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Regenerativ-Wärmeaustauscher mit im Gegenstrom zu den wärmetauschenden
Medien bewegter Speichermasse Die Erfindung betrifft einen Regenerativ-Wärmeaustauscher,
und zwar handelt es sich um eine Verbesserung an solchen Austauschern, bei denen
die Speichermasse sich im Gegenstrom zu den wärmeaustauschenden Medien bewegt. Solche
Wärmeaustauscher sind seit einiger Zeit unter der Bezeichnung »Federband-Wärmeaustauscher«
bekannt.
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Die Erfindung beruht auf einer neuen Erkenntnis, und zwar der Erkenntnis
von Eigenschaften, die von denen der bisher allgemein bekannten und gebräuchlichen
Wärmeaustauscher grundsätzlich abweichen. Bei diesen bisher eingeführten Wärmeaustauschern
bewegt sich die Speichermasse im Kreuzstrom zu den wärmetauschenden Medien. Die
bekannteste Ausführungsform dieser Art ist der Ljungström-Vorwärmer, bei dem ein
die Wärme speichernde Masse tragender Rotor mit konstanter Drehzahl, d. h. mit konstanter
Durchsatzgeschwindigkeit der Speichermasse arbeitet.
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Die der Erfindung zugrundeliegende neue Erkenntnis besteht darin,
daß es keineswegs zweckmäßig ist, diese seit Jahrzehnten gebräuchliche Arbeitsweise
mit konstanter Durchsatzgeschwindigkeit auch beim Betrieb der neuen Federband-Luftvorwärmer
anzuwenden, wie es an sich als naheliegend und selbstverständlich betrachtet werden
mußte, daß es zur Erzielung wirtschaftlich günstigster Betriebsbedingungen vielmehr
erforderlich ist, die Durchsatzgeschwindigkeit der Speichermasse an die jeweilige
Belastung anzupassen. Dementsprechend besteht das wesentliche Merkmal des Regenerativ-Wärmeaustauschers
gemäß der Erfindung mit im Gegenstrom zu den wärmetauschenden Medien bewegter Speichermasse
darin, daß die Durchsatzgeschwindigkeit der Speichermasse regelbar ist.
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Es kommt also im Unterschied zu den gebräuchlichen Austauschern, bei
denen die Speichermasse sich im Kreuzstrom zu den wärmetauschenden Medien bewegt,
in vorliegendem Falle der Wahl der Bewegungsgeschwindigkeit eine entscheidende Bedeutung
zu. Die günstigsten Betriebsverhältnisse werden gemäß weiterer Erkenntnis erreicht,
wenn die Geschwindigkeit der Speichermasse etwa proportional der Durchsatzmenge
der wärmetauschenden Medien ist. Dementsprechend wird gemäß weiterer Erfindung der
Wärmeaustauscher mit einer Antriebsvorrichtung ausgestattet, deren Antriebsgeschwindigkeit
in vorgenanntem Sinne gesteuert wird, bei Luftvorwärmern für Feuerungsanlagen also
in Abhängigkeit von der jeweiligen Belastung der Anlage.
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Bei Feuerungsanlagen sind nämlich die im Betrieb auftretenden Belastungsschwankungen
gleichbedeutend mit Schwankungen in der Durchsatzmenge der beiden wärmetauschenden
Medien. Da die Betriebsverhältnisse nicht immer konstant sind, besitzt die Möglichkeit
der Regelung, d. h. der Anpassung an den jeweiligen Belastungszustand, für die Praxis
große Bedeutung. Bei Ljungström-Luftvorwärmern haben solche Schwankungen der Durchsatzmenge
der wärmetauschenden Medien keinen Einfluß auf die Güte des Wärmeaustausches, d.
h., es wird das zur Verfügung stehende logarithmische Temperaturgefälle auch bei
gleichbleibender Geschwindigkeit der Speichermasse stets in gleich gutem Maße ausgenutzt.
Die Wärmeleistung ist unabhängig von der Durchsatzgeschwindigkeit der Speichermasse,
sofern die Rotordrehzahl zwischen etwa zwei und oo Umdrehungen je Minute liegt.
Daher wird für den Betrieb solcher Vorwärmer eine Drehzahl innerhalb des weiten
zur Verfügung stehenden Drehzahlbereiches gewählt, die aus rein technischen Gründen
zweckmäßig erscheint. Es besteht gar keine Veranlassung, regelbare Getriebe vorzusehen,
vielmehr genügt eine einzige konstante Drehzahl theoretisch allen Anforderungen,
unabhängig von der jeweiligen Belastung der Anlage.
