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Die Erfindung betrifft einen regenerativen Wärmetauscher.
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Ein gattungsgemäßer regenerativer Wärmetauscher dient der Wärmeübertragung von wenigstens einem Wärme abgebenden Gasvolumenstrom, beispielsweise Rauchgas (nachstehend auch als Abluft bezeichnet), auf wenigstens einen Wärme aufnehmenden Gasvolumenstrom, beispielsweise Verbrennungsluft (nachstehend auch als Zuluft bezeichnet). Wesentliches Element des regenerativen Wärmetauschers ist hierbei ein sich um eine Rotationsachse drehender Wärmespeicher in Form eines Rotors, der abwechselnd in die wenigstens beiden Gasvolumenströme gedreht wird und sich dabei erwärmt und wieder abgekühlt, wodurch Wärmeenergie von dem einen auf den anderen Gasvolumenstrom übertragen wird. Hierdurch kann einer der Gasvolumenströme, beispielsweise eine Zuluft bzw. Verbrennungsluft einer Verbrennungsanlage, aufgewärmt und ein anderer Gasvolumenstrom, beispielsweise eine Abluft bzw. ein Abgas der Verbrennungsanlage, abgekühlt werden. Der, beispielsweise im Wesentlichen scheibenartig ausgebildete, Rotor weist zwei Stirnseiten und einen im Wesentlichen zylinderförmigen Außenmantel auf. Der Rotor kann segmentiert ausgebildet sein, um eine Vielzahl von Wärmetauscherbereichen aufzuweisen. Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Rotor zusätzliche Wärmespeicherelemente aufweist oder aber die Wärmeübertragung allein durch Aufheizen und Abkühlen von Wandelementen des Rotors erfolgt. Typischerweise ist der Rotor um eine zentrale Rotationsachse drehbar gelagert, wobei diese Rotationsachse in der Regel vertikal ausgerichtet ist. Der Rotor ist an einem Stator gelagert, der den Rotor, abgesehen von den Fluidzu- und -abführungen, mit einem Gehäuse umgibt.
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Zur Abdichtung der durch den regenerativen Wärmetauscher geführten Gasvolumenströme gegeneinander und gegenüber der Außenumgebung sind üblicherweise unterschiedliche Dichtungssysteme vorgesehen, die verschiedenen Abdichtungszwecken dienen und abhängig von ihrem Einsatzort innerhalb des regenerativen Wärmeaustauschers speziellen Anforderungen gewachsen sein müssen. Beispielsweise sollen Umfangsdichtungen, die einen Spalt zwischen dem Rotor und einem den Rotor umgebenden ortsfesten Stator im Außenumfangsbereich des Rotors abdichten, dafür sorgen, dass keine Bypass-Ströme vorbei an dem im Rotor befindlichen Wärmespeicherelementen entstehen und dass keine Gasdurchmischungen der beiden Gase/Fluide untereinander auftreten. Ferner sind Dichtplatten oberhalb und unterhalb der Stirnseiten des Rotors bekannt, mit denen ebenfalls ein Gasaustausch zwischen den beiden Gasvolumenströmen verhindert werden soll. Ein solcher gattungsgemäßer regenerativer Wärmetauscher ist beispielsweise in der
EP000002258999B1 der Anmelderin beschrieben.
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Eine besondere Herausforderung zum Abdichten stellt der sogenannte Kernbereich für den regenerativen Wärmetauscher dar. Der Kernbereich bezeichnete den in Bezug auf die radiale Ausdehnung des Rotors innenliegenden Bereich des Rotors, an dem dieser an einer Lager- und/oder Antriebseinrichtung, üblicherweise mit einer drehenden Welle, konkrete einer Lager- oder Antriebswelle, gelagert ist. Im Kernbereich des regenerativen Wärmetauschers ist der Rotor somit über diese Lagereinrichtung drehbar um die Rotationsachse gelagert. Hierzu ist ein rotierender Teil der Lagereinrichtung, insbesondere eine Welle, mit einem zentral im Rotor gelegenen Rotorkern drehfest verbunden. Der rotierende Teil der Lagereinrichtung rotiert dabei um einen ortsfesten und starren Teil der Lagereinrichtung, der wiederum mit dem Stator, insbesondere einem Gehäuseteil, verbunden ist. Dieses Gehäuseteil des Stators schließt oberhalb und/oder unterhalb des Rotors unter Bildung eines Spalts ab. Über diesen Spalt zwischen Rotor und Gehäuseteil im Kernbereich kann Zuluft und/oder Abluft entweichen und im Innenbereich am Rotor unter Umgehung des Wärmespeichers an diesem vorbei in den Bereich des jeweils anderen Fluids strömen. Diese ungewünschte Vermischung der beiden Fluide miteinander vermindert die Effizienz des Wärmetauschers. Um diese Leckageeffekte einzudämmen, wird eine sogenannte Kernabdichteinrichtung bei solchen Wärmetauschern vorgesehen. Diese dient somit primär einer Abdichtung des Rotors im Innenbereich zur Mitte hin und soll verhindern, dass es zu einer Vermischung der beiden den Rotor durchströmenden Fluide kommt. Mit dieser Art der Abdichtung befasst sich die vorliegende Erfindung.
