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Regenerativer Wärmeaustauscher Die Erfindung bezieht sich auf regenerative
Wärmeaustauscher, insbesondere auf einen solchen zur Übertragung von Wärme aus den
heißen Abgasen auf die Verbrennungsluft für eine Gasturbine.
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Im allgemeinen bezieht sich die Erfindung auf regenerative Luftvorwärmer,
bei denen ein Körper aus Wärmeaustauschmaterial zunächst durch ein Heizgas und dann
durch ein anderes Gas, wie z. B. Luft, die Wärme aufnehmen soll. Der Körper aus
Wärmeaustauschmaterial, der von einem Rotor getragen wird, ist von einem Gehäuse
umschlossen, das mit Öffnungen versehen ist, die den Durchtritt des Gases und der
Luft in und durch das Wärmeaustauschmaterial gestatten, um den Gasstrom oder Luftstrom
durch den Raum zwischen dem Rotor und dem Gehäuse derart zu führen, daß er das Wärmeaustauschmaterial
umströmt. Es ist üblich, den Rotor mit Abdichtmitteln zu versehen, die die zueinander
beweglichen Teile trennen.
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Die vorliegende Erfindung zeigt eine verbesserte Konstruktion für
einen regenerativen Wärmeaustauscher mit einem Rotor mit innerem und äußerem Mantel,
die durch radiale Trennwände verbunden sind und das Wärmeübertragungsmaterial enthaltende
Kammern bilden. Die Abdichtmittel, die die zueinander beweglichen Teile voneinander
trennen, stellen sich dabei selbst auf einen minimalen Zwischenraum, und zwar durch
das Gewicht des Rotors. Dies wird dadurch erreicht, daß der innere Rotormantel an
jeder Kammer axial voneinander getrennte Ein- und Auslaßöffnungen aufweist und durch
ihn eine Leitung axial geführt ist, die den Rotor um eine horizontale Achse drehbar
trägt. Diese Leitung ist in zwei Leitungsteile unterteilt, durch die die Gase mit
hohem und mit niedrigem Druck getrennt hindurchgeleitet werden. In jeder Leitung
sind axial getrennte Öffnungen vorgesehen, die über die nacheinander vor sie tretenden
Öffnungen der Kammern einen Durchtritt der Gase zu und von dem Wärmeübertragungsmaterial
ermöglichen.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert,
die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt
durch einen Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen Querschnitt gemäß
Linie 2-2 der Fig. 1, Fig. 3 eine Draufsicht auf die Luftverteilungsarmatur gemäß
der Erfindung mit einer Einrichtung zur Schmierung der Lagerfläche.
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In der Zeichnung bezeichnet 10 den äußeren Mantel eines Rotors, der
in eine Anzahl am Umfang verteilter sektorförmiger Kammern 11 durch: radiale
Trennwände 12 unterteilt ist, durch die er mit dem inneren Rotormantel
14 verbunden ist. Die Rotorkammern 11 enthalten eine Masse regenerativen
Wärmeübertragungsmaterials 16 mit einer großen Zahl Durchgängen für den Durchtritt
von heißem und kaltem Gas.
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Bei der Erfindung füllt die regenerative Wärmeübertragungsmasse
16 die Kammern 11 nicht völlig aus, sondern reicht von dem inneren
Rotormante114 radial nach außen bis an einen Punkt kurz vor dem äußeren Rotormantel
10, so daß ein Raum in jeder Kammer für den Durchtritt von Gas axial zum
Rotor zwischen der äußeren Kante der Masse 16 und dem Rotormantel 10 frei
bleibt, wie später noch beschrieben wird. Der innere Rotormantel 14 ist mit zwei
axial getrennten Sätzen von Einlaß- und Auslaßöffnungen 18 versehen. Diese sind
am Umfang in einer Reihe angeordnet und öffnen sich in jede Kammer. Die heißen und
kalten Gase werden dem Rotor durch eine mittlere Leitung 22 zugeführt, die axial
durch den inneren Rotormantel 14 hindurchgeführt und Öffnungen 23 aufweist, die
axial voneinander getrennt sind, um den Durchtritt von Gas aus der mittleren Leitung
durch die Kammern mit dem Wärmeübertragungsmaterial zu gestatten.
