Die Erfindung betrifft einen Druckaustauscher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Durch die US-A-3 431 747 ist das allgemeine Wirkprinzip dieser rotierenden Druckaustauscher bekannt, deren Rotor mit Durchgängen nach Art von Zylinderbohrungen versehen ist und wobei in jedem Durchgang eine Kugel angeordnet ist. Diese als Dichtelemente wirkenden Kugeln bedingen Energieverluste und erfordern einen hohen mechanischen Herstellungsaufwand. Zusätzlich treten durch das schlagartige Auftreffen der Kugeln auf ihren Kugelsitzen nachteilige Kavitationsschäden auf. Dies versucht ein durch die DE-A-37 81 148 bekannter Druckaustauscher ohne Kugelventilfunktion in den Durchgängen des Rotors zu vermeiden.

Der Gegenstand der DE 695 12 089 T2 setzt sich mit dem hydrostatischen Lagerprinzip für den rotierenden Rotor auseinander. Diese Lösung vermeidet zwar die Anordnung einer den Rotor tragenden Welle sowie deren Lagerung innerhalb des Gehäuses, jedoch bedingt die wellenlose Ausbildung des Rotors einen erheblichen Fertigungsaufwand. Und die Herstellungskosten für solch eine genaue Fertigung von keramischen Rotor und zugehöriger keramischen Lagerschale sind erheblich.

Mit der US 6 540 487 wird bei derartigen Druckaustauschern das Problem zu lösen versucht, die durch das wechselweise Öffnen und Schließen der Durchgänge verursachten Geräuschbelastung und die dabei auftretende Kavitation zu vermeiden. An den Gehäusestirnseiten befinden sich gegenüberliegend zu den Stirnseiten eines Rotors und zwischen einer gehäuseseitigen Einlass- und Auslassöffnung jeweils zwei Dichtungszonen. Diese Dichtungszonen gewährleisten während den jeweiligen Druck-Austauschvorgängen, die in den Durchgängen des Rotors ablaufen, eine äußere Absperrung der Durchgänge. Zudem unterbinden sie eine Kurzschlußströmung zwischen Einlass- und Auslassöffnung des Gehäuses. Beim Überfahren der Dichtungszonen durch die Öffnungen der Durchgänge erzeugt das abwechselnde Öffnen und Schließen der Durchgänge erheblichen Lärm und es treten zerstörerische Kavitationserscheinungen auf. Letzteres wird zu vermeiden versucht durch in die Dichtungszonen eingearbeitete Verbindungskanäle, mit deren Hilfe ein Druckausgleich zwischen zwei Zonen unterschiedlicher Drücke erfolgt. Diese Maßnahme reduziert jedoch den Wirkungsgrad eines solchen Druckaustauschers und zeigt nur eine begrenzte Wirkung.

Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, für gattungsgemäße Druckaustauscher mit einem innerhalb eines Gehäuses angeordneten und mit mehreren Durchgängen versehenen Rotor einen Betrieb mit einer gravierend verminderten Kräftebelastung des Rotors zu ermöglichen, der bei verbesserten Kavitationseigenschaften auch einen verringerten Geräuschpegel aufweist.

Die Lösung dieses Problems sieht vor, dass im Übergang zwischen einer gehäuseseitigen Einlassöffnung und der gehäuseseitigen Dichtungszone und/oder im Übergang zwischen den stirnseitigen Öffnungen der im Rotor angeordneten Durchgänge und den dazwischen angeordneten Dichtungsstegen des Rotors eine druckstoßreduzierende Nachströmzone angeordnet ist.

