningerne 12 og 14, hæves væsketrykket øjeblikkeligt til et niveau, der ligger mellem trykkene pl2 og pl4, og spildevandets høje tryk pl2 vil bevirke at der begynder en væskestrøm ind i ledningen 12 og uddrivning af 10 den anden væske således, at denne flyder ud af ledningen 14. Væsketrykket i ledningen 14 kan herunder styres ved hjælp af en styreventil (ikke vist) eller en tilsvarende indretning.

Når rotoren har passeret den stilling, der er vist i fig 6e, og har nået den i fig. 6f viste stilling, hvor boringen atter 15 lukkes af skillevæggene 16, 17, er omtrent al væske af den anden type i boringen skubbet ud af spildevandet. Når rotoren under fortsat rotation atter når den i fig. 6a vist stilling, hvor ledningen åbnes for forbindelse med ledningerne 13 og 15, startes den ovenfor beskrevne cyklus forfra.

20 I fig. 7 a og b er vist hastighedsdiagrammer for en bestemt af rotorens boringers indløb og udløb, hvor Cl og C2 betegner væskens absolutte hastighed. Wl, W2 betegner boringens hastighed i forhold til ledningen, og U betegner boringens hastighed i forhold til huset. C1U og C2U betegner den kompo-25 sant af henholdsvis Cl og C2, der strækker sig i retning af U. Skønt det er nævnt i det ovenstående, at rotoren drives af en motor, er det imidlertid indlysende, at den skrånende, inderste del 10 af væskeindløbsledningerne 12 og 15 sammen med de aksialt forløbende boringer 9 vil bevirke en momentpå-30 virkning, der søger at dreje rotoren, hvilket moment er proportionalt med størrelsen (C1U-C2U). En motor til drejning af rotoren er i dette tilfælde overflødig. Hvis forskellen mellem væsketrykkene er tilstrækkelig stor, er det heller ikke nødvendigt at benytte væskepumper til at overvinde 35 rørenes strømningsmodstand, idet trykforskellen giver den ønskede væskestrømning.

8 DK 168997 B1

Hvis spildevandets tryk svarer til den anden væskes tryk, dvs. at pl2 = pl4 og pl3 = pl5, og forskydningen af væske i boringerne ikke kan opnås ved hjælp af trykforskelle som nævnt ovenfor, må en sådan strømning tilvejebringes på en 5 anden måde. Én mulighed er at benytte cirkulations- eller væskepumper 42, 43 som vist i fig. 8, for at overvinde strømningsmodstanden i det tilknyttede rørsystem. I fig. 8 er skematisk vist det tilfælde, i hvilket trykudveksleren benyttes til tilførsel af fx varmt vand til et reservoir 40, 10 der er placeret højt oppe, fra et reservoir 41, der er placeret lavt, hvor det kolde vand, som strømmer fra det højtliggende reservoir, benyttes til at hæve trykket i det vand, der strømmer fra det lavtliggende reservoir. Der er her placeret en pumpe 42 i røret 44, som forbinder ledningen 14 15 med det højtliggende reservoir 40, og en pumpe 43 i røret 47, der forbinder det lavtliggende reservoir med ledningen 15.

Som et alternativ kan trykudveksleren imidlertid fungere som en pumpe på grund af de skrånende, inderste dele af ledningerne henholdsvis 12 og 15, hvor det til rotation af 20 rotoren nødvendige moment omtrent er proportionalt med størrelsen (C2U-C1U) , som vist i fig. 7b. Som det tydeligt fremgår af denne figur, er størrelsen positiv ved en passende hastighed Π for den aktuelle boring. Væskepumperne 42, 43 kan således være overflødige, hvis rotoren drives ved hjælp af en 25 motor.

