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Regenerativer Wärmeaustauscher mit im Gegenstrom durch ein gasförmiges
Medium als aufgelockerter Schleier herabrieselnden. Wärmespeicherteilchen Es sind
regenerative Wärmeaustauscher bekannt, bei denen ein Wärmeaustausch zwischen feinkörnigen
Speichermassenteilchen und einem im Gegenstrom durch diese hindurchgeführten gasförmigen
Medium erfolgt, wobei die Speichermassenteilchen sich in einem aufgelockerten Schleier
entgegen der Wirkung der Gasströmung unter dem Gewicht ihrer Schwere bewegen.
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Nach einem älteren Vorschlag wird eine verbesserte und besonders vorteilhafte
Ausbildung der vorerwähnten Wärmeaustauscher dadurch erzielt, daß zur Führung und
Durchmischung der Strömungen insbesondere durch begrenzte Zerstreuung der Speichermassenteilchen
in der Wärmeaustauschkammer oder Wärmeaustauschzone parallel zueinander angeordnete,
wellenförmig gestaltete Umlenkbleche verwendet werden. Diese Anordnung bietet vor
allem den Vorteil, daß über den gesamten Strömungsquerschnitt eine gleichmäßige
Strömungsverteilung erzwungen wird und hierbei die Verweilzeiten der Speichermassenteilchen
in dem hindurchgeleiteten Gasstrom bei gleichzeitiger Auflockerung der Speichermassenströmung
in der für einen optimalen Wärmeaustausch erforderlichen Weise verlängert werden.
Eine derartige Anordnung kann im Hinblick auf die Herabsetzung der Geschwindigkeit
der Speichermassenteilchen in der Weise verbessert und weiter ausgestaltet werden,
daß die wellenförmig gestalteten und in paralleler Anordnung die Strömungsteilkanäle
einschließenden Umlenkbleche gegenüber der Vertikalen eine Schrägstellung aufweisen.
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Gegenstand der Erfindung ist eine weitere Ausgestaltung der erwähnten
älteren Anordnungen in dem Sinne, daß für sehr große Gasmengen - wie sie beispielsweise
in Gasturbinenanlagen, Hüttenanlagen u. dgl. benötigt werden - eine günstige und
technisch ohne größere Schwierigkeiten zu verwirklichende konstruktive Lösung geschaffen
wird. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die geneigte Rieselbahnen
bildenden Umlenkbleche -im folgenden mit Rieselblechen bezeichnet - zu kegelstumpfförmigen,
pyramidenstumpfförmigen oder zylindrischen Wärmeaustauschzonen mit einer zentrischen
Zu- und Abführung des gasförmigen Mediums zusammengesetzt sind, welches in parallelen,
von den Rieselblechen begrenzten Strömungskanälen im Gegenstrom durch die von außen
oder innen über ein verteilt am äußeren Umfang des Wärmeäustauschers oder zentral
angeordnetes Verteilersystem zugeführten Speichermassenteilströme hindurchgeführt
wird. Vorzugsweise werden die die Wärmeaustauschzonen durchsetzenden Umlenk- oder
Rieselbleche aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt, die in Richtung der Strömung
wellenförmig ausgebildet sind. Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind
die zwischen den Segmenten eingeschalteten und zu deren Abstützung dienenden Stege
mit solcher Profilgebung ausgeführt, daß sich die von dem innenliegenden Luftzuleitungs-
bzw. -ableitungskanal nach außen erweiterten Strömungsquerschnitte der Volumänderung
des Gases anpassen.
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Von wesentlicher Bedeutung für die erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmeaustauscher
ist die Anwendung eines am äußeren oder inneren Umfang der Rieselbleche angeordneten
Rohrsystems, mittels dessen die Speichermasse durch Bohrungen bzw. Durchbrüche über
den ganzen Umfang der Rieselbleche, und zwar in verschiedenen Ebenen, verteilt wird.
