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Druckaustauscher mit mindestens zwei Zellenrädern Die Erfindung betrifft
eine Anordnung mit mindestens zwei Druckaustauschern mit je einem Zellenrad oder
mit einem Druckaustauscher mit mindestens zwei Zellenrädern.
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Die Bezeichnung »Druckaustauscher« wird im Rahmen der nachstehenden
Beschreibung für eine Einrichtung angewendet, bei der zwischen einer Zellenanordnung
und einer Kanalanordnung eine Relativbewegung besteht und bei der innerhalb der
einzelnen Zellen der Zellenanordnung eine bestimmte Gasmenge expandiert, wodurch
eine andere Gasmenge, mit der die erstgenannte Gasmenge innerhalb der betreffenden
Zelle in unmittelbarer Berührung steht, komprimiert wird, und wobei die beiden unter
verschiedenem Druck stehenden Gase über die Kanalanordnung den Zellen im wesentlichen
stetig zugeführt bzw. von diesen abgeführt werden.
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Zellenrad-Druckaustauscher sind mindestens hinsichtlich ihrer theoretischen
Grundlagen bereits seit vielen Jahren an sich bekannt. Es ist auch bekannt, daß
zwecks Erreichung einer Kühlwirkung mittels einer Kühleinrichtung eine Temperatur
hergestellt werden muß, die unter der Temperatur der zu kühlenden Umgebung liegt.
Es ist auch schon bekannt, Druckaustauscher als Druckteiler zu schalten, wodurch
eine Einrichtung entsteht, bei der ein unter einem. mittleren Druck stehendes Gas
zugeführt und Gas mit zwei verschiedenen Drücken ausgestoßen wird, deren einer unter
und deren anderer über dem mittleren Druck liegt, mit dem das Gas zugeführt wird.
. -Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde; daß ein Druckteiler auch als Temperaturteiler
wirksam ist. Beim Betrieb von Flugzeugen im Überschallgeschwindigkeitsbereich hat
sich nämlich gezeigt, da-ß. mit steigender Flugzeuggeschwindigkeit die Temperatur
der Flugzeugaußenkonstruktion infolge der auftretenden Grenzschichtreibung rasch
ansteigt und daß daher eine künstliche Kühlung der Flugzeugaußenkonstruktion erforderlich
ist. Mit der Einrichtung nach der Erfindung ist es nun nicht nur möglich, eine wirksame
Kühlung der Außenkonstruktion von Flugzeugen zu erzielen, sondern außerdem auch
noch eine Erhöhung des Triebwerksschubes zu erreichen, und zwar dadurch, daß die
Gase, welche die erfindungsgemäße Einrichtung verlassen, einen größeren Wärmeinhalt
haben als die Gase, die von der Einrichtung aufgenommen werden.
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Aus diesem Grund ist die Anwendung von Temperaturteilern für die Kühlung
von Flugzeugen besonders zweckmäßig. Obwohl Flugzeuge sich normalerweise innerhalb
kalter Luft bewegen, stellen sich im Flug trotzdem hohe Temperaturen To ein, die
sich nach folgender Formel errechnen:
worin T ('K) die Lufttemperatur,
die Flugzeuggeschwindigkeit,
die Gravitationskonstante,
das mechanische Wärmeäquivalent und
die spezifische Wärme von Luftbei konstantem Druck bezeichnet.
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Bei Überschallgeschwindigkeiten wird die sich einstellende Temperatur
folglich unerwünscht hoch. Die Kühlung eines mit Überschallgeschwindigkeit fliegenden
Flugzeuges durch Wärmeübergang in die an sich die normale Lufttemperatur T aufweisende
umgebende Luft ist auf diese einfache Weise nicht möglich, da alle Grenzflächen
des Flugzeuges - also auch ein etwa an dem Flugzeug befestigter Wärmetauscher -gegen
die Umgebung die hohe Temperatur To annehmen, die sich nach der angegebenen Formel
als Summe aus der Temperatur der umgebenden Luft und dem Temperaturanstieg durch
die Bewegung des Flugzeuges gegen die umgebende Luft einstellt. Es besteht mithin
an keiner mit der Umgebungsluft in Berührung stehenden Fläche des Flugzeuges bei
Überschallgeschwindigkeit ein Wärmegefälle, so daß ohne besondere Vorkehrungen das
Flugzeug die Temperatur To annehmen würde.
