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Mit Masseteilchen als Wärmeträger arbeitende Wärmeaustauschvurrichtung Es sind mit Speichermassen arbeitende Wärmeaus- tauscher bekannt, bei denen ein gasförmiges Medium seine Wärme an die Speichermasse abgibt und die so aufgewärmte Speichermasse dazu dient, unter Abgabe der gespeicherten Wärme ein anderes gasförmiges Medium wieder aufzuwärmen.
Dieses Prinzip lässt sich nun in verschiedener Weise verwirklichen. Beispielsweise ist es bekannt, als Speichermassen im Kreislauf bewegte Masseteilchen zu verwenden, die in getrennten Kammern von den verschiedenen Wärmeaustauschmedien durchströmt werden. Bei derartigen, unter dem Namen pebble heater bekannten Wärmeaustauschern durchströmen die gasförmigen Medien die in einer Schicht von beträchtlicher Höhe angeordneten kugelförmigen Masseteilchen, die sich entgegen der Gasbewegung unter dem Einfluss der Schwere nach unten bewegen.
Es bereitet nun aus verschiedenen Gründen grosse, praktisch kaum zu überwindende Schwierigkeiten, unter Anwendung dieses Bauprinzips Regeneratoren für grosse Durchsatz- bzw. Gasmengen und kleine tragbare Druckabfälle auszuführen.
Es ist weiter eine andere Ausführungsart von Wärmeaustauschern bekannt, bei denen zur Wärme- übertragung zwischen zwei gasförmigen Medien eine in einem scheibenförmigen Läufer untergebrachte Masse von Speichermasseteilchen benutzt wird, um den Wärmeaustausch zu ermöglichen. Die Masseteilchen- schicht des Läufers wird gegensinnig von den gasförmigen Medien durchströmt, wodurch trotz der Querströmung der gasförmigen Medien zu den mit dem Läufer rotierenden Masseteilchen ein Wärmeaustausch nach dem Gegenstromprinzip erzielt wird. Die Gasströme strömen dabei unter entsprechender Führung durch ein Kanalsystem an den Stirnseiten des scheibenförmigen Läuferkörpers ein und aus.
Wärme- technisch lässt sich mit derartigen Anordnungen bei geringem Raumaufwand für das Wärmeaustauschersystem ein verhältnismässig günstiger Wärmeaustausch bei geringem Druckabfall erzielen. Schwierigkeiten bereitet jedoch die Abdichtnug des rotierenden Speichermassenkörpers gegenüber den erforderlichen Zu- und Ableitkanälen für die verschiedenen gasförmigen Medien, die über den Umfang des Speichermassenläufers verteilt in den Speicherläufer eingeführt bzw. aus diesem abgeführt werden müssen.
Gegenstand der Erfindung ist nun die Ausbildung einer Wärmeaustauschvorrichtung, bei der gewissermassen das rotierende Speichermassensystem der letzterwähnten Wärmeaustauscher durch einen stetigen in einem festen Kanalsystem umgewälzten Massenteilchenstrom ersetzt ist.
Zu diesem Zwecke wird erfindungsgemäss die Vorrichtung derart getroffen, dass der Speichermassenstrom in gleichbleibender Schichtverteilung nacheinander durch die beiden durch gasdurchlässige Wände gegenüber den Gaszu- und -ableitungskanälen abgegrenzten Wärmeaustauschzonen geführt wird, und dass die im Wärmeaustausch damit stehenden Gasströme mit verschiedener Bewegungsrichtung quer zur Bewegung der schichtweise eine unterschiedliche Temperatur aufweisenden Masseteilchen derart geführt sind, dass der Wärmeaustausch nach dem Gegenstromprinzip erfolgt.
Die beiden Wärmeaustauschzonen sind vorteilhaft durch eine Zwischenzone von solcher Ausbildung getrennt, dass die sich unter dem Einfluss der Schwere durch die Zwischenzone bewegenden Masseteilchen mit der gleichen schichtweisen Temperaturverteilung aus der einen in die andere Wärmeaustauschzone überströmen.
Die Zwischenzone kann von gleichem Querschnitt sein wie die Wärmeaustauschzonen, jedoch kann auch der Querschnitt unter Anwendung von
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Leitwandteilen zur Vermeidung bzw. Verringerung von Leckteilströmen des gasförmigen Mediums zwischen den Wärmeaustauschzonen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperaturverteilung in der Schicht geändert bzw. verkleinert werden.
