Wärmeregenerator für Wärmekraftmaschinen. Bei Regeneratoren, die in Wärmekraft maschinen verwendet werden, um dem ver brauchten warmen Arbeitsmittel Wärmemenge zu entziehen, aufzuspeichern und an das frische, kalte Arbeitsmittel wieder abzugeben, besteht die Forderung, in einem möglichst geringen Raum eine möglichst grosse Regeneratorober- fläche zu unterbringen; so dass die Regenera- toren aus möglichst dünnen Platten oder der gleichen mit möglichst engen Durchströmungs- spalten besteht.
Bei einem solchen Regenerator entfällt auf die Einheit des Regeneratorvolu- mens ein verhältnismässig grosser Wärmeum satz. Ist der Regenerator wirksam, so besteht zwischen seinem warmen und seinem kalten Ende ein wesentlicher Temperaturunterscbied von etwa 600 C.
Die Baulänge des Regene- rators ist dagegen klein, da das Volumen des Regenerators wegen des schädlichen Raumes möglichst gering und der Durchströmungs- querschnitt des Regenerators zum Zwecke eines geringen Durchströmungswiderstandes möglichst gross sein muss. Dies führt zu Wärmeverlusten durch Wärmeleitung.
Gemäss der- Erfindung werden diese Ver luste dadurch vermindert, dass der Regene= rator, dessen kleinste Spaltweite weniger als 0,6 mm beträgt, in der Durchströmungsrich- tung durch Zwischenräume'derselben Grössen ordnung wie die Spaltweiten in so viele Abschnitte unterteilt ist, dass auf zwei auf einanderfolgende Abschnitte des Regenerators höchstens ein Temperaturgefälle von 20 C entfällt.
4_ LIn der Zeichnung sind mehrere Ausfüh rungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes ver anschaulicht.
Fig. 1 zeigt einen Teil eines aus paral lelen geraden Streifen zusammengestellten Regenerators in Stirnansicht, Fig. 2 denselben im Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1.
Der in diesen Figuren dargestellte Rege nerator besitzt dünne, z. B. 0,1 mm starke, gerade Metallstreifen 1, die eine Breite a von zum Beispiel etwa 2-3'mm besitzen und die unter Zwischenlage von den Abstand der Streifen 1 sichernden_-dünnen, z. B. 0,06 bis 0,1 mm starken Streifen 4 in Nuten 2 eines die Wärme cchleoht leitenden Rahmens 3 derart eingelegt sind, dass in einer jeden Nut 2 des Rahmens ein Rost mit ganz engen, z. B. 0,06 bis 0,01 mm weiten Spalten ent steht, die durch parallele Wände begrenzt sind.
In den Rahmen 3 ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich, eine grosse Anzahl solcher Roste hintereinander angeordnet, so dass die die einzelnen Abschnitte des Regenerators bilden den Roste durch dünne, z. B. 0,06 bis 1 mm starke Zwischenräume ä voneinander getrennt sind. Die Gase strömen abwechselnd in der Richtung des Pfeils 6 und 7 durch die Roste des Regenerators.
Bei Spaltweiten grösser als 1 min kommt für die Wärmeübertragung hauptsächlich die Konvektion von den innern Teilen des Spal tes gegen die Spaltwände in Betracht, so dass durch eine der Spaltweite entsprechend grosse Strömungsgeschwindigkeit dafür gesorgt werden müsste, dass Wirbelungen entstehen, die die im Innern des Spaltquerschnittes be findlichen Gasteilchen an die Kanalwände heranführen; dagegen kann in diesem Falle die sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit des stagnierenden Gases vernachlässigt werden.
Ist die Weite der kleinsten Spalte unter dem Wert .0,6 min, so werden infolge der Wärmeleitfähigkeit des stagnierenden Gases die von den in den mittleren Teilen des Quer schnittes des Durchströmungskanals befind lichen Gasteilen in der Zeiteinheit an die Wand überführten Wärmemengen so gross, dass von einer durch Wirbelungen herbeige- fübrten konvektiven Übertragung der Wärme abgesehen werden kann.
