DE1066702B - Druckaustauscher mit Wärmeaustauscheinrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

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PATENTAMT

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AUSLEGE SCHRIFT P066 702

ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG
DEK ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT:

S 47747Ia/27c

1. MÄRZ 1956 8.OKTOBER1959

Die Erfindung betrifft Zellenraddruckaustauscher, mit welchen ein Wärmeaustauscher kombiniert ist.

Es hat sich gezeigt, daß für bestimmte Anwendungen von Zellenraddruckaustauschern die Kombination eines Wärmeaustauschers mit einem derartigen Druckaustauscher zweckmäßig ist. Solche Kombinationen sind überall dort von Vorteil, wo nicht nur der Druck der zu verarbeitenden Gase im Druckaustauscher ausgenutzt werden soll, sondern wo außerdem auch noch die in den genannten Gasen enthaltene Wärme praktisch ausgenutzt werden soll. Die thermodynamischen Gründe für die Kombination von Druckaustauschern mit Wärmeaustauschern sind also praktisch dieselben, die für die bereits bekannte Kombination von Gasturbinen mit Wärmeaustauschern maßgebend sind.

Wärmeaustauscher haben im allgemeinen einen sehr wesentlichen Raumbedarf, weshalb man bisher, obwohl Wärmeaustauscher in Kombination mit Druckaustauschern an sich bekannt sind, von der praktischen Anwendung derartiger Kombinationen kaum Gebrauch gemacht hat.

Bei den bekannten Kombinationen von Druckaustauschern mit Wärmeaustauschern ist der Wärmeaustauscher im Statorteil des Druckaustauscher in Form besonderer Wärmeaustauscherkammern untergebracht, wobei der Wärmeaustauscher sich in der Weise vollzieht, daß ein heißes Gas Wärme an das massig ausgeführte Gehäuse des Druckaustauscher abgibt und daß die Masse dieses Gehäuses nur einen kleinen Bruchteil der aufgenommenen Wärme mit Bezug auf die in dem Druckaustauscher herrschenden Strömungen stromabwärts leitet, wo sie von dem massigen Gehäuse an die einströmende Frischluft abgegeben wird, wodurch eine gewisse Vorwärmung der Frischluft erreicht wird. Die bekannten Anordnungen haben also nicht nur den Nachteil einer großräumigen Bauweise und einer komplizierten Konstruktion, sondern auch den weiteren Nachteil eines verhältnismäßig sehr schlechten Wärmeaustausch-Wirkungsgrades. Dies hat seine Ursache darin, daß bei den bekannten Anordnungen in den Wärmeaustauschvorgang ein Wärmeleitungsvorgang eingeschaltet ist, der den Wärmefluß stark drosselt.

Die Erfindung bezweckt eine Vermeidung der soeben genannten Nachteile bei Kombinationen von Druckaustauschern mit Wärmeaustauschern, indem völlig neue konstruktive Wege beschritten werden.

Nach der Erfindung ist ein Druckaustauscher mit AVärmeausiauscheinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiges wärmespeicherungsfähiges Futter im Zellenrad eines Zellenraddruckaustauschers derart angeordnet ist, daß dieses Futter die Bahnen zweier verschiedener, das Zellensystem an ver-Druckaustauscher mit Wärmeaustauscheinrichtung

Anmelder: Dudley Brian Spalding, London

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Holzer, Patentanwalt, Augsburg, Philippine-Welser-Str. 14

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 16. März 1955

Dudley Brian Spalding, London, ist als Erfinder genannt worden

schiedenen Stufen des Arbeitsprozesses verlassender Ströme durchläuft, so daß das Futter beim Durchlauf durch einen dieser beiden Ströme fortgesetzt in an sich bekannter Weise Wärme aufnimmt und dieselbe anschließend beim Durchlauf durch die andere Strömung fortgesetzt an diese abgibt.