Ausserdem sind vorteilhaft zwischen den beiden Wärmeaustauschzonen einzelne gesonderte überleitkanäle mit Fördereinrichtungen vorhanden, um die aus der tiefer liegenden Wärmeaustauschzone austretenden Masseteilchen schichtweise mit der gleichen Temperaturverteilung der auf einem höheren Niveau angeordneten zweiten Wärmeaustauschzone wieder zuführen zu können. Hierbei wird eine Temperaturverteilung senkrecht zur Bewegung der als Wärmeträger wirkenden Masseteilchen schichtweise derart herbeigeführt oder aufrechterhalten, dass der Wärmeaustausch mindestens näherungsweise nach dem Gegenstromprinzip erreicht wird.
Einerseits wird hierdurch ermöglicht, günstigere Wärmeaustauschverhält- nisse zu erzielen, anderseits kann den Wärmeaustauschzonen eine verhältismässig grosse Durchtritts- fläche für die gasförmigen Medien bei geringer Tiefe der Wärmeaustauschzone gegeben werden. Damit sind die Voraussetzungen für die Herbeiführung eines kleinen Druckabfalles bei sehr grossen Gasströmen gegeben.
Es ist nach Möglichkeit zu erstreben, dass die Strömung zwischen den Wärmeaustauschzonen praktisch homogen unter Aufrechterhaltung einer bestimmten schichtweisen Temperaturverteilung erfolgt. Da nun im Bereiche der Wärmeaustauschzonen bei intensiver Gasströmung unter Umständen die Masseteil- chenströmung durch unterschiedliche Beeinträchtigung der Grenzschichten infolge der Gaskräfte gestört werden, kann eine weitere Verbesserung der angegebenen Wärmeaustauscher dadurch erreicht werden,
dass infolge Neigung der Wärmeaustauschzonen um einen gewissen Winkel die Resultierende aus den auf die Masseteilchen wirkenden Schwerkräfte sowie aus den durch den Gaswiderstand bedingten Kräften in Richtung der Längserstreckung der Wärmeaustauschzone verläuft.
Im folgeden soll die Erfindung näher anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden, die in den Figuren der Zeichnung wiedergegeben sind.
Fig.l zeigt im Schema eine Wärmeaustausch-. vorrichtung gemäss der Erfindung.
Die Fig. 2 und 3 zeigen Einzelheiten der Ausbildung der oberen Wärmeaustauschzone sowie der Masseteilchenzuleitungen.
Die Fig. 4, 5, 5a und 5b geben Einzelheiten des Ableitungssystems mit der Durchsatzregeleinrichtung für die zweite, untere Wärmeaustauschzone wieder.
Fig. 6 zeigt eine etwas abgewandelte Ausführungsform, bei der die Zwischenzone zwischen den Wärmeaustauschzonen in der Durchströmungsrichtung der gasförmigen Medien eingeschnürt ist.
Fig. 7 deutet eine abweichende Anordnung an, bei der der Querschnitt der Zwischenzone 111 zwischen den Wärmeaustauschzonen senkrecht zur Gasströ- mungsrichtung verringert ist.
Fig. 8 gibt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit geneigt angeordneten Wärmeaustauschzonen wieder, bei denen die resultierende Kraft auf die Masseteil- chen, die sich aus der Schwerkraftkomponente und der Widerstandskomponente der Gasströmung ergibt, in Richtung der Längserstreckung der Wärmeaustauschzone verläuft.
In dem Beispiel der Fig. 1 bedeutet 1 eine Wärm> austauschzone, welche durch die gasdurchlässigen Wandteile 1 sowie einen Abschluss an den Stirnseiten bildende gasundurchlässige Wände 2 abgeschlossen ist. Der Wärmeaustauschzone I wird durch einen Kanal 3 seitlich ein durch den Pfeil 4 angedeuteter Kaltgasstrom zugeführt, der von rechts nach links verläuft. 5 bedeutet den auf der anderen Seite der Zone I angeschlossenen Gasableitkanal, durch welchen das Gas nach Anwärmung in der Zone I abgeführt wird. Zur Erwärmung des Gasstromes werden nun der Wärmeaustauschzone von oben durch den Zulauf 6 feinkörnige Speichermasseteilchen A, Fig. 2, z.
B. in Form von Stahlsand, Quarzsand oder Keramikteilchen zugeführt, die unter dem Einfluss der Schwere von oben nach unten strömen. Wie ohne weiteres ersichtlich, wird das kalte Gas, das quer zur Bewegungsrichtung durch die Speichermasseteilchen- schicht hindurchgeführt wird, aufgewärmt.
