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Verfahren und Zellenrad-Druckaustauscher zum. Verdichten eines Gases
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Druckgas mittels eines Zellenrad-Druckaustauschiers
und einen zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Druckaustauscher.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, Gas, beispielsweise Luft, in dem Zellenrad
eines Druckaustauschers dadurch zu verdichten, ,daß Hochdruckgas in die Niederdruckluft
enthaltenden Zellen eingeführt wurde. Während des Druckausgleiches in .der Zelle
wird dabei -die Luft durch die unmittelbare Einwirkung des Hochdruckgases verdichtet.
Das Hochdruckgas, welches beispielsweise Heißluft sein kann, wird bei dieser bekannten.
Anordnung den Zellen durch eine geeignete Rohrleitung zugeführt, während die verdichtete.
Luft aus den Zellen durch eine weitere Rohrleitung abgeführt wird. Das zu verdichtende
heiße Hochdruckgas wird von einem Heizsystem geliefert, das außerhalb der Zellen
angeordnet ist.
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'\#,reiterhin ist es bekannt, die gesamte in der Einlaßstufeeines
Druckaustauschers zugeführte Luft (mit Ausnahme der für Spülzwecke benötigten Luft)
mit Brennstoffdämpfen zu durchmischen, und das gesamte Gemisch zu zünden, wonach
die Verbrennungsgase in. ihrer Gesamtheit durch ein und denselben Auslußkanal aus
dem Zellenrad abgeführt werden. Bei dieser Anordnung wird also der Brennstoff mit
Luft unmittelbar in den Zellen durchmischt, so daß keine von den Brenngasen getrennte
Gasverdichtung stattfindet. Würde man bei einer derartigen Anordnung ein. zweites
Gas in die Zellen einführen, dann wäre der durch die Konstruktion der bekannten
Anordnung bedingten Art der Brennstoffzufuhr eine Durchmischung des Verbrennungsgases
mit dem zu verdichtenden Gas nicht zu vermeiden. Es könnte infolgedessen mit der
bekannten, Anordnung weder Reingas geliefert werden, noch könnten die Verbrennungsprodukte
für sich getrennt vom Reingas abgeführt werden.
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Im Gegensatz zu der bereits vorgeschlagenen Anordnung und zu der bekannten
Anordnung bezweckt die vorliegende Erfindung die Lösung der Aufgabe, bei einem Druckaustauscher,
bei welchem in den einzelnen. Zellen eine Gasverdichtung infolge von Gasverbrennung
stattfindet, trotzdem möglichst reines verdichtetes Gas zu gewinnen., was natürlich
gegenüber den bekannten Anordnungen einen wesentlichen technischen Vorteil darstellt.
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Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Verdrich.ten eines Gases
in einem Zel:lenrad-Druc'kaustauscher mittels Verbrennung innerhalb der Zellen.
des Druckaus.taus.chers vorgesehen, welches -durch die Reihenfolge nachstehender
Maßnahmen gekennzeichnet ist: a) Laden der Zellen: teils mit einem brennbaren Gasgemisch
und teils mit dem zu verdichtenden Gas, b) Zünden des brennbaren Gasgemisches von
einem Zellenende aus bei beiderseits geschlossener Zelle zum Zwecke der Gasverdichtung,
c) Öffnen des dem Zündende entgegengesetzten Zellenendes und d) Mitbenutzung des
Verbrennungsdruckes der verbrannten Teilladung zum Ausschieben des verdichteten
Gases.
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Dadurch wird sichergestel,l.t, daß der Dru.ckaustauscher im wesentlichen
reines, nicht durch Verbrennungsprodukte verunreinigtes verdichtetes Gas, liefert.
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Bei den bekannten Anordnungen ergibt sich durch den Einblasevorgang
unvermeidlicherweise eine wesentliche Turbulenz des Zelleninhalts. In gleicher Weise
ergibt sich bei den bekannten Anordnungen innerhalb der Zellen eine weitere Turbulenz
dadurch, daß Brennstoff mit einem gegenüber dem Umgebungsdruck höheren Druck in
die Zellen eingespritzt wird. Durch diese Turbulenz tritt notwendigerweise eine
Durchmischung des Brennstoffs mit dem gesamten Z.ellen:inhalt ein.
