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Bei Regeneratoren, die in Wärmekraftmaschinen verwendet werden sollen, um eine gewisse, dem warmen Arbeitsmittel entzogene Wärmemenge aufzuspeichern und an das kalte Arbe-tsmittel wieder abzugeben, besteht die Forderung, in einem möglichst geringen Raum e : ne mög1'chst grosse Regeneratoroberfläche unterzubringen, so dass der Regenerator aus möglichst dünnen Platten od. dgl, mit möglichst engen Durchströmungsspalten besteht. Bei einem solchen Regenerator entfällt auf die Einheit des Regeneratorvolumens ein verhältnismässig grosser Wärmeumsatz.
Soll der Regenerator wirtschaftlich arbeiten und wirksam sein, so besteht zwischen dem warmen und kalten Ende des Regenerators ein wesentlicher Temperamentsunterschied, der in den praktisch in Betracht kommenden Fällen mindestens 600 C beträgt. Die Baulänge des Regenerators ist dagegen dadurch stark eingeschränkt, dass einerseits wegen des schädlichen Raumes das Volum des Regenerators möglichst gering gehalten sein soll und anderseits zur Erzielung eines möglichst geringen Durchströmungswiderstandes der Durchströmungsquerschnitt des Regenerators möglichst gross gewählt werden muss.
In einem solchen Regenerator treten nun sehr bedeutende Wärmeverluste auf, die den Wirkungsgrad desselben so weit vermindern, dass die Anwendung des Regenerators in Wärmekraft- maschinen keine Vorteile mehr bietet.
Gemäss der Erfindung werden die Verluste eines Wärmegenerators der oben bezeichneten Art dadurch vermindert, dass der Regenerator, dessen kleinste Spaltweite weniger als 0'6mm beträgt, in der Durchströmungsrichtung durch Luftschichten derselben Grössenordnung wie die Spaltweiten in so viele Abschnitte unterteilt ist, dass auf zwei aufeinandelfolgende Abschnitte des Regenerators höchstens ein Temperaturgefälle von 200 C entfällt, Ist also z. B. der Regenerator zur Bewältigung eines Temperaturgefälles von etwa 600 C bestimmt, so muss der Regenerator aus mindestens 30 Abschnitten bestehen, die voneinander durch Luftschichten getrennt sind, deren Stärke O'l-l mm beträgt.
Bei grösseren Spaltweiten kommt für die Wärmeübertragung nämlich hauptsächlich die Konvektion von den inneren Teilen des Kanalquersehnittes gegen die Kanalwände in Betracht, so dass durch eine entsprechend grosse, im Verhältnis zur Kanalweite gewählte Strömungsgeschwindig- keit dafür gesorgt werden muss, dass Wirbelungen entstehen, die die im Innern des Spaltquerschnittes befindlichen Luftteilehen an die Kanalwände heranführen ; dagegen kann in diesem Falle die sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit des stagnierenden Gases vernachlässigt werden.
Wird aber die Weite der Luftdurchströmungsspalte unter den Wert 0'6mm verringert, so werden durch die Wärmeleitfähigkeit des stagnierenden Gases die von den in den mittleren Teilen des Querschnittes des Durchströmkanals befindlichen Gssteilen in der Zeiteinheit an die Wand überführten Wärmemengen so gross, dass man von einer durch Wirbelungen herbe'geführten konvektiven Übertragung der Wärme absehen kann.
Ein solcher Regenerator kann deshalb selbst in Fällen, in denen Druckverluste nach Möglichkeit zu vermeiden sind, trotz der engen Durchströmungskanäle verwendet werden, well infolge des Fortfalls der Notwendigkeit, durch eine überkritische Geschwindigkeit Wirbelungen zu erzeugen, die Gase ohne Beeinträchtigung des guten Wärmeüberganges mit einer beliebig niedrigen Geschwindigkeit (bei praktischen Ausführungen
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möglichst unter 5 M/see, etwa -3, 5 tK/sec, niemals über 20m/sec) durch die engen Kanäle des Regenerators geleitet werden können, so dass nur kleine, den Wirkungsgrad wenig beeinträchtigende Reibungswiderstände bzw. durch diese verursachten Druckverluste entstehen.
