Rotierender Wärmeaustauscher Vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen rotierenden Wärmeaustauscher, bei wel- ehem ein wärinetransportier endes Mittel ab- weehselnd mit einem zu kühlenden und einem ziz erwärmenden Gas in Berührung kommt.
Solche Wärmeaustauscher, beispielsweise zum Vorwärmen der Luft einer Gasturbine, sind bekannt. Die Bewegung des Rotors des Wärmeaustausehers wird üblicherweise über ein Getriebe durch einen Antriebsmotor be wirkt. Dieser Antriebsmotor kann beispiels weise die Gasturbine selbst, ein Elektromotor, ein hydraulischer oder ein pneumatischer Mo tor sein.
Diese bekannte Antriebsart des Rotors eines als Luftvorwärmer dienenden Wärmeaustau- schers besitzt den Nachteil, ein stark unter setztes Reduktionsgetriebe, einen Antriebs motor und alle die Gehäuse und die zur Ver einigung dieser Elemente benötigten Zubehör teile zu erfordern.
Die vorliegende Erfindung bezweekt, einen rotierenden Wärmeaustauscher zu schaffen, der nicht fremdangetrieben ist.
Gemäss der vorliegenden Erfindung weist der Rotor des ZV ärmeaustausehers derart ge formte Schaufeln auf, dass ihre Beaufschla- gung durch die wärmeaustauschenden Gase den Rotor in Drehung versetzt.
Als wärmetransportierendes Mittel kom- inen nicht nur feste Rotorfüllungen, sondern auch fliessfähige Substanzen in Frage, z. B. Flüssigkeiten oder pulverisierte Stoffe. We- sentlich ist, dass dieses Mittel abwechselnd dem zu kühlenden und dem zu erwärmenden Gas ausgesetzt ist.
So kann das wärmetransportierende Mittel auch aus einem Metall bestehen, das bei der Betriebstemperatur des Wärmeaustauschers geschmolzen ist, oder aus einer pulverförmi gen, mit Luft durchsetzten Substanz. Als flüs sige Metalle kommen z. B. Kalium oder Na trium in Frage, wobei die mit ihnen in Be rührung kommenden 'Wandungen aus rost freiem Stahl bestehen. Die Gase, die die Wärme austauschen sollen, sind in diesem Falle vorzugsweise inert, wie beispielsweise Helium, das auch in Gasturbinenanlagen mit geschlossenem Arbeitsprozess verwendet wird.
An Hand der beiliegenden Zeichnung wer den einige Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes beschrieben, und zwar zeigt: Fig. 1 schematisch in zwei senkrecht zuein ander stehenden Schnitten einen Teil eines rotierenden Wärmeaustauschers, dessen Rotor eine Reihe von rings um ihn angeordneten, radial gestellten Blechschaufeln als wärme transportierendes Mittel aufweist.
Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung eines rotierenden Wärmeaustauschers, bei dem das wärmetransportierende Mittel als Füllung zwischen den Rotorschaufeln angeordnet ist, Fig. 3 einen Axialschnitt durch einen rotie renden Wärmeaustauscher als Luftvorwärmer, der der Konstruktion nach Fig. 2 entspricht, wobei der obere Teil der Figui- die heissere Gasseite und der untere Teil die kältere Luft seite darstellt,
Fig. 1 den untern Teil der Fig. 3 in einem grösseren Massstab, Fig. .5 einen Axialschnitt durch einen Teil eines rotierenden Wärmeaustauschers, bei dem als wärmetransportierendes Mittel eine Flüssigkeit dient, und Fi-. 6 einen Teil eines Schnittes nach Linie VI-VI in Fig. 5.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausfüh rungsform weist der Rotor 1 eine Reihe von dicht aufeinanderfolgenden dünnen, aus Blech geformten Rotorsehaufeln 2 auf, die so ge formt sind, dass der Durchgang der wärmeaus- taiLsehenden Gase den Rotor in Drehung v er- ,setzt. Leitsehaufeln 3 sind vor dein Rotor gas eintrittsseitig angeordnet. Die Rotorsehaufeln 2 dienen im vorliegenden Falle ebenfalls als wärmetransportierendes Mittel.
