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Die
Erfindung betrifft einen Druckaustauscher zum Transferieren von
Druckenergie von einer ersten Flüssigkeit
eines ersten Flüssigkeitssystems auf
eine zweite Flüssigkeit
eines zweiten Flüssigkeitssystems,
bestehend aus einem Gehäuse
mit Anschlussöffnungen
in Form von Einlass- und Auslassöffnungen
für jede
Flüssigkeit
und einem innerhalb des Gehäuses
um seine longitudinale Achse drehbar angeordneten Rotor, der Rotor
besitzt eine Mehrzahl von durchgehenden Kanälen mit an jeder Rotorstirnseite
um dessen Longitudinalachse angeordneten Öffnungen, wobei die Rotorkanäle über gehäuseseitige
Strömungsöffnungen
derartig zur Verbindung mit den Anschlussöffnungen des Gehäuses in
Verbindung stehen, dass sie während
der Rotation des Rotors alternierend Flüssigkeit bei hohem Druck und Flüssigkeit
bei niedrigem Druck der betreffenden Systeme führen, zwischen den gehäuseseitigen Strömungsöffnungen
und den Öffnungen
der Rotorkanäle
ist ein überwiegend
axial verlaufender Strömungsübergang
ausgebildet, wobei die gehäuseseitigen
Strömungsöffnungen
Teile von bogenförmig
gestalteten, mit den Anschlussöffnungen
verbundenen Hohlräumen
sind und jeder Hohlraum gleichzeitig mehrere Öffnungen der Rotorkanäle überdeckt.
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Eine
bekannte Bauart von Druckaustauschern zeigt die
EP 1 019 636 B1 . Damit wird
der hohe Druck einer ersten Flüssigkeit
eines ersten Flüssigkeitssystems übertragen
auf eine zweite Flüssigkeit
eines zweiten Flüssigkeitssystems,
um in einer damit verbundenen Anlage eine Energie-Rückgewinnung
zu erreichen. Diese Bauart eines Druckaustauschers ist ohne einen äußeren Antrieb
ausgerüstet.
Zu dessen Inbetriebnahme ist ein aufwendiges Verfahren erforderlich,
um bei einem solchen Druckaustauscher den Rotor in Rotation zu versetzen.
Für die
Drehbewegung des Rotors ist der Flüssigkeitsstrom verantwortlich,
der durch gehäuseseitige
Strömungsöffnungen
aus schräger
Richtung auf die Stirnseiten des Rotors mit den darin befindlichen Öffnungen
auftrifft und einen Impulsantrieb des Rotors bewirkt. Während eines
laufen den Betriebes in einer kontinuierlich arbeitenden Anlage wird
sich im Druckaustauscher ein Gleichgewichtszustand einstellen, aufgrund
dessen der Rotor mit einer annährend
konstanten Drehzahl rotiert. Hierbei ist nachteilig, dass sich diese
Drehzahl in Abhängigkeit
von veränderten
Anlagenbedingungen auf der Hochdruckseite und der Niederdruckseite
selbsttätig
auf einen undefinierten Drehzahlwert einstellt. Dadurch ergeben
sich in Abhängigkeit
von den unterschiedlichen Randbedingungen in den beiden Flüssigkeitssystemen
unterschiedliche Drehzahlen des Rotors und damit auch unterschiedliche
Durchmischungen der alternierend in den Rotorkanälen befindlichen beiden Flüssigkeiten.
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Durch
die US-A 3 431 747 und die
US
6 537 035 B2 ist eine andere Bauart von Druckaustauschern
bekannt, bei denen ein äußerer Antrieb
den Rotor in Bewegung setzt und deren Rotorkanäle als Bohrungen ausgebildet
sind, wobei in jeder Bohrung ein Trennelement in Form einer Kugel
angeordnet ist. Diese Kugel dient zur Trennung der wechselweise
in die Rotorkanäle
einströmenden
Flüssigkeiten
mit hohem oder niedrigem Druckgehalt und vermeidet eine Durchmischung
der in den Bohrungen befindlichen Flüssigkeiten. Nachteilig ist
hierbei jedoch die Anordnung, Abdichtung und Gestaltung des Trennelementes
und der dazugehörigen
Sitzflächen.
