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Umlaufender Regenerativ-Wärmeaustauscher: Die Erfindung bezieht sich
auf umlaufende Regenerativ-Wärmeaustauscher; wie sie beispielsweise in Feuerungsanlagen
benutzt werden, um mittels der heißen Rauchgase die Verbrennungsluft vorzuwärmen.
Die Durchleitung der beiden wärmeaustauschenden Gase durch den die Wärmespeichermasse
tragenden Rotor erfolgt in der Regel im-Gegenstrom. Infolge= dessen liegen in beiden
Strömungskanälen die höheren Temperaturen im Bereich der gleichen Rotorstirnfläche
und die niedrigeren Temperaturen im Bereich der anderen Rotorstirnfläche. Der Rotor
erfährt daher eine unterschiedliche Wärmedehnung, die ihren größten Wert auf der
»heißen Seite« aufweist, während die Temperaturen und dementsprechend die Wärmedehnungen
in, Richtung zur anderen Rotorstirnfläche, nämlich der »kalten Seite«, stetig abnehmen.
Infolgedessen verformt sich der Rotor zu einer Kugelkalotte.
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Wenngleich der Halbmesser der Kugelkalotte sehr groß ist und die Verwerfung
hinsichtlich der mechanischen Beanspruchung des Rotors keine Bedeutung besitzt,
so spielt diese Verwerfung aber doch hinsichtlich der Güte der Abdichtung eine große
Rolle. Eine einwandfreie Trennung der beiden wärmeaustauschenden Gasströme ist um
so besser vorzunehmen, je geringer die Rotorverwerfung ist, je weniger freies Spiel
also zwischen den abdichtenden Organen und dem Rotor vorgesehen werden muß.
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Um der Rotorverwerfung Rechnung zu tragen, wurden schon verschiedene
Vorschläge gemacht,. beispielsweise die Anbringung einer nachgiebigen Abdichteng,
die etwa die Form eines parallel verschieblichen Parallelogramms aufweist. Da aber
die einzelnen gelenkig miteinander verbundenen Seiten dieses Parallelogramms, die
als Leisten oder als ganze Abdichtplatten ausgebildet sein können, ihrerseits in
sich starr und gerade bzw. eben sind, so kann eine Anpassung an die Rotorverwerfung
nur in gewisser Annäherung erfolgen, und zwar in dem Maße, als die Seiten des Parallelogramms
sich als Tangenten an die Kugelkalotte anlegen können.
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Von Interesse ist auch ein Vorschlag, der von dem Bestreben ausgeht
die Rötorverwerfung gar nicht zur Entstehung kommen zu lassen, also nicht die Folgen
solcher Verwerfungen, sondern vielmehr die Ursachen zu beseitigen. Dieses soll dadurch
geschehen, daß der Rotor mit Kanälen versehen wird, die von einem temperaturregelnden,
flüssigen oder gasförmigen Medium durchströmt werden. Hierdurch soll also den ungleichmäßigen
Erwärmungen des Rotors durch die beiden wärmetauschenden Medien entgegengewirkt
werden. Wenngleich dieser Vorschlag theoretisch sehr überzeugend wirkt, so hat sich
seine Einführung in die Praxis bisher aber doch noch nicht feststellen lassen, und
zwar offenbar deshalb nicht, weil dieses zusätzliche Kanalsystem eine wesentliche
Komplizierung und daher Verteuerung bedeutet und notwendigerweise auch eine zusätzliche
Fehlerquelle darstellt, die die Betriebssicherheit herabsetzt.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aller dieser Schwierigkeiten
aus. Sie zeigt einen neuen Weg zu deren Verminderung, und zwar ist der umlaufende
Regenerativ-Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das
Verhältnis des Nabendurchmessers zum Rotoraußendurchmesser etwa 0,3 bis 0,6
beträgt. Das wesentliche Merkmal besteht also darin, daß die Rotornabe, die j2,
nicht mit Speichermase bestückt ist und sich an dem Wärmeaustausch nicht beteiligt,
einen wesentlich größeren Durchmesser im Verhältnis zum Rotoraußendurchmesser erhält,
als es bisher üblich ist. Die Rotorverwerfung, die durch die unterschiedlichen Temperaturen
der Speichermasse an den beiden Stirnflächen hervorgerufen wird und die erst vom
Umfang der Nabe aus einsetzen kann, kann bei einer derart vergrößeren Nabe ein verhältnismäßig
eng begrenztes Maß nicht überschreiten. Es besteht infolgedessen eine gewisse Verwandtschaft
mit dem vorstehend erwähnten Vorschlag, dem Einfluß der Temperaturunterschiede zwischen
der »heißen Seite« und »kalten Seite« mittels temperaturregelnder Medien entgegenzuwirken,
und zwar insofern, als in beiden Fällen die Verformung des Rotors vermindert wird.