Die Überlegung zeigt nämlich, dass man bei einer Spaltweite von etwa 0'5mm die Turbulenz der strömenden Luft zur Erhöhung der Wärmeübergabefähigkeit nicht mehr heranzuziehen braucht, dass vielmehr die Wärmeleitfähigkeit der ruhenden Luft genügt, um die Wärmeübergangszahl (f. über 300 zu steigern.
Die Wärmeleitfähigkeit X der Luft bedeutet nämlich die Anzahl der Wärmeeinheiten, die
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Die Anzahl der an einer Fläche von 1 m2 der Spaltwandungen pro Stunde von der Luft auf die Wandung oder umgekehrt übergehenden Wärmeeinheiten, also die Wärmeübergangszahl beträgt für ruhende Luft infolgedessen
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Die Wärmeübergangszahl steigt also mit abnehmender Spaltweite gemäss einer gleichseitigen Hyperbel.
Die Verhältnisse ändern sich nicht, wenn die Luft statt zu ruhen, mit einer so geringen Geschwindigkeit durch die Spalte strömt, dass eine geordnete, laminare Strömung erfolgt.
Da infolge der geringen Spaltweite für die Wärmeübergangszahl bereits die Leitfähigkeit der stagnierenden Luft ausschlaggebend ist, so kann bei geringsten Strömungsgeschwindigkeiten eine so hohe Wärmeübergangszahl erzielt werden, dass die einzelnen Abschnitte des Regenerators sehr kurz ausfallen, etwa 2-5 mm Länge besitzen, wodurch die Gesamtlänge des Regenerators, trotz der grossen Anzahl von Abschnitten verhältnismässig gering ausfällt.
Durch die oben angegebene weitgehende Unterteilung durch zwischengeschaltete Luftschichten werden nachstehende Vorteile erreicht.
Selbst die schlechtesten Wärmeleiter unter den Metallen und Legierungen besitzen noch immer ein so gutes Wärmeleitvermöegn, dass ständig grosse Wärmemengen vom warmen Ende des Regenerators gegen dessen kaltes Ende strömen und die Temperatur dieses letzteren erhöhen.
Durch diesen Umstand wird die untere Temperaturgrenze des Regenerators nach oben gerückt, was wesentliche Wärmeverluste verursacht. Die gemäss der Erfindung zwischen die einzelnen Abschnitte eingeschalteten Luftschichten besitzen dagegen ein äusserst geringes Wärmeleitvermögen. so dass die Luftschichten zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten des Regenerators den Abfluss der Wärme durch Leitung unterbrechen. Es entstehen also zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten Temperaturstufen, die trotz des grossen Temperaturunterschiedes der beiden Enden des Regenerators, infolge der grossen Anzahl der Abschnitte bzw. Stufen kleiner als 20 C ausfallen.
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Durch die vielfache Unterteilung mit zwischengeschalteten Luftschichten werden auch die durch Strahlung verursachten Wärmeverluste wesentlich herabgesetzt, da der Temperaturunterschied zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten weniger als 200 C beträgt und die von einer wärmeren Fläche auf eine kältere ausgestrahlte Wärmemenge dem Unterschiede der vierten Potenzen der absoluten Temperaturen der beiden Flächen proportional ist.
Endlich wird auch die Wärmeübergangsziffer selbst durch die Unterteilung durch zwischengeschaltete Luftschichten erhöht, da beim Übertritt der Luft aus den zwischen den einzelnen Regeneratorabschnitten liegenden Luftschichten in die Spalte der einzelnen Abschnitte auch bei ganz geringen Strömungsgeschwindigkeiten eine Wirbelung auftritt. Da der engspaltige Regenerator sehr geringe Strömungsgeschwindigkeiten zulässt, so verursachen diese Wirbelungen noch keine wesentliche Erhöhung des Durchströmungswiderstandes, bewirken aber eine wesentliche Erhöhung der Wärmeübergangszahl.
Es ist nämlich bekannt, dass wenn die Gase aus einem Raum mit noch so geringer Geschwindigkeit in einen begrenzten Kanal eintreten, an der Eintrittsstelle Wirbelungen entstehen, die erst nach einer gewissen Strecke, der sogenannten Beruhigungsstrecke verschwinden, um der laminaren Strömung Platz zu machen. Infolge dieser Wirbelungen steigt demnach innerhalb der Beruhigungsstrecke die Wärmeübergangszahl wesentlich über den durch die reine Leitfähigkeit bedingten Wert.
