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Die Erfindung bezieht sich auf Druckaustauscher zur Übertragung von
Druckenergie von einem Flüssigkeitsstrom eines Flüssigkeitssystems auf
einen Flüssigkeitsstrom eines anderen Flüssigkeitssystems mit einem
Gehäuse mit einer Einlaß- und einer Auslaßröhrenleitung für jeden
Flüssigkeitsstrom, und einem in dem Gehäuse angeordneten und zur
Rotation um seine longitudinale Achse angepaßten zylindrischen Rotor,
und ist mit einer Anzahl von Durchgängen oder Bohrungen ausgestattet,
welche sich parallel zu der longitudinalen Achse erstrecken, und mit
einer Öffnung an jedem Ende, wobei die Einlaß- und
Auslaßröhrenleitung des Flüssigkeitssystems Röhrenleitungspaare bilden, die nahe der
jeweiligen Endseite des Rotors angeordnet sind, und die Bohrungen des
Rotors in einer derartigen Verbindung mit den Einlaß- und den
Auslaßröhrenleitungen des Gehäuses angepaßt sind, daß sie abwechselnd
Flüssigkeit unter hohem Druck und Flüssigkeit unter niedrigem Druck
des jeweiligen Systems während der Rotation des Rotors transportieren.
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Durch die US-Patentschrift 3 431 747 ist ein Druckaustauscher der oben
erwähnten Art bekannt, bei dem zur Trennung der Flüssigkeiten der
beiden Systeme eine Kugel in jede Bohrung eingeführt worden ist. Die
Kugelbewegung ist eingeschränkt durch die Anordnung eines Sitzes oder
eines Anschlages in jedem Ende jeder Bohrung, wogegen die Kugel sich
stützen kann. Die Sitze verursachen eine Verringerung des Querschnitts
der Bohrungen, und die Kugeln, die Bohrungen wie auch die Sitze
werden mechanischer Abnutzung ausgesetzt, was zu Undichtheit führt.
Darüber hinaus muß auf Grund des kleinen Spiels zwischen Kugeln und
den Wandungen der jeweiligen Bohrungen eine große Kraft auf die
Kugeln ausgeübt werden, um diese bei hohen
Flüssigkeitsgeschwindigkeiten zu bewegen, was zu einem Energieverlust führt. Wenn der
Flüssigkeitsstrom durch das schlagartige Auftreffen der Kugeln auf ihre Sitze
plötzlich stoppt, können Kavitationen auftreten, welche schädlich für
benachbarte Teile sein können. Die Anordnung einer Kugel und zweier
Ventilsitze mit Dichtungsringen, Federn usw. für jede Bohrung impliziert,
daß die Vorrichtung kompliziert und teuer wird. Darüber hinaus wird die
oben erwähnte Abnutzung das zeitintensive und teure Auswechseln von
Teilen der Komponenten des Druckaustauschers notwendig machen.
Durch die Anordnung von Einlaß- und Auslaßröhrenleitungen, welche
Flüssigkeit von nur einer Bohrung zur Zeit ablassen bzw. aufnehmen,
erfolgt der Strom intermittierend.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verfügung zu
stellen, die in geringerem Ausmaß mit den oben erwähnten Nachteilen
belastet ist.
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Die charakteristischen Eigenschaften der Vorrichtung gemäß der
Erfindung werden aus den Ansprüchen ersichtlich.
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Die Erfindung wird im Detail in der folgenden Beschreibung mit
Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, die
Ausführungsbeispiele eines Druckaustausches entsprechend der Erfindung darstellt.
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Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines
Druckaustauschers gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1, wobei
Teile entfernt worden sind.
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Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in Fig. 2.
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Fig. 4 ist eine Ansicht in Richtung des Pfeils A in Fig. 2, wobei Teile
weggelassen wurden.
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Fig. 5 ist eine Ansicht der dem Rotor gegenüberstehenden
Endstücköffnungen.
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Fig. 6a bis 6f sind die Funktionsweise des Druckaustauschers
beschreibende Schnittansichten.
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Fig. 7a bis 7b sind die Funktionsweise des Druckaustauschers
beschreibende Geschwindigkeitsdiagramme.
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Fig. 8 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß der
Erfindung, wobei die Vorrichtung mit zwei Flüssigkeitsbehältern verbunden ist.