Der erfindungsgemäße Weg ist aber ganz erheblich einfacher und billiger. Auch bedeutet
er in keiner Hinsicht eine Verminderung der Betriebssicherheit.
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Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens sind in der Zeichnung zwei
Rotoren von umlaufenden Regenerativ
-Wärmeaustauschern in Axialschnitten
dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Rotor üblicher Bauart, während Fig. 2 einen
Rotor gemäß der Erfindung veranschaulicht.
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Der bekannte Rotor gemäß Fig. 1 ist links ohne Abdichtung und Gehäuse
dargestellt, und zwar im kalten Zustand. Während des Betriebes verformt sich der
die Wärmespeichermasse enthaltende Teil 1 des Rotors infolge der unterschiedlichen
Erwärmung gemäß der eingezeichneten gestrichelten Linie. Hierbei verschieben sich
die Außenkantendes Rotors in axialer Richtung gegenüber ihrer Lage im kalten Zustand
um das Maß h. Dieses Maß muß bei der Konstruktion und bei der Einstellung der Abdichtung
berücksichtigt werden, damit der Rotor einen ausreichenden Spielraum zur Verfügung
hat, wie er ihn für seine Drehbewegung benötigt.
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Im rechten Teil der Fig. 1 ist in vereinfachter Form eine Rotoräbdichtung
dargestellt, die den Rotor gürtelförmig umschließt und aus einzelnen geraden, aber
gelenkig miteinander verbundenen Gliedern 2, 3 und 4 besteht. Da die Rotorverwerfung
erst vom Umfang der Nabe 5 aus einsetzt, geht die gelenkige Abdichtung auch erst
von. diesem Umfang aus, und zwar greifen die Enden der gelenkigen Glieder 2 und
4 mittels Nasen je in einen genuteten, dicht vor der Nabenstirnfläche angeordneten
Ring 6 ein.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Rotor gemäß der Erfindung ist das
Verhältnis von Nabendurchmesser zu Rotoraußendurchmesser ein völlig anderes, und
zwar ist der Durchmesser der Nabe 15 beträchtlich vergrößert worden. Um die gleiche
Speichermasse unterbringen zu können, muß hierbei natürlich auch der Außendurchmesser
des Rotors vergrößert werden. Diese Vergrößerung stellt aber nur einen Bruchteil
der Vergrößerung des Nabendurchmessers dar. Da die Verwerfung des die Speichermasse
tragenden Rotorteiles 11 erst an der Nabe einsetzt und da der Nabenumfang jetzt
dem Rotorumfang stark angenähert ist, geht das Maß V' der Rotorverwerfung gemäß
Fig. 2 gegenüber dem Maß T>" gemäß Fig. 1 ganz wesentlich zurück, wie es die auch
hier wieder eingezeichneten gestrichelten Linien zeigen. Die Verwerfung am Umfang
des erfindungsgemäßen Rotors ist etwa ebenso groß wie bei dem bekannten Rotor nach
Fig. 1 an der durch eine strichpunktierte Schnittlinie gekennzeichneten Stelle.
Dementsprechend kann die Abdichtungsvorrichtung 12, 13, 14 sich der Verformung wesentlich
besser anpassen.