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Auf Grund dieser aus jahrzehntelanger Praxis bekannten Tatsachen bestand
gar keine Veranlassung, bei Federband-Wärmeaustauschern andere physikalische Gesetzmäßigkeiten
zu vermuten, zumal auch gefühlsmäßig kein Anlaß zu der Annahme bestand, daß es ein
Optimum der Bandgeschwindigkeit geben könnte und daß bei Abweichung hiervon, nämlich
sowohl bei höherer als auch bei niedrigerer Bandgeschwindigkeit, die Wärmeleistung
nachlassen könnte. Eine solche Beurteilung mußte sogar der anschaulichen Vorstellung
widersprechen. So hat erst eine ganz genaue wärmetheoretische Untersuchung zu derjenigen
Erkenntnis geführt, die die Grundlage der Erfindung bildet. Zuvor
aber
wurde zu solchen Federband-Wärmeaustauschern ausdrücklich betont und erstrebt, die
Geschwindigkeit möglichst konstant zu halten. Es war nicht bekannt, daß sich hierdurch
bei Änderungen der Belastung ganz erhebliche Verschlechterungen der Wärmeleistung
ergeben. Da die Beziehungen zwischen der Durchsatzmenge der wärmetauschenden Medien
einerseits und der Bandgeschwindigkeit andererseits unbekannt waren, da eine solche
Beziehung auch nicht einmal vermutet wurde, bestand sogar die Gefahr, daß die für
Normallast gewählte konstante Bandgeschwindigkeit weit neben dem Optimum lag, so
daß der Federband-Wä.rmeaustaUSCher ständig unwirtschaftlich arbeitete.
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Auf Grund der erfindungsgemäßen Erkenntnis ist man also in der Lage,
für den Ausgangszustand der Belastung die optimale Bandgeschwindigkeit einzustellen.
Wenn, wie vorstehend angegeben, die Antriebsgeschwindigkeit dann weiterhin so gesteuert
wird, daß sie etwa proportional der Durchsatzmenge der wärmetauschenden Medien ist,
so bleibt dieser optimale Zustand während des ganzen Betriebes für alle Belastungszustände
erhalten. Diese Regelung kann von Hand nach Maßgabe der abzulesenden Betriebsgrößen
vorgenommen werden. Ebenso ist aber auch eine selbsttätige Steuerung durchführbar,
sei es in unmittelbarer Steuerung durch die Medien in Abhängigkeit von ihrer Durchsatzmenge,
sei es durch Koppelung der Steuerungsvorrichtung mit irgendwelchen Hilfsgeräten,
die in einer entsprechenden Abhängigkeit von der Durchsatzmenge der gasförmigen
Medien stehen bzw. diese Durchsatzmenge bestimmen, wie es beispielsweise für Speisewasserpumpen,
Gebläse und auch noch für andere Hilfsgeräte gilt.
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Die grundlegend neue Erkenntnis, die eine Abkehr von denjenigen Auffassungen
darstellt, die in Jahrzehnten im Betrieb von Ljungström-Wärmeaustauschern gewonnen
wurden, sei nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert.
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Fig. 1 bis 3 stellen diesem Zweck dienende Diagramme dar, während
Fig.4 in vereinfachter Form der Darstellung ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
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Bei Regenerativ-Wärmeaustauschern mit im Gegenstrom zu den wärmetauschenden
Medien bewegter Speichermasse ist im Falle optimaler Geschwindigkeit das mittlere
logarithmische Temperaturgefälle dm, vom wärmeabgebenden Medium zur Speichermasse
zuzüglich dem mittleren logarithmischen Temperaturgefälle d",1 von der Speichermasse
zum wärmeaufnehmenden Medium gleich dem logarithmischen Gesamttemperaturgefälle
dm vom wärmeabgebenden zum wärmeaufnehmenden Medium. Hierbei bedeutet:
wobei gemäß Fig.1 OEg=tg2-tK und OAg=tgl-tH ist, ferner
wobei (gemäß Fig. 1) OEI=tK-tll und OAI=tH-t12 ist, und sinngemäß
wobei (9E=tg2-til und OA=tgl-t12 ist.
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Fig. 2 veranschaulicht den Fall, daß bei gleicher Durchsatzmenge der
beiden wärmetauschenden Medien die Geschwindigkeit der Speichermasse gesenkt wird,
also niedriger ist als der optimale Wert, der in Fig. 1 angenommen wurde. Hierbei
erhöht sich die Speichermassentemperatur tH auf der heißen Seite in Richtung der
Eintrittstemperatur tg 1 des wärmeabgebenden Mediums. Andererseits senkt sich die
Speichermassentemperatur tK auf der kalten Seite in Richtung der Eintrittstemperatur
t1, des wärmeaufnehmenden Mediums. Es ist somit das mittlere logarithmische Temperaturgefälle
dmg vom wärmeabgebenden Medium zur Speichermasse zuzüglich dem mittleren logarithmischen
Temperaturgefälle A., von der Speichermasse zum wärmeaufnehmenden Medium wesentlich
kleiner als das gesamte logarithmische Temperaturgefälle dm vom wärmeabgebenden
zum wärmeaufnehmenden Medium.
