-
Wärmeaustauscher, insbesondere Regenerator mit in einer Kammer als
Schleier herabrieselnde Wärmespeicherteilchen und Umlenkbleche in der Kammer Fas
sind bereits Wärmeaustauscher bekannt, bei denen ein Wärmeaustausch zwischen feinkörnigen
Speichermassenteilchen und einem im Gegenstrom durch diese hindurchgeführten gasförmigen
Medium erfolgt, wobei die Speichermassenteilchen gewissermaßen in einem aufgelockerten
Schleier sich entgegen der Wirkung der Gasströmung unter dem Gewicht ihrer Schwere
bewegen. Da die einzelnen, Partikel der Speichermassen allseitig von dem Gasstrom
umspült werden, ergeben sich bei derartigen Wärmeaustauschern verhältnismäßig günstige
Bedingungen für den Wärmeaustausch. Jedoch ist es im allgemeinen sehr schwierig,
wegen der hohen Fallgeschwindigkeit der Speichermassenteilchen die Wasserwerte der
beiden Medien,, d. h. der Speichermasse und des Gasstromes, gleich groß zu machen,
um zu optimalen Wärmeübertragungsverhältnissen zu gelangen, was eine ausreichende
Aufenthalts- oder Verweilzeit der Speichermassenteildhen in dem Gasstrom bedingt.
-
Ein weiteres schwieriges Problem derartiger Wärmeaustawscher besteht
darin, über den gesamten Strömungsquerschnitt eine gleichmäßige Strömungsverteilung
sowohl in dem Gas wie der Speichermasse zu erzwingen, da nur bei einer solchen ein
optimaler Wärmeaustausch innerhalb des ganzen. Wärmeaustauschers gewährleistet ist.
-
Es ist bereits bekannt, zur Verzögerung der Bewegung von Speichermassenteilghen
in einem Gasstrom in der Strömungsbahn Einbauten in Form von dachförmigen oder winkelförmigen
versetzten Leisten anzuwenden, welche eine Umlenkung der entgegen der Gasströmung
nach unten fallenden Speichermasisenteilchen beim Aufprall bewirken, so daß diese
bis zu einem gewissen Grade werden. Es ist einleuchtend, daß bei einer derartigen
Anordnung eine völlig gleichmäßige Durchdringung der Speiehermassenteilchen und
des gasförmigen Mediums über den gesamten Querschnitt der Wärmeaustauschzone nicht
oder nur verhältnismäßig unvollkommen zu erzielen ist und die gleichmäßige Speichermassenverteilung
leicht gestört werden kann.
-
Gegenstand der Erfindung ist ein verbesserter Wärmeaustauscher, insbesondere
Regenerator mit in einer Kammer cis aufgelockerter Schleier herabströmenden Wärmespeicherteilchen;
denen durch ein im Gegenstrom aufsteigendes gasförmiges Medium Wärme zugeführt oder
entzogen wird, welcher sieh dadurch auszeichnet, daß die in der Kammer angeordneten
UmlenliIdeche durch parallel zueinander angeordnete und zickzackförmige gestaltete
Umlenkbleche gebildet werden.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung bietet die Möglichkeit, den gesamten
Strömungsquerschnitt in zickzackförmige Teilkanäle gleichmäßig zu unterteilen, wobei
durch die Reaktionsflächen der zickzackförmigen Umlenkbleche in gleichmäßiger Weise
die Speichermassenteilchen verzögert umgelenkt und beim Reflektieren bzw. Abspringen
von den Umlenkflächen so bewegt werden, daß ein gleichmäßiger, aufgelockerter Schleier
entsteht, durch den der die Wärme zu- oder abführende Gasstrom hindurch-bewegt wird.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht, über den ganzen Querschnitt der Kammer
eine gleichmäßige Strömungsverteilung sicherzustellen und die parallelen zickzaclcförmigen
Bleche so zu gestalten, daß ein Optimum hinsichtlich des Wärmeüberganges und des
Druckverlustes erreicht wird.
-
Erwähnt sei, daß an sich die Anwendung von parallelen, zickzackförmig
ausgebildeten Leitblechen für Schachttrockner, beispielsweise zum Trocknen von vegetabilischen
Produkten od. dgl. oder von stückigem Gut bekannt ist, wobei jedoch das behandelte
Gut in dichter Schüttung aneinander anliegt und die Gaasführung sowie die Berührung
zwischen dem zu trocknenden oder zu behandelnden Gut und dem gasförmigen Medium
in anderer Weise als beim Anmeldungsgegenstand erfolgt. Die zickzackförmigen Leitbleche
dienen daher weder zur Auflockerung der im Fall bewegten Massenteilchen noch zur
Unterteilung der Strömungen zwecks Sicherstellung einer .gleichmäßigen Strömungsverteilung.