Die Fig.2 und 3 lassen in grösserem Massstab die Ausbildung der Wärmeaustauschzone I mit dem Masseteilchenzuleitungssystem 6 näher erkennen. Die gasdurchlässigen Wandteile 1 werden durch ein System von geneigten Leisten la gebildet, die ähnlich wie bei einer Jalousie von aussen nach innen geneigt sind und Abstand voneinander aufweisen. Die Leisten la sind mit den Querwänden 2 verbunden. Die vorgesehene Ausbildung der gasdurchlässigen Wände ermöglicht einen Durchtritt der Gasströmung von bzw. zu dem Kanal 3 bzw. 5.
Das Masseteilchen- zuleitungssystem 6, durch welches die gleichmässige Verteilung der Masseteilchen in der Wärmeaustauschzone bewirkt wird, besteht aus mehreren parallelen Zwiegen 6a bis 6c. Jeder der für die schichtweise Verteilung vorgesehenen Zweige 6a bis 6c besteht im wesentlichen aus einem Verteiler 6a" bis 6c" und einer Anzahl von Verteilerrohren. Der in Fig. 3 wie- dergebene Schnitt in die Ebene XX der Fig. 2 lässt die Anordnung der Verteilerrohre 6a1 bis 6az; für den Kanalzweig 6a erkennen.
Als Material für die Wandteile 1 bzw. die Leisten la sowie ferner für die Kanäle 3 und 5 finden je nach den Temperaturen Stahlbleche oder keramische Wandteile, z. B. aus Steatit, Korund oder dergleichen Anwendung.
Die durch Wärmeaustauschzone I geführten Speichermasseteilchen verlaufen nach dem Durchströmen der Wärmeaustauschzone I ohne Änderung der Masseteilchenschichtung durch eine Zwischenzone 1I1, die allseitig durch dichte Wandteile 7 aus Stahlblech oder keramischem Material abgeschlossen ist. An die
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Zwischenzone III schliesst sich die Wärmeaustauschzone II an, der die Speichermasseteilchen von oben aus der Zwischenzone III zuströmen.
Die Wärmeaustauschzone 1I ist wieder genau wie die Wärmeaustauschzone I an den in Richtung der Schichtstärke die Wärmeaustauschzone begrenzenden Wänden durch gasdurchlässige Wandteile 1 abgeschlossen, während an den Stirnseiten undurchlässige Wandteile 2 vorhanden sind.
Die Ausbildung der Zone 1I entspricht ebenfalls den Fig. 2 und 3.8 und 9 bedeuten wiedeeGas- zu-und-ableitungskänale, durch welche in der durch den Pfeil 11 angedeuteten Weise von links nach rechts der Wärmeaustauschzone II ein heisses Gas, beispielsweise das Abgas einer Turbine zugeführt wird, das beim Durchströmen der Wärmeaustauschzone II die innerhalb derselben befindlichen Speichermasseteilchen A aufheizt.
Für die schichtweise Ableitung der Masseteilchen aus der Zone 1I ist die Ableitvorrichtung 12 mit einer Durchsatzregeleinrichtung 13 vorhanden, die ermöglicht, die Masseteilchen der verschiedene Temperaturen aufweisenden Schichten der Wärmeaustauschzone 1I gesonderten Umleitkanälen 14a bis 14c zuzuführen.
Die Fig. 4 und 5 veranschaulichen im einzelnen genauer die Ausbildung des der Wärmeaustauschzone 11 nachgeschalteten Masseteilchenableitsystems 12 mit den drei parallelen Kanalzweigen 12a, 12b, 12c und der Durchsatzregeleinrichtung 13. Die parallelen Zweige 12a bis 12c des Ableitkanalsystems sind in Strömungsrichtung des die Wärmeaustauschzone II durchfliessenden Gasstromes hintereinanderliegend angeordnet.
Wie der in Fig. 5 wiedergegebene Schnitt in der Ebene YY der Fig. 4 zeigt, besteht jeder der Kanalzweige aus einer Anzahl Ableitrohre, im Falle des Kanalsystems 12a aus den Rohren 12a1 bis 12a4 (vergleiche Fig.5), die mit dem oberen Ende in unterhalb der Zone II gleichmässig angeordnete Einlauftrichter einmünden und mit ihrem unteren Ende in die Sammelkästen 12a" eingeführt sind. Dasselbe gilt für die Kanalsysteme 12b, 12c und die Sammel- kästen 12b", 12c".
