DE1101685B

DE1101685B - Pressure exchanger with at least two cellular wheels

Info

Publication number: DE1101685B
Application number: DES47746A
Authority: DE
Inventors: Dudley Brian Spalding
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1955-03-09
Filing date: 1956-03-01
Publication date: 1961-03-09

Description

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.Pressure exchanger with at least two cellular wheels The invention relates to an arrangement with at least two pressure exchangers, each with a cell wheel or with a pressure exchanger with at least two cellular wheels.

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.The term »pressure exchanger« is used in the context of the following Description applied to a device in which between a cell array and a channel arrangement there is a relative movement and in which within the individual cells of the cell arrangement expands a certain amount of gas, whereby another amount of gas with which the first-mentioned amount of gas within the relevant Cell is in direct contact, being compressed, and being the two under different pressure gases through the channel arrangement to the cells essentially are continuously supplied or discharged from these.

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.Rotary pressure exchangers are at least theoretical in terms of their Basics have been known per se for many years. It is also known that a temperature in order to achieve a cooling effect by means of a cooling device must be produced, which is below the temperature of the environment to be cooled. It is also already known to switch pressure exchangers as pressure dividers, as a result of which a facility is created in which one under one. medium pressure gas is supplied and gas is expelled at two different pressures, one of which is below and the other of which is above the mean pressure at which the gas is supplied. . -The invention is based on the knowledge; that a pressure divider also works as a temperature divider is effective. When operating aircraft in the supersonic speed range has namely shown that-ß. the temperature as the aircraft speed increases the outer construction of the aircraft due to the boundary layer friction that occurs increases and that therefore an artificial cooling of the aircraft outer structure is required is. With the device according to the invention it is now not only possible to have an effective To achieve cooling of the outer structure of aircraft, but also to achieve an increase in the engine thrust by the fact that the Gases that leave the device according to the invention have a greater heat content than the gases absorbed by the facility.

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.For this reason, the use of temperature dividers for cooling aircraft is particularly useful. Although airplanes normally move within cold air, high temperatures To are set in flight, which are calculated using the following formula: where T ('K) is the air temperature, the aircraft speed, the gravitational constant, the mechanical heat equivalent and denotes the specific heat of air at constant pressure.

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.At supersonic speeds, the set temperature is consequently undesirably high. Cooling one flying at supersonic speed Aircraft through heat transfer into the air temperature T, which per se is normal surrounding air is not possible in this simple way, since all interfaces of the aircraft - i.e. also a heat exchanger fastened to the aircraft for example - against the surroundings assume the high temperature To, which is determined by the given formula as the sum of the temperature of the surrounding air and the temperature rise ceases the movement of the aircraft against the surrounding air. So it exists on any surface of the aircraft that is in contact with the ambient air Supersonic speed a heat gradient, so that without special precautions the Plane would assume the temperature To.

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.To keep part of the aircraft cooler against the temperature To to be able to, but one could Apply heat pump - and "it is It has been found that pressure exchangers are very special for this purpose Way suit. '"-The invention accordingly includes a pressure exchanger with at least two cellular wheels, which is characterized in that -a cellular wheel via inlet openings Receives gas of medium pressure and gas both via corresponding outlet openings from higher than: also from lower pressure than this mean pressure to another Gives off the cellular wheel, which in turn, expels gas of medium pressure, whereby the the The former cell wheel with lower pressure through channels leaving gas flow is the cold branch of a heat exchanger.

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.An embodiment of an arrangement according to the invention with two pressure exchangers is described below, for example with reference to the drawing, which shows the schematic development of such an arrangement.

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.The device according to the invention has two cell wheels 1 and 2 of conventional design, the cells of which are moved by rotating the cell wheels in the directions indicated by the arrows X relative to the inlet and outlet channels. In the case of the cellular wheel 1 , the end plate construction, which is usually arranged on the front side, is missing on one side of the wheel. For this, a gas flow with high flow velocity occurs on this wheel side, the flow direction of which is indicated by the arrows Y. On the other side of the cellular wheel 1, the mouths of a number of channels 3 and 4 are arranged around the circumferential area of this wheel front side at a small distance from the cellular wheel face. The channels 3 open directly into the face of the cellular wheel 2 and are each arranged alternately with channels 4. The channels 4 arranged between the channels 3 as a result form part of the cold branch 5 of a heat exchanger. In practical applications of the invention in connection with aircraft or missiles, this cold branch runs either within the aircraft structure, within the driver's seat or within the walls of the passenger compartment.

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.The second cellular wheel 2 receives both the gas supplied from the ducts 3 and the gas supplied from the ducts 4 and expels the same with essentially constant pressure in the direction of the arrows Z into the surrounding atmosphere 6 . During operation, ram air is admitted into the cellular wheel 1 in the direction of the arrows Y at the pressure which is set in each case. The cellular wheel 1 acts as a pressure divider and divides the ram air received, which originally has a certain mean pressure, into an air stream of higher pressure and an air stream of lower pressure. These two air streams flow inside the channels 3 on the one hand and inside the channels 4 on the other hand. The air flowing through the low-pressure channels 4 has given up work to the air flowing through the high-pressure channels 3 and is consequently colder than the latter. As a result, the low-pressure channels 4 carry a continuously flowing, heat-reducing medium. This heat-reducing medium can absorb considerable amounts of heat at high flight speeds in the supersonic range. After appropriate heat absorption, this medium is expelled into the outside atmosphere 6 after passing through the cellular wheel 2. The cellular wheel 2 thus acts as a pressure equalizer. Since the gases leaving the cellular wheel 2 consequently have essentially the same pressure, they can be used as an additional propulsion jet for the aircraft or the missile.

Claims

PATENT CLAIM: Pressure exchanger with at least two cellular wheels, characterized in that a cellular wheel (1) receives gas of medium pressure via inlet openings and emits gas of both higher and lower pressure than this average pressure to another cellular wheel (2) via corresponding outlet openings, which in turn expels gas of medium pressure, the gas flow leaving the first-mentioned cell wheel (1) finitely lower pressure through channels (4) being the cold branch (5) of a heat exchanger. - Publications considered: German Patent Nos. 485 386, 902 772, 908778; Swiss Patent No. 301912; French Patent Nos. 935 362, 1065 909; Belgian patent specification no.512204.