Bei der in Fig.2 dargestellten Ausfüh rungsform sind in Kammern des Rotors Fül lungen la aus wärmespeicherndem Material untergebracht, welche Kammern durch radial gestellte Rotorschaufeln 2c begrenzt sind. Die Rotorschaufeln 2c besitzen gebogene Endteile 2a und 2b, die über die Füllungen 1a. hinaus ragen,
wobei die gebogenen Endteile 2a. und 2b beim Durchgang der wärmeaustauschen- den Gase durch den Rotor von diesen Gasen beaufschlagt werden und den Rotor in Dre hung versetzen. Die Füllungen 1a bestehen z. B. aus Drahtgaze und bewirken den Wärme transport vom wärmeren zum kälteren Gas strom.
Gemäss den Fig. 3 und 1 weist der Rotor 11 des Wärmeaustausehers ein inneres bzw. ein äusseres Gehäuse 12 bzw. 13 auf, die durch einen der Wärmeisolation dienenden Luftspalt 14 voneinander getrennt sind. Das äussere Gehäuse 13 ist mit Vorsprüngen 15 versehen, die auf konisehen Rollen 16 laufen, die ihrer seits auf Kugellagern 17 gelagert sind. Jede Rotorsehaufel besteht aus dem äussern Teil 18, dem Mittelteil 19 und dem innern Teil 20.
Zwischen je zwei Mittelteilen 19 zweier auf einanderfolgender Rotorschaufeln ist eine Fül- lung 19a von wärmespeicherndem Material untergebracht, die als wärmetransportierendes Hittel dient.
Heisse Gase treten in axialer Riehtung in den Wärmeaustauscher, und zwar in das eine von zwei segmentförmigen, im Innern des Rotors 11 durch eine die innern Dichtungen 36 tragende Trennwand gebil deten Abteile ein. durchströmen das Abteil 21 in radialer Rielitun- und anschliessend die innern Leitsehaufeln 22.
Dann treffen sie auf die innern Teile 20 der Rotorschaufeln auf und erteilen dem Rotor 11 einen Drehimpuls, worauf sie durch die Füllungen 19a und über die äussern Teile 18 der Rotorschaufeln strömen, dem Rotor nochmals einen Dreh impuls erteilend, bevor sie durch die äussern Leitschaufeln 23 als gekühlter Gasstrom 2-1 den Wärmeaustauscher verlassen.
Kalte Luft tritt, bei 25 ein, strömt durch die äussern Leitsehaufeln 26, die äussern Teile 18 der Rotorschaufeln, die Füllungen 19a, die innern Teile 20 der Rotorschaufeln und die innern Leitschaufeln 27 und tritt bei 28 in das andere segnientförmige Abteil, von Rio sie in erwärmtem Zustand den Wärnieaustauscher in axialer Richtung verlässt. Beim Durch strömen der Teile 18 und 20 erteilt die kalte Luft. dem Rotor ebenfalls einen Drehimpuls.
Die heissen Gase geben ihre Wärme den Fül lungen 19a. ab, die infolge der Rotation in den kalten Luftstrom gelangen und die gespei cherte Wärme der Luft abgeben. Jede Fül lung 19a ist in einem Rahmen 29 gehalten.
Der Stator weist Seitenwände 30, einen innern Ring 31 und einen äussern Ring 32 auf. Dabei ist. jede Seitenwand 30 zweiteilig, wobei die beiden Teile zur Wärmeisolierung dureh einen Luftspalt 33 voneinander getrennt sind. Darüber hinaus besteht zwischen Stator und Rotor, ebenfalls zum Zwecke der Wärme isolierung, noch ein Luftraum 31. In den Sei tenwänden 30 sind Lagerzapfen 35 für die Kugellager 17 befestigt. Die innern und die äussern Ringe 31 und 32 halten die Leit- schaufeln 22, 23, 26 und 27 fest.
Zum Verhindern der Undiehtheit zwischen der Kaltluft- und der Heissgasseite sind Dich tungen 36 und 37 vorgesehen. Die schematisch dargestellten Dichtungen 36 verhindern die Undiehtheit längs des Umfanges des Rotors, während die Dichtungen, 37 die Undichtheit an den Seitenflächen des Rotorgehäuses verhin dern.
Die Dichtungen 37 bestehen aus Asbest- paekun ,#-en 38, die zwischen keilförmigen Druekringen 39 und U-förmigen Federringen 40 gehalten sind. An diesen Ringen liegen mit \dem Rotor umlaufende Graphitringe 41 an. Der Luftspalt 14 ist durch iin Profil U- föi-mige Teile 42 abgeschlossen.
Federn 43, zwischen dem innern Gehäuse 12 und dem äussern Gehäuse 13 des Rotors angeordnet, pressen das innere Gehäuse 12 gegen die be- zügIieli des Rotors äussere Dichtung 37, welche die kältere Dichtung ist, so dass sie einen Spalt zwischen dem Rotor und der bezüglich des Rotors innern Richtung 37 belassen, welche die wärmere Dichtung ist.