-
Da für einen möglichst vollkommenen Wärmeaustausch innerhalb der von
den parallelen zickzackförmigen Leitblechen gebildeten Teilkanäle eine gleichmäßige
Speichermassenzufuhr von wesentlicher Bedeutung ist, kommt der Ausbildung der Zuführungseinrichtung
für
die Speichermassenteilchen zu der Wärmeaustauschzone eine erhebliche Bedeutung zu.
Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine gleichmäßige Speichermassenverteilung
oberhalb der von den Umlenkblechen begrenzten Teilkanäle dadurch erzielt werden,
daß oberhalb der durch die Umlenkbleche begrenzten parallelen Wärmeaustauschkanäle
als Aufgabebehälter schwingende Rinnen angeordnet sind. von denen die Speichermasse
durch an den Aufgabebehältern angeordnete Abstreifflächen den zwischen den Umlenkblechen
vorhandenen Schlitzen verteilt zugeführt wird.
-
Bewirkt die erwähnte Zuführung der Speichermassenpartikel eine gleichmäßige
Verteilung, so ist hierbei möglich, auch die Menge der Speichermassenteilchen je
nach den Erfordernissen zu verändern oder zu regeln, was durch Änderung des Hubes
der die Aufgabevorrichtung bildenden Rinnen oder der Frequenz oder der beiden genannten
Größen erfolgen kann. Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann diese
Regelung selbsttätig z. B. in Abhängigkeit von der Durchflußtemperatur der Speichermasse
im W ärmeaustauscher erfolgen.
-
Werden, wie dies bei Regeneratoren üblich ist, zwei hintereinandergeschaltete
W ärmeaustauscher mit getrennten Aufgabevorrichtungen vorgesehen, so können die
beiden Aufgabevorrichtungen abhängig von der Temperatur in einem der beiden der
Wärmeaustauscher gemeinsam geregelt werden. Eine weitere Verbesserung ist noch dadurch
möglich, daß eine der Aufgabevorrichtungen der beiden Wärmeaustauscher so beeinflußt
wird, daß der Speichermassenmengendurchsatz des einen W ärmeaustauschers dem des
anderen angeglichen wird, beispielsweise indem die den nachgeschalteten Wärmeaustauscher
durchfließende Menge der Speichermasse zusätzlich geregelt wird.
-
Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand eines in den Figuren
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden: Fig. 1 gibt
im Schnitt schematisch eine Wärmeaustanschzone wieder. Diese Wärmeaustauschzone
weist dabei eine Anzahl von parallel nebeneinander angeordneten zickzackförmigen
Umlenkblechen z auf. Der ZÄ'ärmeaustauschzone wird durch eine weiter unten näher
behandelte Aufgabevorrichtung in gleichmäßiger Verteilung ein Speichermassenstrom
zugeführt, dessen Partikel unter dem Einfluß der Schwere im Zuge der zickzackförmigen
Teilkanäle nach unten fallen. Die innerhalb der Teilkanäle geführten Partikel prallen
hierbei wiederholt auf die geneigten Wandteile der zickzackförmigen Kanäle auf,
nvo sie innerhalb der Teilkanäle reflektiert werden bzw. von den Wandteilen abspringen
und unter Wirkung des gegenströmenden Gasstromes aufgelockert werden, so daß eine
völlige Durchmengung von Speichermassenteilchen und Gasstrom erfolgt. Man erkennt,
daß auf dem angegebenen Wege eine bedeutende Erhöhung der Aufenthaltszeit der Speichermassenteilchen
in der Gasströmung herbeigeführt wird und daß infolge-der Auflösung des Strömungskanals
der Wärmeaustauschzone in eindeutig begrenzte Teilkanäle über den gesamten Querschnitt
der Wärmeaustauschzone eine weitgehend gleichmäßige Strömung des Gases bzw. der
Speichermasse gewährleistet ist.
