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Lagerung an regenerativen Wärmeaustauschern Die Erfindung betrifft
eine Lagerung an regenerativen Wärmeaustauschern, die einen vertikalen Rotor für
die Speichermasse aufweisen.
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Bei bekannten Wärmeaustauschern dieser Art hat der Rotor ein peripherisch
angeordnetes Kugeltraglager, das aus zwei koaxial zum Rotor angeordneten Lagerteilen
besteht, deren eine mit dem Rotor verbunden ist und gemeinsam mit ihm umläuft und
deren andere fest mit einem den Rotor umschließenden zylindrischen Mantel verbunden
ist. Der Rotor ist in sektorförmige Abteilungen mittels radialer Trennwände unterteilt,
und die Abteilungen sind mit wärmeübertragenden Platten angefüllt. Die Platten werden
bei der Drehung des Rotors zunächst durch heißes Gas aufgewärmt und geben die aufgespeicherte
Wärme beim Eintritt in die Luftseite an die Luft ab. Die Welle braucht nur entsprechend
den auftretenden Kräften dimensioniert zu werden, wobei die inneren Enden der sektorförmigen
Abteilungen zu eng sind und es keinen Zweck hat, sie mit wärmeübertragenden Platten
zu füllen. Üblicherweise wurden daher die inneren Enden der sektorförmigen Abteilungen
des Rotors durch Querwände abgeschnitten und mittels ringförmiger Verschlußscheiben,
die an den Rotorenden vorgesehen wurden, abgedeckt.
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Es besteht daher bei den bekannten Ausführungen im Rotor ein Mittelteil,
der nur wenig oder gar keinen Nutzen für den Wärmeaustauschvorgang hat. Die Aufgabe
der Erfindung besteht darin, Vorteile aus dem bisher nicht benutzten Mittelteil
des Rotors zu ziehen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das bekannte,
aus zwei koaxial zum Rotor angeordneten Lagerteilen bestehende Lager in die Mitte
verlegt wird, so daß es den Rotor an seinem inneren Umfang trägt, wobei der eine
Teil des Lagers fest an einer lotrecht angeordneten Säule angeordnet ist und der
andere mit dem Rotor verbunden ist und gemeinsam mit ihm umläuft. Hierdurch kann
ein Zugang zum Inneren der Laufringteile geschaffen werden, um die Kugellagerung
entfernen oder auswechseln zu können. Durch die Erfindung kann in dieser Weise die
Lagerung mit einem kleineren Durchmesser ausgeführt werden, was die Unterstützung
des festen Lagerteiles vereinfacht, ohne die für die Wärmeaustauschung nützliche
Fläche zu vermindern.
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Eine besondere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die
Lagerung auf der sich durch die Gesamthöhe des Rotors hindurch erstreckenden Säule
oben angeordnet und der Rotor an seinem inneren Umfang an dem drehbaren Lagerteil
aufgehängt ist.
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Ferner kann der drehbare Lagerteil in derselben Höhe wie eine Endplatte
des den Rotor umschließenden Gehäuses angeordnet sein und zwecks Bildung einer sogenannten
Labyrinthdichtung einer dieser Teile wenigstens eine koaxial zum Rotor angeordnete
ringförmige Rippe, der andere eine Nut enthalten, in welche die Rippe eingreift.
Hierdurch wird verhindert, daß Ruß- und Aschenteilchen in die Kugellaufbahn der
Lagerung eindringen und diese verstopfen können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der feststehende
Lagerteil von einer bis etwa zur halben Höhe des Rotors reichenden Säule getragen,
wobei der drehbare Lagerteil als quer zur Rotorachse angeordnete Scheibe ausgebildet
und am inneren Mantel des Rotors befestigt ist. Hierbei weist die Scheibe einen
abwärts gerichteten Ansatz auf, dessen unteres Ende am Umfang eine Verzahnung trägt,
die mit einem Antriebsrad zur Drehung des Rotors im Eingriff steht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend
an Hand der Zeichnungen beschriebenen Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 einen senkrechten Mittelschnitt eines regenerativen, drehbaren Wärmeaustauschers,
der von unten getragen wird, nach Linie 1-1 der Fig. 2, Fig. 2 eine teilweise Draufsicht
nach Linie 2-2 der Fig. 1,
Fig. 3 bis 6 andere Ausführungsbeispiele
der Erzndung, Fig. 7 eine teilweise Unteransicht der Wärmeiustauscher nach Fig.1
bis 6, Fig.8 einen senkrechten Querschnitt durch einen VVärmeaustauscher gemäß der
Erfindung, der von eben aufgehängt ist, Fig. 8 a einen Schnitt durch eine Einzelheit
der Ausbildung gemäß Fig. 8, Fig. 9 eine Teildarstellung des Lagers gemäß Fig. 1
in vergrößertem Maßstab.