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Demgegenüber hat nach dem Verfahren gemäß der Erfindung das Gas, welches
in einen glattwandigen Kanal strömt, verhältnismäßig wenig Turbulenz. Dadurch, daß
gemäß der Erfindung der Brennstoff in die Gasströmung einsgespritzt wird und die
Einspritzrichtung der Strömungsrichtung des Gasstromes entspricht, wird die Brennstoffwolke
räumlich begrenzt.
so daß sie sich nicht über den -gesamten Querschnitt
des Einlaßkanals hinweg ausdehnen kann. Dadurch, ergibt sich eine sogenannte geschichtete
Strömung innerhalb des Einlaßkanals, wobei die eine Schicht aus reiner Luft und
die andere Schicht aus einem Brennstoff-Luft-Gemisch besteht. Daraus erklärt sich,
daß mit einem Druckaustauscher gemäß der Erfindung tatsächlich nahezu v öllrig reines
verdichtetes Gas geliefert wird, während andererseits die Verbrennungsprodukte für
sich über einen gesonderten Kanal abgezogen werden können.
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Die Erfindung beinhaltet weiterhin einen Druckaust_auscher zur Durchführung
des Verfahrens nach. der Erfindung. Ein derartiger Druckau.stauscher ist dadurch
gekennzeichnet, daß er einen Kanal zur Zuführung des zu verdichtenden Gases aufweist,
in dessen Wandung eine Brennstoff-Einspritzvorrichtung angeordnet ist, mittels welcher
Brennstoff in einen Teildes zugeführten Gases eingespritzt wird. Die Kons.truktions-
und Betriebsdaten eines derartigen Druckaustauschers sind gemäß einem Merkmal der
Erfindung so gewählt, daß der zu verdichtende Teil des Gases nach dem Eintritt in
die Zellen das Bestreben hat, an dem dem Zuführungskanal zugewandten Ende. der Zellen
zu bleiben. Weiterhin sind bei einem derartigen Druckaustauscher räumlich voneinander
getrennt angeordnete Gasabführungs- und Auspuffkanäle vorgesehen, die jeweils Verbindung
mit elendem Zuführungskanal abgewandten Enden der Zellen haben.
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Zwei bevorzugte Ausführungsformender Erfindung werden nunmehr unter
Bezugnahme auf die schematische Zeichnung beschrieben.
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Fig. 1 ist eine Abwicklung des Zellenrades, eines Druckaustauschers,
welches relativ zu feststehenden Kanälen umläuft; Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der
Ausführungsform nach Fig. 1, bei welcher ein Überleitungskanal eingebaut ist.
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B-ei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung bewegt
sich das in Abwicklung dargestellte Zellenrad 1 in Richtung des Pfeiles 2 zwischen
Endplatten 3 und 4. Es soll nun eine einzelne Zelle in der Stellung 5 betrachtet
werden. Diese wird mit Frischluft angefüllt, welche in später zu beschreibender
Weise durch den Kanal 6 zugeführt wird. Ein Teil -der durch den Kanal 6 einströmenden
Luft erhält Brennstoff aus einer Sprühdüse 7, die in Richtung der Bewegung des Zellenrades
in der Wandung des Kanals 6 angeordnet ist. Das dadurch entstehende Brennstoff-Luft-Gemisch
tritt in die Zelle 5 ein, kurz bevor dieselbe durch die Kante 8 der Kanalwandung
6 abgeschlossen wird. Der Brennstoff wird in Strömungsrichtung in den Kanal 6 derart
eingespritzt, daß. er sich nicht über den ganzen Strömungsquerschnitt hin. w°g ausbreiten
kann, sondern vielmehr gezwungen ist, nur einen Teil des Strömungsquerschnitts einzunehmen.