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Die mittlere Leitung 22 ist in eine obere und in eine untere Leitung
24 und 26 durch eine axial verlaufende Trennwand 28 unterteilt. Jede Leitung ist
weiterhin durch eine mittlere Trennwand 32 unterteilt, die in der Mitte zwischen
den beiden Enden des Rotors und senkrecht zu dessen Längsachse angeordnet ist. Außerdem
ist die Leitung 22, die für die Zufuhr verschiedener Gase zu dem Wärmeaustauscher
dient, in ihrem oberen Teil mit einer Lagerung 34 versehen, die sich an die innere
Fläche des Rotormantels 14 anlegt und den Rotor des Wärmeaustauschers in horizontaler
Achse
drehbar trägt. Die Lagerung wirkt auch als Dichtung, um eine Mischung von heißen
und kalten Gasen zu verhindern, die durch den Wärmeaustauscher strömen. Auch wird
verhindert, daß die Gase, die durch die obere Kammer in den Rotor eintreten, entweichen,
wobei die Lagerung Flächen aufweist, die die Öffnungen 23 umgeben, die von der oberen
Kammer in den Rotor führen und die sich an die innere Fläche des Rotormantels
14 dichtend anlegen. Die Lagerung 34 umfaßt die im Umfang voneinander entfernten
Lagerflächen 34a, die zum Rotor in Längsrichtung verlaufen und zu beiden Seiten
der Öffnungen 23 angeordnet sind (Fig. 2 und 3). Die Umfangsabmessung der Flächen
34 ist wesentlich größer als die entsprechende Abmessung der Durchlässe 18 in dem
inneren Rotormantel 14, so daß sie diese Durchlässe übergreifen und demgemäß stets
in dichtender Anlage mit dem Rotormantel 14 stehen. Zwischen der Fläche 34 a liegen
die gekrümmten Flächen 34 b und 34c, die der inneren Fläche des inneren Rotormantels
14 angepaßt sind. Die Flächen 34b liegen unmittelbar außen und die Flächen 34c zwischen
den zwei Reihen Öffnungen 18 in dem inneren Rotormantel, so daß die gebogenen Lagerflächen
sich an undurchbrochene Teile des Rotormantels 14 anlegen. Um die Schmierung des
Lagers zu erleichtern, ist der obere Teil der Leitung 22 verstärkt und mit einem
Schmiermittelkanal 36 versehen, um den Durchtritt von Schmiermittel aus dem Einlaß
37 durch die Öffnungen 41 in die Nuten 41 a in den Lagerflächen zu gestatten.
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Die mittlere Leitung 22 hat geringeren Durchmesser als der innere
Rotormantel 14. Der Rotor liegt auf der Lagerfläche 34. Daher ist zwischen
dem unteren Teil der Leitung 22 und dem entsprechenden Teil des inneren Rotormantels
14 ein Freiraum vorhanden. Um diesen Freiraum abzuschließen, sind zwei halbmondförmig
gestaltete Füllplatten 42 symmetrisch zum unteren Teil der äußeren Fläche der mittleren
Leitung an ihren Enden angeordnet und eine dritte solche Platte in radialer Flucht
mit der Trennwand 32.
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Die Platte 32 verläuft radial durch die Leitung 22, so daß sie das
Gas durch die Öffnung 23 hindurch ablenkt. Das Gas strömt radial durch die Kammern
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und über die regenerative Masse 16 in den Kammern nach außen. Ausgehend
von dem inneren Rotormantel 14 ist eine ringförmige Platte 38 in radialer
Flucht mit der Trennwand 32 angeordnet. Sie hat einen Abstand von dem äußeren Rotormante110
und unterteilt den Rotor in zwei Abteilungen derart, daß das Gas einen U-förmigen
Weg durch den Rotor hindurch nimmt. Es strömt zunächst von der Einlaßöffnung 23
radial nach außen über die Masse 16, wird dann durch den ringförmigen Durchgang
39 gewendet, um anschließend radial nach innen über die Masse 16 an der anderen
Seite der Platte 38 in die Auslaßöffnung 23 einzutreten.