Aus den Sammelkästen 12a", 12b", 12c" können sodann die Teilströme der Masseteilchenschichten über den Vielfachschieber 13 mit einem Servoantrieb 13a den Umleitkanälen 14a bis 14c zugeführt werden. Durch die Umleitkanäle 14a bis 14e, die mit geeigneten Fördereinrichtungen 15a bis 15e bekannter Art versehen sind, können die Speichermasseteilchen den Verteilern der Kanalzweige 6a bis 6c oberhalb der Wärmeaustauschzone I in bestimmter Schichtverteilung wieder zugeführt werden.
Zur Sicherung gleicher Teilströmungen durch die Rohrkanäle 12a1, 12a2, 12a3, 12a4 sind diese - wie der Querschnitt Z-Z der Fig. 5a in der Fig. 5b zeigt in symmetrisch unterteilte Kammern, und zwar in Form flächengleicher Sektoren der Sammelkästen 12a", 12b", 12c" eingeführt, die sich nur in dem oberen Teil der Sammelkästen befinden und an die sich innerhalb der Sammelkästen ein nicht unterteilter Strömungsraum gleichbleibenden Querschnitts anschliesst.
Durch die homogene Strömung der Masseteilchensäule im letzteren wird eine .Gleichhaltung der Teilströmungen in den Rohrleitungen 12a1, 12a2, 12a3, 12a4 erzwungen.
Als Fördereinrichtung 15a ist in Fig. 1 in der Leitung 14a eine Förderschnecke 15a1 angedeutet, der die Masseteilchen durch den geneigt angeordneten Leitungszweig 14a unterhalb der Zone 1I bzw. Durchsatzregeleinrichtung 13 infolge ihrer Schwerkraft zuströmen. Die Schnecke 15a1 wird von einem Elektromotor 15a2 angetrieben. Sinngemäss sind in den Leitungen 14b und 14c entsprechende Förderschnecken vorgesehen, was zur Vereinfachung in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
Durch die genannten Schnecken werden in den gesonderten Kanälen 14a bis 14c die Masseteilchen der verschiedenen Wärmeschichten der Zone 1I angehoben und den Kanalzweigen 6a bis 6c des Masseteilchenzuleitungssystems 6 über die oberen, fallend angeordneten Abschnitte der Kanäle 14a bis 14c zugeführt. Selbstverständlich können anstelle von Förderschnecken auch andere Fördereinrichtungen, beispielsweise pneumatisch wirkende Fördereinrichtungen, bei der die Teilchen durch den Gasdruck oder die Bewegung eines Gases angehoben werden, vorgesehen werden.
Die Zwischenzone III weist in Richtung der Speichermasseteilchenströmung eine grössere Länge auf. Durch die Zwischenzone werden die unter Umständen unter verschiedenen Drücken stehenden Wärmeaustauschzonen I und II getrennt, wobei entsprechend der Länge der Zwischenzone die mögliche Leckströmung gering gehalten wird. In gleicher Weise wird auch der Strömungswiderstand der Umleitkanäle 14a bis 14e infolge der Länge oder Querschnittsgestaltung so gehalten, dass auch durch diese Kanäle störende Querströmungen in den Wärmeaustauschzonen I und II minimal gehalten werden.
Um die Zu- und Ableitung der Speichermasseteilchen zu und von der Wärmeaustauschvorrichtung möglich zu machen, können oberhalb der Zone I ein Füllkanal und unterhalb der Zone II Entleerungskanäle an die Umleitkanäle 14 angeschlossen sein, was zur Vereinfachung in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Selbstverständlich werden in diesem Falle zum Abschluss der Zu- und Ableitkanäle gegenüber der Wärmeaustauschvorrichtung Schieber oder sonstige Absperrorgane vorgesehen. Die Zonen I und II können auch in ihrer Lage vertauscht sein, das heisst die Zone I unter der Zone II angeordnet sein.
Die Ausbildung der Zwischenzone, Überleitkanäle und Wärmeaustauschzonen gibt die Möglichkeit, eine solche Temperaturschichtung in den Wärmeaustauschzonen I und II herbeizuführen, dass sich in Verbindung mit der Gasströmung und Speichermasseteil- chenströmung in ähnlicher Weise wie bei den rotierenden Speichermassewärmeaustauschern ein Wärmeaustausch nach dem Gegenstromprinzip ergibt.