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In den Fig. 1, 2, 7 und 9 ist eine zweckmäßige Ausführungsform eines
Vorwärmers dargestellt, bei dem die Erfindung angewendet worden ist. Die dargestellte
Einrichtung besteht aus einem stationären äußeren Gehäuse, das mit 10 bezeichnet
ist und einen Mantel 12 besitzt, zweckmäßigerweise aus Gewichtsgründen einen dünnen
Querschnitt aufweist, sowie Endplatten 14 und 16, zwischen denen der Rotor sitzt.
Die Endplatten 14 besitzen zwei sektorförmige Öffnungen oder Durchlässe 18 und 20,
die an gegenüberliegenden Seiten einer Diametralebene durch den Wärmeaustauscher
angeordnet sind. Diese Durchlässe sind mit Leitungen 22 und 24 versehen, durch die
eines der wärmeaustauschenden Gase zum Rotor und das andere von ihm hinweggeleitet
werden. Die Endplatte 16 ist ebenfalls mit sektorförmigen Durchlässen 26 und 28
versehen, an die sich Leitungen 30 und 32 anschließen. Diese dienen dazu, das erstgenannte
Gas vom Rotor abzuleiten und das andere Gas dem Rotor zuzuleiten. Das Gegenstromprinzip
der beiden Gase ergibt die wirksamste Wärmeübertragung, und in Übereinstimmung mit
diesem Prinzip ist die Vorrichtung vorteilhafterweise so angeschlossen, daß z. B.
kalte Luft, die angewärmt werden soll, durch die Leitung 30 und die Öffnung 26 am
Boden des Rotors zuströmt, die nach der Erwärmung durch die Öffnung 18 und die Leitung
22, wie durch den Pfeil 34 angedeutet, ausströmt. Heißes Gas, das abgekühlt wird,
tritt durch die Leitung 24 und die Öffnung 20 ein, strömt abwärts durch den Rotor
und tritt in Richtung des Pfeiles 36 durch den Durchlaß 28 und die Leitung 32 aus.
Hierbei ist das obere Ende der Apparatur heißer als das untere Ende. Das Ende der
Vorrichtung, an dem das zu kühlende Gas zugeführt und das erhitzte Gas abgeführt
wird, wird das heiße Ende genannt, während das gegenüberliegende Ende das kalte
Ende genannt wird. Es kann entweder das obere oder das untere Ende der Vorrichtung
als heißes Ende ausgeführt werden, solange ein Gegenstrom aufrechterhalten wird,
der davon abhängig ist, welche Leitungen an die Ausgangsstellen der verschiedenen
Gase angeschlossen werden.
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An der unteren Endplatte 16 des Gehäuses ist ein Rahmen befestigt,
der aus zwei L-Trägern 38 und 40 besteht, die unter der Endplatte 16 verlaufen und
gleichzeitig die inneren Seitenwände der Leitungen 30 und 32 bilden, sowie zwei
hochkant angeordnete Platten 42 und 44, die symmetrisch zu beiden Seiten einer Diametralebene
im rechten Winkel hierzu verlaufen und an denen die Leitungen 30 und 32 liegen.
Die abgerundeten Teile 46 und 48 des Mittelteiles 50 zwischen den Durchlässen 26
und 28 der Endplatte 16 sind mit den unteren inneren Enden der Leitungen 30 und
32 durch gekrümmte Platten 52 und 54 verbunden.
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An der Oberfläche der Endplatte 16 ist ein zylindrischer Mantel 56
befestigt, der am oberen Ende durch eine Scheibe 58 verschlossen ist. Dieser zylindrische
Mantel dient als Nabe zum Tragen des Rotors mittels eines Lagers, das im Ganzen
mit 60 bezeichnet ist. Der Aufbau des Lagers wird weiter unten noch beschrieben.
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Um die obere Endplatte 14 zu verstärken, sind an dieser zwei Plattenträger
62 und 64 vorgesehen, die in einer Flucht mit den Trägern 38 und 40 angeordnet sind.
In der Mitte weisen sie kreisförmige nach außen gebogene Teile 66 und 68 auf, die
mit dem Umfang der Nabe 56 in einer Flucht liegen.
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Der Rotor, der die Nabe 56 umschließt und mit 70 bezeichnet ist, besteht
aus einem Ring mit inneren und äußeren Mäntelwänden 72 und 74 sowie radialen Trennwänden
76, die den Raum zwischen den Mäntelwänden in sektorartige Abteilungen 78 unterteilt.