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Fig. 9a bis 9c sind Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels eines
Endstücks.
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Wie Fig. 1 verdeutlicht, besteht der Druckaustauscher gemäß der
Erfindung aus einem röhrenförmigen im wesentlichen zylindrischen Gehäuse
1, welches an jedem Ende einen ringförmigen Flansch 2, 3 mit einer
Anzahl durchgehender Löcher hat.
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Zwei im wesentlichen identische Endstücke 4, 5, beide mit einem
ringförmigen Flansch 6, 7 mit einem zu den ringförmigen Flanschen des
Gehäuses korrespondierenden Durchmesser und durchgehenden Löchern
ausgestattet, sind an den jeweiligen Endteilen des Gehäuses 1 abdichtend
befestigt, wobei die ringförmigen Flansche 2, 3 des Gehäuses 1 an die
Flansche 6, 7 der jeweiligen Endstücke 4, 5 mit Hilfe von nicht
dargestellten Bolzen, welche in die Löcher eingeführt werden, und Muttern
befestigt werden. Um eine dichte Verbindung zu erhalten, kann ein
Dichtungsring zwischen den ringförmigen Flanschen bereitgestellt werden.
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Ein zylindrischer Rotor 8 ist in dem röhrenförmigen Gehäuse 1
angeordnet, wobei der Außendurchmesser des Rotors an den Innendurchmesser
des Gehäuses 1 derart angepaßt ist, daß der Rotor 8 leicht im Gehäuse
1 rotieren kann. Die Endoberflächen des Rotors erstrecken sich normal
zu seiner longitudinalen Achse, und seine Länge entspricht
näherungsweise der Länge des Gehäuses 1. Der Rotor 8 hat eine Anzahl von
axial durchgehenden Durchführungen 9. Wie gezeigt, können diese einen
kreisförmigen Querschnitt haben, deren longitudinale Achsen gleichmäßig
beabstandet sind und sich entlang zweier Zylinderflächen erstrecken, die
sich koaxial bezüglich des Rotors erstrecken. Der Durchmesser von und
die Räume zwischen den Bohrungen entlang einer der Zylinderflächen
können jedoch unterschiedlich von dem Durchmesser von und den
Zwischenräumen zwischen den Bohrungen entlang der anderen Zylinderfläche
sein. Darüber hinaus können Bohrungen entlang nur einer oder mehrerer
als zwei Zylinderflächen angeordnet sein.
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In jedem der Endstücke 4, 5 sind zwei Durchführungen 12, 13 bzw. 14,
15, die sich nahe aneinander erstrecken und eine gemeinsame Wand
oder Trennwand 16 bzw. 17 haben, welche sich vom Inneren, dem
Gehäuse 1 gegenüberstehenden Ende und dem Rotor 8 und entlang
mindestens eines Teils der Länge der Röhrenleitungen erstreckt. Wie in
Fig. 4 und 5 deutlich wird, sind die inneren Öffnungen 18, 19 bzw. 20,
21 jedes Röhrenleitungspaares näherungsweise halbkreisförmig, wobei der
Kreisdurchmesser etwas kleiner als der Radius des Rotors 8 sein kann,
wobei eine Schulter oder Gleitfläche für den Rotor gebildet ist, welche
im wesentlichen eine Bewegung des Rotors 8 in longitudinaler Richtung
des Gehäuses 1 verhindert, während Rotation erlaubt ist und wobei eine
bessere Abdichtung zwischen Rotor und Gehäuse erreicht wird. Die
Trennwand zwischen den Öffnungen 18, 19 bzw. 20, 21 erstreckt sich zu
den jeweiligen Endflächen des Rotors 8 in der Weise, daß dieser sich
während der Rotation abdichtend gegen die Endkante der Trennwand
abstützen und auf ihr gleiten kann. Die Trennwand und die Gleitfläche
können weiterhin eine Dichtungsvorrichtung umfassen, welche eine
Dichtung zwischen dem Rotor und der Trennwand bzw. der Endstücke
bereitstellt. Die Dicke der Trennwand kann konstant oder variabel
entlang einer radialen Linie vom Zentrum der halbkreisförmigen inneren
Öffnungen sein, wie in Fig. 9 abgebildet ist, wobei die Dicke etwas
größer ist als die Querdimension der Bohrungen, die sich in der
korrespondierenden Entfernung von der longitudinalen Achse des Rotors
befinden. Wie in Fig. 2 deutlich wird, erstreckt sich die longitudinale
Achse des inneren Teils 10 der Röhrenleitung im wesentlichen in einem
Winkel in Relation zur Rotationsebene des Rotors 8, während die
longitudinale Achse des äußeren Teils 11 der Röhrenleitung sich im
wesentlichen parallel dazu erstreckt. Die longitudinalen Achsen des
äußeren Teils 11 der Röhrenleitungen können parallel zueinander oder
in einem Winkelabstand voneinander in dieser Ebene angeordnet sein,
wie in Fig. 9 gezeigt ist. Das äußere Endteil 11 der Röhrenleitung kann
mit Flanschen oder Gewinden (nicht abgebildet) zur Verbindung der
Röhrenleitung mit den Rohren oder einem Rohrsystem ausgestattet sein.