Die hierfür erforderliche Temperaturverteilung ist darauf zurückzuführen, dass die Speichermasseteilchen im
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wesentlichen wirbelfrei in Form einer Kolbenströmung parallel zu den die Wärmeaustauschzonen I, 1I und die Zwischenzone III begrenzenden Wänden 1, 2 bzw. 7 verlaufen, und dass durch die getrennten Kanäle 14a bis 14c die Speichermasseteilchen in der gleichen Temperaturverteilung über den Zulauf 6 mit den Fülltrichtern 6a bis 6c wieder der Zone I zugeführt werden, wie sie der Zone 1I entnommen sind.
Um die Führung der Speichermasseteilchen in den einzelnen Schichten sicherzustellen, können jedoch unter Umständen auch Zwischenwandteile, insbesondere in der Zwischenzone 11I, vorgesehen sein; ferner kann die Zwischenzone III auch durch ein System von Kanalverzweigungen ersetzt sein, entsprechend den Ableitrohren 12a bis 12c nach Fig. 4 und 5. Hierbei erübrigt sich eine Vielfachschiebereinrichtung, da sich der Masseteilchendurchsatz aus Kontinuitätsgründen dem Durchsatz der tieferliegenden Wärmeaustauschzone anpasst.
Im allgemeinen wird man in den Wärmeaustauschzonen zur Verringerung des Druckabfalles keine Zwischenwandteile zur Masseteilchenführung vorsehen. Jedoch wäre es auch grundsätzlich möglich, innerhalb der Wärmeaustauschzonen selbst gasdurchlässige Zwischenwandteile vorzusehen, die in diesem Falle ebenso wie die Begrenzungswände 1 aus parallel zueinander in der Strömungsrichtung der Speichermasseteilchen verlaufenden Gasdurchtrittsschlitze freilassenden Profilen zusammengesetzt sein können.
Besonders empfiehlt sich die Anwendung der Zwischenwandteile 1, wenn in der Zwischenzone III der Strömungsquerschnitt in Richtung der Schichtstärke verändert ist. In Fig. 6 der Zeichnung ist eine Ausbildung einer Wärmeaustauschvorrichtung für diesen Fall wiedergegeben. Bei dieser Anordnung werden zweckmässigerweise zur Überleitung in die Wärmeaustauschzonen I und 1I geneigte Führungswandteile 17 an die Zwischenwandteile 16 angeschlossen.
Fig. 7 gibt noch eine geänderte Ausführung wieder, bei der der Querschnitt der Zwischenzone III senkrecht zur Schichtstärke eingeschnürt ist. Bei einer derartigen Anordnung können unter Umständen Zwischenwandteile in der Zone III entfallen, da bei einer entsprechenden Gestaltung des Strömungsquerschnittes auch grundsätzlich die ähnlich der einer zähflüssigen Masse verlaufenden Strömung der einzelnen Speichermasseteilchen nicht gestört wird.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 8 unterscheidet sich von dem der Fig. 1 dadurch, dass die beiden Wärmeaustauschzonen I und II um einen Winkel a geneigt sind. Dies hat zur Folge, dass, wie aus dem bei 20 eingetragenen Kräfteparallelogramm hervorgeht, die Resultierende r aus der auf die einzelnen Masseteilchen einwirkenden Gewichtskompomponente g und der durch den Gaswiderstand gegebenen Kraftkomponente w in Richtung der Längserstreckung der Wärmeaustauschzonen verläuft.
Hervorzuheben ist noch, dass bei der Anordung nach Fig. 8 mit geneigt angeordneten Wärmeaustauschzonen bogenförmige Umleitkörper 21 zwischen den vertikal verlaufenden Teilen des Masseteilchenführungskanalsystems angeordnet werden müssen. 14a bis 14d und 15a bis 15d bedeuten die gesonderten Umleitkanäle und Fördereinrichtungen, die die gewünschte Schichtung der Masseteilchen in den Wärmeaustauschzonen I und 1I herbeiführen.
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Heat exchange device working with mass particles as heat carrier There are known heat exchangers that work with storage masses, in which a gaseous medium gives off its heat to the storage mass and the thus heated storage mass is used to rewarm another gaseous medium while releasing the stored heat.
This principle can now be implemented in various ways. For example, it is known to use mass particles moving in the circuit as storage masses through which the various heat exchange media flow in separate chambers. In such heat exchangers known under the name pebble heater, the gaseous media flow through the spherical mass particles arranged in a layer of considerable height, which move downward against the gas movement under the influence of gravity.