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Im Kernbereich der gesamten Vorrichtung ist ferner häufig eine sogenannte Wellenabdichtung vorgesehen. Diese dichtet den Austauschraum von Zuluft und Abluft insgesamt im Bereich der Welle zur Außenumgebung hin ab. Die vorliegende Erfindung befasst sich nicht mit einer solchen Wellenabdichtung, sondern mit einer Abdichtung von Zuluft und Abluft zueinander bzw. eine Abdichtung von den Wärmespeicher durchströmenden Fluiden gegenüber dem zentralen Innenteil des Rotors bzw. im Kernbereich, d. h. im zur Rotationsachse des Rotors hin gerichteten Innenbereich des Rotors.
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Erschwert wird ein Abdichten im Kernbereich zusätzlich zur Bewegung des Rotors gegenüber dem Stator des Wärmetauschers insbesondere dadurch, dass bei einer Abdichtung sowohl eine nicht zu vernachlässigende thermische Ausdehnung des Rotorkerns entlang einer parallel zur Rotationsachse verlaufenden Richtung als auch eine senkrecht zur Rotationsachse erfolgende Verschiebung des Gehäuseteils gegenüber dem Rotorkern, verursacht durch ein Temperaturgefälle zwischen den Gasvolumenströmen, berücksichtigt und durch die Kernabdichtung möglichst optimal ausgeglichen werden müssen. Bisherige Lösungsansätze hierzu sind jedoch insbesondere in Bezug auf die auftretenden Restleckagen unbefriedigend.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gattungsgemäßen regenerativen Wärmetauscher dahingehend zu verbessern, dass eine wirkungsvolle Abdichtung im Kernbereich zur Vermeidung eines Gasaustauschs zwischen der Zuluft und der Abluft, insbesondere trotz der durch Temperaturdifferenzen veranlassten Bewegungen der einzelnen Bauteile des regenerativen Wärmetauschers in unterschiedliche Richtungen zueinander, ermöglicht wird.
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Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem regenerativem Wärmetauscher gemäß dem unabhängigen Anspruch. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der wesentliche Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die Kernabdichtung mit einem zusätzlichen bewegbaren Dichtelement zu versehen, über das aufgrund thermisch veranlasster Verformungsprozesse des Rotors Änderungen im Dichtspalt im Kernbereich sowohl in Radialrichtung als auch in Axialrichtung zur Rotationsachse des Rotors ausgeglichen werden können. Das Dichtelement umfasst dazu in nachstehend näher beschriebener Weise insgesamt zwei Dichtflächen, die in einem Winkel, insbesondere senkrecht, zueinander verlaufen und somit einen optimalen Ausgleich auftretender Verformungen und damit Änderungen des Dichtspaltes im Kernbereich ermöglichen. Konkret ist es vorgesehen, dass am Rotor eine die Rotationsachse, insbesondere vollständig, umlaufende und sich in Radialrichtung zur Rotationsachse erstreckende erste Abdichtfläche vorhanden ist. Eine Abdichtfläche bezeichnet vorliegend im Wesentlichen eine Anlagefläche, an der das Dichtelement, insbesondere zumindest in einer Raumrichtung verschiebbar, zu Dichtzwecken anliegt. Ferner ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass am Stator eine zum Stator ortsfeste, die Rotationsachse, ebenfalls insbesondere vollständig, umlaufende und sich in axialer Richtung der Rotationsachse erstreckende zweite Abdichtfläche vorhanden ist. Die erste Abdichtfläche am Rotor und die zweite Abdichtfläche am Stator verlaufen somit in einem Winkel zueinander, insbesondere senkrecht zueinander, und liegen nicht unmittelbar aneinander an. Die Abdichtung des Dichtspaltes im Kernbereich erfolgt erfindungsgemäß über das Dichtelement, welches zur gleichzeitigen Anlage an der ersten und der zweiten Abdichtfläche ausgebildet ist. Damit ermöglicht die Erfindung, in Radialrichtung auftretende und in axialer Richtung auftretende Veränderungen des Dichtspalte, beispielsweise aufgrund thermischer Verformungen des Rotor, separat zu einander allerdings mit ein und demselben Dichtelement auszugleichen, wodurch die Dichtleistung der erfindungsgemäßen Kernabdichteinrichtung erheblich gesteigert werden kann. Dazu ist das Dichtelement erfindungsgemäß derart in der Kernabdichteinrichtung gelagert, dass es in axialer Richtung relativ zum Stator und in Radialrichtung relativ zum Rotor innerhalb eines Ausgleichsbereiches unter Aufrechterhaltung einer Dichtwirkung bewegbar ist. Das Dichtelement verschafft der erfindungsgemäßen Kernabdichteinrichtung somit zwei, Idealerweise senkrecht zueinander orientierte, Bewegungsfreiheitsgrade, über die Änderungen des Dichtspaltes zwischen dem Rotor und dem Stator im Kernbereich in Axialrichtung als auch in Radialrichtung innerhalb eines