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Regenerativ-Wärmeaustauscher
Die Erfindung betrifft einen Regenerativ-Wärmeaustauscher, der einen in einem feststehenden Gehäuse gelagerten und in diesem umlaufenden Rotor aufweist, desserf am Rotorumfang angeordnete Spei- chermasse sowohl von dem wärmeabgebenden Medium als auch von dem wärmeaufnehmenden Medium im Gegenstrom zu ihrer Umlaufbewegung durchströmt ist.
Bei verschiedenen, im allgemeinen unter der Bezeichnung Ljungström-Regenerativ-Vorwärmer bekanntgewordenen Ausführungsformen eines Regenerativ-Wärmeaustauschers strömen die am Wärmeaus- tausch beteiligten Medien in entgegengesetzter Richtung senkrecht zur Bewegung der Speichermasse durch diese hindurch, wobei man in Analogie zu einem Wärmeaustauscher mit festen Trennwänden sagen kann, dass sich die Speichermasse im Kreuzstrom zu den am Wärmeaustausch beteiligten Medien bewegt.
Ein solcher Vorwärmer hat zwar auf der einen Seite den Vorteil, dass in ihm in besonders einfacher Weise relativ grosse Speichermassen untergebracht werden können, besitzt jedoch auf der andern Seite eine Reihe recht erheblicher Nachteile, die den zuvor behandelten Vorteil wieder aufheben und das Gerät in seiner praktischen Verwendbarkeit beeinträchtigen. Ein wesentlicher und für die Praxis erheblicher Nachteil eines solchen Regenerativ-Vorwärmers besteht dabei vor allem darin, dass insofern grosse Speichermassen mit einer grossen Wärmekapazität erforderlich sind, als die Speichermasse bei ihrem Umlauf von der wärmeabgebenden Seite zur wärmeaufnehmenden Seite nur verhältnismässig geringe Temperaturunterschiede von beispielsweise 200C aufweisen darf.
Ausserdem sind noch ähnliche Regenerativ-Wärmeaustauscher bekanntgeworden, bei denen das wärmeabgebende Medium in radialer Richtung durch die in diesem Fall ringförmig am Rotorumfang angeordnete Speichermasse in das Rotorinnere eintritt und wieder in axialer Richtung abströmt, das wärmeaufnehmende Medium dagegen in axialer Richtung in das Rotorinnere eintritt und unter Wärmeaufnahme wieder in radialer Richtung durch die Speichermasse nach aussen abströmt. Auch hiebei bewegt sich die Speichermasse wieder im Kreuzstrom zu den am Wärmeaustausch beteiligten Medien.
Weiterhin ist noch ein Regenerativ-Wärmeaustauscher geschaffen worden, der den Vorteil des zuvor behandelten bekannten Ljungström-Vorwärmers, nämlich die Unterbringung relativ grosser Speichermassen, aufweist, ohne jedoch auch die Nachteile dieses Regenerativ-Wärmeaustauschers, nämlich das infolge der nach dem Kreuzstrom-Prinzip senkrecht zur Strömungsrichtung der beiden Medien bewegten Speichermassen nur geringe, in der Speichermasse zu verarbeitende Temperaturgefälle, zu besitzen. Dieser bekannte Regenerativ-Wärmeaustauscher zeichnet sich dabei dadurch aus, dass seine am Rotorumfang ähnlich axialer Längsrippen angeordnete Speichermasse von dem wärmeabgebenden Medium und dem wärmeaufnehmenden Medium im Gegenstrom zu ihrer umlaufenden Bewegung durchströmt ist.
Die Trennung der beiden Strömungswege wird dabei durch ähnliche Drehkreuzen ausgeführte, sich über die ganze Rotorlänge erstreckende Absperrorgane bewirkt, deren radial vorstehende Schaufeln nacheinander zwischen die einzelnen Längsrippen der Speichermasse abdichtend hineingreifen.
Durch diese besondere Art der Ausbildung des Regenerativ-Wärmeaustauschers wird zwar theoretisch in bezug auf die Speichermasse das Gegenstromprinzip sowohl hinsichtlich der Wärmeabgabe als auch der Wärmeaufnahme nahezu ideal verwirklicht, in der Praxis ist die Abdichtung der beiden Strömungswege der am Wärmeaustausch beteiligten Medien aber doch immer noch so mässig, dass sich die Medien leicht
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miteinander vermischen und sich die an sich durch die bessere Wärmeübertragung erzielten Vorteile wie- der aufheben.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zu Grunde, einen solchen an sich bekannten Regenerativ-
Wärmeaustauscher derart auszubilden, dass er auch in der Praxis tatsächlich den in ihn gesetzten Erwar- rungen entspricht und jede Vermischung der am Wärmeaustausch beteiligten Medien unterbleibt.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung nun dadurch gelöst, dass die Speichermasse durch über den
Rotorumfang verteilte, mit ihr umlaufende Absperrorgane in an sich bekannte Ringsektoren unterteilt ist und die die Trennung der Strömungswege der beiden Medien innerhalb der Speichermasse bewirkenden, während eines Grossteiles ihres Umlaufweges offenen Absperrorgane beim Durchlaufen der Übergangsbe- reiche zwischen den beiden Strömungswegen zwangsweise in Abhängigkeit von der Rotordrehung schliess- bar sind.