Und im Bereich einer Wellendurchführung für den äußeren Antrieb ist zusätzlich eine
aufwendige Hochdruckdichtung als Wellenabdichtung erforderlich.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Druckaustauscher zu
entwickeln, dessen Rotor in den Rotorkanälen keine Trennelemente aufweist und
der bei einem Druckaustausch mit minimalen Mischungsverlusten in
den Rotorkanälen
arbeitet und diesen Zustand auch über einen großen Betriebsbereich
mit wechselnden Mengenströmen
beibehält.
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Die
Lösung
dieses Problems sieht vor, dass die Hohlräume eine die Strömungsgeschwindigkeit im
Bereich der gehäuseseitigen
Strömungsöffnung vergleichmäßigende
Gestalt aufweisen, dass die äußere Oberfläche des
Rotors eine Energie umwandelnde und/oder Energie übertragende
Formgebung aufweist, dass ein auf die Formgebung auftreffender Teilstrom
hoher Druck- und/oder Strömungsenergie die
Rotordrehzahl erzeugt und dass Regelmittel die Menge des Teilstromes
und die Drehzahl des Rotors verändern
und die Rotordrehzahl auf eine Drehzahl für einen überwiegend stoßfreien
Eintritt des Mengenstromes in die Rotorkanäle einregelt. Mit dieser Lösung ist
es in einfacher Weise möglich,
in einer Anlage aus dem einem Druckaustauscher zuströmenden gesamten
Mengenstrom einen Teilstrom zu entnehmen und mit Hilfe dieses Teilstromes
für den
Rotor ein bestimmtes Antriebsmoment zu erzeugen. In vorteilhafter
Weise erleichtert dies auch einen Anfahrvorgang des Rotors. Weiterhin
bietet diese Lösung
die Möglichkeit,
mit Hilfe des in seiner Menge einstellbaren Teilstromes für den Dauerbetrieb
des Rotors ein permanentes und regelbares Drehmoment als Antriebsmoment
zu erzeugen. Damit wird im jeweiligen Betriebszustand die Drehgeschwindigkeit des
Rotors an die vorhandenen Anlagenbedingungen durch entsprechende
Variation des Teilstromes angepasst.
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Infolge
der im Gehäuse
angeordneten Hohlräume
mit ihrer vergleichmäßigenden
Gestalt, also der Ausbildung, Form und Verlauf der den Hohlraum umhüllenden
Wandflächen,
stellt sich im Übergang zum
Rotor und vor den Öffnungen
der anzuströmenden
Rotorkanäle
im Bereich der gehäuseseitigen Strömungsöffnung ein
gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil
einer Hauptströmung
ein. Diese ist der um den Teilstrom geminderte Mengenstrom der Strömung. Der
direkte Antrieb des Rotors durch den Teilstrom und die Ausbildung
eines gleichmäßigen Geschwindigkeitsprofils
in der gehäuseseitigen
Strömungsöffnung bedingt
den Vorteil, dass der Hauptstrom die Rotorkanäle überwiegend stoßfrei anströmt. Und
stellt sich aufgrund geänderter
Anlagenbedingungen am Druckaustauscher auch eine Veränderung
des Mengenstromes ein, also eine Veränderung des Mengenstromes zu
kleinerer oder größerer Fördermenge,
dann erfolgt mit einem entsprechend veränderten Teilstrom eine Anpassung
der Rotordrehzahl, um weiterhin eine überwiegend stoßfreie Anströmung des
Hauptstromes bei dem Eintritt in die Rotorkanäle zu gewährleisten.
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Und
durch die gleichmäßige Strömungsverteilung
des Hauptstromes vor den Öffnungen
der Rotorkanäle
stellt sich auch im Querschnitt der Rotorkanäle ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil
der darin befindlichen Kanalströmung
ein. Als Folge davon ergibt sich innerhalb der Rotorkanäle eine
kleinere und stabilere Durchmischungszone im Bereich zwischen den
beiden Flüssigkeiten
mit deren verschiedenen Eigenschaften. Dies verbessert den Wirkungsgrad
eines solchen Druckaustauschers und einer davon beeinflussten Anlage
erheblich. Der für den
Antrieb des Rotors verwendete Teilstrom strömt innerhalb des Druckaustauschers
in eine Zone niedrigeren Druckes ab, hier also in das zweite Flüssigkeitssystem.