Falls erforderlich, kann das Ausbreiten des Brenrnstoffes im Kanalquerschnitt auch
durch eine Scheidewand .in dem Kanal 6 verhindert werden. Die Zelle 5 enthält in
der Stellung nunmehr einerseits Frischluft und andererseits ein Brennstoff-Luft-Gemisch.
Die Grenzfläche zwischen Frischluft und Gemisch ist in der Zeichnung durch eine
gebrochene Linie dargestellt. Das Gemisch wird entzündet, wenn die Zelle sich an
einer Glühkerze 10 vorbeibewegt, die in der Endplatte 4 angebracht ist. Während
der Verbrennung nehmen Druck und Volumen der Füllung zu. Die Frischluft wird infolgedessen
in dem ströme ngsabwärts gelegenen Teil der Zelle verdichtet und anschließend durch
den Auslaßkanal 11 ausgestoßen. Das Abschließen dieses Kanals wird durch die Zelle
selbst zeitlich gesteuert, und der Druck im Kanal wird so eingestellt, daß keine
Verbrennungsgase aus der Zelle entweichen können. Diese letzteren Gase verbleiben:
in der Zelle, bis dieselbe vor dem Auspuffkanal 12 steht, durch welchen hindurch
die Gase expandieren, wobei sie in der Zelle einen Unterdruck zurücklassen, welcher
das Eins@tröm:en von Frischluft in die Zelle durch den Einlaßkanal 6 hindurch begünstigt.
Der Kreislauf für diebetreffende Zelle beginnt dann von neuem.
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Werden zwei Gase von verschiedenem Druck plötzlich miteinander in
Berührung gebracht, wie z. B., wenn eine Zelle eines Druckaustauschers vor einen
Kanal zu liegen kommt, der Gas unter einem Druck führt, der verschieden ist von
dem Druck :des Gases in der Zelle, .dann wird eine Welle bzw. ein Impuls erzeugt,
welche bzw. welcher durch die Zelle hindurch mit etwa Schallgeschwindigkeit wandert.
Das kann sowohl eine Kompressions- als auch eine Expansionswelle sein, je nachdem
ob der Druck in der Zelle niedriger oder höher ist als derjenige im Kanal. Es sind
Druckaustauscher bekannt, bei welchen die Leistung durch Ausnutzung dieser Wellen
erhöht wird. Verbesserungen wurden auch erzielt durch die Verwendung der bekannten
Überströmkanäle. Der Wirkungsgrad des oben beschriebenen Verfahrens kann in ähnlicher
Weise verbessert werden, und die Fig. 2 zeigt, wie der einfache Apparat nach Fig.
1 abgeändert werden kann, umderartige Verbesserungen zu erzielen.
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In dem Beispiel der Fig. 2 sind Konstruktion und Arbeitsweise der
Zellen und der Kanäle in Beziehung gesetzt - in bereits bekannter Weise - zu der
Gasströmung, so daß man die Kompressions- und Expansionswellen in wirksamer Weise
ausnutzen kann, um das Füllen bzw. Leeren der Zellen zu unterstützen. Die Wege der
Kompressionswellenfronten gegenüber der festen Rohrleitung sind in vollen Linien
ausgezogen, während die Wege der Expansionswellenfronten gestrichelt dargestellt
sind.
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Das Entleeren einer Zelle in dien Auspuffkanal 12 wird nunmehr unterstützt
durch eine Expansionswelle 13, welche durch die Zelle wandert und am stromaufwärts
gelegenen Ende der Zelle einen kräftigen Unterdruck erzeugt. Es wird hierauf der
Einlaßkaual zu der Zelle geöffnet, welche beimEntweichen derAuspuffgase in den Kanal
12 rasch m-it Frischluft gefüllt wird. Der Auspuffkanal wird sodann durch eine weitere
Bewegung der Zelle geschlossen, und es wird eine Kompressionswelle erzeugt, welche
nach dem offenen Ende der Zelle zuwandert und in der frischen Ladung der Zelle einen
Druck aufbaut. Die Zelle wird sodann durch die Kante 8 des Einlußkanals abgeschlossen.