For various reasons, there are great difficulties, practically hardly to be overcome, when using this construction principle to implement regenerators for large throughput or gas quantities and small, portable pressure drops.
Another embodiment of heat exchangers is also known in which a mass of storage mass particles accommodated in a disk-shaped rotor is used for heat transfer between two gaseous media in order to enable the heat exchange. The mass particle layer of the rotor is traversed by the gaseous media in opposite directions, whereby a heat exchange according to the countercurrent principle is achieved despite the cross-flow of the gaseous media to the mass particles rotating with the rotor. The gas streams flow in and out under appropriate guidance through a channel system on the end faces of the disk-shaped rotor body.
From a thermal point of view, with arrangements of this type, a relatively favorable heat exchange with a low pressure drop can be achieved with little space required for the heat exchanger system. Difficulties, however, are caused by the sealing of the rotating storage mass body with respect to the required supply and discharge channels for the various gaseous media which have to be introduced into the storage rotor and discharged from it distributed over the circumference of the storage mass flow.
The subject of the invention is the construction of a heat exchange device in which the rotating storage mass system of the last-mentioned heat exchangers is to a certain extent replaced by a constant flow of mass particles circulated in a fixed channel system.
For this purpose, according to the invention, the device is designed in such a way that the storage mass flow is guided in a constant layer distribution one after the other through the two heat exchange zones delimited by gas-permeable walls opposite the gas inlet and outlet channels, and that the gas flows thus exchanging heat with different directions of movement transverse to the movement of the layers of mass particles having a different temperature are guided in such a way that the heat exchange takes place according to the countercurrent principle.
The two heat exchange zones are advantageously separated by an intermediate zone of such a design that the mass particles moving under the influence of gravity through the intermediate zone with the same layered temperature distribution flow over from one heat exchange zone to the other.
The intermediate zone can be of the same cross-section as the heat exchange zones, but the cross-section using
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Guide wall parts are changed or reduced in size to avoid or reduce partial leakage flows of the gaseous medium between the heat exchange zones while maintaining a certain temperature distribution in the layer.
In addition, individual separate transfer channels with conveying devices are advantageously provided between the two heat exchange zones in order to be able to re-feed the mass particles emerging from the lower-lying heat exchange zone in layers with the same temperature distribution to the second heat exchange zone located at a higher level. Here, a temperature distribution perpendicular to the movement of the mass particles acting as the heat carrier is brought about or maintained in layers in such a way that the heat exchange is achieved at least approximately according to the countercurrent principle.
On the one hand, this makes it possible to achieve more favorable heat exchange conditions, on the other hand, the heat exchange zones can be given a relatively large passage area for the gaseous media with a shallow depth of the heat exchange zone. The prerequisites for bringing about a small pressure drop with very large gas flows are thus given.
As far as possible, the aim should be that the flow between the heat exchange zones is practically homogeneous while maintaining a specific layered temperature distribution. Since now in the area of the heat exchange zones with intensive gas flow the mass particle flow may be disturbed by different impairment of the boundary layers due to the gas forces, a further improvement of the specified heat exchangers can be achieved by
that due to the inclination of the heat exchange zones by a certain angle, the resultant of the gravitational forces acting on the mass particles and of the forces caused by the gas resistance runs in the direction of the longitudinal extension of the heat exchange zone.
In the following, the invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments which are reproduced in the figures of the drawing.
Fig.l shows a heat exchange in the scheme. device according to the invention.
FIGS. 2 and 3 show details of the design of the upper heat exchange zone and of the mass particle feed lines.
4, 5, 5a and 5b show details of the discharge system with the flow control device for the second, lower heat exchange zone.
6 shows a somewhat modified embodiment, in which the intermediate zone between the heat exchange zones is constricted in the direction of flow of the gaseous media.
7 indicates a different arrangement, in which the cross section of the intermediate zone 111 between the heat exchange zones is reduced perpendicular to the gas flow direction.
8 shows a further embodiment with inclined heat exchange zones, in which the resulting force on the mass particles, which results from the gravity component and the resistance component of the gas flow, runs in the direction of the longitudinal extension of the heat exchange zone.
In the example in FIG. 1, 1 means a heat exchange zone which is closed off by the gas-permeable wall parts 1 and gas-impermeable walls 2 which form a closure on the end faces. The heat exchange zone I is laterally fed through a channel 3 by a cold gas flow indicated by the arrow 4, which runs from right to left. 5 means the gas discharge channel connected to the other side of Zone I, through which the gas is discharged after it has been heated in Zone I. To heat the gas stream, the heat exchange zone is now fed from above through the inlet 6 fine-grain storage mass particles A, FIG.