Um günstigste Strömungsverhältnisse für die fließfähige Speichermasse zu erzielen,
ist das aus Rohren gebildete, außerhalb oder innerhalb des Wärmeaustauschers liegende
Rohrsystem so ausgebildet, daß ein regelbarer Restteil der Speichermasse nicht den
Rieselblechen zuströmt, sondern nach unten abgeleitet wird. Es bietet besondere
Vorteile, diese G-undströmung der Speichermasse zu regeln. Durch diese Maßnahme
wird es wesentlich erleichtert, die fließfähige Speichermasse in allen Teilen des
Wärmeaustauschers in Bewegung zu- halten sowie unter Umständen die Menge des denRieselbahnen
zugeführten Fließgutes zu beeinflussen.
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Die Erfindung soll näher-an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert
werden.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt durch einen regenerativen Wärmeaustauscher,
der beispielsweise dazu dient, die Luft, die der Brennkammer einer Gasturbine vom
Kompressor zugeführt wird; durch eine vorher aufgewärmte Speichermasse vorzuwärmen.
Mit 1 ist das äußere Gehäuse des Wärmeaustauschers bezeichnet. Durch den Kanal 2
wird die vorzuwärmende Luft von oben in das Gehäuse eingeführt. 3 sind Rieselbleche,
die eine Kegelstumpffläche beschreiben und in sich wellig ausgeführt sind. Sowohl
der innere wie der äußere Durchmesser der Rieselbleche 3 nehmen nach unten zu ab,
wodurch sich eine kegelförmige Gestaltung des Luftzuführungskanals 2 ergibt. Die
Kaltluft tritt nun in die zwischen den einzelnen übereinanderliegenden Rieselblechen
gebildeten Kanäle von innen ein und strömt auf dem durch ausgezogene Linien sowie
Pfeile angedeuteten Wege durch die Rieselbleche hindurch. Am äußeren Umfang der
durch die übereinanderliegenden Rieselbleche gebildeten Wärmeaustauschzonen strömt
die Luft durch den einen keilförmigen Querschnitt aufweisenden Spalt 4 zwischen
den Rieselblechen und dem Gehäuse nach unten ab und verläßt den Wärmeaustauscher
durch den unterhalb des Gehäuses 1 gelegenen zentrischen Ableitungskanal 5. Für
die Zuführung der fließfähigen Speichermasse ist ein besonderes, aus Rohren gebildetes
Verteilersystem 6 vorgesehen, das beispielsweise aus einem die Wärmespeichermasse
enthaltenden, in der Figur nicht weiter dargestellten Hochbehälter dem Wärmeaustauscher
zuströmt. Charakteristisch für dieses Verteilersystem ist, daß eine Anzahl von Rohren
7 über den Umfang der Wärmeaustauscherzonen verteilt angeordnet ist, die entweder
einzeln oder über einen hohlzylindrischen Sammelkanal 8, der den Luftzuleitungskanal2
umgibt, an den die Speichermasse enthaltenden Hochbehälter angeschlossen sind. Die
Rohre 7 sind im Bereich der Rieselbleche 3 mit Abstand voneinander entweder durch
diese hindurchgeführt oder so am Rand der Rieselbleche angeordnet, daß durch vorzugsweise
seitliche öffnungen in den einzelnen Rohren 7 sich die fließende Speichermasse auf
die einzelnen Rieselbleche verteilen kann.
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Aus dem Teilschnitt bzw. dem Grundriß der Fig. 2 und 3 ist näher die
Anordnung der Speichermassenzuleitungsrohre 7 sowie der in diesen vorgesehenen Öffnungen
7a zur Verteilung der Speichermasse zu ersehen. Es empfiehlt sich, die einzelnen
Rohre 7, die einen rechteckigen, ovalen oder sonstigen Querschnitt haben können,
so zu gestalten, daß nach dem unteren Ende der Wärmeaustauschzonen zu der für das
Speichergut zur Verfügung stehende Querschnitt verringert wird. Eine solche Ausbildung
begünstigt eine gleichmäßige Verteilung der gesamten Speichermasse über die einzelnen
Abschnitte der übereinanderliegenden kegelstumpfförmigen Speicherbleche. Man erkennt
nun insbesondere aus Fig. 1 und 2 die Führung der aufzuwärmenden Luft an der entgegenströmenden
Speichermasse, deren Strömen mit gestrichelten Linien angedeutet ist: Eine Vielzahl
von Umlenkungen des Gases bzw. der Luft und der Speichermasse um einen größeren
Winkel, die beträchtliche Strömungsverluste zur Folge haben, ist praktisch vermieden.