Beim Gegenstand der Erfindung findet also ein mittelbarer Wärmeaustausch mittels des Futters zwischen zwei verschiedenen Strömen des Arbeitsmediums statt. Dadurch kann der Aufwand großer Materialmassen vermieden werden, so daß einerseits eine gute Wärmeübertragung erzielt wird, während sich andererseits eine raumsparende Bauweise ergibt. Ein weiterer Vorteil des Erfindungsgegenstandes gegenüber den bisher bekannten Bauarten derartiger kombinierter Druckaustauscher-Wärmeaustauscher besteht darin, daß beim Erfindungsgegenstand sowohl das Rekuperativprinzip als auch das Regenerativprinzip angewendet werden kann, wodurch sich gegenüber den bisher bekannten Kombinationen wesentlich bessere Wärmeaustauschwirkungsgrade ergeben.

Das wärmespeicherungsfähige Futter kann gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung" innerhalb der Zellen des Zellenrades in der Nähe jeweils einer Stirnseite derselben oder nur an einer Längsseite der Zellen in der Nähe der Stirnseite derselben oder am Außenumfang des Zellenrades angeordnet sein.

Die Länge des Futters in Richtung der Strömung des Arbeitsmediums kann gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung etwa 5 % der Zellenlänge betragen.

Gemäß dem Merkmal, einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann für den einen der beiden Ströme des Arbeitsmediums ein Verbindungskanal vorgesehen sein, durch welchen das Arbeitsmedium wieder in den Druckaustauscher einströmen kann, nachdem es durch das Futter hindurchgeströmt ist. Weiterhin kann gemäß der Erfindung ein für den einen der Ströme des Arbeitsmediums bestimmter Strörrmngsweg mit einem-.randeren Kanal zusammen-

' ', . Es soll· nunmehr eine Zelle betrachtet werden, die von dem Einlaßkanal 6 aus mit Frischluft angefüllt wird. Das Futter 2 ist heiß, da es in einer später zu beschreibenden Weise erhitzt wurde. Die Frischluft enthaltende Zelle bewegt sich in Umfangsrichtung und erreicht einen Kanal 7, aus welchem heißes Gas unter hohem Druck in die Zelle strömt und dabei die Frisch ■ luft in Richtung auf das Ende der Zelle, welches das heiße Futter enthält, verdichtet. Die Grenzfläche zwi-

geführt sein, durch . den ,,ein anderer Strom des io schenLuft und Gas ist durch eine unregelmäßigeLinie Arbeitsmediums aus dem Druckaustauscher heraus- angedeutet. Infolge Einströmens eines Hochdruckgeführt wird, wobei beide Ströme sich gegenseitig so gases wird in der Zelle dynamisch ein Ladedruck beeinflussen, daß eine Ejektorwirkung zustande aufgebaut, dessen Höhe etwas über dem statischen kommt. - Druck in dem Kanal 7 liegt. Die Zelle öffnet sich dann

Schließlich verläuft gemäß einem weiteren Merkmal 15 zu dem Kanal 8, und die verdichtete Luft streicht der Erfindung der eine der die Zellen verlassenden durch das heiße Futter hindurch in den Kanal 8, wo Ströme des .Arbeitsmediums von den. Zellen im bei die Luft Wärme aufnimmt und das Futter gleich Bereich der Niederdruck-Spülstufe aus zur Hoch- zeitig kühlt. Nachdem die Luft in dieser Weise vordruck-Spülstufe, während der andere dieser beiden gewärmt wurde, strömt dieselbe durch eine Verbin-Ströme von den Zellen im Bereich der Hochdruck · 20 dungsleitung 9 zu einer Brennkammer 10, in welcher Spülstufe aus zur Niederdruck-Spülstufe verläuft, sie durch das Verbrennen von Brennstoff weiterhin

erhitzt wird und dann wieder zu dem Zellenrad zurückkehrt.