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Die geneigte Wand des inneren Teils der Röhrenleitung gegenüber dem
Rotor ist im wesentlichen S-förmig in einem kreisförmigen koaxialen
Abschnitt relativ zur longitudinalen Achse des Rotors, wobei sich der
dem Rotor am nächsten und am entferntesten liegende Wandteil
näherungsweise parallel zur oder in einem kleinen Winkel relativ zur
Rotationsebene erstreckt, während der dazwischenliegende Teil sich in einem
größeren Winkel dazu erstreckt. Genauer gesagt, kann die Steigung der
Wand entlang dieses Abschnitts und relativ zur Rotationsebene
näherungsweise eine Sinusfunktion des in der Rotationsebene gemessenen
Winkels zwischen dem Rotor und der Rotationsrichtung sein, welcher
zwischen zwei Ebenen gebildet wird, die beide die longitudinale Achse
des Rotors umfassen, aber wobei die erste Ebene oder die Bezugsebene
zusätzlich den Teil der betreffenden Röhrenleitung umfaßt, welcher
während der Rotation des Rotors zuerst von dessen Bohrungen erreicht
wird, und wobei die zweite Ebene den betreffenden Wandteil umfaßt.
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Wie in der Abbildung gezeigt, sind die zwei Endstücke 4, 5 in der
Rotationsebene in einem 180º-Winkel gegenseitig versetzt in der Weise,
daß die äußeren Öffnungen der Röhrenleitungspaare in entgegengesetzte
Richtungen zeigen. Wie in Fig. 2 und 4 gezeigt ist, kann ein Schaft 22,
welcher sich abdichtend durch die Trennwand 17 des Endstücks 4
erstreckt, und welcher mit einem elektrischen Rotor (nicht gezeigt) oder
ähnlichem verbunden ist, fest mit dem Rotor zwecks Rotation desselben
verbunden werden.
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Die Funktionsweise des Druckaustauschers entsprechend der Erfindung
wird in der folgenden Beschreibung mit Bezugnahme auf Fig. 6 und 8
im Detail beschrieben.
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Zur Rückgewinnung der Druckenergie einer ersten Flüssigkeit, z. B. in
einem Prozeß verbrauchte bzw. verschwendete Flüssigkeit, wobei diese
Flüssigkeit genutzt werden soll, den Druck einer anderen Flüssigkeit,
welche im Zusammenhang mit einem anderen Prozeß genutzt wird, zu
erhöhen, wird ein Versorgungsrohr 30, welches die verbrauchte Flüssigkeit
befördert, mit der Röhrenleitung 12 des Druckaustauschers verbunden,
und ein Schlauch 31 zur Versorgung der anderen Flüssigkeit wird mit
der Röhrenleitung 15 verbunden. Weiterhin wird ein Auslaßrohr 32 für
die verbrauchte Flüssigkeit mit der Röhrenleitung 13 verbunden, und ein
Auslaßrohr 33 für die andere Flüssigkeit wird mit der Röhrenleitung 14
verbunden. Im folgenden wird Flüssigkeitsdruck mit p bezeichnet und für
die Bezeichnung des Flüssigkeitsdrucks in den jeweiligen Röhrenleitungen
wird diesem Bezeichnungsbuchstaben ein Suffix entsprechend zur
Bezeichnungsnummer der Röhrenleitung beigeordnet.
