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Wärmeaustauscheinrichtung Es sind mit bewegten Masseteilchen als Wärmeträger arbeitende Wärmeaustauscheinrichtungen bekannt, bei denen ein Wärmeaustausch zwischen der aus feinkörnigen Masseteilchen bestehenden fliessfähigen Masse und einem gasförmigen Medium erfolgt.
Dabei kann die Anordnung derart getroffen sein, dass die als Wärmeträger dienenden Masseteilchen (Speichermasseteilchen) bei gegenseitiger Abstützung aneinander in einer durch gasdurchlässige Wände begrenzten verhältnismässig schmalen Strömungsbahn durch eine im Verhältnis zur Breite grosse Längenabmessungen aufweisende Wärmeaustauschzone geführt werden und dabei das im Wärmeaustausch mit den Speichermasseteilchen stehende Medium unter Führung durch seitliche Begrenzungswände im Kreuzstrom durch die Wärmeaustauschzone geführt wird.
Derartige Wärmeaustauscheinrichtungen können mit Vorteil Anwendung finden, um aus technologischen Prozessen anfallende wärmehaltige Masseteil- chen zur Aufheizung von Gasen zu benutzen. Besonders eignen sich ferner derartige Wärmeaustauscheinrichtungen zur regenerativen Wärmeübertragung von einem gasförmigen Medium auf ein anderes gasförmiges Medium, wobei in zwei getrennten Kammern mit je einer Wärmeaustauscheinrichtung der Wärmeübergang zwischen den gasförmigen Medien und den als Wärmeträger benutzten feinkörnigen Speichermasseteilchen erfolgt.
Wird es nun durch die Anwendung des Kreuzstromprinzips bei derartigen Anordnungen erleichtert, die Wärmeaustauscheinrichtung für grosse Gasmengen und kleine Druckgefälle auszuführen, so ergeben sich jedoch hierbei verhältnismässig ungünstige Wärmeaustauschbedingungen.
Gegenstand der Erfindung ist eine wesentlich verbesserte Wärmeaustauscheinrichtung, bei der den Wärmeaustausch mit einem gasförmigen Medium ermöglichende Speichermasseteilchen bei gegenseitiger Abstützung aneinander durch eine im Verhältnis zur Breite grosse Längsabmessungen aufweisende Wärmeaustauschzone geführt werden und dabei das im Wärmeaustausch mit den Speichermasseteilchen stehende gasförmige Medium im Kreuzstrom durch die Masseteilchen geführt ist.
Gemäss der Erfindung besteht hierbei die Wärmeaustauschzone aus mehreren in Richtung der Gasströmung hintereinander liegende Teilzonen und ist in diesen eine derartige Temperaturverteilung der Speichermasseteilchen vorhanden, dass sich bei gleichsinniger Gasströmung durch die Masseteilchen nach dem Kreuzstromprin- zip ein Wärmeaustausch wie bei Anwendung des Gegenstromprinzips ergibt.
Die Wärmeaustauschteil- zonen können hierbei durch besondere gasdurchlässige Wandteile getrennt sein; jedoch ist es auch möglich, die Masseteilchen unter Vermeidung solcher Zwischenwandteile in den Teilzonen unmittelbar nebeneinander mit gleicher Geschwindigkeit zu führen. Die neue Wärmeaustauscheinrichtung zeichnet sich durch den Vorteil einer günstigen Gasführung und kleinster Druckgefälle aus.
Im folgenden soll die Erfindung näher anhand der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele derselben zeigen, erläutert werden.
Fig. 1 gibt im Prinzip die Ausbildung einer Wärmeaustauscheinrichtung gemäss der Erfindung mit paralleler Führung der Masseteilchen in versetzten Teilzonen wieder.
Fig.2 stellt einen Zweikammerregenerator dar, der unter Verwendung erfindungsgemäss ausgebildeter Wärmeaustauscheinrichtungen aufgebaut ist.
Die Fig. 3a und 3b zeigen Einzelheiten der Ausgestaltung von erfindungsgemäss ausgebildeten Wärmeaustauscheinrichtungen zur Vermeidung störender Querströmungen.
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Fig.4 veranschaulicht näher die Ausführung einer Wärmeaustauscheinrichtung gemäss Fig. 1 sowie Annahme, dass in der dargestellten Wärmeaustüusch- einrichtung ein eine niedrige Temperatur aufweisen-
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schalten. Vorteilhaft ist hierbei eine Anordnung der einzelnen Teile übereinander.