Jede Zelle, in der Stellung 11 enthält also heißes

stufe hinter dem jeweiligen" Ausgangspunkt im Druck- 25 Hochdruckgas, welches in einen Förderkanal 12 expan austauscher erreichen. ■ , diert, der das Gas, welches immer noch unter einem

nutzbaren Druck steht, einem Verbraucher, wie z. B. einer Turbine, oder einem chemischen Prozeß zuleitet. Das in der Zelle bei 13 verbleibende heiße Gas wird durch das Zellenrad herumgeführt zu dem Abgaskanal 14, in welchem es auf Atmosphärendruck entspannt wird, wobei es einen wesentlichen Anteil seines Wärmeinhalts an das Futter abgibt. Die Expansion der Abgase verursacht einen Unterdruck in der Zelle,

eines Druckaustauschers gemäß einer abgewandelten 35 wodurch das Einströmen von Frischluft durch den Ausführungsform der Erfindung, wonach ein Über- ·- Kanal 6 hindurch erleichtert wird. Die Grenzfläche

zwischen Abgas und Frischluft ist auch hier wiederum durch eine unregelmäßige Linie angedeutet. Für diese Zelle beginnt dann der Kreislauf von neuem. Die relativen Stellungen der Kanalöffnungen, deren Weiten und ihr Verhältnis zur Zellengröße werden so gewählt, daß beim Einströmen des Gases in die Zellen bzw. beim Ausströmen des Gases aus denselben in den Zellen in bekannter Weise Kompressions- und Expan-

Fig. 4 eine Teiläbwickhing. der Niederdruck-Spül- 45 sionswellen erzeugt werden,
stufe eines Druckaustauschers nach der Erfindung, Ebenso ist es bekannt, daß man in Druckaustauscher

dessen Zellenradquerschnitt- in- Fig. 3 gezeigt ist und Überleitungskanäle einbauen kann, mittels welcher die der eine Einrichtung zum ejektor artigen Zusammen- Expansion eines Gases aus einer Zelle, die die Hochführen zweier Gasströme aufweist, druck-Spülstufe passiert hat, dazu verwendet wird, ■ Fig. 5 einen axialen Teilschnitt durch das Zellenrad 50 Gas in einer anderen Zelle, welche sich der vorerwähneines Druckaustauschers gemäß einer weiteren Aus- . ten Stufe nähert, zu verdichten. In der Fig. 2 ist dargestellt, wie ein solcher Überleitungskanal dem Druckaustauscher nach Fig. 1 hinzugefügt bzw. an denselben angebaut werden kann. Wenn eine Zelle, die sich in 55 der Richtung des Pfeiles 3 vorwärts bewegt, außer Verbindung mit dem Kanal 8 gekommen ist, gelangt dieselbe zu einer Öffnung 15 an der Seite, welche dem Futter 2 entgegengesetzt ist. Diese Öffnung führt zu einem Überleitungskanal 16, mittels dessen das Gas

wobei beide Ströme innerhalb von geschlossenen Umlaufrohren verlaufen, welche sie wieder in die Zellen einleiten, bevor sie die jeweils nächste Spül-

Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise unter Bezug auf die Zeichnungen, in welchen einige Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind, beschrieben. Es stellen dar

Fig. 1 eine Abwicklung 'des Zellenrades eines Druckaustauschers, in welchem gemäß der Erfindung ein wärmespeicherungsfähiges Futter eingebaut ist,

Fig. 2 eine teilweise Abwicklung des Zellenrades

leitungskanal zwischen zwei Stufen des Druckaustauschers vorgesehen ist,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines Druckaustauschers nach der Erfindung, bei welchem das wärmespeicherungsfähige Futter am Außenumfarig des Zellenrades angebracht-ist und in einen Umfangskanal ■ des Druckaustauschergehäuses von taschenartigem Querschnitt hineinragt,

führungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine Teilabwicklung des Zellenrades eines Druckaustauschers mit einem Ejektor in der Niederdruck-Spülstufe und ,