Infolge dieser Absperrorgane und deren zwangsweisen Steuerung ist eine einwandfreie Abdich- tung der beiden Strömungswege und damit wieder eine Wärmeübertragung erzielbar, die so gross ist, dass gegenüber dem bekannten, nach dem Kreuzstromprinzip arbeitenden Ljungström-Vorwärmer bei jeder
Umdrehung des die Speichermasse tragenden Rotors von jedem Speichermassenteilchen ein vielfach grö- sseres, 10 - 20 faches Temperaturgefälle verarbeitet wird. Ist also beispielsweise die Rotordrehzahl des erfindungsgemässen Wärmeaustauschers die gleiche wie bei bekannten Ljungström-Vorwärmern, so kann das Gewicht der Speichermassen dieses erfindungsgemässen Wärmeaustauschers auf etwa ein Zehntel bis ein Zwanzigstel herabgesetzt werden.
Wird hingegen bei dem erfindungsgemässen Wärmeaustauscher die gleiche Menge an Speichermassen wie bei dem Ljungström-Vorwärmer benutzt, so sind zur Übertragung der gleichen Wärmemenge lediglich Rotordrehzahlen notwendig, die etwa ein Zehntel und weniger be- tragen.
Weiter weist der Regenerativ-Wärmeaustauscher gemäss der Erfindung noch den Vorteil auf, dass je- der zu übertragenden Wärmemenge eine ganz bestimmte optimale Umlaufgeschwindigkeit der Speicher- masse zugeordnet ist. Hiedurch ist die Möglichkeit gegeben, den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung durch eine Änderung der Drehzahl des die Speichermasse tragenden Rotors abzusenken, was beispielsweise sehr wertvoll sein kann, wenn die Temperatur der Speichermassen oder des wärmeaufnehmenden
Mediums einen Höchstwert nicht überschreiten darf.
Schliesslich ist noch als Vorteil die als besonders günstig erkannte Tatsache anzuführen, dass, da die
Wärmeübertragung unter anderem auch von dem Produkt Speichermasse mal deren Drehzahl abhängig ist, sich durch eine entsprechende Wahl der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors und damit auch der Speichermasse die tiefsten (Taupunkt) und die höchsten (Verzunderung) Heizflächentemperaturen in weitem Spielraum einstellen lassen.
Die Erfindung zeichnet sich ferner dadurch aus, dass bei n am Rotorumfang verteilten Absperrorganen der Abstand der einander zugekehrten Innenkanten der einander benachbarten Ein- und Auslassstutzen mindestens gleich l/n des äusseren Rotorumfanges ist. Weiter kann die Steuerung der Absperrorgane mechanisch, beispielsweise mittels Nocken, Gestängen oder Stösseln erfolgen. Desgleichen ist es aber auch denkbar, in gewissen Fällen auch eine pneumatische, hydraulische oder elektrische Steuerung der Absperrorgane vorzusehen.
Als Absperrorgane lassen sich beispielsweise in zwischen den Ringsektoren angeordneten Trennwänden befindliche Absperrventile oder Absperrschieber verwenden. Es können aber auch Drehklappen oder Drehklappengruppen vorgesehen sein, wobei dann -die einzelnen Klappen dieser Gruppen in radialer Richtung hintereinander angeordnet und gemeinsam über je ein Gestänge od. dgl. betätigt werden.
Weiter sind an den beiden Stirnseiten des Rotors vorteilhaft Scheiben angeordnet, die gegenüber dem feststehenden Gehäuse abgedichtet sind. Die Abdichtung des Rotorinneren gegenüber der Aussenluft erfolgt dabei zweckmässig in an sich bekannter Weise mittels vorzugsweise aus einzelnen Segmenten bestehender Schleifringe, die unter der Spannung von Druckfedern stehen und abdichtend sowohl an der Aussenwandung des feststehenden Gehäuses als auch den Innenflächen der umlaufenden Scheiben anliegen. Auf diese Weise wird eine einwandfreie Abdichtung erreicht, die jedes Auftreten von Lässigkeitsverlusten schlechthin ausschliesst.
Der Antrieb des Rotors, dessen Drehzahl je nach Auslegung des Regenerativ-Wärmeaustauschers nur etwa 5 - 15 Umdr/h beträgt, wird vorteilhaft mittels an sich bekannter Antriebsrollen bewirkt, auf denen sich die Rotorscheiben nicht nur abwälzen, sondern gleichzeitig auch abstützen. Bei kleineren und damit leichteren Ausführungsformen ist es natürlich auch denkbar, den Rotor ebenfalls in an sich bekannter Weise mittels einer gleichzeitig seiner Lagerung dienenden zentralen Welle anzutreiben.