B. supplied in the form of steel sand, quartz sand or ceramic particles, which flow from top to bottom under the influence of gravity. As can be seen without further ado, the cold gas which is passed through the storage mass particle layer transversely to the direction of movement is warmed up.
FIGS. 2 and 3 show the formation of the heat exchange zone I with the mass particle feed system 6 on a larger scale. The gas-permeable wall parts 1 are formed by a system of inclined strips la which, similar to a blind, are inclined from the outside inwards and are spaced apart from one another. The strips 1 a are connected to the transverse walls 2. The intended design of the gas-permeable walls enables the gas flow to pass from or to the channel 3 or 5.
The mass particle supply system 6, by means of which the uniform distribution of the mass particles in the heat exchange zone is effected, consists of several parallel branches 6a to 6c. Each of the branches 6a to 6c provided for the layered distribution essentially consists of a distributor 6a "to 6c" and a number of distributor pipes. The section in the plane XX of FIG. 2 reproduced in FIG. 3 shows the arrangement of the distribution pipes 6a1 to 6az; recognize for the channel branch 6a.
As a material for the wall parts 1 or the strips la and also for the channels 3 and 5, depending on the temperatures, steel sheets or ceramic wall parts such. B. from steatite, corundum or the like application.
After flowing through the heat exchange zone I, the storage mass particles passed through the heat exchange zone I pass through an intermediate zone 11, which is closed off on all sides by tight wall parts 7 made of sheet steel or ceramic material, without changing the mass particle stratification. To the
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Intermediate zone III is followed by heat exchange zone II, to which the storage mass particles flow from above from intermediate zone III.
The heat exchange zone 1I is again, just like the heat exchange zone I, closed off on the walls delimiting the heat exchange zone in the direction of the layer thickness by gas-permeable wall parts 1, while impermeable wall parts 2 are present on the end faces.
The design of zone 1I also corresponds to FIGS. 2 and 3.8 and 9 mean again gas supply and discharge channels through which a hot gas, for example the exhaust gas of a turbine, from left to right of heat exchange zone II in the manner indicated by arrow 11 is supplied, which heats the storage mass particles A located within the same as it flows through the heat exchange zone II.
For the layer-by-layer discharge of the mass particles from the zone 1I, the discharge device 12 is provided with a throughput control device 13 which enables the mass particles of the different temperature layers of the heat exchange zone 1I to be fed to separate diversion channels 14a to 14c.
4 and 5 illustrate in more detail the formation of the mass particle discharge system 12 downstream of the heat exchange zone 11 with the three parallel channel branches 12a, 12b, 12c and the throughput control device 13. The parallel branches 12a to 12c of the discharge channel system are in the flow direction of the heat exchange zone II flowing through Gas stream arranged one behind the other.
As the section reproduced in FIG. 5 in the plane YY of FIG. 4 shows, each of the duct branches consists of a number of drainage pipes, in the case of the duct system 12a of the pipes 12a1 to 12a4 (see FIG. 5), which have the upper end open into inlet funnels evenly arranged below zone II and are introduced with their lower end into the collecting boxes 12a ". The same applies to the channel systems 12b, 12c and the collecting boxes 12b", 12c ".
From the collecting tanks 12a ", 12b", 12c "the partial flows of the mass particle layers can then be fed to the diversion channels 14a to 14c via the multiple slide 13 with a servo drive 13a. Through the diversion channels 14a to 14e, which are provided with suitable conveying devices 15a to 15e of known type are, the storage mass particles can be returned to the distributors of the channel branches 6a to 6c above the heat exchange zone I in a specific layer distribution.
To ensure the same partial flows through the pipe channels 12a1, 12a2, 12a3, 12a4, these are - as the cross section ZZ of FIG. 5a in FIG. 5b shows in symmetrically divided chambers, in the form of equal-area sectors of the collecting tanks 12a ", 12b", 12c ″, which are only located in the upper part of the collecting tanks and to which a non-subdivided flow space of constant cross-section is connected within the collecting tanks.
Due to the homogeneous flow of the mass particle column in the latter, the partial flows in the pipelines 12a1, 12a2, 12a3, 12a4 are kept equal.