Die stoßartige Belastung eines Rotors erfolgt primär durch ein plötzliches Abschneiden einer in einen Durchgang einströmenden Flüssigkeitssäule. Ein plötzliches Abschneiden einer in einen Durchgang einströmenden Flüssigkeitssäule hat erhebliche Druckstöße zur Folge. Dadurch kommt es zu Materialüberlastungen des gewöhnlich aus Keramik bestehenden Rotors bis hin zu Brüchen der Wandflächen eines Rotors. Auch bedingt dies Kavitationserscheinungen in der strömenden Flüssigkeitssäule mit den bekannt nachteiligen Folgen. Diese Lösung ist unabhängig davon, auf welche Art und Weise ein solcher Rotor angetrieben wird, sie funktioniert sowohl bei Rotoren deren Drehbewegung durch einen Impuls der einströmenden Flüssigkeit erzeugt wird, als auch bei Rotoren, die mit Hilfe eines Fremdantriebes über eine Welle in Rotation versetzt werden.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass während einer Versperrung einer Durchgangsöffnung durch die Dichtungszone und bei beginnender Überdeckung von Dichtungszone und nacheilendem Dichtungssteg die Nachströmzone den in den Durchgang einfließenden Volumenstrom zeitlich verzögert absperrt. Damit wird eine abrupte Absperrung des Volumenstromes und die dadurch bedingten Nachteile vermieden.

Ein Schließvorgang eines Durchganges wird eingeleitet, wenn in Drehrichtung betrachtet, ein erster oder voreilender Dichtungssteg einer Durchgangsöffnung die Kante einer Dichtungszone erreicht. Ab diesem Zeitpunkt erfolgt eine Reduzierung des Querschnitts einer Öffnung durch die abdeckend wirkende Dichtungszone. Mit andauernder Drehbewegung des Rotors nähert sich ein zweiter oder nacheilender Dichtungssteg dieser Öffnung der Kante der Dichtungszone an. Jeweils ein voreilender und ein nacheilender, gewöhnlich radial verlaufender Dichtungssteg, schließen zwischen sich eine stirnseitige Öffnung eines Durchganges ein. Gelangt der nacheilende Dichtungssteg an die Kante der Dichtungszone, dann erfolgt in Anbetracht der Rotor-Umfangsgeschwindigkeit eine schlagartige Absperrung der strömenden Flüssigkeitssäule mit den nachteiligen Auswirkungen. Dies verhindert die Anordnung der Nachströmzone im Bereich der Überschneidung von nacheilendem Dichtungssteg und dem Anfang oder der Kante der Dichtungszone. Durch die Nachströmzone tritt, über der Zeit betrachtet, eine allmähliche Reduzierung der strömenden Flüssigkeitssäule ein.

Nach weiteren Ausgestaltungen weist eine am Gehäuse im Übergang zwischen Einlassöffnung und Dichtungszone angeordnete Nachströmzone in Rotor-Drehrichtung einen zur Dichtungszone hin abnehmenden Querschnitt auf. Und eine am Rotor im Übergang zwischen benachbarten Öffnungen von Durchgängen und Dichtungssteg angeordnete Nachströmzone weist in Rotor-Drehrichtung einen zunehmenden Querschnitt auf. Auch bei dieser Lösung sperren an den Dichtungsstegen des Rotors angeordnete Nachströmzonen die in die Durchgänge einfließenden Volumenströme jeweils zeitlich verzögert ab. Damit wird eine abrupte Absperrung des Volumenstromes in Form einer strömenden Fluidsäule und die dadurch bedingten Nachteile vermieden.

In Abhängigkeit von den baulichen Abmessungen eines Druckaustauschers, der Breite einer Dichtungszone an einer Gehäusestirnseite, der Breite der Dichtungsstege an der Rotorstirnseite zwischen einander benachbarten Öffnungen der im Rotor angeordneten Durchgängen und der Querschnittsform der Durchgänge, kann die Nachströmzone sowohl stationär im Gehäuse, rotierend im Rotor und/oder an beiden Bauteilen angeordnet sein. Bei Kombinationen von solchen rotierend angeordneten Nachströmzonen kann eine am Gehäuse feststehend ausgebildete Nachströmzone Verwendung finden. Am Gehäuse ist in Abhängigkeit von der Anzahl der Einlassöffnungen auch eine entsprechende Anzahl von Nachströmzonen angeordnet.

Wesentlich ist die Ausbildung, wonach in Drehrichtung des Rotors betrachtet eine Nachströmzone an demjenigen Ort des Druckaustauschers angeordnet ist, der zum spätmöglichsten Zeitpunkt eines Einström- oder Füllvorganges einer Flüssigkeitssäule in den Rotor hinein von der jeweiligen Öffnungskante eines Durchganges abgesperrt wird.