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Um einen Teil des Flugzeuges gegen die Temperatur To kühler halten
zu können, könnte man aber eine
Wärmepumpe anwenden,- und" es ist
gefunden- worden, daß sich für diesen Zweck Druckaustauscher in ganz besonderer
Weise eignen. ' "-Die Erfindung beinhaltet demgemäß einen Druckaustauscher mit mindestens
zwei Zellenrädern, der dadurch gekennzeichnet ist, daß -ein Zellenrad Über Eintrittsöffnungen
Gas von mittlerem Druck aufnimmt und über entsprechende Auslaßöffnungen Gas sowohl
von höherem als: auch von niedrigerem Druck als diesem mittleren Druck an ein weiteres
Zellenrad abgibt, das wiederum, Gas von mittlerem Druck ausstößt, wobei die das
erstgenannte Zellenrad mit niedrigerem Druck durch Kanäle verlassende Gasströmung
der kalte Ast eines Wärmeaustauschers ist.
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Eine Ausführungsform einer Anordnung nach der Erfindung mit zwei Druckaustauschern
ist nachstehend beispielsweise unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, welche
die schematische Abwicklung einer solchen Anordnung zeigt.
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Die Einrichtung nach der Erfindung weist zwei Zellenräder 1 und 2
herkömmlicher Bauart auf, deren Zellen durch Drehen der Zellenräder in den durch
die Pfeile X angegebenen Richtungen relativ zu den Zu-und Ableitungskanälen bewegt
werden. Beim Zellenrad 1 fehlt die üblicherweise an der Stirnseite angeordnete
Endplattenkonstruktion auf einer Radseite. Dafür tritt an dieser Radseite eine Gasströmung
mit hoher Strömungsgeschwindigkeit ein, deren Strömungsrichtung durch die Pfeile
Y angedeutet ist. Auf der anderen Seite des Zellenrades 1 sind in geringem Abstand
von der Zellenradstirnseite die Mündungen einer Anzahl von Kanälen 3 und 4 um den
Umfangsbereich dieser Radstirnseite herum angeordnet. Die Kanäle 3 münden unmittelbar
in die Stirnseite des Zellenrades 2 und sind jeweils abwechselnd mit Kanälen 4 angeordnet.
Die infolgedessen jeweils zwischen den Kanälen 3 angeordneten Kanäle 4 bilden einen
Teil des kalten Astes 5 eines Wärmeaustauschers. Dieser kalte Ast verläuft bei praktischen
Anwendungen der Erfindung in Verbindung mit Flug= zeugen oder Flugkörpern entweder
innerhalb der Flugzeugkonstruktion, innerhalb des Führersitzes oder innerhalb der
Wandungen des Fluggastraumes.
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Das zweite Zellenrad 2 nimmt sowohl das aus den Kanälen 3 als auch
das aus den Kanälen 4 zugeführte Gas auf und stößt dasselbe mit im wesentlichen
gleichbleibendem Druck in Richtung der Pfeile Z in die umgebende Atmosphäre
6 aus. Im Betrieb-wird Stauluft mit dem sich jeweils einstellenden Druck
in Richtung der Pfeile Y in das Zellenrad 1 eingelassen. Das Zellenrad 1 wirkt als
Druckteiler und unterteilt die aufgenommene Stauluft, die ursprünglich einen bestimmten,
mittleren Drück hat, in einen Luftstrom höheren Druckes und einen Luftstrom niedrigeren
Druckes. Diese beiden Luftströme strömen innerhalb der Kanäle 3 einerseits und innerhalb
der Kanäle 4 andererseits. Die durch die Niederdruckkanäle 4 strömende Luft hat
an die durch die Hochdruckkanäle 3 strömende Luft Arbeit abgegeben und ist infolgedessen
kälter als die letztere. Die Niederdruckkanäle 4 führen infolgedessen ein kontinuierlich
strömendes, wärmeherabsetzendes Medium. Dieses wärmeherabsetzende Medium kann bei
hohen Fluggeschwindigkeiten im Überschallbereich erhebliche Wärmemengen aufnehmen.
Nach entsprechender Wärmeaufnahme wird dieses Medium nach dem-Durchgang durch .das
Zellenrad 2 in die Außenatmosphäre 6 ausgestoßen. Das Zellenrad 2 wirkt also als
Druckausgleicher. Da die das Zellenrad 2 verlassenden Gase folglich im wesentlichen
gleichen Druck haben, können sie als zusätzlicher Triebstrahl für das Flugzeug oder
den Flugkörper Verwendung finden.