E, in solcher Regene- rator (rann deshalb trotz den engen Spalten selbst in Fällen, in denen Druckverluste nach Möglichkeit zu vermeiden sind, verwendet werden, weil die Gase ohne Beeinträchtigung der guten Wärmeübergabe mit einer niedrigen Geschwindigkeit von etwa 4-3,5 m/sec, mög lichst unter 5 m/sec, niemals über 20 m,'sec, durch die engen Kanäle des Regenerators ge leitet werden können, so dass nur kleine, den Wirkungsgrad wenig beeinträchtigende Druck verluste entstehen.
Bei einer kleinsten Spaltweite von etwa 0,5 mm genügt nämlich die Wärmeleitfähig keit der ruhenden Luft, um die Wärmeüber- gangszahl a über 300 zu steigern.
Die Wärmeleitfähigkeit ), der Luft ist die Anzahl der Kalorien, die in der Stunde in einem Querschnitt von 1 m2 durch eine ru hende Luftschicht von 1 m Stärke bei 1 C Temperaturunterschied hindurchwandert.
Sie beträgt für Luft von 1 Atm. Druck bei der für solche Regeneratoren in Betracht kom menden mittleren Temperatur von 600 ge mäss der Hütte 0.0-148. Die Anzahl der auf eine Fläche von 1 in= stündlich übergehenden Kalorien bei einer Stärke ö der Luftschicht, also die Wärmeübergangszahl dieser Luft schicht beträgt
EMI0002.0040
Wenn die Spaltweite mit s bezeichnet wird, so beträgt die grösste Länge des Luft weges, durch den die Wärme geleitet werden muss,
bloss
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und der Mittelwert
EMI0002.0043
also
EMI0002.0044
Die Anzahl der auf einer Fläche von 1 m2 der Spaltenwandungen pro Stunde von der Luft auf die Wandung oder umgekehrt über gehenden Kalorien beträgt für ruhende Luft infolgedessen ,
EMI0002.0046
oder
EMI0002.0047
wenn die Spaltweite s = 0,5 mm, d. h. 0,0005 m beträgt.
Die Verhältnisse ändern sich nicht, wenn die Luft, statt zu ruhen, mit einer so geringen Cxeschwiiidigkeit durch die Spalte strömt, dass eine geordnete laminare Strömung erfolgt.
Da infolge der geringen Spaltweite die Wärmeübergangszahl infolge der Leitfähigkeit der stagnierenden Luft so gross wird, so kann trotz der grossen Anzahl der Regeneratorab- schnitte bei geringen Strömungsgeschwindig keiten die Gesamtlänge des Regenerators ver- hältnismässig gering sein, da die einzelnen Abschnitte des Regenerators sehr kurz aus fallen und bloss eine Länge von zum Beispiel 2-5 mm besitzen müssen.
Durch die weitgehende Unterteilung des Regenerators werden nachstehende Vorteile erreicht.
Zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten" entsteht ein Temperaturgefälle, das infolge der grossen Anzahl der Abschnitte trotz des grossen Temperaturunterschiedes der beiden Enden des Regenerators kleiner als 20 C ist. Die im Betriebe in den Zwischen räumen zwischen den einzelnen Abschnitten vorhandenen Gasschichten besitzen ein äusserst geringes Wärmeleitvermögen, so dass sie den Abfluss der Wärme- durch Leitung zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten des Regeneraters stark hindern. Ohne diese Ab schnitte würde die Wärmeleitfähigkeit des Materials einen erheblichen Wärmeaustausch zwischen- dem kalten und -dem warmen Ende des Regeiierators zur Folge haben.
Der geringe Temperaturunterschied zwi schen zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten von weniger als 20 C bewirkt auch eine Verringerung der durch Strahlung verursach ten Wärmeverluste.
Es ist bekannt, dass, wenn die Gase aus einem Raum mit noch so geringer Geschwin digkeit in einen begrenzten Kanal eintreten, an der Eintrittstelle Wirbelungen entstehen, die erst nach einer gewissen Strecke, der so genannten Beruhigungsstrecke, verschwinden, um der laminaren Strömung Platz zu machen. Bei der vorhandenen kleinen Geschwindigkeit tritt durch diese Wirbelungen keine wesent liche Erhöhung des Durchströmungswiderstan- des auf, wohl- aber steigt innerhalb der Be ruhigungsstrecke die W ärmeübergangszahl wesentlich über den durch die reine Leitfähig keit bedingten Wert.