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Mit
den Regelmitteln wird die Menge des Teilstromes und die Drehzahl
des Rotors verändert. Damit
wird die Rotordrehzahl selbsttätig
oder automatisch an sich verändernde
Anlagenbedingungen angepasst. Der Wirkungsgrad eines Druckaustauschers
in einer Anlage, beispielsweise einer Reverse-Osmose-Anlage, wird
dadurch immer im besten Betriebspunkt gehalten.
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Ausgestaltungen
der Erfindung sehen vor, dass die Oberfläche des Rotors verteilt angeordnete Formgebung
als eine Vielzahl von Schaufelelementen ausgebildet ist oder dass
eine Vielzahl von Schaufelelementen im Bereich von einer oder beiden Rotorstirnseiten
verteilt angeordnet sind. Diese können sowohl nur an den Stirnseiten
als auch im Bereich der Übergänge zwischen
Stirnseiten und Oberfläche
angeordnet sein. Die gleiche Funktionalität ergibt sich, wenn die Formgebung
am Rotorumfang als eine oder mehrere spiralförmige Nuten ausgebildet ist.
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Nach
weiteren Ausgestaltungen strömt
mindestens ein dem ersten Flüssigkeitssystem
entnommener Teilstrom der Formgebung zu. Damit erfolgt ein direkter
Strömungsantrieb
des Rotors. Und ein um einen Teilstrom geminderter Mengenstrom strömt als ein
Hauptstrom der Flüssigkeiten
die Rotorkanäle überwiegend
stoßfrei
an.
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Die
innerhalb des Druckaustauschers zirkulierenden Flüssigkeiten
sind hierbei wie folgt definiert:
Einen hohen Druck besitzt
die erste Flüssigkeit
und das erste Flüssigkeitssystem. Über einen
niedrigen Druck verfügt
die zweite Flüssigkeit
und das zweite Flüssigkeitssystem.
Eine zum Druckaustauscher strömende
Gesamtmenge der Flüssigkeit,
beispielsweise eine aus einem Reverse-Osmose-Modul abströmende Flüssigkeit
mit hohem Druck, entspricht dem vom Druckaustauscher zu verarbeitenden
Mengenstrom. Von dem einen hohen Druck aufweisenden Mengenstrom
abgezweigt wird ein Teilstrom, der auf die Formgebung geleitet wird
und mit dessen Hilfe der Antrieb des Rotors erfolgt. Ein dadurch
in seinem Energiegehalt um die Antriebsarbeit am Rotor reduzierter,
druckärmerer
Teilstrom strömt über die zwischen
Rotor und Gehäuse
befindlichen Spalte oder über
einen separaten Abfluss in das zweite Flüssigkeitssystem und letztlich
zur Atmosphäre
hin ab. In den Rotor des Druckaustauschers strömt zum Zweck des Druckaustausches
der Hauptstrom, der in seiner Größe dem um
den Teilstrom reduzierten Mengenstrom entspricht. Und die Energie
umwandeln de Formgebung ist als eine Vielzahl von Schaufelelementen
oder spiralförmigen
Nuten ausgebildet.
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Bei
veränderten
Anlagenbedingungen erfolgt mit einer angepassten Rotordrehzahl für den Hauptstrom
eine überwiegend
stoßfreie
Anströmung
der Rotorkanäle.