Fig. 7 eine Abwicklung eines Druckaustauschers nach der Erfindung mit Heiz- und Kühlkreisläufen. , Teile, welche in den verschiedenen Ausführungsfor-.men die gleiche Aufgabe zu erfüllen haben, tragen auch die gleichen Bezugsnummern. ■ In der Fig. 1 trägt" das abgewickelte Zellenrad «inen Zellenring, und in'jeder der Zellen befindet sich das wärmespeichernde Futter 2, welches aus porösen •Füllmassen aus Drahtgewebe besteht, die nur einen

aus der Zelle sich durch die öffnung 15 hindurch entspannen kann, um dann über die Öffnung 17 in eine andere Zelle einzuströmen, und zwar bevor jene andere Zelle die Hochdruck-Spülkanäle 7 und 8 erreicht. In den oben beschriebenen Ausführungsformen der

Teil — etwa 5 % ■— der Länge der Zellen ^einnehmen. 65 vorliegenden Erfindung strömt das Gas aus den Zellen Das Zellenrad wird von außen her oder aber durch bei den Spülstufen heraus und streicht dabei durch •den Gasstrom angetrieben, welcher zwischen in ge- das '.Futter 2. Um die Druckverluste herabzusetzen, eigneter Weise geformten Zellenwandungen hindurch- was für die Niederdruck-Spülstufe ganz besonders .streicht. Hierbei bewegen sich die Zellen in der Rieh- wichtig ist, bringt man das Futter in einer Seitentung des Pfeiles 3 zwischen den Stirnplatten 4 und 5. 70 tasche des Zellenrotors unter. Fig. 3 zeigt ein Druck-

austauscher-Zellenrad 1 zwischen den Stirnplatten 4 und 5, durch welche hindurch die Kanäle mit den Zellen in A^erbindung stehen. In der Figur sind nur zwei dieser Kanäle dargestellt, und zwar die Niederdruck-Spülkanäle 18 und 19. An dem einen Ende der Zellen ist rund um deren Umfang das ringförmige Futter 20 so an den Zellen angebracht, daß es mit den Zellen rotiert, wobei ein geringer Spielraum zwischen ■den Zellen und dem Futter einerseits, dem Außengehäuse 21 andererseits aufrechterhalten bleibt. Tn einer Stellung am Umfang des Gehäuses vor der Stellung, in welcher die Niederdruck-Spülkanäle 18 und 19 mit den Zellen in Verbindung stehen, ist ein Auslaßrohr 22 vorgesehen, welches das Gas aus den Zellen durch das Futter 20 hindurch abführt. Die Strömung durch das Rohr führt zu einem Ejektor 23 in dem stromabwärts gelegenen Zweig 19 der Niederdruck-Spülleitung. Diese Strömung durch das Futter hindurch wird also dazu verwendet, die Niederdruck-Spülströmung zu beschleunigen. Die Abwicklung der Niederdruck-Spülstufe nur dieser Anordnung aus Fig. 3 ist in der Fig. 4 dargestellt. Die Lage dieses Futters radial über die Zellen hinaus ist durch die gestrichelten Linien angedeutet. Die Zellen stehen über das Rohr 22 mit dem Ejektor 23 in Verbindung, noch bevor sie sich nach dem stromabwärts liegenden Zweig 19 der Niederdruck-Spülleitung zu öffnen. Die Hochdruck-Spülstufe eines solchen Druckaustauscher ist so angeordnet, wie es die Fig. 5 zeigt. Die Einlaßleitung der Hochdruck-Spülleitung ist bei 24 dargestellt. Die Auslaßleitung ist bei 25 an eine Stelle am Umfang des ringförmigen Futters 20 angeschlossen. Wenn also der Druckaustauscher mit Spülstufen versehen ist, wie sie in den Fig. 3 und 5 dargestellt sind, dann nimmt das Futter 20 Wärme aus den Abgasen auf, welche durch das Rohr 22 zu dem Ejektor 23 in der Niederdruck-Spülstufe strömen, und gibt Wärme an das verdichtete Gas ab, welches zur Brennkammer oder zu einer sonstigen Erhitzungsvorrichtung in der Hochdruck-Spülstufe strömt.