Werden nun die einzelnen Abschnitte des Regenerators so kurz bemessen, dass sie nicht länger sind, als die Beruhigungsstreeke und werden zwischen die einzelnen Abschnitte Luftspalte eingeschaltet, die den Durchströmungsquerschnitt der Luft vorübergehend vergrössern, so beginnt beim Eintritt in einen jeden weiteren Abschnitt von neuem die Beruhigungsstreeke, so dass es trotz der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit nicht zur laminaren Strömung kommen kann. Da die Länge der Beruhigungsstrecke mit Abnahme der Spaltweite gleichfalls abnimmt, so sollen die Abschnitte z. B. bei Spaltweiten von 0'1 mm bis auf etwa 2 mm verkürzt werden.
Die Steigerung der Wärmeübergangszahl durch diese Unterteilung ermöglicht es, die gleiche Wärmeübergangszahl mit einer grösseren Spaltweite zu erzielen, als dies bei einem in der Länge nicht unterteilten Regeneratormöglichwäre.
Diese zusätzliche Steigerung der Wärmeübergangszahl, welche durch die Wirbelungen der Beruhigungszone entsteht, ist jedoch nicht unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit, sondern steigt mit dieser.
Für den Reibungswiderstand durch die Summe der Spalte zwischen den einzelnen Abschnitten gilt nämlich die Formel
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kraft, n die Anzahl der Abschnitte (z. B. 40) bedeutet und is = 0-02 ist. Unter diesen Annahmen beträgt R = 0'00075 kgm per kg des Arbeitsmittel.
Der Arbeitsverlust, der durch die Wirbelungen beim Eintritt in die Spalte der einzelnen Abschnitte und beim Austritt aus den einzelnen Abschnitten entsteht, beträgt 25% der kinetischen
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entsprechen, so beträgt der aus der Unterteilung durch Luftspalte erzeugte Reibungs- und Wirbelungsverlust im obigen Fall nicht einmal 0'14 %'
Als Stoff für die warmen Teile des Regenerators kommt in erster Reihe Nickel in Betracht, da Versuche ergeben haben, dass sich dieses Metall hiezu am besten eignet.
Um die Wärmeaufnahme-und Abgabefähigkeit bei geringstem Strömungswiderstande nach Möglichkeit zu steigern, bemisst man die Spaltweite in den einzelnen Abschnitten des Regenerators verschieden, so zwar, dass der kälteste Abschnitt mit der geringsten Spaltweite ausgeführt wird, während-die wärmeren Abschnitte je nach der durch sie erreichten Temperaturstufe zweckmässig proportional mit den absoluten Temperaturen allmählich grössere Spaltweiten erhalten. Beisteigender Temperatur nimmt nämlich die Wärmeübergangszahl bei sonst gleichen Verhältnissen zu, so dass ohne Verminderung der für die kälteren Abschnitte gewählten Wärmeübergangszahl die Spaltweite in den wärmeren Abschnitten vergrössert werden kann.
Falls der Querschnitt des Regenerators am warmen Ende der gleiche ist, wie am kalten Ende, so nimmt wohl die Strömungsgeschwind'gkeit infolge der Volumzunahme der erhitzten Gase zu, trotzdem erfährt der Reibungswiderstand keine nennenswerte Erhöhung, weil er bei laminarer Strömung mit der Vergrösserung der Spaltweite in quadratischem Verhältnisse abnimmt.
Zweckmässiger führt l11 jedoch den Regenarator derart aus, dass dessen Querschnitt von dem kalten Ende gegen das warme Ende allmählich zunimmt, wobei die Spaltweiten in sämtlichen
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Abschnitten gleich sein, jedoch zweckmässiger gegen das warme Ende des Regenerators zunehmend bemessen sein können.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des aus Streifen bestehenden Regenerators veranschaulicht. Fig. 1 zeigt einen Teil eines aus parallelen geraden Streifen zusammengestellten Regenerators in Stirnansicht. Fig. 2 denselben im Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. l.