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Es wird festgelegt, daß p12 > p14 > p15 > p13 ist. Zur Beschreibung
der Funktionsweise wird der Flüssigkeitsstrom einer einzelnen
Rotorbohrung beschrieben, wobei angenommen wird, daß der Rotor mit einem
Motor angetrieben wird. Die Fig. 6a bis 6f zeigen die
aufeinanderfolgenden Positionen dieser Bohrung 9 während der Rotation des Rotors 8.
Fig. 6a beschreibt den Rotor in einer Position, wo die betreffende
Bohrung 9 gerade in Wechselwirkung mit der Röhrenleitung 13 und 15
gebracht worden ist. Da p15 > p13, beginnt dadurch die Verdrängung
der verbrauchten Flüssigkeit, welche sich in der Bohrung befindet. Wenn
der Rotor die in Fig. 6b abgebildete Position durchlaufen hat und die in
Fig. 6c abgebildete Position erreicht hat, in welcher sich die Bohrung
nahe an den Trennwänden 16, 17 befindet, ist näherungsweise die ganze
verbrauchte Flüssigkeit aus der Bohrung verdrängt, und diese ist mit der
anderen Flüssigkeit gefüllt worden. Wenn der Rotor die in Fig. 6b
abgebildete Position erreicht, wobei die Bohrung für Wechselwirkung mit
den Röhrenleitungen 12 und 14 geöffnet ist, steigt der Flüssigkeitsdruck
augenblicklich auf einen Pegel zwischen den Drücken p12 und p14, und
der hohe Druck p12 der verbrauchte Flüssigkeit wird die Initiierung
eines Flüssigkeitsstromes in die Röhrenleitung 12 verursachen und die
andere Flüssigkeit verdrängen, so daß diese aus der Röhrenleitung 14
herausfließt. Der Druck der Flüssigkeit in der Röhrenleitung 14 kann
hierbei mit Hilfe eines Steuerventils (nicht abgebildet) oder einer
ähnlichen Vorrichtung gesteuert werden.
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Wenn der Rotor die in Fig. 6e gezeigte Position durchlaufen und die in
Fig. 6f gezeigte Position erreicht hat, wo die Bohrung wieder durch die
Trennwände 16, 17 geschlossen ist, ist nahezu die ganze andere
Flüssigkeit in der Bohrung durch die verbrauchte Flüssigkeit verdrängt worden.
Wenn der Rotor während kontinuierlicher Rotation erneut die in Fig. 6a
abgebildete Position erreicht, wo die Röhrenleitung für Wechselwirkung
mit den Röhrenleitungen 13 und 15 geöffnet ist, wird der oben
beschriebene Kreislauf wieder von Neuem angefangen.
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Fig. 7a und b zeigen Geschwindigkeitsdiagramme für den Einlaß und den
Auslaß einer einzelnen Bohrung des Rotors, wobei C1 und C2 die
absolute Geschwindigkeit der Flüssigkeit bezeichnen, W1, W2 bezeichnen
die Flüssigkeitsgeschwindigkeit relativ zur Röhrenleitung, und U
bezeichnet die Geschwindigkeit der Bohrung relativ zum Gehäuse. C1U und
C2U bezeichnen die Komponenten von C1 bzw. C2, welche sich in die
Richtung von U erstrecken. Obwohl oben erwähnt ist, daß der Rotor
durch einen Motor angetrieben wird, ist es jedoch offensichtlich, daß der
geneigte innere Teil 10 der Flüssigkeitseinlaßröhrenleitung 12 und 15 in
Kombination mit den sich axial erstreckenden Bohrungen 9 eine
Ausübung von Moment bzw. Drehmoment verursachen wird, welches den
Rotor zu rotieren sucht, wobei dieses Moment proportional zu (C1U-
C2U) ist. Auf diese Weise ist ein Motor zur Rotation des Rotors in
diesem Fall überflüssig. Falls der Unterschied zwischen den
Flüssigkeitsdrücken ausreichend groß ist, wird es auch nicht notwendig sein, eine
Flüssigkeitspumpe bereitzustellen, um den Fließwiderstand der Rohre zu
überwinden, wobei der Druckunterschied für den gewünschten
Flüssigkeitsstrom sorgt.