Unter den von der Konstruktion vorgesehenen Betriebsbedingungen kann man einen beträchtlichen
Grad der Aufla-dung der Zelle erzielen, und auf diese Weise kann ein Teil der in
den Auspuffgasen enthaltenen Energie wiedergewonnen werden; ebenso wird die Masse
des durch die Maschine strömenden Gases erhöht.
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Die Kompression des Zelleninhalts vor der Verbrennung wird weiterhin
erhöht durch den Rücklauf vorher komprimierter Luft über einen an sich bekannten
Überströmkanal 14. Auch dieses Verfahren wird durch Expansion-s- und Kompressionswellen
15 bzw. 16 verbessert. Jede Welle wandert durch -die Zellen hindurch, setzt
den Zelleninhalt in Bewegung und wird an der Stirnplatte 4 zurückgeworfen. Die zurückgeworfenen
Wellen 17 und 18 wandern nach dem offenen Ende der Zellen zurück und bringen den
Zelleninhalt im expandierten bzw. im komprimierten Zustand zur Ruhe. Eine Zelle,
deren Inhalt in dieser Weise vorkomprimiert
wurde, erreicht dann
die Glühkerze 10. Die Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches erzeugt eine Reihe
kleiner, hier nicht dargestellter Kompressionswellen, welche durch die Zelle mit
größerer Geschwindigkeit wandern als die expandierenden Gase und dabei die Luft
am anderen Ende der Zelle komprimieren. Die Zelle wird dann zu dem Förderkanal 11
zu geöffnet, in welch letzterem der Druck etwas niedriger ist als derjenige in der
Zelle. Die Förderung der komprimierten Luft wird unterstützt durch die infolge dieses
Druckunterschiedes erzeugte Expansionswelle. Ein Teil der Luft verbleibt in der
Zelle, um über den Kanal 14 zwecks Vorkompression des Inhalts der anderen Zellen
wieder in Umlauf versetzt zu werden.
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In diesen Beispielen kann, das Zellenrad wie bei den früheren Druckaustauschern
von außen .her durch einen Motor angetrieben werden; ebenso kann es aber auch angetrieben
werden durch die Einwirkung der Luft oder des Gases auf in geeigneter Weise gebogene
Teile der Zellwandung. Die Anordnung der Kanäle kann rund um den Umfang eines einzelnen.
Zellenrades mehrmals wiederholt werden, so daß jede Zelle bei einer Umdrehung des
Zellenrades mehrere Kreisläufe durchmacht. Auch das wahlweise Mittel der Erzeugung
einer relativen Drehung zwischen den Zellen und dem Kanalteil, welches früher bekanntgegeben
wurde, könnte bei Durchführung der vorliegenden: Erfindung verwendet werden; d.
h. mit anderen Worten, die Zellen. könnten ortsfest angeordnet werden, während der
Kanalteil sich dreht. Ferner könnte die Luft in mehreren Stufen komprimiert werden,
indem sie von einem Zellrad zu dem nächsten gefördert wird, oder auch mittels mehrerer
Drucküberleitungskanäle.
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Soll die komprimierte Luft zum Antrieb einer Turbine oder für ein
Verfahren oder auch für Düsenvortri.ebszwecke verwendet werden und ist sie dabei
zu erhitzen, dann kann dieses je nach Wunsch kontinuierlich oder intermittierend
in einer außerhalb angeordneten Brennkammer erfolgen. Wahlweise kann man es durch
geeignete Zufuhr des Brennstoffs und Anordnung der Kanäle erreichen., daß die den
Förderkanal 11 verlassende Luft einen erheblichen Anteil an heißen Verbrennungsgasen
enthält. Bei einer solchen Anordnung entfällt gegebenenfalls die Notwendigkeit für
einen besonderen Auspuffkanal.