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Der Rotor 10 wird durch ein zylindrisches Gehäuse
40 mit Endplatten 44 umschlossen, die in der Mitte Öffnungen zur Aufnahme
der mittleren Leitung 22 besitzen. Die Endplatten, tragen die Leitung
22,
die mit ihnen fest verbunden ist und die daher den gesamten Rotor trägt.
Das Rotorgehäuse steht auf Füßen 46, wodurch das Gehäuse sachgemäß gehalten
wird, so daß die Lagerflächen 34 symmetrisch zu einer vertikalen Ebene liegen, die
die Achse des Rotors enthält. Am äußeren Umfang des Rotormantels 10 ist eine Treibstoffverzahnung
43 vorgesehen, die durch ein Antriebsritzel 45 angetrieben wird. Das Antriebsritzel
wird durch irgendeine Antriebsmaschine angetrieben. Im praktischen Betrieb werden
heiße Verbrennungsgase durch die untere Leitung 26 hindurchgeleitet. Durch die obere
Leitung 24 strömt vorzuwärmende Verbrennungsluft im Gegenstrom zu den Verbrennungsgasen.
Die Verbrennungsgase sowie die Luft treten durch die Öffnungen 23 hindurch, die
von den Leitungsteilen ausgehen, und strömen radial nach außen in die Kammern 11
und durch die Wärmeübertragungsmasse 16 hindurch. Sie strömen um die Ablenkplatte
38 herum, um alsdann radial nach innen durch die Kammern in die Auslaßöffnungen
23 zu gelangen, durch die die Gase wiederum in die Leitungen gelangen. Von hier
aus werden sie an die Verbrauchsstellen geführt. Die heißen Gase in der Leitung
26 treten mit verhältnismäßig geringem Druck ein, während die kühlere Verbrennungsluft,
die durch die Leitung 24 strömt sowie durch die damit in Verbindung stehenden Rotorkammern
unter verhältnismäßig hohem Druck sich befindet. Aus diesem Grunde könnte sich eine
Undichtigkeit aus der Hochdruckleitung 24 über die Lagerfläche 34 sowie die anliegende
Fläche des inneren Zylindermantels 14 ergeben. Eine solche Undichtigkeit wird aber
durch den Abdichteffekt ausgeschlossen, der durch die Schwerkraft des Rotors auf
der Tragfläche 34 in Zusammenwirkung mit der inneren Fläche des Rotormantels 14
erzielt ist. Die Schwerkraft des Rotors wird durch eine aufwärts gerichtete Kraft
etwas vermindert. Die aufwärts gerichtete Kraft wird durch den Hochdruck in der
Leitung 24 erzeugt, die auf denjenigen Teil des Rotors einwirkt, der dem Hochdruck
ausgesetzt ist. Außerdem wird eine aufwärts gerichtete Kraft an dem Rotor dadurch
erzeugt, daß unter Druck stehendes Schmiermittel in den Schmiermittelkanälen 36
der Lagerkörper strömt.
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Aus der Beschreibung ergibt sich, daß der Hochdruckstrom in der Kammer
24 dauernd durch die abdichtende Wirkung der Berührung zwischen den inneren Flächen
des inneren Rotormantels 14 und der Tragfläche 34 aufrechterhalten wird. Die Abnutzung
zwischen diesen aufeinander beweglichen Flächen wird dadurch auf ein Minimum gehalten,
daß diese Flächen sachgemäß durch ein Schmiermittel geschmiert werden, welches durch
die Kanäle 36 hindurchtritt. Dieses Schmiermittel übt also auch eine abdichtende
Wirkung aus. Selbst wenn eine Korrosion auftritt, liegt der Rotor auf den Lagerflächen
34 auf, und es wird auch hierbei eine wirksame Abdichtung für den Hochdruckgasstrom
aufrechterhalten.