Die Unterstützung des Spülens durch einen Ejektor, wie er oben für einen Druckaustauscher mit einem Futter in einer Seitentasche beschrieben wurde, kann aber auch verwendet werden bei einer Druckaustauscherbauart, in welcher sich das Futter innerhalb der Zellen selbst befindet, also wie in den Fig. 1 und 2. Fig. 6 zeigt eine Niederdruck-Spülstufe einer solchen Anordnung, wobei die Einlaßleitung mit 26, die Auslaßleitung mit 27 bezeichnet ist. Das Futter 2 befindet sich an dem einen Ende der Zellen, genau wie in ■den Fig. 1 und 2. Unmittelbar bevor eine Zelle die Spülstufe erreicht, ist ein zusätzlicher Auslaß 27 a im Außengehäuse vorgesehen, und eine geringe Menge an Gas strömt nun durch diesen Auslaß und das Rohr 28 zu einem Ejektor 29 in dem Kanal 27. Die Größe des Auslaßstutzens 27 a wird so gewählt, daß die Ejektorwirkung den Widerstand des Futters 2 überwindet, wodurch ein richtiges Spülen stattfinden kann.

Die Fig. 7 zeigt die Abwicklung eines vollständigen Druckaustauschers, der in mancher Hinsicht dem in ■der Fig. 1 dargestellten ähnlich ist, jedoch das Seitentaschenfutter 20 aufweist, welches bereits an Hand der Fig. 3 beschrieben wurde. Die Niederdruck-Spülkanäle sind bei 6 und 14 dargestellt, die Hochdruck-Spülkanäle bei 7 und 8. Anstatt das heiße Hochdruck-Nutzgas direkt — wie in Fig. 1 — den Zellen zu entnehmen, wird das Nutzgas bei der Ausführungsform nach Fig. 7 der Hochdruck-Spülleitung entnommen. Der Gasstrom der Rohrleitung 8 wird geteilt, und zwar strömt ein Teil durch die Verbindungsleitung 9, die Brennkammer 10 und den Einlaßkanal 7 zurück zu dem Zellenrad, während der Rest als Nutzgas durch einen Auslaßkanal 30 entnommen wird und zum Verbraucher strömt.

Zu den Ringkanälen in dem Außengehäuse, in welchem sich das Futter 20 bewegt, gehören die beiden Öffnungen 31 und 32, durch welche das Gas die Zellen durch das Futter hindurch verlassen kann. Das

ίο bei der Öffnung 31 austretende Gas strömt über das Rohr 33 und durch die Öffnung 34 wieder in die Zellen ein. Das aus den Zellen durch das Futter und die Öffnung 32 hindurch austretende Gas strömt über das Rohr 35 und die Öffnung 36 wieder in die Zellen ein.

Eine Zelle in der Stellung 37 ist mit Frischluft angefüllt, denn die Zelle ist soeben an der Niederdruck-Spülstufe 6,14 vorbeigegangen. Wenigstens ein Teil der Luft in den Zellen strömt durch die Öffnung 31 und das Futter 20 hindurch. Das Futter ist aber heiß, und die in die Zellen durch die Öffnung 34 wieder eintretende Luft wurde durch den Wärmeaustausch mit dem Futter erhitzt. Nachdem die Luft erhitzt worden ist, gelangt sie in die Hochdruck-Spülstufe 7, 8. Nach Verlassen der Hochdruck-Spülstufe in der Stellung 38 ist die Zelle mit heißem Gas angefüllt. Wenn nun dieses Gas durch das Futter und die Öffnung 32 hindurchströmt, wird dabei das Futter erhitzt. Das durch die öffnung 36 wieder in die Zellen eintretende Gas ist entsprechend kühler. Die beiden Sätze von öffnungen und Verbindungsrohren 31, 33, 34 und 32, 35, 36 gewährleisten Heiz- bzw. Kühlkreise bei konstantem Volumen. Durch den Einbau dieser beiden Strömungskreise werden die Druckhöhen im Zellenrad entsprechend gehoben bzw. gesenkt.