Dies vermeidet Durchmischungen in den Rotorkanälen. Und die Hohlräume, die
für das gleichmäßige Geschwindigkeitsprofil
vor dem Rotor maßgeblich
sind, bestehen aus jeweils einem den Anschlussöffnungen nachgeordneten Diffusorteil
und einem daran anschließenden,
die gehäuseseitige Strömungsöffnung beinhaltenden
Umlenkteil. Mit Hilfe des Umlenkteiles wird in einem sich ausbildenden Geschwindigkeitsdreieck
der Einfluss von der Umfangskomponente des Rotors kompensiert. Und
mit dem Diffusorteil erfolgt eine Vergleichmäßigung der Geschwindigkeitsverteilung
von der im Hohlraum befindlichen Strömung. Der Übergang zwischen Diffusorteil
und Umlenkteil ist stufig oder stufenlos ausgebildet.
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Ein
in den Leitungen des Teilstromes angeordnetes Regelmittel verändert als
Drosseleinrichtung die Durchflussmenge des Teilstromes. Somit wird
die Drehzahl des Rotors und damit die Leistung des Druckaustauschers
in einfacher Weise an die jeweiligen Anlagenverhältnisse angepasst. Durch eine Veränderung
der Einstellung von dem Regelmittel verändert sich die Teilmenge, die
unmittelbar auf die Schaufelelemente des Rotors einwirkt und damit dessen
Drehzahl beeinflusst.
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Eine
andere Ausgestaltung bezieht sich auf einen gattungsgemäßen Druckaustauscher,
bei dem eine externe Antriebseinrichtung über eine Welle den Rotor antreibt.
Bei einer solchen Ausführungsform sieht
die Problemlösung
vor, dass die Hohlräume eine
die Strömungsgeschwindigkeit
im Bereich der gehäuseseitigen
Strömungsöffnung vergleichmäßigende
Gestalt aufweisen und dass in Abhängigkeit von den Anlagenbedingungen
ein Regelmittel als Drehzahlregeleinrichtung die externe Antriebseinrichtung
und damit die Rotordrehzahl auf eine Drehzahl für einen überwiegend stoßfreien
Eintritt des Mengenstromes in die Rotorkanäle einregelt. Hier strömt der gesamte
Mengenstrom von HP-in die Rotorkanäle überwiegend stoßfrei an.
Es hängt
von den an einem Einsatzort vorhandenen Verhältnissen ab, welches Antriebskonzept
für den
Rotor das jeweils vorteilhafteste ist.
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In
den Flüssigkeitssystemen
angeordnete Sensorelemente überwachen
die Betriebszustände und
eine mit den Sensorelementen verbundene Regeleinrichtung passt bei
auftretenden Abweichungen den Teilstrom und/oder die Rotordrehzahl
an die veränderten
Betriebszustände
an.
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Die
Regeleinrichtung erfasst mit einer Einrichtung die Drehzahlen des
Rotors und erzeugt aus den Rotordrehzahlen entsprechende Stellsignale
für eine
Drehzahlregelung von ein oder mehreren Pumpen im ersten und/oder
zweiten Flüssigkeitssystem. Somit
lassen sich beispielsweise in einer Anlage die Druck erzeugenden
Pumpen regeln. Dies kann durch an sich bekannte elektronische Verstellmittel
erfolgen, die mit Hilfe der von der Einrichtung gelieferten und
zu verarbeitenden Stellsignalen über
die Rotordrehzahl des Druckaustauschers eine oder mehrere Kreiselpumpen
in der Leistung und/oder Drehzahl an veränderte Anlagenbedingungen anpassen.
Somit ergeben sich verbesserte wirtschaftliche Betriebsbedingungen.
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Weiterhin
ist dem Druckaustauscher in einer Leitung für den abfließenden Flüssigkeitsstrom LP-out
ein Regelmittel nachgeordnet, welches über die Regeleinrichtung den
zufließenden
Flüssigkeitsstrom
LP-in an den angereicherten Flüssigkeitsstrom HP-out
angleicht.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im
folgenden näher
beschrieben. Es zeigen die
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1 eine
schematische Darstellung eines Rotorantriebes mit einem Teilstrom,
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2 einen
Schnitt durch einen Druckaustauscher nach 1,
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3 eine
perspektivische Ansicht auf einen Rotor,
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4 und 5 andere
schematische Darstellungen des Rotorantriebes,
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6 einen
Schnitt durch einen Druckaustauscher mit am Rotor angeordneten Nuten,
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7 einen
Schnitt gemäß Linie
VII-VII von 6
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8 eine
schematische Darstellung der Strömungswege
innerhalb des Druckaustauschers,
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9 eine
Abwicklung der im Gehäuse
des Druckaustauschers angeordneten Strömungswege
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10 eine
Darstellung einer Anlage mit Druckaustauscher.