Bei einer solchen Anordnung kann der Transport der die Teilzonenab- schnitte verlassenden Speichermasseteilströme weitgehend durch natürliches Gefälle erfolgen, so dass die erwähnte Druckmittelfördereinrichtung nur zwischen den letzten Teilzonenabschnitten des untersten Regeneratorteils und den ersten Teilzonenabschnitten des obersten Regeneratorteils eingesetzt zu werden braucht.
In Fig. 2 der Zeichnung ist schematisch ein Regenerator wiedergegeben, bei dem in räumlicher Zuordnung zwei erfindungsgemäss ausgebildete Wärmeaustauscheinrichtungen vorgesehen sind, von denen die eine, I, ermöglicht, durch ein heisses Gas die Speichermasseteile aufzuwärmen, während in der anderen, 1I, die erhitzte Speichermasse wieder ihre Wärme an ein anderes gasförmiges Mittel abgibt. 1 und 1I sind in dieser Figur die 'beiden Wärmeaustauscheinrichtungen. Durch Pfeile 10 bzw.27 sind die Strömungen der gasförmigen Mittel angedeutet. Zunächst sei die obere Wärmeaustauscheinrichtung 1I erläutert.
Die Teilzonen 11, 12, 13, letztere umfassend die Abschnitte 13a, 13b, sind geneigt angeordnete, durch gasdurchlässige Wände begrenzte Wärmeaustauschteilzonen, die so versetzt sind, d'ass jeweils zwei Teilzonenabschnitte, verschiedener Teilzonen, welche eine verschiedene mittlere Temperatur aufweisen, in Richtung des strömenden gasförmigen Mediums hintereinander liegen. 14 und 15 bedeuten Gasführungs- kanäle, welche die Zu- und Ableitung do-s die Wärmeaustauschzone durchströmenden zu erwärmenden Mittels ermöglichen. Durch Speichermassezuleitungs- kanäle 17a werden den einzelnen Wärmeaustauschteilzonen 11, 12, 13 von oben feinkörnige Speichermasseteilchen zugeführt.
Diese Leitungen 17a sind an einen oberen Sammelbehälter 18 angeschlossen, dessen Ausbildung im einzelnen für die Erfindung nicht von wesentlicher Bedeutung ist. 19 ist ein Umleitkanal mit einer Fördereinrichtung 19a für die L7berleitung der Speichermasse des Teilzonenabschnittes 13a in den Abschnitt 13b. 17b bedeuten hinter den Teilzonen liegende Ableitkanäle. Am unteren Ende jeder Wärmeaustauschteilzone ist eine nicht dargestellte Durchsatzregeleinrichtung vorhanden, die es ermöglicht, die Menge der die Teilzone durehfliessend'en Speichermasseteilehen zu ändern.
Diese Speichermassedurchsatzregeleinrichtung könnte beispielsweise als Schleusenrad ausgebildet sein oder durch verschwenkbare, unterhalb des Ab- leitkanalendes rostartig angeordnete Leisten gebildet werden, die jeweils beim Verschwenken die Ableitung einer gewissen Speichermassemenge ermöglichen.
Der untere Wärmeaustauscher I, der zum Aufheizen der kalten Speichermasse durch ein heisses Gas dient, weist prinzipiell die gleiche Ausführung auf wie die im vorstehenden angeführte Wärmeaus- tauscheinrichtung 1I. 25 und 25 bedeuten die Gaszuleitungen zu der Wärmeaustauscheinrichtung II. Wie sich ohne weiteres aus Fig. 2 erkennen lässt, wird die Speichermasse im Kreislauf durch die beiden Wärmeaustauscheinrichtungen geführt.
In den Masseteilchenkreislauf sind - abgesehen von dem oberen Sammelbehälter 18 - noch die weiteren Sam- melbehälter 20 und 22 eingeschaltet. 23 bedeutet eine Rückführungsleitung für die Masse aus dem unteren Sammelbehälter 22 in den oberen Sammelbehälter 18. Die Rückführungsleitung 23 weist eine Fördereinrichtung 24 auf.
Da bei den beschriebenen Anordnungen die Möglichkeit gegeben ist, dass das strömende gasförmige Mittel wegen der Versetzung der Teilzonen sich Wege geringeren Widerstandes sucht, indem es unter Abweichung von der vorgesehenen Strömungsrichtung schräg zwischen dem Anfang eines unten liegenden Teilzonenabschnittes einer Teilzone und dem Ende eines oben liegenden Teilzonenabschnittes einer benachbarten Teilzone durchströmt, vgl. _ Linie H-0 der Fig. 1, kann gemäss der weiteren Ausgestaltung in den die Möglichkeit für Fehlströmung bietenden Abschnitten eine Verhinderung bzw.