Toleranzbereiches unter Aufrechterhaltung der Dichtfunktion, insbesondere selbsttätig von der Kernabdichteinrichtung, ausgeglichen werden können. Die Ausbildung der Abdichtflächen am Rotor und am Stator bzw. am Dichtelement ermöglichen somit eine Anpassung der Relativlage des Dichtelements zum Stator und/oder Rotor unter Aufrechterhaltung der Abdichtwirkung durch das an der ersten und der zweiten Abdichtfläche anliegende Dichtelement. Das Ausmaß, wie weit hier ein Ausgleich in Radialrichtung und in axialer Richtung durch die erfindungsgemäße kernabdichtet Einrichtung erfolgen kann, hängt im Wesentlichen mit der Dimensionierung der ersten Abdichtfläche in Radialrichtung und der zweiten Abdichtfläche in axialer Richtung bzw. der entsprechenden Gegenflächen am Dichtelement ab. Hierbei gilt es zu beachten, dass von der Erfindung auch solche Ausführungsformen mit umfasst sind, bei der die erste und/oder zweite Abdichtfläche nahezu linienförmig und die entsprechenden Anlageflächen am Dichtelement mit der gewünschten Breite streifenförmig ausgebildet sind oder umgekehrt. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn sowohl die erste und die zweite Abdichtfläche als auch die entsprechenden Anlagegegenflächen am Dichtelement eine Breite von wenigstens mehreren Zentimetern aufweisen, insbesondere im Bereich von 10 mm bis 200 mm, insbesondere im Bereich von 80 mm bis 100 mm.
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Grundsätzlich ist es möglich, dass die erste Abdichtfläche unmittelbar vom Rotor selbst, beispielsweise einem innenliegenden Zentralteil, gebildet wird. Da die erste Abdichtfläche allerdings im Betrieb vom Dichtelement überglitten wird, kann hier vermehrter Verschleiß auftreten. Ideal ist es daher, wenn die erste Abdichtfläche von einer am Rotor gelagerten und insbesondere austauschbaren Gleitplatte gebildet wird. Die Gleitplatte bezeichnet somit ein an den scheibenartig ausgebildeten Rotor in dessen Kernbereich angesetztes Bauteil, welches speziell zur Anlage des Dichtelementes vorgesehen ist. Die erste Abdichtfläche wird dann entsprechend von dieser Gleitplatte des Rotors gebildet.
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Da die Gleitplatte und das Dichtelement im Arbeitsbetrieb aufeinander abgleiten, treten an dieser Stelle zum Teil nicht unerhebliche Reibungserscheinungen auf. Um den Reibungskräften entgegenzuwirken, ist es bevorzugt, wenn die Gleitplatte zumindest teilweise, insbesondere im Bereich der ersten Dichtfläche, aus einem Gussmaterial oder einem Kunststoff, insbesondere PTFE (Polytetrafluorethylen), besteht. Gleiches gilt entsprechend für das Dichtelement.
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Idealerweise ist die Gleitplatte als ein Gleitring ausgebildet. Die in Ihrer Gesamtheit im Wesentlichen hohlzylindrische Gleitplatte weist somit einen Innendurchmesser, einen Außendurchmesser sowie eine Höhe auf. Im praktischen Einsatz liegt die Höhe des Gleitrings bevorzugt in einem Bereich von 5 mm bis 50 mm, insbesondere im Bereich von 10 mm bis 30 mm. Dies stellt im Hinblick auf Verschleiß und Fertigung, insbesondere im Hinblick auf das Gewicht, eine optimale Größenordnung dar. Die Gleitplatte kann somit insbesondere ein Hohlzylinder, insbesondere mit den vorstehend genannten Abmaßungen, sein. Die Gleitplatte kann dabei einstückig, insbesondere auch materialeinheitlich, ausgebildet sein. Um den Montage- und/oder Austauschvorgang jedoch zu erleichtern, ist es bevorzugt, wenn die Gleitplatte in Form einzelner, insbesondere zu einander baugleicher, Segmente ausgebildet ist.
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Auch zur konkreten Ausbildung der zweiten Abdichtfläche kann grundsätzlich auf mannigfaltige Variationen zurückgegriffen werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die zweite Abdichtfläche von einem vom Stator zum Rotor hin vorstehenden, insbesondere die Rotationsachse, ganz besonders vollständig, umlaufenden Anlage- bzw. Abdichtblech gebildet. Das Anlageblech bildet somit bevorzugt in seiner Gesamtheit ebenfalls, zumindest im Bereich der zweiten Anlagefläche, einen Hohlzylinder und ist ortsfest mit dem Stator verbunden. Dabei ist es ganz besonders bevorzugt, wenn bei der Ausbildung des Anlageblechs dem Anlageblech eine gewisse Elastizität beigemessen wird, damit dieses Verstellbewegungen des Dichtelements insbesondere in Radialrichtung ausgleichen bzw. diesen zumindest in begrenztem Umfang folgen kann. Ein besonders bevorzugtes Material zur Ausbildung der Anlagebleche ist beispielsweise Baustahl, insbesondere wetterfester Baustahl, oder Edelstahl (jeweils insbesondere nach DIN EN 10025-5 und DIN EN 10020).