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Die 1 zeigt
einen zylindrischen Rotor 1 eines Druckaustauschers. Er
ist in der Draufsicht mit in der Zeichnungsebene liegender Drehachse
gezeigt und aus Gründen
einer besseren Übersichtlichkeit
wurden die übrigen
Gehäuseteile,
die den Rotor umgeben und in denen die Strömungsführungen angeordnet sind, weggelassen.
Die Pfeile symbolisieren die Strömungsrichtungen
der verschiedenen Flüssigkeiten,
die mit dem Rotor in Wirkverbindung stehen. An einer Rotorstirnseite 2 zeigt
der Pfeil HP-in die Strömungsrichtung
einer ersten Flüssigkeit an.
Diese weist einen hohen Druck auf, der auf eine zweite Flüssigkeit
LP-in zu übertragen
ist, welche auf der anderen Rotorstirnseite 3 in den Rotor 1 einströmt. Nach
der im Druckaustauscher aufgrund der Rotation des Rotors 1 erfolgten
Druckübertragung von
HP-in auf LP-in strömt
auf der Rotorstirnseite 3 eine im Druck gesteigerte Flüssigkeit
als HP-out aus dem Druckaustauscher und zurück in eine Anlage. Auf der
hier rechten Rotorstirnseite 2 symbolisiert ein vom Rotor 1 wegweisender
Pfeil LP-out die Strömungsrichtung
der aus dem Rotor 1 austretenden, energieärmeren zweiten
Flüssigkeit
LP-out mit geringerem Druckniveau. Hierbei handelt es sich um das ursprüngliche
HP-in, dessen Druckenergie übertragen
wurde und das nun als energiearmes LP-out abfließt. Die Abkürzung LP und HP stehen für Low Pressure
und High Pressure. Die Indizes out und in geben die Strömungsrichtung
zum oder vom Rotor an.
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Der
Strömungspfeil
für HP-in
entspricht einem Vektor für
den gesamten Mengenstrom MS. Vom Mengenstrom MS abgezweigt wird
ein Teilstrom TS und der um diese Menge reduzierte Mengenstrom MS
strömt
als ein Hauptstrom HS in den Rotor 1. Der Teilstrom TS
wird über
interne oder externe Leitungen 4 zur Oberfläche 5 des
Rotors 1 geführt,
in der eine energieübertragende
Formgebung 6 angeordnet ist. Der für den Antrieb des Rotors 1 verwendete Teilstrom
TS strömt
innerhalb des Druckaustauschers in eine Zone niedrigeren Druckes
ab, hier also in das zweite Flüssigkeitssystem.
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In
diesem Beispiel ist die Formgebung 6 mittig auf der Oberfläche 5 des
Rotors 1 angebracht, so dass sich zwei symmetrische Teiloberflächen 5 und 5.1 ergeben.
Innerhalb der Leitung 4 ist ein Regelmittel 7 angeordnet,
mit dessen Hilfe die durch die Leitung 4 strömende Menge
des Teilstromes TS beeinflusst und somit unmittelbar die Drehzahl
des Rotors 1 gesteuert oder geregelt wird. Die Formgebung 6 kann
hier jede geeignete Form aufweisen, um einen darauf einwirkenden
Teilstrom TS hoher Druck- und/oder Strömungsenergie umzuwandeln in
ein Antriebsmoment für
den Rotor 1.
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2 zeigt
ein Gehäuse 8 eines
Druckaustauschers mit einem darin angeordneten Rotor 1.
An den Stirnseiten des Gehäuses 8 sind
Verschlussplatten 9, 9.1 angeordnet, die insgesamt
vier Anschlussöffnungen 10 – 10.3 aufweisen,
welche als Einlass- und
Auslassöffnungen
für die
mit dem Druckaustauscher verbundenen beiden Flüssigkeitssysteme. Der Rotor 1 ist
mit seiner Oberfläche 5 innerhalb
des Gehäuses 8 gelagert.