-
Die Fig. 2 a bis 2c, 3 a und 3 b veranschaulichen näher die Ausbildung
einer Aufgabevorrichtung, die es ermöglicht, in der gewünschten Weise eine gleichmäßige
7uführung der. Speichermasse zu der durch die Umlenkbleche in Teilkanäle aufgelösten
Wärmeaustau.schzone vorzunehmen. Charakteristisch ist für die erfindangsgemäß vorgesehene
Aufgabevorrichtung die Anwendung einer Anzahl von Aufgaberinnen, die wie Fig. 3b
erkennen läßt, nebeneinander angeordnet sind und jeweils die Speichermassenzufuhr
zu einem bestimmten Längenabschnitt der Wärmeaustauschzone ermöglichen. Wie im einzelnen
die genannten Figuren erkennen lassen, besteht die Aufgabevorrichtung aus den Aufgabebehältern
i, die auf der unteren Seite mit den Ausströmöffnungen k versehen sind. Durch die
Öffnungen /z können die Speichermassenteilchen auf die in Längsrichtung hin- und
herbeweglichen Aufgaberinnen l fallen, die an ihren Seiten mit Rändern
h
versehen sind. An dem Aufgabebehälter i sind winkelförmige Vorsprünge m
angesetzt. Fällt bei dieser Anordnung die körnige Speichermasse auf eine Aufgaberinne
Z, so bildet sich hierbei ein Schfittkegel n, der in Fig.2c gestrichelt eingezeichnet
ist. Wird nun die Rinne l in ihrer Längsrichtung hin- und herbewegt, so wird durch
die winkelförmigen Vorsprünge m ein Teil des Schüttgutes über -die Ränder L; der
Rinne l gedrängt und gelangt in die Teilkanäle, welche zwischen den darunterliegenden
Umlenkblechen z eingeschlossen sind. Durch Verändern der Schwingungsamplitude oder
Frequenz oder der angegebenen Größen läßt sich die aufgegebene Menge der Speichermasse
ändern bzw. regeln. Die Fig.3a, 3b lassen, wie bereits angedeutet war, die Zuordnung
der Aufgabevorrichtung zu den Abschnitten der durch die Umlenkbleche z gebildeten
Wärmeaustauschzone näher erkennen. Die schwingenden Rinnen l sind zweckmäßigerweise
wesentlich schmaler als die Umlenkbleche, wobei sich dennoch ohne Beaufschlagung
der Teilkanäle der Umlenkb,leche über die ganze Länge eine ausgezeichnete Speichermassenverteilung
bzw. Schleierbildung ermöglichen läßt.
-
Die Rinnen Z sind bei dem angegebenen Beispiel an eine Feder 1, aufgehängt
(vgl. Fig. 3 a) und über eine Schubstange o und ein Gelenk o1 mit einem Exzentergetriebe
q verbunden, das von einem Motor ml angetrieben wird.
-
Erfindungsgemäß ausgebildete Wärmeaustauschzonen eignen sich besonders
für Regeneratoranlagen, in denen die-Wärme eines Gasstromes unter Verwendung einer
feinkörnigen, durch zwei verschiedene Wärmeaustauscher geführten Speichermasse auf
ein anderes gasförmiges Mittel übertragen wird.
-
Fig. 4 zeigt schematisch eine derartige Regeneratoranlage in Verbindung
mit einer Gasturbinenanlage. a und b sind hierbei zwei erfindungsgemäß ausgebildete
Wärmeaustauscher mit parallel nebeneinander angeordneten Umlenkblechen z. Die Speichermasse
wird durch die Rohre d, e, f auf folgende Weise geleitet: Aus dem Überdruckbehälter
a wird die Speichermasse infolge des Überdrucks von Verdichter g her durch das Rohr
e in den Behälter b gefördert, wo sie die Wärme aus dem Abgas der Turbine 1a aufnimmt.
-
Vom unteren Ende des Behälters b wird die Speichermasse durch das
Rohrf über Förderschnecke, Elevator oder Vibrationsförderer in den Hochbehälter
c geleitet. Vom Hochbehälter c aus erfolgt der Transport infolge Eigengewicht durch
das Rohr d zum Wärmeübergangsbehälter a zurück.
-
Für die Wirkungsweise -einer derartigen Anlage ist eine Regelung des
Speichermassenstromes in Verbindung mit den Gasströmen von wesentlicher Bedeutung.
-
Im folgenden wird daher näher auf die sich hierbei ergebenden Regelprobleme
eingegangen.
Der optimale thermische Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers
ist nur dann zu erreichen, wenn die Wasserwerte der beiden Medien Luft bzw. Gas
und Speichermasse gleich sind. CL - GL=csp - Gsp.
-
Schon kleine Abweichungen von dieser Optimalbedingung ergeben bedeutende
Wirkungsgradverschlechterungen. Andererseits ändert sich der Längs-Temperaturverlauf
im Regenerator (in Strömungsrichtung gemessen) ,auch bereits bei kleinen Verschiebungen
der Wasserwerte gegeneinander, wodurch eine gute Regelmöglichkeit gegeben ist.