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Wesentlich für die konkrete Ausbildung des Dichtelements ist dessen Eignung, gleichzeitig an der ersten und der zweiten Abdichtfläche, insbesondere wie sie vorstehend beschrieben worden sind, anzuliegen. Eine bevorzugte konkrete Umsetzung zeichnet sich dadurch aus, dass das Dichtelement eine sich in Radialrichtung zur Rotationsachse erstreckende erste Anlagefläche zur Anlage an die erste Abdichtfläche und eine sich in axialer Richtung erstreckende zweite Anlagefläche zur Anlage an die zweite Abdichtfläche aufweist. Die Anlageflächen des Dichtelements verlaufen somit bevorzugt parallel zu den jeweiligen Gegenflächen (Abdichtflächen) am Rotor und am Stator, wodurch eine besonders effiziente Abdichtung erreicht wird, da auch bei verschiedenen Relativlagen des Dichtelements zum Rotor und/oder zum Stator jeweils eine flächige Anlagefläche zur Abdichtung erhalten wird. Idealist es ergänzend oder alternativ ferner, wenn das Dichtelement derart dimensioniert und ausgebildet ist, dass es von der Rotationsachse in Radialrichtung aus gesehen mit einer seiner Außenflächen an der zweiten Abdichtfläche des Stators anliegt. Die zweite Abdichtfläche des Stators umläuft mit anderen Worten das Dichtelement in Radialrichtung gesehen außen und umgreift somit die zweite Abdichtfläche. Dies ermöglicht eine besonders zuverlässige Lagerung des Dichtelements und optimale Ausgleichergebnisse bei thermischen Verformungen.
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Die aneinander anliegenden Abdichtflächen am Rotor und am Dichtelement sind ferner bevorzugt als plane Flächen ausgebildet. Die aneinander anliegenden Abdichtflächen am Stator und am Dichtelement sind dagegen bevorzugt als umlaufende Zylinderflächen ausgebildet.
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Das Dichtelement ist bevorzugt zweischenkelig ausgebildet, wobei die erste und die zweite Anlagefläche jeweils von je einem der, insbesondere senkrecht aufeinander stehenden, Schenkel gebildet werden. Im Querschnitt ist das Dichtelement somit in Form eines Winkelelements ausgebildet, wobei sich die erste Anlagefläche und damit der erste Schenkel im Wesentlichen in Radialrichtung und die zweite Anlagefläche und damit der zweite Schenkel im Wesentlichen in axialer Richtung parallel zur Rotationsachse erstrecken. Dabei setzt der zweite Schenkel ganz besonders bevorzugt am in Radialrichtung außen liegenden Bereich des ersten, sich in Radialrichtung erstreckenden Schenkels an.
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Konkret besteht das Dichtelement somit insbesondere aus einem Dichtring mit einer besonders bevorzugt an der Außenmantelfläche liegenden zweiten Abdichtfläche, und eine Dichtscheibe mit einer, insbesondere auf der dem Dichtring abgewandten Scheibenseite, liegenden ersten Anlagefläche. Der Dichtring und die Dichtscheibe stoßen dabei bevorzugt unmittelbar aneinander und sind ganz besonders bevorzugt materialeinheitlich ausgebildet.
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Auch für die Ausbildung des Dichtelements ist es zwar grundsätzlich möglich, dass dieses einstückig ausgebildet ist. Im Hinblick auf einen, beispielsweise verschleißbedingten, Austausch des Dichtelements ist es jedoch vorteilhaft, wenn dieses aus mehreren, insbesondere zueinander baugleichen, Einzelsegmenten besteht, die in ihrer Gesamtheit das Dichtelement bilden.
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Dadurch, dass die Relativlage des Dichtelementes durch dessen Anlage an der ersten Abdichtfläche in axialer Richtung und an der zweiten Abdichtfläche in Radialrichtung definiert ist, ist es für eine Ausführungsform, bei der der regenerative Wärmetauscher eine vertikal verlaufende Rotationsachse aufweist, bevorzugt, wenn das auf der in vertikaler Richtung gesehen oberhalb des Rotor positionierte Dichtelement gegenüber dem Rotor und dem Stator schwimmend gelagert ist. Bei dieser Ausführungsform ist somit eine zusätzliche Lagereinrichtung, über die das Dichtelement in einer gewünschten Position gehalten wird, verzichtbar, da es allein aufgrund seiner eigenen Gewichtskraft in Anlage am Rotor gehalten wird.