Letztere sind am Boden mit Tragstangen 80 versehen, die in an sich bekannter Weise
regenerative Wärmeaustauschplattenelemente 82 tragen.
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Gemäß dem Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung wird der Rotor 70
nicht an seinem äußeren, sondern an seinem inneren Umfang durch das Lager 60 drehbar
getragen.
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Der untere Lagerteil 84 besteht aus einem starren Ring, der mit einer
die Last aufnehmenden Laufspur 86 versehen ist. Diese bildet eine ringförmige Aussparung
und kann unmittelbar in den Lagerteil selbst eingeschnitten sein. In den Ecken der
Aussparung sind Drahtstücke 88 angeordnet, die untere Schienen bilden, auf denen
eine Anzahl Kugeln 90 rollen kann.
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Der obere drehbare Lagerteil 92 besteht aus einem starren Ring mit
einer ringförmigen Aussparung 94. Diese bildet die obere Laufspur für die Kugeln
92 und liegt genau über der unteren Laufspur 86. Außerdem sind Drahtstücke 88 in
die Ecken der Aussparung 94 eingelegt und bilden obere Schienen, die sich von oben
in rollender Berührung auf die Kugeln 90 auflegen. Die Kugeln selbst werden durch
Halter 96 in sachgemäßer Entfernung voneinander am Umfang gehalten.
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Die Verbindungen der unteren und oberen Schienen können zueinander
versetzt sein. Es können aber auch die Verbindungen der oberen Schienen gegenüber
den Verbindungen der unteren Schienen versetzt werden, so daß keine Kugel gleichzeitig
über mehr als eine Verbindung hinwegrollt.
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Der drehbare Lagerteil 92 besitzt einen abwärts gerichteten ringförmigen
Ansatz 98, dessen unteres Ende in einen nach außen gerichteten Flansch übergeht.
Der Ansatz 98 besitzt in radialer Richtung einen so dünnen Querschnitt, daß er sich
ausreichend durchbiegt, um eine Verziehung des Rotors auszugleichen, ohne unzweckmäßig
hohe Beanspruchungen auf den Ring 92 auszuüben. Am inneren Umfang ist der Rotor
70 oben mit einem entsprechenden einwärts gerichteten Flansch 102 versehen, der
an dem Flansch 100 befestigt ist. Dadurch ist der Rotor an dein drehbaren Lagerteil
92 aufgehängt. Am oberen Ende des drehbaren Lagerteiles ist eine Scheibe 104 vorgesehen,
die einen aufwärts weisenden Zapfen 106 trägt. Auf diesem Zapfen sitzt ein Zahnrad
108, mit dem das Antriebsrad 110 zwecks Drehung des Rotors 70 kämmt, Der Antriebsmotor
112 sitzt an einer senkrechten Platte 114, die an den beiden Trägern 62 und 64 oben
auf dem Gehäuse befestigt ist und die außerdem durch Säulen 116 getragen wird, die
auf einer horizontalen Tragplatte 118 ruhen, die ihrerseits an den Trägern 62 und
64 befestigt ist. Um das Lager 60 und die Verzahnung 108 und 110 vor Wärmestrahlung
zu schützen, die aus den danebenliegenden Leitungen 22 und 24 stammt, die die heiße
Luft, die aus dem Vorwärmer austritt, und das zugeführte heiße Gas
leiten,
sind die Lagerung und die Zahnräder durch eine Abschirmung 120- und 122 umschlossen.
Letztere kann ein Schmiermittel für die Verzahnung aufnehmen, während das Lager
infolge seiner Konstruktion ungeschmiert bleiben kann. Um die Wärmestrahlung möglichst
gering zu halten, sind die Leitungen 22 und 24 am heißen Ende des Vorwärmers und
die inneren und äußeren Mäntel 72 und 74 des Rotors mit wärmeisolierenden Abdeckungen
124, 126 und 128, 130 versehen.
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Um das Lager zu kühlen und es vor Rußniederschlägen aus den Gasdurchtritten
des Luftvorwärmers zu schützen, kann ein permanenter Schutzgasstrom, wie z. B. kalte
Druckluft, von innen durch das Lager hindurchgeleitet werden. Dieser Luftstrom tritt
z. B. in der Nabe 56 durch eine Öffnung 132 im Mittelteil 50 der Endplatte 16 hindurch
und kommt aus einer Druckluftquelle. Er geht durch eine Öffnung 134 in der Mitte
der Scheibe 58 der Nabe ins Innere des Lagers 60 und alsdann durch den Zwischenraum
zwischen dem unteren und oberen Lagerteil 84 und 92 in den Raum 136 zwischen der
Nabe 56 und dem inneren Rotormantel 72, von wo aus er in einen Durchgang für die
wärmeaustauschenden Gase abgeleitet wird.