Der Vorteil der Gestaltung der Nachströmzone ist ein dadurch bedingtes sanftes Abbremsen der in einen Durchgang des Rotors einströmenden Flüssigkeitssäule. Dadurch wird in einfachster Weise eine durch Druckstöße und Druckpulsationen bedingte Materialüberlastung der Durchgänge im Rotor vermieden. Da solche Rotoren überwiegend als Keramikbauteile gestaltet sind, ergibt sich somit eine wesentliche Verbesserung von deren Betriebsfestigkeit.

Und nach einer anderen Ausgestaltung entspricht die zwischen einem Ende der Nachströmzone und einem Anfang einer Auslassöffnung meßbare Breite einer Dichtungszone mindestens der Breite einer stirnseitigen Öffnung eines Durchganges und der Breite eines Dichtungssteges. Mit dieser Lösung wird sichergestellt, dass in jedem Fall an der Dichtungszone mit mindestens einer halben Dichtungsstegbreite eine zuverlässige Abdichtung eines Durchganges erfolgt und damit eine Art von ständiger Kurzschlussleitung zwischen Einlassöffnung und Auslassöffnung verhindert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt

1 eine räumliche Ansicht auf einen Übergangsbereich zwischen einer Einlassöffnung und den Durchgängen eines Rotors;

2 und 3 Diagramme mit Darstellungen der Druckverläufe bei einem Füllvorgang eines Durchganges;

4a–c verschiedene Querschnittsformen der Nachströmzone im Stator;

5a–c verschiedene Gestaltungen der Dichtungsstege.

1 zeigt von einem Druckaustauscher eine perspektivische Ansicht auf die Stirnseite eines Rotors mit darin angeordneten Durchgängen und diesen gegenüber liegenden, gehäuseseitigen Einlass- und Auslassöffnungen. Diejenigen Flächen, die an einer Stirnseite des Rotors und um dessen Drehachse auf einer die Drehachse einhüllenden Ringebene gleichmäßig verteilt zwischen den Öffnungen von Durchgängen angeordnet sind, sind aufgrund ihrer Form als Dichtungssteg benannt. Tatsächlich sind sie jedoch nur ein Bestandteil der gesamten stirnseitigen Dichtungsfläche des Rotors, welcher unter Bildung eines minimalen Dichtspaltes an einer gegenüberliegenden Gehäusefläche anliegt.

Das in der Fig. punktiert dargestellte Volumen des Spaltes entspricht nicht der Realität, sondern wurde aus rechentechnischen Gründen in der dargestellten Form gewählt.

Die Gehäusefläche verfügt über jeweils eine Einlass- und Auslassöffnung. Durch die Einlassöffnung strömt druckreiches Fluid in Form eine Flüssigkeitssäule in die Durchgänge ein. Innerhalb der Durchgänge erfolgt eine Druckübertragung auf die Flüssigkeit und im Anschluss daran findet eine Abströmung aus den Durchgängen in eine Auslassöffnung des Gehäuses statt. Dies erfolgt wechselweise im Bereich der beiden Stirnseiten des Druckaustauschers.

Ein solcher Rotor und auch die gegenüberliegenden Gehäuseflächen bestehen aus Keramik, ein gegen wechselnde Druckbelastungen empfindliches Material. Eine hier an der Gehäuseseite dargestellte Nachströmzone vermeidet ein abruptes Abschneiden einer in einem Durchgang einströmenden Flüssigkeitssäule. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein abruptes Abschneiden einer strömenden Flüssigkeitssäule ursächlich für die Entstehung von Druckspitzen und damit von materialzerstörenden Spannungsspitzen sind. Mit Hilfe der Nachströmzone ergibt sich die Möglichkeit für die Beendigung eines Absperrvorganges eines abzudichtenden Durchganges, während dem eine allmähliche Reduzierung des in einen Durchgang einströmenden Volumenstromes erreicht wird. Bezogen auf die mittlere Strömungsgeschwindigkeit am Ort der Absperrung ergibt sich eine Charakteristik, die sich in ihrem zeitlichen Fortschritt an die Nulllinie anschmiegt.