Die Verwendung eines Wärmeaustauscherfutters in einer Tasche an der Außenseite, wie sie oben beschrieben wurde, bringt den Vorteil mit sich, daß derjenige Teil des Außengehäuses, welcher das Futter bedeckt, leicht abgenommen werden kann, wodurch man Zugang zum Futter selbst erhält. Wenn außerdem noch das Futter beispielsweise aus zwei Halbringen besteht, dann kann es zu Reinigungszwecken leicht entfernt werden, ohne den Druckaustauscher völlig zerlegen zu müssen. Bei Anordnung des Futters in der Außentasche muß Vorsorge getroffen werden, daß der Druckverlust so niedrig bleibt, wie es mit dem gewünschten Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers noch vereinbar ist. Das Futter muß so angeordnet und gebaut sein, daß es die Kompressions- und Expansionswellen in den Zellen während des Betriebes des Druckaustauschers nicht ernstlich beeinträchtigt.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Druckaustauscher mit Wärmeaustauscheinrichtung, gekennzeichnet durch die Anordnung eines ringförmigen wärmespeicherungsfähigen Futters (2,20) im Zellenrad des Druckaustauschers derart, daß das Futter die Bahnen zweier verschiedener, das Zellensystem an verschiedenen Stufen des Arbeitsprozesses verlassender Ströme durchläuft, so daß das Futter beim Durchlauf durch einen dieser beiden Ströme fortgesetzt in an sich bekannter Weise Wärme aufnimmt und dieselbe anschließend beim Durchlauf durch die andere Strömung fortgesetzt an diese abgibt.

2. Druckaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Futter (2) innerhalb der

Zellen in der Nähe jeweils einer Stirnseite der-, selben angeordnet ist.

3. Druckaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Futter (2) nur an einer Längsseite der Zellen (1) in der Nähe der Stirnseite derselben angeordnet ist.

4. Druckaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmespeicherungsfähige Futter (20) am Außenumfang des Zellenrades (1) angeordnet ist und daß die Auslaßleitung (22, 25, 33,35) der Zellen radial und gegenüber der Außenumfangsfläche des Futters angeordnet ist.

5. Druckaustauscher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Futters in Richtung der StiOmung des Arbeitsmediums etwa 5 % der Zellenlänge beträgt.

6. Druckaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den einen der beiden Ströme (7,8) des Arbeitsmediums ein Verbindungskanal (9) vorgesehen ist, durch welchen das Arbeitsmedium wieder in den Druckaustauscher einströmen kann, nachdem es durch das Futter (2) hindurchgeströmt ist.

7. Druckaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein für den einen der Ströme des Arbeitsmediums bestimmter Strömungsweg (19) mit einem anderen Kanal (22, 23) zusammengeführt ist, durch den ein anderer Strom des Arbeitsmediums aus dem Druckaustauscher herausgeführt wird, wobei beide Ströme sich gegenseitig so beeinflussen, daß eine Ejektorwirkung zustande kommt.

8. Druckaustauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Überströmkanäle (16), welche Zellen höheren Druckes nach Verlassen (15) der Hochdruck-Spülzone (7, 8) mit Zellen niedrigeren Druckes nach Verlassen der Niederdruck-Spülzone verbinden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung H14056Ia/46f
kanntgemacht am 17.2. 1955).

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 933 363.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

909637/337 9.59