Im Übergang
zwischen den Verschlussplatten 9, 9.1 und dem
Rotor 1 befinden sich vier gehäuseseitige Strömungsöffnungen 11 – 11.3 durch
die hindurch ein Flüssigkeitsaustausch
zwischen dem Rotor 1 und den Verschlussplatten 9, 9.1 erfolgt.
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Rotors 1. Hierbei ist
erkennbar, dass die Formgebung 6, auf die ein energiereicher,
d. h. einen hohen Druck aufweisender Teilstrom TS zur Erzeugung
eines Antriebsmomentes geleitet wird, nach Art von Schaufeln gestaltet
ist. Hierbei kann jede bekannte Form und Art von druckübertragenden
Schaufelformen Verwendung finden. In der Rotorstirnseite 3 befinden
sich die Öffnungen 12 der
gleichmäßig verteilt angeordneten
Rotorkanäle 13.
Die Rotorkanäle
und deren Öffnungen 12 weisen
in diesem Ausführungsbeispiel
einen trapezförmigen
Querschnitt auf, so dass zwischen den Rotorkanälen in radialer Richtung verlaufende,
stegartig ausgebildete, Wandflächen bestehen.
Selbstverständlich
sind auch andere Querschnittsformen der Rotorkanäle 13 möglich. Die
hier gezeigte Form hat jedoch den Vorteil, dass sie über das
größte Öffnungsvolumen
verfügt.
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4 zeigt
eine Abwandlung der Darstellung von 1. Bei dieser
Ausführungsform
ist eine energieübertragende
Formgebung 6 auf der Oberfläche 5 des Rotors 1 im
Bereich der Rotorstirnseite 2 angeordnet.
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Bei
der Darstellung in 5 wird der Teilstrom TS über die
Leitungen 4 und durch das Regelmittel 7 aus axialer
Richtung auf die hier stirnseitige Formgebung 6 geleitet.
Die Formgebung 6 erstreckt sich in die Oberfläche 5 des
Rotors 1 und ist mit einer Beschaufelung ausgeführt, die
eine Umlenkung der axialen Anströmung
des Teilstromes TS bewirkt und in Umfangsrichtung des Rotors 1 einen
Antriebsimpuls erzeugt.
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Die 6 zeigt
eine Abwandlung des Druckaustauschers, bei dem in der Oberfläche 5 des
Rotors 1 ein oder mehrere Spiralnuten 14 die Funktion der
energieübertragenden
Formgebung übernehmen.
In die Spiralnuten 14 wird über die Leitung 4 ein Teilstrom
eingespeist und erzeugt darin aufgrund der wirkenden Reaktionskräfte ein
Antriebsmoment für den
Rotor 1 und löst
die Rotationsbewegung aus. Die Einströmung des Teilstromes in die
Spiralnuten 14 erfolgt über
einen tangential zur Rotor-Oberfläche 5 angeordneten
Einströmspalt 15.
Aus den Spiralnuten 14 strömt der Teilstrom in eine Zone 16 mit
niedrigerem Druckniveau ab. Mit Hilfe der Drehzahlregelung 7,
die den Volumenstrom des Teilstromes beeinflusst, wird die Drehzahl
des Rotors eingestellt.
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7 entspricht
einem Schnitt gemäß der Linie
VII-VII von 6 und zeigt eine Ansicht auf
die Rotorstirnseite 2 durch die gehäuseseitigen Strömungsöffnungen 11, 11.1.
Diese Strömungsöffnungen
sind in der Verschlussplatte 9.1 angeordnet, verlaufen
bogenförmig
und umgeben eine Vielzahl von Öffnungen 12 der
Rotorkanäle 13.
Die Strömungsöffnungen 11, 11.1 sind
Bestandteile von Hohlräumen, die
in der Verschlussplatte 9.1 angeordnet sind und durch welche
die Flüssigkeiten
zum oder vom Rotor 1 strömen.