Strömen die wärmeabgebenden und wärmeaufnehmeaden Medien im Gegenstrom durch die am Umfang des Rotors angeordnete Speichermasse hindurch, so entstehen hiedurch Druckverluste, was wieder
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AbsperrorganenDie Wirkungsweise des erfindungsgemässen Wärmeaustauschers sowie der zeitliche Ablauf der Steuerung der Absperrorgane ist nachstehend beschrieben : in der in Fig. 1 dargestellten Stellung des sich nur sehr langsam entgegengesetzt zur Strömungsrichtung 23 bzw. 24 der beiden wärmeabgeben den bzw. wärmeaufnehmenden Medien drehenden, die Speichermasse 15,16, 17 tragenden Rotors 1 haben sich nach dem Passieren der Eintrittsstutzen 5 und 7 die beiden Klappengruppen 13'gerade geschlossen, wodurch der von den Bauteilen 1, 2 und 3 umgebene Hohlraum in zwei völlig voneinander getrennte, sich jeweils über einen Bereich von etwa 1500 erstreckende Ringkanäle 2S und 26 unterteilt ist.
Wird beispielsweise durch den Stutzen 5 dem Ringkanal 25 heisses Rauchgas zugeführt, so strömt dieses zunächst in annähernd radialer Richtung in das gerade dem Eintrittsstutzen 5 benachbarte Speichermassenpaket ein, nimmt seinen Weg in Richtung der Pfeile 23 durch die zwischen dem Eintrittsstutzen 5 und dem Austrittsstutzen 6 befindlichen offenenDrehklappengruppen 13 und die Wärme aufnehmenden Speichermassen, um schliesslich wieder in annähernd radialer Richtung aus dem gerade dem Austrittsstutzen 6 benachbarten Speichermassenpaket heraus-und durch den Austrittsstutzen 6 abzuströmen.
In der gleichen Weise, jedoch in der durch die Pfeile 24 gekennzeichneten entgegengesetzten Richtung, strömt dann die zu erwärmende Luft durch den Stutzen 7 in den Ringkanal 26 ein, nimmt die von den Speichermassen gespeicherte Wärme auf und strömt wieder durch den Austrittsstutzen 8 ab.
Wie die Klappengruppen 13'so sind in dem in Fig. 1 dargestellten Zeitpunkt auch die beiden Klappengruppen 13" noch geschlossen, so dass die beiden Medien den ihnen zugewiesenen Weg nehmen können, ohne sich an irgendeiner Stelle auch nur in geringem Masse miteinander zu mischen. Im Verlauf der Rotordrehung werden die einzelnen Klappengruppen 13 dabei jeweils an den Innenkanten 5'und 7'der Einlassstutzen 5 und 7 geschlossen und bleiben so lange gesperrt, bis sie die Innenkanten 6'und 8'der Auslassstutzen 6 und 8 erreicht haben.
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Medien ungehindert durch die Ringkanäle 25 bzw. 26 hindurchströmen können. Die in Fig. 1 dargestell- ten Klappengruppen 13" werden sich somit im nächstfolgenden Augenblick öffnen und dem jeweils aus- tretenden Medium den Weg in den Austrittsstutzen 6 bzw. 8 freigeben.
Diese Öffnungsstellung der Klap- pengruppen 13 bleibt dann jeweils so lange aufrechterhalten, bis die einzelnen Klappengruppen 13 wie- der die Innenkante 5'oder 7'des folgenden Eintrittsstutzens 5 bzw. 7 erreicht haben.
Die Steuerung dieser Klappengruppen 13 wird zweckmässig von der Drehbewegung des Rotors 1 abgeleitet. Dies kann beispielsweise mit Hilfe mechanischer Mittel in Form feststehender Nocken 27, von Gestängen, Stösseln u. dgl. erfolgen, die über jeweils zu einer Klappengruppe 13 gehörige Gestänge 28 ein Öffnen oder Schliessen der einzelnen Klappen bewirken. Auch ist es möglich, die Klappengruppen 13 mit Hilfe von Gegengewichten zu betätigen, also eine Steuerung, die ebenfalls in Abhängigkeit von der Drehbewegung des Rotors 1 erfolgt. Selbstverständlich kann eine derartige Steuerung der Klappengruppen 13 auch mit Hilfe von pneumatischen, hydraulischen oder elektrischen Mitteln verwirklicht werden, wie dies in Fig. 2 durch die mittels eines Druckkolbens 29 hydraulisch steuerbare Schubstange 31 schematisch dargestellt ist.
Eine beispielsweise Variante der Erfindung besteht darin, dass an Stelle des angenähert radialen Einund Austrittes der Gase in den die Speichermasse tragenden Rotor 1 der Ein- und Austritt der Gase um 900 versetzt erfolgt, wobei die Gase dann parallel zur Rotorachse durch Öffnungen in den dann feststehenden Stirnscheiben 2 des Rotors 1 ein-bzw. ausströmen. In diesem Falle wäre dann die Speichermasse 16,17 gegenüber der in den Fig. 1 und 2 erläuterten Ausführung räumlich um 900 zu verdrehen, damit die Gase von den Eintrittsstutzen aus auch in die Ringkanäle des Rotors l eintreten und nach Erreichen der Austrittsstutzen wieder austreten können, wobei, wenn die Speichermasse aus Blech besteht, diese in der Art von konzentrischen Zylinderteilen anzuordnen wäre.
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