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Fig. 3 behandelt den umgekehrten Fall der Abweichung von der optimalen
Speichermassengeschwindigkeit, und zwar ist hier der Fall behandelt, daß die Geschwindigkeit
der Speichermasse erhöht wird. Hierbei senkt sich die Speichermassentemperatur tH
auf der heißen Seite in Richtung der Austrittstemperatur t12 des wärmeaufnehmenden
Mediums. Andererseits erhöht sich die Speichermassentemperatur tK auf der kalten
Seite in Richtung der Austrittstemperatur t92 des wärmeabgebenden Mediums. Auch
hier ist die Summe der logarithmischen Temperaturteilgefälle kleiner als das logarithmische
Temperaturgesamtgefälle.
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Aus vorstehenden Überlegungen folgt, daß bei gleichbleibendem Durchsatz
der wärmetauschenden Medien jede Abweichung von der optimalen Geschwindigkeit der
Speichermasse zu einer Herabsetzung der Wärmeleistung führt, d. h. sowohl eine Erhöhung
als auch eine Erniedrigung der genannten Geschwindigkeit. Ist jedoch die Geschwindigkeit
der Speichermasse konstant, so gilt in entsprechender Weise, daß jede Änderung der
Durchsatzmenge der wärmetauschenden Medien eine Verschlechterung der Betriebsbedingungen
ergibt. Hat man also die Bandgeschwindigkeit optimal auf den Normalbetrieb, d. h.
auf den Betrieb bei Nennlast eingestellt, so tritt bei Teillastbetrieb ein Absinken
der Wärmeleistung ein.
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Fig. 4 zeigt in vereinfachter Form der Darstellung als Ausführungsbeispiel
einen Federband-Wärmeaustauscher, wie er für die Verwirklichung des Erfindungsgedankens
benutzt werden kann. Konstruktiv stimmt dieser dargestellte Wärmeaustauscher weitgehend
mit bekannten Ausführungsformen überein, wie überhaupt jede Konstruktion von Regenerativ-Wärmeaustauschern
mit im Gegenstrom zu den wärmetauschenden Medien bewegter Speichermasse für die
Verwirklichung der erfinderischen Erkenntnis benutzt werden kann, und zwar einfach
dadurch, daß die Geschwindigkeit der Speichermasse regelbar gemacht wird und daß
die Regelung nach den vorstehend erläuterten Richtlinien erfolgt.
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Bei dem dargestellten Luftvorwärmer wird ein bandförmiger Speicherkörper
1 über Umlenkwalzen 2 durch die beiden Kanäle geführt, von denen der obere den Luftkanal
L und der untere den Gaskanal G darstellen möge. Die Strömungsrichtungen sind durch
Pfeile veranschaulicht. Aus der linken Darstellung der Fig. 4 ist ersichtlich, daß
die bandförmige Speichermasse sich in beiden Kanälen im Gegenstrom bewegt, nämlich
im Luftkanal von links nach rechts und im Gaskanal von rechts nach links. Es befindet
sich die kalte Seite also rechts und die heiße Seite links.
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In der rechten Darstellung der Fig. 4, die eine Endansicht zeigt,
ist oben die von links kommende Antriebswelle 3 gezeichnet, die mit der als Antriebswalze
dienenden
Walze 2' über ein regelbares Getriebe 4 gekuppelt ist. Dieses regelbare Getriebe
4 stellt bei dem gewählten Ausführungsbeispiel also das gemäß der Erfindung zusätzlich
vorzusehende Element dar, durch das dieses Ausführungsbeispiel sich gegenüber den
bekannten Federband-Wärmeaustauschern unterscheidet und mit dessen Hilfe die Verwirklichung
der erfinderischen Erkenntnis ermöglicht wird. Dieses regelbare Getriebe wird also
entweder von Hand oder selbsttätig durch die strömenden Medien - mittelbar bzw.
unmittelbar - gesteuert. Um den kontinuierlich schwankenden Bedingungen möglichst
gerecht werden zu können, kommen vorzugsweise stufenlos regelbare Getriebe in Betracht.
In gleicher Weise ist auch ohne Verwendung eines Zwischengetriebes eine Regelung
der Motordrehzahl möglich.
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Im übrigen kann die Regelbarkeit der Speichermassengeschwindigkeit
auch in anderer Hinsicht von großem Vorteil sein. Bei Brennstoffen mit starkem Schwefelgehalt
oder hohem Wassergehalt ist es wichtig, daß die Speichermassentemperatur auf der
kalten Seite einen durch den Taupunkt vorgeschriebenen Tiefstwert keinesfalls unterschreitet,
möglichst sogar ein wenig oberhalb verbleibt, um Korrosionen des Speichermaterials
zu verhindern. Sofern diese Gefahr besteht, genügt es, die Geschwindigkeit der Speichermasse
zu erhöhen, weil diese Geschwindigkeitserhöhung eine Temperaturerhöhung mit sich
bringt. Zwar verläßt man dabei den optimalen Wert, den man für den normalen Zustand
anstrebt, jedoch kann eine solche geringfügige Verschiebung im Hinblick auf die
Beseitigung der Korrosionsgefahr in der Regel in Kauf genommen werden.