Erschwerung dieser Gasströmungen dadurch erreicht werden, dass, wie in Fig. 3a angedeutet ist, durch undurchlässige, den Querschnitt der Speichermassekanäle verringernde Zwisehenwandteile 30 das übertreten der erwähnten Querströmungen unterdrückt wird. Diese den Querschnitt verringernden Einbauten können in Strömungsrichtung der Speichermasse wie in Fig. 3a oder dazu senkrecht als Gitter, wie in Fig. 3b, ausgeführt sein, wodurch störende Querströmungen verhindert werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind die beiden Wärmeaustauscheinrichtungen I und 1I räumlich übereinander angeordnet. Selbstverständlich ist eine beliebige andere räumliche Anordnung möglich.
Eine bedeutende Vereinfachung der Wärmeaustauscheinrichtung kann dadurch erzielt werden, däss zwischen den nebeneinander liegenden Wärmeaus- tauschtei]zonen die wärmedurchlässigen Zwischenwände weggelassen werden. Eine entsprechende Ausführung für eine solche Wärmeaustauscheinrich- tung zeigt Fig. 4, die im übrigen näher die Ausbildung der Kanäle für die Gas- und Masseteilchenströme erkennen lässt. In Fig. 4 ist mit gestrichelten Linien die Abgrenzung der Speichermasseteilzonen a, b, c, d usw. angedeutet.
Hierbei liegen die Speichermasseteilchen in der einen Teilzone unmittelbar an dien Masseteilchen der anderen Teilzone an. Zur Begrenzung der Gesamtströmung dienen gasdurchlässige Wandteile 111, 112 und 113, die zusammen mit den Wandteilen 111a, 112a, 113a Gasführungskanäle 121, 122 und 123 bilden, durch welche es ermöglicht wird - wie durch die Pfeile 124 angedeutet ist das gasförmige Mittel durch die Speichermasse hindurchzuführen, welche sich in den Teilzonen. a-e usw. von oben nach unten bewegt.
Das Gas tritt hierbei auf der rechten Seite durch die gasdurchlässigen
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Wandteile 111, 112 und 113 hindurch, verläuft im Querstrom durch die verschiedene Temperaturen aufweisenden Masseteilchen der nebeneinander liegenden versetzten Teilzonen und tritt auf der linken Seite durch die Wandteile 111, 112 und 113 wieder in den zugeordneten Gasführungskanal ein. Wie die Fig. 4 erkennen lässt, sind die Wandteile bzw. die Gaskanäle so gestaltet und gegeneinander versetzt, dass sie in einem gewissen Abstand jeweils die Zuleitung von Speichermasse für die gegeneinander versetzten Teilzonen bzw. in gleicher Weise die Ableitung der Speichermasse aus den einzelnen Teilzonen ermöglichen.
Sind auf der oberen Seite des dargestellten Wärmeaustauschers die Teilzonen a, b, c und d vorhanden, so wird beispielsweise durch den rechten Gasführungskanal 121 in Verbindung mit dem mittleren rechten Gasführungskanal 122 ein Ableitungskanal 131a für die in der Teilzone a fliessende Speichermasse gebildet. In genau der gleichen Weise wird durch einen Kanal 131b zwischen dem linken oberen und dem mittleren Gasführungskanal 121 bzw.122 die Zuführung eines weiteren Speichermasseteilstromes ermöglicht, der in der Teilzone e verläuft. In der gleichen Weise kann durch weitere Zu- bzw.
Ableitungskanäle zwischen den die Speichermasseströmung begrenzenden versetzten Gaskanälen eine Zu- und Ableitung der Speichermasseströmung erfolgen. Auf diesem Wege wird in der gleichen Weise, wie vorher erläutert, ermöglicht, dass das im Kreuzstrom durch die nebeneinander liegenden Teilzonen geführte Gas in den einzelnen Teilzonen auf Speichermasseteilchen verschiedener Temperatur trifft. Infolgedessen ergibt sich trotz gleichsinniger Kreuzströmung des Gases im Prinzip die Wirkung eines Gegenstromwärmeaustauschers.
Um eine günstige Speichermasseführung beim Ein- bzw. Austritt der Teilströmungen in die einzelnen Teilzonenabschnitte bzw. aus diesen zu erhalten, sind zweckmässigerweise an den Enden der Zu- bzw. Ableitungskanäle Führungswandteile 120, 130, 140 usw. vorhanden, die parallel zu den Teilzonen bzw.