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In 8 ist
eine Abwandlung eines Druckaustauschers gezeigt, bei dem der Rotor 1 durch
eine Welle 17 von einer externen Antriebseinrichtung 18 in Rotation
versetzt wird. Hierbei kann es sich um einen Motor, Turbine oder
dergleichen handeln. Die Formgebung und die Leitungen für den Teilstrom
entfallen bei dieser Ausführungsform.
Dafür wirkt
das Regelmittel 7 direkt auf die Antriebseinrichtung 18 ein.
Bei dieser Ausführungsform
strömt
der gesamte Mengenstrom MS durch die Anschlussöffnungen in die in den Verschlussplatten 9, 9.1 befindlichen
Hohlräume 19.
Diese verfügen über den
Anschlussöffnungen 10 – 10.3 nachgeordnete
Diftusorteile 21 und daran sich anschließende, die
gehäuseseitigen
Strömungsöffnungen 11 – 11.3 enthaltene
Umlenkteile 20. Die Umlenkteile entwickeln sich räumlich und
diffusorförmig bis
zu den gehäuseseitigen
Strömungsöffnungen 11 – 11.3.
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Aufgrund
des mit der Umfangsgeschwindigkeit u rotierenden Rotors ändert sich
in dessen Kanälen 13 ständig die
Durchströmrichtung.
Um gleiche Verhältnisse
zu erreichen, sind der Diffusorteil 21 und der Umlenkteil 20 spiegelbildlich
beziehungsweise symmetrisch angeordnet. Die in der 8 dargestellten
Geschwindigkeitsdreiecke sind um 90° gekippt gezeichnet. Tatsächlich steht
der Winkel α und
die Umfangsgeschwindigkeit u an diesen Stellen entsprechend der
Drehrichtung senkrecht auf der Zeichnungsebene. In den Geschwindigkeitsdreiecken zeigt
der Vektor c die relative Geschwindigkeit in axialer Richtung im
rotierenden System. Der Vektor u zeigt die Umfangskomponente U der
Strömung
im rotierenden System. Und der Vektor w bildet die Einströmgeschwindigkeit
des stehenden Systems im Übergang
in das rotierende System ab. Der Vektor w bildet mit dem Vektor
c den Einströmwinkel α, der in Wirklichkeit
senkrecht zur Zeichnungsebene steht. Die mit der Absolutgeschwindigkeit
w im nicht rotierenden System in den Rotor 1 einströmende Flüssigkeit
entspricht dem aus Teilstrom TS und Hauptstrom HS bestehenden gesamten
Mengenstrom MS.
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Die
gehäuseseitigen
Strömungsöffnungen 11 – 11.3 haben
eine im wesentlichen bohnenförmige Querschnittsform.
Die an deren beiden Enden befindlichen Rundungen Tangieren einen
auf der Longitudinalachse stehenden Radius. Die an den Rundungen
auslaufende Wandflächen
des Umlenkteiles 20 erstrecken sich unter dem Winkel α in die Achsrichtung
des Hohlraumes 19 hinein. Mit dem Umlenkteil 20 und
dem an den Öffnungen 12 der
Rotorkanäle 13 vergleichmäßigten Geschwindigkeitsprofil
der Strömung
ergibt sich eine stoßfreie
Einströmung
in die Rotorkanäle
unter dem Winkel α.
Somit werden Durchmischungen innerhalb der Rotorkanäle 13 im Bereich
einer Trennzone zwischen den innerhalb des Rotorkanales befindlichen
zwei verschiedenen Flüssigkeiten
zuverlässig
vermieden.
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9 zeigt über der
strichpunktierten Longitudinalachse 22 des Rotors eine
Abwicklung der Hohlräume 19 in
den Verschlussplatten 9, 9.1. Ein durch die Anschlussöffnung 10 einströmender Hauptstrom
oder Mengenstrom, dies ist abhängig
von der Antriebsart des Rotors, gelangt in den Hohlraum 19 und
dessen Diffusorteil 21. Hier erfolgt bereits eine Vergleichmäßigung der
Strömungsgeschwindigkeit. Diese
erlangt im Bereich des Umlenkteiles 20 mit seiner der Rotorstirnseite 2 gegenüberliegenden,
gehäuseseitigen
Strömungsöffnung 11 eine
gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung,
wie sie im Geschwindigkeitsdiagramm A gezeigt ist. Aufgrund der gleichmäßigen Verteilung
der Strömungsgeschwindigkeit
und deren Anströmung
in die Rotorkanäle 13 unter
dem Winkel α ergibt
sich eine gleichmäßige Durchströmung der
Rotorkanäle 13.