Da der er et stort antal boringer 9, som samtidigt er i forbindelse med ledningerne henholdsvis 12, 13 og 14, 15, vil der altid strømme væske i disse, og da det boringsåbnings-areal, der under rotorens rotation er dækket og lukket af den 30 ene halvdel af skillevæggene, svarer til det ledningsåbnings-areal, som samtidigt åbnes af den anden, diametralt modsatte halvdel af skillevæggen, vil væskestrømmen i boringerne kun pulsere en lille smule. På grund af den ovenfor nævnte udformning tillader trykudveksleren ifølge opfindelsen meget 35 hurtige væskestrømme, og den er mere effektiv end kendte trykudvekslere. Det er især ved høje væskehastigheder vigtigt, at væskestrømmen er jævn. På grund af den ovennævnte

Claims (6)

1. Trykudveksler til overførsel af trykenergi fra en væske-15 strøm i ét væskesystem til en væskestrøm i et andet væskesystem, hvilken trykudveksler omfatter et hus (1) med en indløbs- og en udløbsledning (12, 13; 14, 15) for hver væskestrøm og en cylindrisk rotor (8), der er placeret i huset (1) og indrettet til at rotere omkring sin længdeakse og forsynet 20 med et antal passager eller boringer (9), der strækker sig parallelt med længdeaksen og har en åbning i hver ende, hvilke indløbs- og udløbsledninger (12, 13, 14, 15) i væskesystemerne danner ledningspar (12, 13; 14, 15), der er placeret på respektive sider af rotoren (8), og hvilke boringer 25 (9) i rotoren (8) er indrettet til at blive forbundet med husets ind- og udløbsledninger (12, 13, 14, 15) på en sådan måde, at de, når rotoren (8) roterer, skiftevis indeholder de respektive systemers væske under højt tryk og under lavt tryk, 30 kendetegnet ved, at ledningernes inderste åbninger (18, 19, 20, 21), dvs. de åbninger, som er tæt på rotoren (8), er dannet omtrent som et cirkelsegment med en vinkel på 180°, at der i hver cirkelsegmentformet åbning (18, 19, 20, 21. udmunder en flerhed af de langsgående rotorboringer (9), DK 168997 B1 og at der er dannet en skillevæg (16; 17) mellem disse åbninger (18, 19; 20, 21) i hvert ledningspar (12, 13; 14, 15).

2. Trykudveksler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at længdeaksen for ledningernes 5 (12, 13, 14, 15) yderste endedele (11), dvs. de endedele, der er fjernest fra rotoren (8), strækker sig omtrent parallelt med rotorens (8) rotationsplan, og at længdeakserne for ledningernes (12, 13, 14, 15) inderste endedele (10) hælder i forhold til rotationsplanet.

3. Trykudveksler ifølge krav 2, kendetegnet ved, at ledningens (12, 13, 14, 15) inderste endedels (10) hældende væg modsat rotoren (8) er bølgeformet i et cylindrisk koaksialt snit i forhold til rotorens (8) længdeakse på en sådan måde, at vinklen mellem 15 rotationsplanet og det aktuelle vægområdes plan tilnærmelsesvis er en sinusfunktion af den vinkel, der måles i rotorens (8) rotationsplan i rotationsretningen, og som dannes mellem to planer, der begge indeholder rotorens (8) længdeakse, men hvor det første plan, eller referenceplanet, yderligere 20 indeholder den del af den aktuelle lednings åbning (18, 19, 20, 21), som under rotorens (8) rotation først nås af dennes boringer (9), og det andet plan indeholder den aktuelle vægdel.

4. Trykudveksler ifølge et hvilket som helst åf kravene 1 til 25 3, kendetegnet ved, at de yderste deles (11) længdeakser for ledninger (12, 13, 14, 15), som tilhører samme ledningspar (12, 13; 14, 15), har en lille vinkelforskydning i forhold til hinanden, og at ledningsparrene (12, 13; 14, 30 15) er vinkelforskudt 180° i forhold til hinanden, målt i rotorens (8) rotationsplan.

5. Trykudveksler ifølge et hvilket som helst af kravene 1 til 4, DK 168997 B1 kendetegnet ved, at rotorens (8) boringsåbninger og ledningernes inderste åbninger (18, 19, 20, 21) indbyrdes er indrettet på en sådan måde, at det totale areal at den boringsåbningsoverflade, som er åben for en aktuel ledning 5 (12, 13, 14, 15), i det væsentlige er konstant under rotorens (8) rotation.

6. Trykudveksler ifølge et hvilket som helst af kravene 1 til 5, kendetegnet ved, at rotoren (8) er indrettet til 10 at blive drejet ved hjælp af en motor.