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Die vorstehend beschriebene schwimmende Lagerung des Dichtelementes ist jedoch nicht für sämtliche Positionierungen des Dichtelements möglich, beispielsweise bei einer Positionierung des regenerativen Wärmetauschers mit horizontaler Rotationsachse oder, bei vertikaler Rotationsachse in Bezug auf das in vertikaler Richtung unterhalb des Rotors angeordnete Dichtelement. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist daher eine Lagereinrichtung für das Dichtelement vorgesehen, die bevorzugt ein Federelement umfasst, mit dem insbesondere der Anlagedruck des Dichtelements am Rotor verstellbar ist. Das Federelement kann dabei beispielsweise einen Anpressdruck in Richtung auf den Rotor ausüben. Sofern eine solche Lagereinrichtung für einen in vertikaler Richtung gesehen oberhalb des Rotor angeordnetes Dichtelement vorgesehen ist, kann es jedoch auch sinnvoll sein, das Federelement auf Zug zu gestalten, sodass der gewichtskraftbedingte Anlagedruck des Dichtelements an der ersten Abdichtfläche des Rotors über die Lagereinrichtung vermindert wird. Neben der Funktion der Lagereinrichtung, eine definierte relative Lage des Dichtelement gegenüber dem Rotor zu gewährleisten, kann mithilfe der Lagereinrichtung somit auch der Anlagedruck des Dichtelementes insbesondere an der ersten Abdichtfläche optimiert werden. Ein typisches Federelement kann beispielsweise eine Zug- oder Druckfeder sein.
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In diesem Zusammenhang sind auch weiterführende Weiterbildungen denkbar und von der Erfindung mit umfasst. So kann beispielsweise ein Regelsystem vorgesehen sein, welches den Anpressdruck beispielsweise in Abhängigkeit von einem Drehwiderstand des Rotors, der unter anderem auf Reibungserscheinungen zwischen dem Dichtelement und dem Rotor zurückgeht, regelt.
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Die konkrete Ausgestaltung der Lagereinrichtung kann variieren. Bevorzugt ist die Lagereinrichtung jedoch am Stator befestigt und umfasst in Richtung der Rotationsachse vorstehende Haltearme, die mit dem Dichtelement verbunden sind. Um einen Verstellbereich des Dichtelements in axialer Richtung zu ermöglichen, sind die Haltearme idealerweise in ihrer Länge in Richtung der Rotationsachse verstellbar, beispielsweise über die vorstehend bereits genannten Federelemente oder vergleichbare Einrichtungen. Um eine stabile Positionierung des Dichtelement es zu ermöglichen, sind bevorzugt insgesamt wenigstens drei, besonders bevorzugt wenigstens vier solcher Haltearme von der Lagereinrichtung umfasst, insbesondere in in Umfangsrichtung zur Rotationsachse gleichen Winkelabständen, um eine gleichmäßig verteilte Lagerung des Dichtelements zu ermöglichen.
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Wie vorstehend bereits erwähnt, befasst sich die Erfindung durch die Bereitstellung der erfindungsgemäßen Kernabdichteinrichtung mit der Kernabdichtung in einem regenerativen Wärmetauscher. Bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen regenerativen Wärmetauschers umfassen somit ergänzend zur erfindungsgemäßen Kernabdichteinrichtung eine Wellenabdichtung, über die eine Abdichtung der den Wärmetauscher durchströmenden Fluide zu einer Außenumgebung hin im Bereich der drehenden Lager- und/oder Antriebswelle erfolgt, und/oder eine Axialdichtung, über die eine Abdichtung im Außenumfang des Rotor gegen eine Vermischung der den Wärmetauscher durchströmenden Fluide erfolgt, und/oder eine Radialabdichtung, mit der eine Vermischung der den Wärmetauscher durchströmenden Fluide auf jeweils einer Stirnseite des Rotor erfolgt, und/oder eine Umfangsdichtung, die einen Spalt zwischen dem Rotor und einem den Rotor umgebenden ortsfesten Stator im Außenumfangsbereich des Rotors abdichtet und dafür sorgen soll, dass keine Bypass-Ströme vorbei an den im Rotor befindlichen Wärmespeicherelemente auftreten und keine Gasdurchmischungen der beiden Gase untereinander erfolgen, vorgesehen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in den Figuren schematisch angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht eines regenerativen Wärmetauschers;
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2a Dichtungsplatten einer Radialrichtung für den regenerativen Wärmetauscher;
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2b Draufsicht auf den regenerativen Wärmetauscher;
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3 einen Teil des Kernbereiches des regenativen Wärmetauschers;
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4 ist eine Detailansicht des Kernbereiches des regenerativen Wärmetauschers;
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5 ist eine weitere Detailansicht des regenerativen Wärmetauschers.
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Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Sich wiederholende Elemente sind zum Teil nicht in jeder Figur gesondert bezeichnet.