-
Zur Regelung dse Speichermassenflusses wird als Regelgräße die Temperatur
etwa in der Mitte der Zickzackkanäle (in Strömungsrichtung gemessen) verglichen
mit der theoretischen Mitteltemperatur. Ab-
weichungen in der einen oder anderen
Richtung ergeben z. B. Spannungsunterschiede an einem Thermoelement, durch die ein
elektropneumatischer oder elektrischer Regler gesteuert wird. Der Regler verarbeitet
dann die Regelimpulse zu Änderungen der Betriebsspannung des Exzentermotors in,
oder - bei Versendung von Elektromagneten - zu Veränderungen der Eigenschwingungszahl
des Steuerrelais. Durch die Frequenzänderung des Schwingbalkens, die in beiden Fällen
erreicht wird, findet eine Verstärkung bzw. Drosselung des sekundlichen Speidhermassenflusses
statt.
-
Auch bei einer sehr genauen Regelung dieser Art würde sich im Betrieb
von zwei im Kreislauf hintereinandergeschalteten Wärmeübergangsbehältern bald eine
ungleichmäßige Speichermassenverteilung einstellen, da alle Fehler infolge kleiner
Abweichungen mechanischer oder elektrischer Art an Meß- oder Stellgliedern sich
mit fortschreitender Zeit summieren würden. Eine solche unerwünschte Erscheinung
kann durch eine zusätzliche Pegelregelung zwischen beiden Behältern vermieden werden.
Das heißt: Die Aufgabeelemente der beiden Wärmeübergangsbehälter werden gemeinsam
von einem Regler gesteuert, der die Regelgröße (Temperaturvergleich) aus einem der
beiden Wärmeübergangsbehälter bezieht. Der Stellgliedbetätigung für den zweiten
Behälter wird eine zusätzliche Regelung überlagert, die beispielsweise als Zweipunktregelung
mit fotoelektrischen Wandlern ausgeführt sein kann. Regelgröße ist hierbei der Pegelstand
der durchfließenden Speichermasse in dem Verbindungsrohr zwischen oberem und unterem
Behälter. In diesem Zwischenrohr sind zwei Öffnungen vorhanden, die einerseits das
Herausfallen der Speichermasse verhindern, andererseits - bei freiem Rohr -einen
Durchblick freigeben. Durch zwei Lichtsender und zwei fotoelektrische Wandler als
Empfänger kann - vorteilhaft in Verbindung mit einer nachgiebigen Rückführung -
der Pegelstand im Bereich der beiden Öffnungen gehalten werden. Ist die obere Lichtschranke
frei, die untere unterbrochen, dann. findet keine zusätzliche Regelung statt. Wenn
die obere Lichtschranke ebenfalls keinen Lichtdurchgang anzeigt, dann wird die Frequenz
des Aufgebers im unteren Behälter erhöht; haben beide Lichtschranken Durchgang,
dann setzt eine Verzögerung bei der Speichermassenzuteilung zum unteren Behälter
ein. Das Schema einer solchen Regelung ist in Fig. 5 dargestellt. Die Hauptregelung
erfolgt durch die Thermoelemente t1, t2 und t.. Auf dem Schiebewiderstand s wird
die (optimale) Mitteltemperatur eingestellt; der elektropneumatische Regler r setzt
alle Abweichungen von der Mitteltemperatur in Lufdruckänderungen um, die in dem
Umwandler u eine Widerstandsänderung bewirken. Dadurch wird die Spannung der Universalmotoren
in, und na" gesteuert und somit die Frequenz der Aufgabeelemente geregelt.
Zur gegenseitigen Abstimmung der beiden gleichartigen Motoren in, und mu wird der
Schiebewiderstand w dem Vorwiderstand v in der Weise angeglichen,
daß bei geöffnetem Schalterrelais qi, also über den Zwischenwiderstand z1, ein Strom
fließt, der eine gleich große Förderleistung beider Aufgabeelemente bewirkt. Die
überlagerte lichtelektrische Anpassungsregelung besteht aus den Lichtsendern x1,
x2, den -fotoelektrischen Wandlern (hier Fotowiderständen) p1, p2 mit der Spannungsquelle
y, den Schaltrelais qi, q2 und den Zwischenwiderständen z1, z2. Ist der Speichermassenpegel
über das zulässige Maß hinaus angestiegen, dann wird der Lichtstrahl von x1 unterbrochen;
das Relais, q1 erhält von p1 keine Spannung mehr, der Schaltkontakt fällt ab und
überbrückt den Widerstand zi, so daß die Spannung am Motor in" ansteigt und die
Förderung beschleunigt. Fällt der Speichermassenpegel dagegen so weit, daß der Lichtstrahl
von x2 auf den fotoelektrischen Wandler p2 fällt, dann schaltet das Relais q. den
Widerstand z2 zusätzlich in den Stromkreis des Motors na,, ein; dessen Drehzahl
und damit die Förderung pro Zeiteinheit wird herabgesetzt.