Im Diagramm der 2 sind auf einer Zeitachse t mit gestrichelter Linie ein Druckverlauf p und mit durchgezogener Linie eine Strömungsgeschwindigkeit v von einem Druckaustauscher gemäß dem Stand der Technik im Moment des Absperrens eines Durchganges in einem Rotor dargestellt. Beide Linien zeigen, wie eine Fluidsäule mit konstanter Geschwindigkeit v und konstantem Druck p in einen Durchgang eines Rotors einströmt. Im Zeitpunkt t_Z wird die Öffnung des Durchganges durch die Dichtungszone abrupt versperrt und die Strömungsgeschwindigkeit v sinkt nahezu schlagartig auf Null ab. Durch diesen nachteiligen Absperr- oder Schließvorgang wird ein Druckstoß erzeugt, wodurch in dem abgesperrten Durchgang des Rotors eine Druckwellenfront ausgelöst wird. Diese schwingt auf einem sehr hohen Druckniveau in dem abgesperrten Durchgang und belastet dadurch in unzulässiger Weise das Rotormaterial. In ungünstigen Fällen führt dies zur Rotorzerstörung.

3 zeigt bei gleichem Diagrammaufbau die Wirkung einer Nachströmzone. Mit Erreichen der Nachströmzone zum Zeitpunkt t_N1 erfolgt eine allmähliche Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit v, die über den Zeitraum t_NZ und im Zeitpunkt t_N2 abgeschlossen ist. Kurz vor Erreichung des Zeitpunktes t_N2 weist die durchgezogen dargestellte Kurve der Strömungsgeschwindigkeit v in ihrem Verlauf einen Wendepunkt auf. Dies hat zur Folge, dass eine in einen Durchgang einströmende Fluidsäule sanft abgebremst wird. Als Folge davon stellt sich beim vollständigen Abschluss eines Durchganges in diesem zwar auch eine Druckschwankung ein, die jedoch wesentlich geringer ausfällt als der zuvor genannte Druckstoß. Dadurch ergibt sich innerhalb eines Durchganges nur noch eine erheblich abgeschwächte Druckwellenfront, wie anhand der gestrichelten Linie deutlich erkennbar ist. Infolgedessen wird die Dauerbelastung eines Rotors entscheidend reduziert und dessen Betriebssicherheit um ein Vielfaches gesteigert.

In den 4a bis c sind verschiedene Längsschnitte durch in Strömungsrichtung verlaufend geschnittene Nachströmzonen gezeigt. Den hier stillstehend ausgebildeten Nachströmzonen NZ ist das Merkmal zu eigen, dass sie zwischen der Einlassöffnung 1 und der senkrecht auf der Zeichnungsebene stehenden Dichtungszone 2 des Gehäuses einen Querschnittsverlauf aufweisen, wodurch eine allmählich verzögerte Abbremsung einer strömenden Fluidsäule erreicht wird. Dieser Verlauf kann keilförmig, abgesetzt, abgerundet oder analog gestaltet sein. Wesentlich ist die dadurch bedingte, über einen Zeitraum t_NZ ablaufende, allmähliche Versperrung einen Durchganges.

Und die 5a bis c zeigen verschiedene Längsschnitte durch in Strömungsrichtung verlaufend geschnittene Nachströmzonen NZ, die in diesem Beispiel an den Dichtungsstegen 3 zwischen den einzelnen Durchgängen 4 eines Rotors 5 angeordnet sind. Der Pfeil zeigt die Drehrichtung des Rotors an, der mit seinen Stirnflächen dichtend am Gehäuse und dessen Dichtungszonen 2 anliegt. Auch diese rotierend angeordneten Nachströmzonen NZ weisen das Merkmal auf, dass sie zwischen der Einlassöffnung 1 und der senkrecht auf der Zeichnungsebene stehenden Dichtungszone 2 einen Querschnittsverlauf bedingen, wodurch eine allmählich verzögerte Abbremsung einer strömenden Fluidsäule erreicht wird. Dieser Verlauf kann keilförmig, abgesetzt, abgerundet oder analog gestaltet sein. Wesentlich ist die dadurch bedingte, über einen Zeitraum t_NZ ablaufende, allmähliche Versperrung der zu füllenden Durchgänge.

In Abhängigkeit von den zu verarbeitenden Strömungsmengen und der Baugröße eines Drucktauschers können die Nachströmzonen nur am Gehäuse, nur am Rotor oder in Kombination angeordnet sein.