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Die 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines regenerativen Wärmetauschers 1. Solche regenerativen Wärmetauscher 1 werden beispielsweise in Verbrennungsanlagen, wie z. B. einem Steinkohle-Dampfkraftwerk verwendet, und sollen Wärme von einem erhitzen Abluftstrom 3, insbesondere einem Abgasstrom, auf einen zu erwärmenden Zuluftstrom 4, insbesondere eine Verbrennungsluft, übertragen. Wesentliches Merkmal des regenerativen Wärmetauschers 1 ist ein als Rotor 10 ausgebildeter Wärmetauscher, der Wärme von wenigstens einem durch den Rotor 10 tretenden Gasvolumenstrom, vorzugsweise der Abluft 3, auf einen anderen durch den Rotor 10 tretenden weiteren Gasvolumenstrom, vorzugsweise die Zuluft 4, überträgt. Hierzu ist es vorgesehen, dass die Abluft 3 den Rotor 10 in einem ersten Teilbereich des regenerativen Wärmetauchers 1 durchströmt und die Zuluft 4 den Rotor 10 in einen zweiten Teilbereich durchströmt. In 1 ist die Abluft 3 als nach oben gerichteter Gasvolumenstrom und die Zuluft 4 als nach unten gerichteter weiterer Gasvolumenstrom dargestellt. Die Rotationsachse R des Rotors < 10 verläuft in Vertikalrichtung. Zur Führung der Zuluft 4 und Abluft 3 sind jeweils Kanäle 2 vorgesehen, die die Zuluft 4 und die Abluft 3, jeweils zum ersten Teilbereich bzw. der zweiten Teilbereich des regenerativen Wärmetauschers 1 zuführen und nach dem Durchtritt aus dem Rotor 10 wieder abführen. Zur Wärmeübertragung ist es für den regenerativen Wärmetauscher 1 vorgesehen, dass der Rotor 10 im ersten Teilbereich erwärmt wird (Rauchgassektor zur Abkühlung der Abluft) und anschließend der erwärmte Rotorbereich durch eine Rotation um eine zentrale Rotationsachse R in den zweiten Teilbereich (Luftsektor zur Erwärmung der Zuluft) überführt wird. Dadurch steht der erwärmte Rotorbereich der Zuluft 4 als Wärmequelle zur Verfügung und überträgt entsprechend die Wärme auf die Zuluft 4. Zur Effizienzsteigerung können Thermoelemente, beispielsweise aus Keramik, oder ein System von entlang der Luftströme ausgerichteten Kanälen im Rotor 10 vorgesehen. Zur weiteren Effizienzsteigerung ist es ferner wünschenswert, dass Zuluft 4 und Abluft 3 auf ihren Seiten möglichst vollständig durch den Rotor 10 treten und zudem Leckagen zur Außenumgebung hin vermieden werden. Um zu vermeiden, dass die Zuluft 4 bzw. die Abluft 3 durch einen sich radial zwischen der Rotor 10 und einem den Rotor 10 umgebenden Stator 20 erstreckenden Spalt 15 hindurchtritt, ohne den Rotor 10 zu passieren, sind beispielsweise Axialdichtungen, Radialdichtungen und Wellenabdichtungen (in 1 nicht dargestellt) in an sich bekannter Weise zwischen dem Rotor 10 und dem den Rotor 10 umgebenden Stator 20 sowie einer drehenden Welle (Lagerwelle oder Antriebswelle) des Rotors 10 vorgesehen.
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Eine besondere Herausforderung für regenerative Wärmetauscher 1 besteht darin, auch im Innenbereich eine möglichst vollständige Führung der Abluft 3 und der Zuluft 4 durch den Wärmespeicher des Rotors 10 zu ermöglichen und dabei ein Vermischen der beiden Gasströme untereinander zu unterbinden. Dieser Kernbereich ist in 1 mit 16 bezeichnet. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Abdichtung dieses Bereiches, um einen Übertritt des einen Fluids in den Bereich des anderen Fluids in diesem Kernbereich zu verhindern.
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Ein Beispiel einer weiteren Abdichteinrichtung, die nicht auf den Kernbereich 16 abzielt, ist in der 2a näher angegeben. Die dort gezeigte Radialdichtung umfasst mehrere sich in Radialrichtung erstreckende Dichtungsplatten 7, die entlang einer parallel zur Rotationsachse verlaufenden Richtung unterhalb und oberhalb des Rotors 10, insbesondere oberhalb und unterhalb der Stirnseiten des Rotors 10, angeordnet sind. Diese Dichtplatten wirken jedoch nicht im Kernbereich 16.
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Die Vermeidung eines Fluiddurchtritts im Kernbereich unter Umgehung des Wärmespeichers des Rotors 10 wird zudem dadurch erschwert, dass der Rotor 10 sich wegen der systembedingten Temperaturschwankungen im regenerativen Wärmetauscher 1 entlang einer parallel zur Rotationsachse R verlaufenden Richtung ausdehnt und zusätzlich der zwischen Abluft 3 und Zuluft 4 bestehende Temperaturunterschied eine Verschiebung des im Kernbereich 16 angeordneten Gehäuseteils 12, wie es in 2b illustriert ist, bedingt, die zusätzliche Herausforderungen an eine effiziente Abdichtung in diesem Bereich darstellen.