Werden nun die einzel nen Abschnitte des Regenerators so kurz be messen, dass sie nicht länger sind als die Be ruhigungsstrecke, so kann es trotz der nie drigen Strömungsgeschwindigkeit nicht zur laminaren Strömung kommen, da beim Ein tritt in jeden Abschnitt die Beruhigungsstrecke von neuem beginnt. Infolge dieses Umstandes kann die Wärmeübergangszahl, selbst bei Strö mungsgeschwindigkeiten, die einen geringen Bruchteil der kritischen betragen. wesentlich über den Wert
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steigen. Dadurch wird die obere Grenze der Spaltweite für den Mindest wert der Wärmeübergangszahl 300 etwa auf 1 mm hinaufgeschoben. Das Temperaturge fälle innerhalb eines Abschnittes ist praktisch Null.
Die Länge der. Beruhigungsstrecke nimmt mit der Spaltweite ab, und so ist die Länge der Abschnitte z. B. bei Spaltweiten von 0,1 mm zweckmässig. etwa 2-3 mm.
Der durch die Einschaltung der Abschnitts zwischenräume verursachte Zuwachs des Durchströmungswiderstandes des Regenera- tors _ kann wegen _ der geringen Länge der Zwischenräume, sowie infolge der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit der Gase vernach lässigt werden.
Als Stoff für die warmen Teile des Re- generators wird zweckmässigerweise Nickel verwendet, da Versuche ergeben haben, dass sich dieses Metall hierzu am besten eignet.
Zur Sicherung der Spaltweite zwischen den einzelnen Lagen der Metallstreifen 1 können statt besonderer Abstandsstücke auch beliebige, aus den Bändern selbst ausgestal tete Abstandsteile dienen.
Fig. 3 zeigt zum Beispiel, wie der Spalt 9 zwischen den einzelnen Lagen der Metall- streifen 1 durch in dieselben gepresste Warzen 8 gesichert wird.
In sehr einfacher Weise lassen sich die die einzelnen Abschnitte des Regenerators bildenden Roste dadurch erzeugen, dass aus einem dünnen und schmalen Metallbande eine Spirale 10 (Fig. 4) unter nicht dargestellter ,Sicherung des erforderlichen Abstandes zwi schen den einzelnen Gängen der Spirale ge wickelt wird.
Eine entsprechend grosse Anzahl solcher flacher Spiralen, z.\B. 100 Spiralen von je 2 mm Breite, wird unter Zwischenlage von Abstandsstücken, z. B. dünnen (etwa 0,1 mm starken) Drähten, in einem schlecht wärme leitenden Gehäuse hintereinander gereiht. Fig. 5 zeigt im Längsschnitt einen solchen Regenerator. In dein aus feuerfestem, schlecht wärmeleitenden Stoffe bestehenden Gehäuse 3 sind die Spiralen 10 derart hintereinander gereiht, dass zwischen den einzelnen Spiralen die Zwischenräume 5 entstehen. In Fig. 5 sind der Deutlichkeit halber nur 16 Spiralen ge zeichnet, während in Wirklichkeit mindestens die doppelte Anzahl vorhanden ist.
Die kalten Gase strömen in der Richtung des Pfeils 6 und die warmen Gase in der Richtung des Pfeils 7 durch den Regenerator, indem sie sich erhitzen bezw. abkühlen.
An Stelle der Spiralen könnten auch die in Fig. 1 und 2 dargestellten Roste in der in Fig. 5 dargestellten Weise hintereinander angeordnet sein.
Aus Fig. 5 ist ersichtlich, dass der Quer schnitt des Regenerators von' dem kalten Ende<B>11</B> desselben gegen das warme Ende 12 allmählich zunimmt; nicht ersichtlich ist, dass auch die Spaltweite irr den einzelnen Ab schnitten des Regenerators in gleichem Sinne zunimmt.
Damit die Wärmeaufnahme- und -abgabe- fähigkeit bei geringem Strömungswiderstande möglichst gross ist, ist die Spaltweite in den einzelnen Abschnitten des Regenerators zweck- m ässigerweise a , proportional den in den einzel- nen Abschnitten herrschenden absoluten Tem peraturen.