Eine hupplungs- und Getriebevorrichtung 44 für einen Anlassmotor und einen Steuer mechanismus, welche beiden nicht dargestellt sind, ist vorgesehen.
Fig. 5 zeigt die eine Hälfte eines rotieren den Wärmeaustauschers, bei dem als wärme transportierendes Mittel eine Flüssigkeit be nützt wird. Zwei solche Hälften bilden einen vollständigen rotierenden Wärmeaustauscher. Die in Fig. 5 dargestellte Hälfte ist im vor liegenden Fall die Heissgasseite des Wärme austauschers.
Abzukühlende Gase treiben in einem Stator 51 einen als doppelwandige Trommel 52 aus gebildeten Rotor an. Die Heissgase treten durch Leitschaufeln 53 in den Stator ein, bevor sie den Gaseinlass 54 der Trommel 52 erreichen. In dieser Trommel 52 sind radial gestellte Rotorschaufeln 55a, in gleichen Ab ständen über den Rotorumfang verteilt, vor gesehen. Kleinere Rotorschaufeln 55b sind zwischen den Schaufeln 55a angeordnet (Fig. 6), um die Verteilung der Heissgase über den Unifan- der Trommel 52 zu erleichtern.
Die Rotorschaufeln 55a und 55b sind so ge formt, dass die Trommel 52 durch die sie be- aufschlagenden Heissgase in Umdrehung ver setzt wird. Die sodann gekühlten Gase verlas- sen die Trommel 52 durch den Gasauslass 56 und strömen zwischen den Leitschaufeln 57 durch, die die Gasströmung in axiale Richtung umlenken und wenn nötig deren Creschwindig- keit erhöhen.
Nur die dem Gaseinlass 51 und dem Gasauslass 56 benachbarten Teile der Rotorschaufeln 55a sind gebogen. Die Trom mel 52 ist auf einer Hohlwelle 58, die in La gern 59 und 60 läuft, angeordnet. Radial gerichtete Rohre 61 durchsetzen die innere, konisch verlaufende Wand 62 der Trommel 52 und enden je in einer Düse 63. Zufolge der Zentrifugalkraft fliesst die als -wärmetranspor tierendes Mittel benützte Flüssigkeit, die bei 64 in. die hohle Welle 58 eintritt, durch die radial verlaufenden Rohre 61 und wird in Form von feinen Tropfen durch die Düsen 63 ausströmend in das Innere der Trommel 52 verteilt.
Zufolge der Zentrifugalkraft wandern diese Tröpfchen längs einer oder weniger radialen Bahn durch die Heissgase in der Trommel 52 hindurch, so dass ein Wärmeaus tausch zwischen der Flüssigkeit und den mehr oder weniger im Kreuzstrom zu dieser strö menden Heissgasen stattfindet. Die Tröpfchen nehmen dabei Wärme von den Heissgasen auf und werden zufolge der Zentrifugalkraft an der äussern, konisch verlaufenden Wand 65 der Trommel 52 aufgefangen.
Infolge der Konizität der Wand 65 und als Effekt der Zentrifugalkräfte,wandert die Flüssigkeit zum Flüssigkeitsauslass 66 der Trommel 52 und tritt durch den Flüssigkeits- auslass 67 des Stators 51 aus der in Fig. 5 dargestellten Hälfte des Wärmeaustauschers heraus.
Die Flüssigkeit wird dann auf die andere, in Fig. 5 nicht dargestellte Hälfte des Wärme- austauschers geführt. Die Flüssigkeit wird erneut durch eine zweite Hohlwelle in die zweite Hälfte des Wärmeaustauschers ein geführt, und der Arbeitsgang wiederholt sich in der oben beschriebenen Weise, wobei jetzt kalte Gase durch die Flüssigkeit erwärmt werden.
Zwischen den beiden Hälften des Wärme- austauschers kann die Flüssigkeit zusätzlich entweder erwärmt, abgekühlt oder gereinigt werden. Die Flüssigkeit kann durch eine Pumpe in den Wärmeaustauseher hineinge- fördert werden. Die sekundlich den Wärine- austauscher durchströmende Flüssigkeitsmenge kann in diesem Falle durch Regulierung der Pumpendrehzahl geregelt werden.
An Stelle von Flüssigkeit könnte auch ein Pulver verwendet werden.