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Die Montierung und Demontierung des Vorwärmers ist sehr einfach, weil
alle Teile auf einer tragenden Grundplatte angeordnet sind. Beim Demontieren des
Vorwärmers zwecks Inspektion oder Reparatur werden die oberen Endplatten und der
Mantel des Gehäuses leicht entfernt, während der Rotor verbleiben kann. Das Lager
und die Antriebsverzahnung sind leicht und billig und können auf einer gemeinsamen
Drehbank gedreht werden. Sie sind leicht zugänglich und billig auszutauschen oder
zu ersetzen.
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Der Vorwärmer gemäß Fig.3 unterscheidet sich von der bereits beschriebenen
Konstruktion in der Hauptsache dadurch, daß die obere Endplatte 14 des Gehäuses
einen Ringteil 138 trägt, der zwei abwärts gerichtete ringförmige Flansche
140 und 142 aufweist. Der innere Flansch 140 greift in eine Nut 144 in den Flansch
100 des oberen Lagerteiles 92, und der äußere Flansch 142 erstreckt sich in den
Zwischenraum 146 zwischen dem Umfang des Flansches 100 und einem danebenliegenden
ringförmigen Abdichtstreifen 148, der an dem inneren Umfang des Rotors vorgesehen
ist. Durch diese Rippen- und Nutenteile, deren Lage auch umgekehrt sein kann, wird
eine Labyrinthdichtung zwischen dem inneren oberen Ende des Rotors und der oberen
Endplatte des Gehäuses geschaffen. Das Zahnrad 150, welches am oberen Lagerteil
§2 befestigt ist, kann auf das letztere aufgeschrumpft sein. Die kühlende Schutzluft
für das Lager wird von oben durch eine Öffnung 152 einem Mantel 154 zugeführt, der
die Verzahnung und die Lager umschließt, während die Nabe 56 an dem oberen Ende
58 verschlossen ist. Die Ausbildung des Luftvorwärmers nach Fig.4 entspricht im
wesentlichen auch der Grundkonstruktion nach den Fig. 1 und 2. An einem Zapfen 106
an der Scheibe 104, die am oberen Lagerteil sitzt, ist eine Riemenscheibe 156 befestigt,
die durch Keilriemen oder Ketten von einer Antriebsscheibe 158 aus angetrieben wird.
Die durch Riemen oder Ketten angetriebenen Scheiben sind gegenüber der freien Atmosphäre
nicht abgeschirmt, indessen ist das Lager von einer Ummantelung 160 umschlossen,
und ein Schutzluftstrom ist überhaupt nicht vorgesehen.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 liegt die Lagerung 162 am unteren
Ende des Rotors 164. Das obere Ende der Vorrichtung ist das heiße Ende des Vorwärmers,
während das untere Ende das kalte Ende ist, wie aus den Pfeilen 166 und 168 hervorgeht,
die die Richtung des Durchflusses des zugeführten heißen Gases und die Richtung
des Flusses des erhitztenGases angeben. Am unterenEnde des inneren Mantels 72 des
Rotors ist eine Scheibe 170 vorgesehen, die den oberen Lagerteil des Lagers 162
bildet und mit einem abwärts weisenden Ansatz 172 versehen ist, an dem ein Zahnrad
174 aufgeschrumpft ist, welches mit dem Antriebszahnrad 110 im Eingriff steht. Die
untere Endplatte 16 des Gehäuses besitzt eine zentrale Öffnung 176, an deren inneren
Kante eine ringförmige Nabe 178 befestigt ist. Diese dient als Träger für den unteren
Lagerteil 180 des Lagers. Der obere Lagerteil 170 und die Nabe sind mit zusammenwirkenden
Flanschen und Nuten versehen, um eine Labyrinthdichtung 182 zu bilden. Die Schutzluft
tritt durch eine Öffnung 184 in den Deckel 186 ein, der den Raum für die Verzahnung
und die Lagerung von unten abdeckt.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 6 unterscheidet sich von der gemäß
Fig. 5 in der Hauptsache dadurch, daß die Lagerung 188 etwa in dem Mittelteil des
Rotors angeordnet ist und nicht am unteren Ende des Rotors. An dem inneren Mantel
72 des Rotors ist ein Ring 190 befestigt, der den oberen Lagerteil bildet. Zwischen
den Flächen des Ringes 190 und des oberen Lagerteiles 192 ist eine Wärmeisolierung
194 eingelegt. An der Unterseite des Ringes 190 sitzt ein Tragteil 196 für das angetriebene
Zahnrad 174. Der Tragteil 196 ist oben geschlossen und an dem Ring 190 befestigt.