Bei steigender Temperatur nimmt nämlich die Wärmeübergangszahl bei sonst gleichen Verhältnissen zu, so dass die Spalt weite bei gleicher Wärmeübergangszahl in den wärmeren Abschnitten grösser sein kann. Bei einem solchen Regenerator kann die Spalt weite am kalten Ende z. B. nur 0,1 min be tragen und gegen das warme Ende allmäh lich auf 0,22 mm zunehmen. So wird jeder Abschnitt des Regenerators voll ausgenützt und die angestrebte Leistung des Regenera- tors bei geringstem Volumen desselben er reicht, so dass der Regenerator den geringsten schädlichen Raum aufweist.
Heat regenerator for heat engines. In the case of regenerators that are used in thermal power machines to extract the amount of heat consumed from the consumed warm working fluid, store it and then give it back to the fresh, cold working fluid, there is a requirement to accommodate the largest possible regenerator surface in the smallest possible space; so that the regenerators consist of plates that are as thin as possible or the same with the narrowest possible flow gaps.
In such a regenerator, the unit of the regenerator volume accounts for a relatively large amount of heat. If the regenerator is effective, there is a substantial temperature difference of about 600 ° C. between its warm and its cold end.
The overall length of the regenerator, on the other hand, is small, since the volume of the regenerator must be as small as possible due to the harmful space and the flow cross-section of the regenerator must be as large as possible for the purpose of low flow resistance. This leads to heat loss through conduction.
According to the invention, these losses are reduced in that the regenerator, the smallest gap width of which is less than 0.6 mm, is subdivided into so many sections in the direction of flow through gaps of the same size as the gap widths that there is a maximum temperature gradient of 20 C on two consecutive sections of the regenerator.
4_ LIn the drawing, several exemplary embodiments of the subject matter of the invention are illustrated.
Fig. 1 shows part of a regenerator composed of parallel straight strips in an end view, FIG. 2 shows the same in section along the line 2-2 of FIG.
The regenerator shown in these figures has thin, z. B. 0.1 mm thick, straight metal strips 1, which have a width a of, for example, about 2-3'mm and the interlayer of the spacing of the strips 1, securing_-thin, z. B. 0.06 to 0.1 mm thick strips 4 in grooves 2 of a heat cchleoht conductive frame 3 are inserted such that in each groove 2 of the frame a grate with very narrow, z. B. 0.06 to 0.01 mm wide columns ent, which are limited by parallel walls.
In the frame 3, as can be seen from FIG. 2, a large number of such grids are arranged one behind the other, so that the individual sections of the regenerator form the grates through thin, e.g. B. 0.06 to 1 mm thick spaces are separated from each other. The gases flow alternately in the direction of arrow 6 and 7 through the grates of the regenerator.
In the case of gap widths greater than 1 min, convection from the inner parts of the gap against the gap walls is mainly used for the heat transfer, so that a flow velocity corresponding to the gap width would have to ensure that eddies occur that are inside the gap cross-section bring sensitive gas particles to the channel walls; however, in this case the very poor thermal conductivity of the stagnant gas can be neglected.
If the width of the smallest column is below the value .0.6 min, then due to the thermal conductivity of the stagnant gas, the amount of heat transferred to the wall in the unit of time from the gas parts in the middle parts of the cross-section of the flow channel are so large that a convective transfer of heat caused by eddies can be dispensed with.
E, can therefore be used in such a regenerator (despite the narrow gaps even in cases in which pressure losses are to be avoided as far as possible) because the gases can flow at a low speed of about 4-3.5 m without impairing the good heat transfer / sec, if possible below 5 m / sec, never more than 20 m, 'sec, can be passed through the narrow channels of the regenerator, so that only small pressure losses, which have little impact on efficiency, occur.
With a smallest gap width of around 0.5 mm, the thermal conductivity of the still air is sufficient to increase the heat transfer coefficient a above 300.
The thermal conductivity) of the air is the number of calories that migrate per hour in a cross-section of 1 m2 through a resting layer of air 1 m thick at a temperature difference of 1 C.
For air it is 1 atm. Pressure at the mean temperature of 600 that is considered for such regenerators according to the hut 0.0-148. The number of calories passing over an area of 1 in = hourly with a thickness of the air layer, i.e. the heat transfer coefficient of this air layer is
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If the gap width is denoted by s, then the greatest length of the air path through which the heat must be conducted is
just
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and the mean
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so
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The number of calories transferred per hour from the air to the wall or vice versa over an area of 1 m2 of the crevice walls for still air is consequently,
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or
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if the gap width s = 0.5 mm, i.e. H. Is 0.0005 m.