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Der Kernbereich 16 umfasst gemäß 1 neben einer Lagereinrichtung 6, die zur Rotation des Rotors 10 vorgesehen ist, ein ortsfestes Gehäuseteil 12 des Stators 20, wobei die Lagereinrichtung 6 zumindest teilweise innerhalb des Gehäuseteils 12 angeordnet ist. Im Kernbereich 16 ist einerseits darauf zu achten, dass weder der Gasvolumenstrom noch der weitere Gasvolumenstrom über ein vom Gehäuseteil 12 umschlossenen Innenraum nach außen, d. h. in eine den regenerativen Wärmetauscher 1 umgebende Außenatmosphäre 5, ausweichen, und zum anderen, dass kein Gasaustausch zwischen dem Gasvolumenstrom und dem weiteren Gasvolumenstrom erfolgt. Um ein Entweichen in die Atmosphäre 5 zu verhindern, umfasst der Kernbereich 16 üblicherweise eine Wellendichtung 14 (in 3 näher dargestellt), die an der Lagereinrichtung 6, vorzugsweise innerhalb des Gehäuseteils 12, angeordnet ist. Insbesondere ist die Wellendichtung 16 an einem in den Innenraum des Gehäuseteils 12 erstreckenden Vorsprung 13 statorseitig angeordnet und liegt abdichtend an einer Welle 11 der Lagereinrichtung 6 an. Diese Wellendichtung 14 stellt daher auch nicht die erfindungswesentliche Kernabdichtung dar, da sie hierzu weder von ihrer Position noch ihrer funktionalen Auslegung geeignet ist. Die erfindungsgemäße Kernabdichteinrichtung 8 wirkt den mit den Pfeilen a und b in 3 angedeuteten Bypassströmungen entgegen, bei denen die Fluide den Rotor 10 im Kernbereich aber außerhalb der Wärmespeicherrums 10' des Rotors 10 passieren
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Die 3 zeigt in einem Ausschnitt (Ausschnitt A aus 1) den in Vertikalrichtung oberen Teil des Kernbereiches 16 des regenerativen Wärmetauschers 1 aus 1 im Detail. Eine Ausschnittvergrößerung des Teilbereiches B ist in 4 und eine Ausschnittvergrößerung des Teilbereiches C ist in 5 wiedergegeben. Nachstehend wir auf eine Zusammenschau der 3 bis 5 zur näheren Erläuterung der erfindungsgemäßen Ausbildung des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Kernabdichteinrichtung 8 Bezug genommen.
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Der Gehäuseteil 12 des Stators 20 erstreckt sich konzentrisch um die Rotationachse R und ist über eine Stützplatte 17 mit dem ortsfesten Teil der Lagereinrichtung 6 verbunden. Die nachstehenden Ausführungen gelten sowohl für ein Gehäuseteil 12, das in Richtung der Rotationsachse R gesehen oberhalb des Rotors 10 angeordnet ist, als auch für ein solches, dass in Richtung der Rotationsachse R gesehen unterhalb des Rotors 10 angeordnet ist. Aus Übersichtlichkeitsgründen wird im Folgenden lediglich der Kernbereich 16 sowie die Ausgestaltung der Kernabdichteinrichtung 8 oberhalb des Rotors 10 beschrieben. Sofern es nicht explizit erwähnt ist, lassen sich alle Aspekte, insbesondere in Bezug auf die Ausgestaltung der Kernabdichteinrichtung 8, auch auf den Kernbereich 16 unterhalb des Rotors 10 und insbesondere eine dort vorgesehene weitere Kernabdichtung 8 übertragen (in der konkreten Ausgestaltung dann in um eine senkrecht zur Rotationsachse verlaufende Ebene gespiegelt).
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Erfindungsgemäß umfasst die Kernabdichteinrichtung 8 eine erste Abdichtfläche 21, eine zweite Abdichtfläche 22 und ein Dichtelement 23.
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Die erste Abdichtfläche 21 ist, wie insbesondere in 5 ersichtlich, ortsfest am Rotor 10 angeordnet. Im konkreten Ausführungsbeispiel bildet die erste Abdichtfläche 21 eine ringförmig ausgebildete Gleitplatte 18, die auf einer Stirnseite mit einer Tragstruktur des Rotors 10 verbunden ist und auf ihrer gegenüberliegenden Stirnseite die plan ausgebildete erste Abdichtfläche 21 aufweist. Die erste Abdichtfläche 21 weist dabei eine radiale Breite B1 auf, die die Radialerstreckung der Abdichtfläche 21 in Bezug auf die Rotationsachse R bezeichnet. Die Gleitplatte 18 ist als austauschbares Verschleißelement konstruiert und beispielsweise aus einem Gussmaterial oder PTFE gefertigt. Durch die spezielle Materialauswahl können Verschleißerscheinungen vermindert werden, sodass die Standzeit der Gleitplatte 18 erheblich verlängert werden kann.
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Die zweite Abdichtfläche 22 ist ortsfest am Stator und wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem in axialer Richtung der Rotationsachse R in Richtung des Rotors vorspringenden Dichtblech 9 bzw. Abdichtblech gebildet. Konkret dient die im Bereich der der Befestigungsseite des Dichtbleches 9 am Stator 20 gegenüberliegende Endseite liegende Innenfläche, die sich somit in Richtung der Rotationsachse R erstreckt, als Anlagefläche für das nachstehend noch näher beschriebene Dichtelement 23. Die aktuelle axiale Erstreckung der Abdichtfläche 22 ist mit B2 bezeichnet, erstreckt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel allerdings darüber hinaus in Richtung Stator 20.