Der in diesen Figuren dargestellte Regenerator besteht aus dünnen, etwa Olmm starken geraden Metallstreifen. !, die eine Breite a von wenigen, etwa 2-3 mm besitzen und die unter Zwischenlage von den Abstand der Streifen 1 sichernden dünnen, etwa 0'06-0'1 mm starken Streifen 4 in Nuten 2 eines schlecht wärmeleitenden Rahmens 3 derart eingelegt sind, dass in einer jeden Nut 2 des Rahmens ein Rost mit ganz engen, etwa 0'06-0'lmm weiten Spalten entsteht, die durch parallele Wände. begrenzt sind. In den Rahmen. 3 ist, wie auf Fig. 2 ersichtlich, eine grosse Anzahl solcher Roste hintereinander angeordnet, so dass die einzelnen Roste durch dünne, etwa 0-06-O'l mm starke Luftschichten. 5 voneinander getrennt sind.
Die Gase strömen abwechselnd in der Richtung der Pfeile 6 und 7 durch die Roste des Regenerators.
Dadurch, dass die einzelnen die Abschnitte des Regenerators bildenden Roste in der Durchströmrichtung der Gase eine Länge a von nur wenigen Millimetern besitzen, erstreckt sich die Beruhigungszone mindestens über einen ganzen Regeneratorabschnitt. Nach Austritt aus dem Spalt eines Abschnittes erfährt der Gasstrom in dem Spalt 5 eine Querschnittserweiterung, so dass beim
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die einen geringen Bruchteil der kritischen betragen, steigen, wodurch die obere Grenze der Spaltweite für den Mindestwert der Wärmeübergangszahl 300 etwa auf 1 mm hinausgeschoben werden kann.
Ausserdem ist das Temperaturgefälle innerhalb eines Abschnittes praktisch Null und es ist möglich, bei geringer Gesamtlänge des Regenerators diesen in eine so grosse Anzahl von Abschnitten zu unterteilen, dass einerseits die Wärmeverluste, die durch Leitung von dem warmen Ende gegen das kalte Ende des Regenerators verursacht werden, ein Mindestmass erreichen und anderseits der Temperaturunterschied zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten des Regenerators nur wenige Grade beträgt, so dass der Unterschied zwischen der Temperatur der durch den Regenerator strömenden Gase und dem jeweils mit diesen Gasen in Berührung tretenden Teil des Regenerators in beiden Strömungsrichtungen auf ein so geringes Mass heruntergedrückt wird, dass keine unzulässigen Wärmeverluste entstehen.
Zur Sicherung der Spaltweite zwischen den einzelnen Lagen der Metallstreifen 1 können statt besonderer Abstandsstücke auch beliebige, aus den Bändern selbst gebilldetete Abstandsteile dienen.
Fig 3 zeigt z. B. wie der Spalt 9 zwischen den einzelnen Lagen der Metallstreifen 1 durch aus diesen gebildete Warzen 8 od. dgl. gesichert werden kann.
In sehr einfacher Weise lassen sieh die die einzelnen Abschnitte des Regenerators bildenden Roste dadurch erzeugen, dass man aus einem dünnen und schmalen Metallband eine Spirale 10 (Fig. 4) wickelt, unter Sicherung des die erforderliche Spaltweite ergebenden Abstandes zwischen den einzelnen Gängen der Spirale.
Zur Bildung des Regenerators wird eine entsprechend grosse Anzahl solcher flacher Spiralen, z. B. 100 Spiralen von je 2 mm Breite unter Zwischenlage von Abstandsstücken, z. B. dünnen (etwa 0'1 mm starken) Drähten in einem schlecht wärmeleitenden Gehäuse hintereinander gereiht.
Fig. 5 zeigt im Längsschnitt einen solchen Regenerator. In dem aus feuersfestem, schlecht wärmeleitenden Stoffe bestehenden Gehäuse 3 sind die Spiralen 10 oder Rahmen 3 gemäss Fig. 2 derart hintereinandergereiht, dass zwischen den einzelnen Spiralen oder Rahmen die Luftspalte J entstehen.
Die kalten Gase. strömen in der Richtung des Pfeiles 6 und die warmen Gase in der Richtung des Pfeiles 7 durch den Regenerator, indem sie sich erhitzen bzw. abkühlen.
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