The conditions do not change when the air, instead of resting, flows through the crevice with so little velocity that an orderly laminar flow occurs.
Since the heat transfer coefficient is so large due to the conductivity of the stagnant air due to the small gap width, the total length of the regenerator can be relatively short despite the large number of regenerator sections at low flow velocities, since the individual sections of the regenerator are very short fall and only have to have a length of, for example, 2-5 mm.
The following advantages are achieved through the extensive subdivision of the regenerator.
Between each two successive sections "there is a temperature gradient which, due to the large number of sections, is less than 20 C despite the large temperature difference between the two ends of the regenerator. The gas layers in the company between the individual sections have extremely low thermal conductivity so that they strongly prevent the flow of heat through conduction between two consecutive sections of the regenerator.Without these sections, the thermal conductivity of the material would result in a considerable heat exchange between the cold and warm end of the regulator.
The small temperature difference between two successive sections of less than 20 C also reduces the heat losses caused by radiation.
It is known that when the gases from a room enter a limited channel at the lowest speed, eddies arise at the point of entry, which only disappear after a certain distance, the so-called calming section, to make room for the laminar flow do. At the existing low speed, these eddies do not result in any significant increase in the flow resistance, but within the calming section the heat transfer coefficient increases significantly above the value due to the pure conductivity.
If the individual sections of the regenerator are made so short that they are no longer than the calming section, a laminar flow cannot occur despite the low flow velocity, since the calming section starts anew when you enter each section. As a result of this fact, the heat transfer coefficient, even at flow velocities, can be a small fraction of the critical one. substantially about the value
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climb. As a result, the upper limit of the gap width for the minimum value of the heat transfer coefficient 300 is pushed up to about 1 mm. The temperature gradient within a section is practically zero.
The length of the. Calming section decreases with the gap width, and so the length of the sections z. B. useful for gap widths of 0.1 mm. about 2-3 mm.
The increase in the flow resistance of the regenerator caused by the inclusion of the section spaces can be neglected because of the short length of the spaces and because of the low flow velocity of the gases.
Nickel is expediently used as the material for the warm parts of the regenerator, since tests have shown that this metal is best suited for this purpose.
To secure the gap between the individual layers of the metal strips 1, any spacers can be used instead of special spacers, from the strips themselves.
3 shows, for example, how the gap 9 between the individual layers of the metal strips 1 is secured by lugs 8 pressed into them.
In a very simple way, the grids forming the individual sections of the regenerator can be produced by winding a spiral 10 (FIG. 4) from a thin and narrow metal band with the necessary distance between the individual turns of the spiral, not shown, securing the required distance between the individual turns of the spiral .
A correspondingly large number of such flat spirals, e.g. 100 spirals, each 2 mm wide, is made with spacers in between, e.g. B. thin (about 0.1 mm thick) wires, lined up in a poorly thermally conductive housing. Fig. 5 shows such a regenerator in longitudinal section. In your housing 3, which consists of refractory, poorly heat-conducting materials, the spirals 10 are lined up one behind the other in such a way that the spaces 5 are created between the individual spirals. In Fig. 5, for the sake of clarity, only 16 spirals are drawn, while in reality at least twice that number is present.
The cold gases flow in the direction of the arrow 6 and the warm gases in the direction of the arrow 7 through the regenerator, in that they heat or. cooling down.
Instead of the spirals, the grids shown in FIGS. 1 and 2 could also be arranged one behind the other in the manner shown in FIG.
It can be seen from FIG. 5 that the cross section of the regenerator gradually increases from the cold end 11 of the regenerator towards the warm end 12; it cannot be seen that the gap width also increases in the same sense in the individual sections of the regenerator.
So that the heat absorption and heat release is as great as possible with low flow resistance, the gap width in the individual sections of the regenerator is expediently a, proportional to the absolute temperatures prevailing in the individual sections.
When the temperature rises, the heat transfer coefficient increases with otherwise the same conditions, so that the gap width can be larger in the warmer sections with the same heat transfer coefficient. In such a regenerator, the gap can be wide at the cold end z. B. wear only 0.1 min be and gradually increase Lich to 0.22 mm towards the warm end. Thus, every section of the regenerator is fully utilized and the desired performance of the regenerator is achieved with the smallest volume of the regenerator, so that the regenerator has the least harmful space.