Dadurch werden Durchmischungen innerhalb der Rotorkanäle und in der
Zone von den beiden aufeinandertreffenden Flüssigkeiten vermieden. Auf der
anderen Rotorstirnseite 3 stellt sich eine analoge Geschwindigkeitsverteilung gemäß dem Diagramm
B ein. Die Strömung
tritt durch die gehäuseseitige
Strömungsöffnung 11.2 in den
Umlenkteil 20 ein und strömt über den nun umgekehrt durchströmten Diffusor 21,
der somit eine Düsenfunktion übernimmt,
durch die Anschlussöffnung 10.2 als
HP-out ab. In der unteren Darstellung von 9 ist die
analoge Situation im Bereich der Strömungsrichtung LP-in und LP-out
gezeigt.
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10 zeigt
ein Flussschema einer mit einem Drucktauscher 23 ausgerüsteten Anlage.
Eine Speisepumpe 24 fördert
in die Anlage eine Speiseflüssigkeit.
Ein Teil dieser Speiseflüssigkeit
wird von einer Hochdruckpumpe 25 direkt zu einem Reverse-Osmose-Modul 26 geführt, in
dem eine Art von Strömungsteilung
stattfindet, da aus dem Modul 26 ein Flüssigkeitsanteil als gereinigte
Flüssigkeit,
das sogenannte Permeat PE, abfließt. Der restliche Flüssigkeitsanteil,
das sogenannte Brine BR, strömt
mit hohem Druck zum Drucktauscher 23 ab. In diesem wird
der hohe Druckanteil des Brine BR auf den anderen Teil der von Speisepumpe 24 geförderten
und zu verarbeitenden Speiseflüssigkeit übertragen.
Diese Menge entspricht dem aus dem System abfließenden Permeat PE. Somit hat
eine dem Drucktauscher 23 nachgeordnete Zirkulationspumpe 27 nur
noch einen geringen Förderdruck
zu entwickeln, der in etwa den Druckverlusten im Kreislauf 28 entspricht.
In den Zuleitungen zum Drucktauscher 23 für HP-in
und LP-in sind Sensorelemente oder Durchflussmessgeräte 29, 30 angeordnet.
Diese in den Flüssigkeitssystemen
angeordneten Bauteile 29, 30 überwachen die Betriebszustände und
eine damit verbundene Regeleinrichtung 31 passt bei auftretenden
Abweichungen über
die Regeleinheit 7 den Teilstrom TS und/oder die Rotordrehzahl
an die veränderten
Betriebszustände
an. Der vom Druckaustauscher 23 abströmenden Menge HP-out muss der
dem Druckaustauscher zufließenden
Menge LP-in entsprechen, um eine Überströmung in den Rotorkanälen zu vermeiden.
Mit dem Sensor oder Durchflussmessgerät 30 wird der Mengenstrom
LP-in gemessen und aufgrund der Messsignale mit der Regeleinrichtung 31 und dem
Regelmittel 33 eine Anpassung von HP-out an LP-in vorgenommen.
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Am
Drucktauscher 23 sind nur zur Illustration die beiden möglichen
Antriebsarten eingezeichnet. In praxi erfolgt ein Rotorantrieb über den
Teilstrom oder durch den Antrieb 18. Auch kann die Regeleinrichtung 30 und/oder
eine Einrichtung 31 die Drehzahlen des Rotors erfassen
und aus den Rotordrehzahlen entsprechende Stellsignale für eine Drehzahlregelung
von einer oder mehreren der Pumpen 24, 25 oder 27 im
ersten und/oder zweiten Flüssigkeitssystem
erzeugen.