A screw conveyor 15a1 is indicated as the conveyor 15a in the line 14a in FIG. 1, to which the mass particles flow through the inclined line branch 14a below the zone 11 or throughput control device 13 as a result of its gravity. The worm 15a1 is driven by an electric motor 15a2. Corresponding screw conveyors are provided in lines 14b and 14c, which is not shown in the drawing for the sake of simplicity.
By means of the screws mentioned, the mass particles of the various thermal layers of zone 1I are raised in the separate channels 14a to 14c and fed to the channel branches 6a to 6c of the mass particle feed system 6 via the upper, descending sections of the channels 14a to 14c. Of course, instead of screw conveyors, other conveying devices, for example pneumatically operating conveying devices, in which the particles are raised by the gas pressure or the movement of a gas, can also be provided.
The intermediate zone III has a greater length in the direction of the storage mass particle flow. The heat exchange zones I and II, which may be at different pressures, are separated by the intermediate zone, the possible leakage flow being kept low in accordance with the length of the intermediate zone. In the same way, the flow resistance of the diversion channels 14a to 14e is also kept as a result of the length or cross-sectional configuration so that interfering cross-flows through these channels in the heat exchange zones I and II are kept to a minimum.
In order to make the supply and discharge of the storage mass particles to and from the heat exchange device possible, a filling channel can be connected to the diversion channels 14 above zone I and emptying channels below zone II, which is not shown in the drawing for the sake of simplicity. In this case, of course, slides or other shut-off devices are provided to close off the supply and discharge channels from the heat exchange device. Zones I and II can also be interchanged in their position, that is to say zone I can be arranged below zone II.
The formation of the intermediate zone, transfer channels and heat exchange zones gives the possibility of creating such a temperature stratification in heat exchange zones I and II that, in connection with the gas flow and storage mass particle flow, a heat exchange according to the countercurrent principle results in a manner similar to that of the rotating storage mass heat exchangers.
The temperature distribution required for this is due to the fact that the storage mass particles in the
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essentially eddy-free in the form of a piston flow parallel to the walls 1, 2 and 7 delimiting the heat exchange zones I, 1I and the intermediate zone III, and that through the separate channels 14a to 14c the storage mass particles in the same temperature distribution via the inlet 6 with the filling funnels 6a to 6c are fed back to zone I as they are taken from zone 1I.
In order to ensure the guidance of the storage mass particles in the individual layers, intermediate wall parts, in particular in the intermediate zone 11I, can also be provided under certain circumstances; Furthermore, the intermediate zone III can also be replaced by a system of channel branches, corresponding to the discharge pipes 12a to 12c according to FIGS. 4 and 5. In this case, a multiple slide device is unnecessary, since the mass particle throughput adapts to the throughput of the lower-lying heat exchange zone for reasons of continuity.
In general, in order to reduce the pressure drop, no intermediate wall parts will be provided in the heat exchange zones for guiding mass particles. However, it would in principle also be possible to provide gas-permeable partition parts within the heat exchange zones themselves, which in this case, like the boundary walls 1, can be composed of profiles that run parallel to one another in the flow direction of the storage mass particles and leave free gas passage slots.
The use of the intermediate wall parts 1 is particularly recommended if the flow cross-section in the intermediate zone III is changed in the direction of the layer thickness. In Fig. 6 of the drawing, an embodiment of a heat exchange device is shown for this case. In this arrangement, inclined guide wall parts 17 are expediently connected to the intermediate wall parts 16 for the transition to the heat exchange zones I and 1I.
Fig. 7 shows another modified embodiment, in which the cross section of the intermediate zone III is constricted perpendicular to the layer thickness. With such an arrangement, partitions in zone III can be omitted, since with a corresponding design of the flow cross-section, the flow of the individual storage mass particles, which is similar to that of a viscous mass, is not disturbed.
The embodiment of FIG. 8 differs from that of FIG. 1 in that the two heat exchange zones I and II are inclined by an angle α. This has the consequence that, as can be seen from the parallelogram of forces entered at 20, the resultant r from the weight component g acting on the individual mass particles and the force component w given by the gas resistance runs in the direction of the longitudinal extension of the heat exchange zones.
It should also be emphasized that in the arrangement according to FIG. 8 with inclined heat exchange zones, arcuate diverting bodies 21 must be arranged between the vertically extending parts of the mass particle guide channel system. 14a to 14d and 15a to 15d represent the separate diversion channels and conveying devices which bring about the desired stratification of the mass particles in the heat exchange zones I and 1I.