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Falls der Druck der verbrauchten Flüssigkeit dem der anderen Flüssigkeit
gleich ist, d. h. p12 = p14 und p13 = p15 und die
Flüssigkeitsverdrängung in den Bohrungen nicht wie oben erwähnt mit Hilfe von
Druckunterschieden erreicht werden kann, muß für einen solchen Fluß auf
einem anderen Weg gesorgt werden. Eine Möglichkeit ist, Zirkulations-
oder Flüssigkeitspumpen 42, 43, wie in Fig. 8 abgebildet, bereitzustellen,
um den Fließwiderstand des zugeordneten Rohrsystems zu überwinden.
Fig. 8 illustriert schematisch den Fall, in dem der Druckaustauscher
benutzt wird zur Versorgung eines Reservoirs 40 auf einem hohen
Standort, z. B. mit heißem Wasser, von einem Reservoir 41 auf einem
tieferen Standort, wobei das von dem hohen Reservoir fließende kalte
Wasser genutzt wird, um den Druck des Wassers, welches vom tiefen
Reservoir fließt, zu erhöhen. Hierbei wird eine Pumpe 42 im Rohr 44,
welches die Röhrenleitung 14 mit dem hohen Reservoir 40 verbindet,
und eine Pumpe 43 im Rohr 47, welches das tiefere Reservoir mit der
Röhrenleitung 15 verbindet, bereitgestellt. Alternativ kann jedoch der
Druckaustauscher durch den geneigten inneren Teil der Röhrenleitungen
12 bzw. 15 als Pumpe arbeiten, wobei das notwendige Moment für die
Rotation des Rotors, wie in Fig. 7b gezeigt, näherungsweise proportional
zur Differenz (C2U-C1U) ist. Wie aus dieser Abbildung deutlich wird,
ist diese Differenz bei einer passenden Geschwindigkeit U der
betrachteten Bohrung positiv. Folglich können die Flüssigkeitspumpen 42, 43
überflüssig sein, falls der Rotor mit Hilfe eines Motors betrieben wird.
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Auf Grund des gleichzeitigen Kommunizierens einer großen Zahl von
Bohrungen 9 mit den Röhrenleitungen 12, 13 bzw. 14, 15 fließt
Flüssigkeit
immer in diesen, und da die während der Rotation des Rotors
durch einen halben Abschnitt der Trennwand abgedeckten und
geschlossenen Bohrungsöffnungsflächen gleichzeitig der durch die anderen
diametral gegenüberliegenden Hälfte der Trennwand geöffneten
Röhrenleitungsöffnungsfläche entspricht, pulsiert der Flüssigkeitsstrom nur in geringem
Ausmaß in den Bohrungen. Auf Grund der oben erwähnten Bauart wird
der Druckaustauscher der Erfindung entsprechend sehr schnelle
Flüssigkeitsströme erlauben und eine größere Effizienz als die bekannten
Druckaustauscher haben. Insbesondere bei großen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten
ist es wichtig, daß der Flüssigkeitsstrom stationär ist. Auf Grund der
oben erwähnten Form des inneren Teils der Röhrenleitungswand, welche
dem Rotor gegenüberliegt, ist es möglich, zu erreichen, daß die
Komponente der Geschwindigkeit in longitudinaler Richtung des Rotors der
rein- bzw. rausfließenden Geschwindigkeit in der Nähe der Bohrungen
klein ist, wobei die Bohrungen gerade von der Trennwand weg bzw.
unter der Trennwand durchbewegt z. B. geöffnet bzw. geschlossen werden,
während diese Komponente der Flüssigkeitsstromgeschwindigkeit an den
dazwischenliegenden Bohrungen groß ist und daß der Übergang von
kleiner zu großer Geschwindigkeit glatt ist. Diese Gestalt der Wand führt
zu einer weichen Beschleunigung und Verlangsamung des
Flüssigkeitsstroms in den Bohrungen, welche mit großer Wirksamkeit und ohne
Verstopfungen stattfindet und welche zu einer weiteren Verminderung
von Flüssigkeitsstrompulsen beiträgt.