Er besitzt eine axial verlaufende zylindrische Wand, an deren Ende das Zahnrad 174
aufgeschrumpft ist. Der untere Lagerteil 198 wird von einem zylindrischen Träger
200 getragen, dessen unteres Ende mit der Endplatte 16 des Gehäuses verbunden ist.
Der untere Lagerteil hat radial entfernte innere und äußere ringförmige Flansche
202 und 204, die in Nuten 206 und 208 in den oberen Lagerteil 192 eingreifen.
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Bei den bisher beschriebenen Konstruktionen ist der Tragrahmen unter
dem Wärmeaustauscher angeordnet, und das Gehäuse und die Nabe, die den Rotor tragen,
sind auf dem Rahmen aufgebaut.
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Es ist auch möglich, das Gehäuse und die den Rotor tragende Nabe an
einem Rahmen aufzuhängen, wie es z. B. in der Fig. 8 dargestellt ist. Der Rahmen
besteht aus zwei horizontalen Trägern 210 und 212, die ähnlich den Trägern 62 und
64 nach Fig. 2 ausgebildet sind, indem ihre mittleren Teile so nach außen gebogen
sind, daß sie um die Nabe 214 des Rotors herumgeführt sind. Die obere Endplatte
14 des Gehäuses weist eine Mittelöffnung 216 auf, durch die die Nabe 214 des Rotors
hindurchtritt. Die Nabe besteht aus oberen und unteren Teilen 218 und 220, die lösbar
miteinander verbunden sind und wobei der obere Nabenteil an den oberen abgebogenen
Stegen der Träger 210 und 212 befestigt ist. Die untere Hälfte der Nabe weist einen
radial verlaufenden Flansch 222 auf. Dieser ist mit einer Laufspur 224 an der oberen
Fläche versehen und mit einer koaxialen Laufspur 226 an seiner unteren Fläche. Am
oberen Umfang des inneren Mantels 72 des Rotors ist ein Ringflansch 228 befestigt.
Dieser besitzt eine Laufspur 230 an seiner oberen Fläche. Diese liegt genau unter
der Laufspur 226 an dem Flansch 222. An dem Ringflansch 228 des Rotormantels 72
ist außerdem ein besonderer Lagerring 232 befestigt, der nach oben verläuft und
einen nach innen gerichteten Flansch 234 trägt. Letzterer besitzt an der unteren
Fläche eine
Laufspur 236, die genau über der oberen Laufspur 224
des Flansches 222 angeordnet ist. Durch diese zwei übereinander angeordneten Lager
wird eine Lagerung erhalten, die gegenüber Verziehungen oder Neigungen infolge von
Radial- oder Axialbeanspruchungen sehr sicher ist, selbst wenn der Rotor außerordentlich
leicht ausgebildet ist. Um eine andere Ausführungsform für den Umfangsantrieb zu
zeigen, ist der Antrieb durch eine Triebstockverzahnung 238 am äußeren Umfang des
Rotors bewirkt, und zwar an dem äußeren Mantel 74 des Rotors. Die Triebstöcke stehen
mit einem nicht dargestellten Antriebszahnrad im Eingriff. Die offenen Enden des
inneren Rotormantels sind durch Platten 240 und 242 abgedeckt.
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Fig. 8 a zeigt eine Tandemlagerung ähnlich derjenigen nach Fig. B.
Bei ihr ist der Lagerteil, der an der Rotornabe sitzt, derjenige, der die zwei am
weitesten entfernten Laufspuren aufweist, anstatt desjenigen Lagerteiles, der an
dem Rotor sitzt: Fig.8a ist so klar in der Darstellung, daß sich eine nähere Erläuterung
erübrigt.
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Der mittlere Raum des Rotors, der, wie oben gezeigt ist, nicht wirtschaftlich
ist und nicht zu Wärmeaustauschzwecken dient, weswegen er als inaktiver Teil des
Rotors bezeichnet werden kann, kann in seiner Größe unterschiedlich ausgebildet
sein. Er erhält zweckmäßigerweise Radien innerhalb der Grenzen von etwa 20 bis 60
cm, je nach Größe des Luftvorwärmers; vorzugsweise wird der Radius des inneren Mantels
des Rotors etwa 30 bis 45 cm (12 bis 20 inches) ausgeführt.
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Es sind in großer Zahl weitere Abänderungen im einzelnen möglich,
ohne aus dem Rahmen des Erfindungsgedankens herauszutreten.