Strömungsbahnen innerhalb der Teilzonen liegen und für eine begrenzte Länge die Speichermasseteilchen der benachbarten Teilzonen voneinander trennen. Diese Wandteile haben gleichzeitig noch den Vorteil, dass sie unerwünschte Diago- nalströmungen des Gases durch Verlängerung der Strömungsbahn wesentlich vermindern oder unmöglich machen. Sie können durch Rohre 159 an den Kanalwänden 111a-113a abgestützt sein.
Um möglichst günstige Verhältnisse bezüglich der Speichermasseströmung zu erzielen, insbesondere um Störungen der parallelen Strömung der Speichermasseteilchen in den nebeneinander liegenden Zonen zu vermeiden, empfiehlt es sich, die begrenzenden für den Gasdurchlass ausgebildeten Wandteile so zu gestalten, dass die Strömung der Grenzschichten möglichst wenig beeinträchtigt wird.
Dies kann in besonders vorteilhafter Weise erreicht werden, wenn die gasdurchlässigen Wände - wie in Fig.5 im Grundriss angedeutet ist - aus nebeneinander liegenden vertikalen Leisten 190 oder Profilen aufgebaut werden, welche zwischeneinander verhältnismässig schmale Schlitze für den Gasdurchtritt freilassen. Diese Ausbildung ermöglicht es, dass die Speichermasseteilchen, ohne nennenswerten Reibungswiderstand zu finden, von oben nach unten an den Wänden entlangleiten können, wobei durch die schmäler als die Korngrösse ausgebildeten Schlitze das Gas in die Speichermasse eintreten kann (vgl. Pfeile).
Man erkennt aus der Fig.4 ohne weiteres, dass durch die seitliche Versetzung der untereinander liegenden Gasführungskanäle 121, 122, 123 erweiternde Räume gegenüber den Aussenwänden 160 gewonnen werden, innerhalb deren die Speichermasse den einzelnen Teilzonen zugeführt oder aus diesen wieder abgeleitet werden kann. Wie auf der linken Seite der Fig. 4 angdeutet ist, können unter Umständen auch gesonderte Rohrkanäle 139 zur Speichermassefüh- rung vorgesehen werden.
In Fig. 6 der Zeichnung ist schliesslich ein weiteres Ausführungsbeispiel im Prinzip wiedergegeben, bei dem die von dem aufzuheizenden gasförmigen Medium im Kreuzstrom durchflossenen, in Richtung der Gasströmung hintereinander liegenden Wärmeaustauschteilzonen bezüglich der Strömung der hei- ssen Speichermasse so in Reihe geschaltet sind, dass eine Wirkung wie bei nach dem Gegenstromprinzip arbeitenden Wärmeaustauscheinrichtungen erzieltwird. Bei dem in dieser Figur dargestellten Wärmeaus- tauscher sind mit 51 der Gaszuleitungskanal, mit 52 der Gasableitungskanal bezeichnet.
53-56 sind die in Richtung der Gasströmung gesehen, unmittelbar hintereinander angeordneten Wärmeaustauschteilzo- nen mit durch gasdurchlässige Wände (nicht dargestellt) begrenzten schmalen Strömungsbahnen für die Speichermasse, bei denen der Gasstrom gleichsinnig senkrecht zu der Speichermasseströmung (Pfeile 57) durch die Speichermasse und die gasdurchlässigen Wände (Jalousiewände) hindurchströmen kann. Die Speichermasse, die der ersten Teilzone 53 durch die Zuleitung 71 zuströmt, wird durch eine Umleitung 59 mit einer beispielsweise pneumatischen Fördereinrichtung 60 von dem unteren Ende der Wärmeaustauschteilzone 53 zum oberen Teil der folgenden Wärmeaustauschteilzone 54 geführt.
In gleicher Weise kann durch weitere Umleitungen 61, 62, welche ebenfalls mit Fördereinrichtungen 60 versehen sind, die Speichermasse nach dem Durchströmen der Teilzone 54 bzw.55 vom Ende der jeweils letzteren dem Anfang der folgenden Teilzone zugeleitet werden. Wie ersichtlich, nimmt die Speichermassetemperatur in den hintereinander liegenden Wärmeaustauschteilzonen entgegen der Richtung des Strömungsverlaufes des Gases, wie er durch Pfeile 58 angedeutet ist, ab.