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Die aus Einzelgliedern bestehende Rotorabdichtung kann auch hier wieder
von einem genuteten, dicht vor der Nabenstirnfläche angeordneten Ring ausgehen,
wie er in Fig. 1 als Ring 6 dargestellt ist. Es kann aber auch die Rotorabdichtung
von der Drehachse 18 ausgehen, so daß die radial angeordneten Glieder 12 der Rotorabdichtung
in der Gegend des Nabenmantels nochmals einen Gelenkpunkt erhalten. In diesem Falle
schließt zweckmäßigerweise der Nabenboden 15 mit der Rotorstirnfläche ab. Vorteilhafter
ist aber eine an der Stirnseite des Nabenmantels angebrachte Ringabdichtung mit
wechselseitig ineinandergreifenden Ringen nach Art einer Labyrinthabdichtung, wie
es in Fig. 2 rechts unten an Hand des Ringes 17 veranschaulicht ist.
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Der aus Fig. 2 ersichtlichen Verringerung der radialen Abmessung des
Speichermassenringes 11 steht eine Vergrößerung des Nabendurchmessers gegenüber;
der Rechnung getragen werden muß. Es muß verhindert werden, daß die unterschiedliche
Erwärmung des Nabenbodens auf der heißen Seite und desjenigen auf der kalten Seite
den Nabenmantel zu einem Kegelstumpfmantel verformt, was den durch Verringerung
der Rotorverwerfung erzielten Nutzen wieder zumindest zu einem Teil hinfällig machen
würde. Um dieser Gefahr zu begegnen, sind in die beiden Nahenböden kleine Löcher
19 gebohrt, die es den wärmetauschenden Gasen gestatten, in den Hohlraum der Nabe
einzudringen und dadurch die gesamte Nabe gleichmäßig zu erwärmen, so daß sie ihre
zylindrische Gestalt beibehält. Statt dessen kann auch ein anderes Medium, beispielsweise
kalte Luft, hindurchgeblasen werden. Es kommt jedenfalls darauf an, unterschiedliche
Erwärmungen und damit Verformungen der Nabe zu verhindern. Zweckmäßig ist es, den
großen Hohlraum der Nabe durch radiale Zwischenwände zu unterteilen und dadurch
die Nabe abzustützen.
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Aus der rechten Seite der Fig. 2 ist ersichtlich, daß die geraden
bzw. ebenen Glieder 12 und 14 wesentlich kürzer sind als die entsprechenden Glieder
2 und 4 bei der bekannten Ausführungsform. Da sie sich der an sich schon kleiner
gewordenen Rotorverwerfung besser anpassen können, genügen schon verhältnismäßig
kleine Abdichtspalte, uni den ungehinderten Durchlauf des Rotors zu gewährleisten.
Der zentrale Abdichtring 17 ist zwar mit dem vergrößerten Nabendurchmesser ebenfalls
größer geworden. Der freie Spalt zwischen diesem Abdichtring und der Stirnfläche
der Nabe 15 ist hierbei jedoch unverändert erhalten geblieben.
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Aus den vorstehenden Überlegungen geht hervor, daß eine spürbare Besserung
der Abdichtverhältnisse erst eintreten kann, wenn die Vergrößerung des Nabendurchmessers
wirklich nennenswert ist. Andererseits aber wird mit Vergrößerung des Nabendurchmessers
auch der freie Spalt zwischen dem zentralen Abdichtring 17 und der Nabenstirnfläche
länger, was eine Vergrößerung der Leckluftverluste bedeutet. Zu berücksichtigen
ist auch, daß mit zunehmendem Nabendurchmesser auch der Außendurchmesser des Rotors
wächst - wenn auch nur in wesentlich geringerem Maße - und daß dementsprechend die
Abmessungen des ganzen Wärmeaustauschers zunehmen. Hieraus folgt, daß für das Verhältnis
des Nahendurchmessers d zum Rotoraußendurchmesser D einen günstigen
Bereich geben wird. Dieses Verhältnis dID soll also in der Größenordnung von 0,3
bis 0,6 liegen. Bei dfD = 0,3 vergrößert sich der Rotoraußendurchmesser gegenüber
der bisherigen Ausführungsform um nur etwa 4 bis 5'0/0. Bei dID = 0;6 vergrößert
sich der Rotoraußendurchmesser gegenüber den gebräuchlichen Vorwärmern um etwa 20°/o.
Obwohl im zweiten Falle hinsichtlich der Abdichtungsverhältnisse eine ganz wesentliche
Verbesserung erzielt wird, hält sich doch die Vergrößerung innerhalb tragbarer Grenzen.