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Das Dichtelement 20 weist eine erste Anlage- bzw. Abdichtfläche 24 und gleichzeitig eine zweite Anlage- bzw. Abdichtfläche 25 auf. Die erste Abdichtfläche 24 und die zweite Abdichtfläche 25 verlaufen in einem senkrechten Winkel zueinander. Die erste Abdichtfläche 24 erstreckt sich in Radialrichtung zur Rotationsachse R und die zweite Abdichtfläche 25 erstreckt sich in axialer Richtung der Rotationsachse R. Das insgesamt zweischenkelig ausgebildete Dichtelement 23 besteht somit aus einer Dichtscheibe 26 und einer Dichthülse 27, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel fest miteinander verbunden sind, insbesondere materialeinheitlich.
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Die mit dem Dichtelement 23 erreichte Dichtwirkung wird dadurch erreicht, dass dieses mit seiner ersten Abdichtfläche 24 direkt auf der ersten Abdichtfläche 21 des Rotors 10 und mit seiner zweiten Abdichtfläche 25 direkt an der zweiten Abdichtfläche 22 des Stators 20 anliegt und dabei Verformungen des Rotor 10 bzw. Lageänderungen der Dichtflächen 21 und 22 des Rotors 10 und des Stators 20, insbesondere in axialer Richtung der Rotationsachse R sowie in Radialrichtung der Rotationsachse R des Rotors 10, ausgleichen kann. Das Ausmaß, wie weit die Ausgleichfunktion des Dichtelements 23 aufrechterhalten wird, hängt maßgeblich von der Ausgestaltung der breiten B1 und B2 und/oder der Radialerstreckung der ersten Abdichtfläche 24 und der Axialerstreckung der zweiten Abdichtfläche 25 des Dichtelement 23 ab. Die konkreten Größenordnungen können hier in Abhängigkeit vom praktischen Einsatzfall unter Aufrechterhaltung des vorstehend beschriebenen Ausgleichsprinzips variieren.
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Ein weiteres wesentliches Element der Kernabdichteinrichtung 8 ist eine Lagereinrichtung 28, die eine Lagerung des Dichtelements 23 am Stator 20 ermöglicht. Hierzu ist festzuhalten, dass für die in den 3, 4 und 5 gezeigte Ausbildung der Kernabdichteinrichtung 8 grundsätzlich eine schwimmende Lagerung des Dichtelements 23 möglich ist, da dieses durch die Anlage am Stator 20 (über die zweite Abdichtfläche 25) sowie schwerkraftbedingt auf dem Rotor 10 (über die erste Abdichtfläche 21) in Position gehalten wird. Eine erfindungsgemäße Lagereinrichtung 28 kann allerdings dennoch verwendet werden, um die Positionierung des Dichtelement 23 einerseits besser definieren zu können und andererseits auch eine Positionierung des Dichtelement 23 in vertikaler Richtung gesehen unterhalb des Rotors 10 (oder bei horizontaler Ausrichtung der Rotationsachse R des Rotors 10 bei seitlicher Anordnung des Dichtelements 23) zu ermöglichen. Wesentliche Elemente der Lagereinrichtung 28 sind ein am Stator befestigter Haltearm 29, umfassend einen Befestigungsbolzen 30 mit entsprechenden Befestigungsmuttern 31, eine Abstandshülse 32 sowie einem endseitig zum Dichtelement 23 hin angeordneten Federelement 33, im vorliegenden Beispiel eine Druckfeder, die über eine Federhülse 34 mit dem Dichtelement 23 auf der der zweiten Abdichtfläche 25 gegenüberliegenden Seite am Dichtring 26 angeordnet ist.
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Mit der vorliegend beschriebenen Anordnung kann der Anpressdruck des Dichtelements 23 auf die Gleitplatte 18 des Rotors 10 somit im Vergleich zum durch das Eigengewicht des Dichtelements 23 hervorgerufenen Anpressdruck vermindert werden. Die zwischen der Gleitplatte 18 und der ersten Abdichtfläche 24 des Dichtelements 23 auftretende Reibung kann auf diese Weise vermindert werden.
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Für die Ausbildung der Kernabdichteinrichtung 8 beispielsweise auf der im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht gezeigten Unterseite des Rotors 10 kann anstelle der vorliegenden Anordnung die Druckfeder so positioniert werden, dass sie das Dichtelement 23 in axialer Richtung der Rotationsachse R gesehen an einen Gleitring 18 auf der Unterseite des Rotors 10 andrückt.
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Es ist ferner möglich, eine Regeleinrichtung vorzusehen, die den Anpressdruck, beispielsweise in Abhängigkeit von der für die Rotationsbewegung des Rotors 10 erforderlichen Antriebsleistung, regelt, beispielsweise über elektromotorische und/oder hydraulische Stelleinrichtungen als Teil der Lagereinrichtung 28.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 000002258999 B1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 10025-5 [0013]
- DIN EN 10020 [0013]