Die Geschwindigkeit der Masseteilchen wird nur noch von der Strömungsgeschwindigkeit
der Luft bestimmt. Durch die konstruktive Gestaltung des Wärmeaustauschers ergibt
sich bei der vorgesehenen Anordnung ohne weiteres die Möglichkeit, den Strömungsquerschnitt
für die Luft der eintretenden Lufterwärmung anzupassen. Sollte die mit dem Durchmesser
linear zunehmende Erweiterung des Strömungsquerschnittes zu groß sein, so ist ohne
weiteres die Möglichkeit gegeben, keilförmige Führungsteile 10 zwischen den
einzelnen Rieselblechen vorzusehen, die eine weitgehende Beeinflussung des Querschnittes
möglich machen.
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Vorteilhafterweise werden in den einzelnen Zuleitungskanälen oberhalb
der Speicherbleche Druckausgleichöffnungen 11 vorgesehen.
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Die aus den Rieselblechen 3 austretende Speichermasse, die ihre Wärme
an die vorgewärmte Luft abgegeben hat, wird durch die Sammelleitung 8a aus dem Wärmeaustauscher
abgeführt und kann in an sich bekannter Weise entweder durch eine besondere Fördereinrichtung
oder aber durch ein gasförmiges Druckmittel in einen anderen ähnlichen Wärmeaustauscher
befördert werden, indem es durch ein heißes Gas, z. B. die Abgase einer Gasturbine,
wieder aufgewärmt wird, was weiter unten näher erläutert wird.
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Soweit nun - um eine gleichmäßige Aufgabe der fließfähigen Speichermasse
aufrechtzuerhalten -eine Grundströmung vorhanden ist, muß die in den Regelorgane
12 enthaltenden Rohrteilen 13 abströmende Speichermasse wieder dem
Zuleitungssystem der Speichermasse zum Wärmeaustauscher zugeführt werden. Auch hierfür
kann entweder eine Hubvorrichtung, z. B. eine Schnecke oder ein Becherwerk oder
ein gasförmiges Druckmittel Anwendung finden.
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Fig.4 gibt einen Querschnitt durch einen ähnlichen Wärmeaustauscher
wieder, bei dem einzelne, die Rieselbleche bildende Segmente gewissermaßen pyramidenartig
zusammengesetzt sind. 15 bedeuten die einzelnen ebenen, gegebenenfalls wellig gestalteten
Segmente. 10 sind einzelne keilförmige Zwischenlagen, die es gestatten, die Strömungsquerschnitte
zu beeinflussen. Durch diese Zwischenlagen können die Verteilungsrohre 7 für die
Speichermasse geführt werden. 16 bedeuten Schlitze oder Spalte in den keilförmigen
Zwischenlagen 10, durch die die fließende Speichermasse den Strömungsbahnen
zugeführt wird.
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Fig.5 zeigt noch einen ähnlichen Speicheraustauschkörper, der sich
dadurch auszeichnet, daß zum Aufbau Rieselbleche z. B. von kegelförmiger Gestaltung
gleicher Ausführung verwendet sind; um in diesem Fall eine zweckentsprechende Luftführung
in dem zentralen Lüftungskanal vorzusehen, ist in dem Kanal 2 ein etwa kegelförmig
gestalteter Leitwandtei120 vorgesehen. Diese Anordnung bedingt jedoch, daß der äußere
Mantel 21 des Wärmeaustauschgehäuses eine kegelförmige Gestaltung erhält, um eine
günstige Abströmung des gasförmigen Mittels zu erreichen.
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Nach dem Vorangehenden dürfte Fig. 5 ohne weiteres verständlich sein.
Mit ausgezogenen bzw. gestrichelten Linien sind die Strömungspfade der Luft und
der Speichermasse angedeutet.
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Grundsätzlich kann selbstverständlich der in der Fig.5 wiedergegebene
Aufbau auch dann beibehalten werden, wenn an Stelle von geschlossenen kegelförmigen
Rieselblechen einzeln ebene Rieselsegmente vorgesehen sind, die pyramidenförmig
zusammengesetzt werden, wie es die Fig.4 zeigt.
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In Fig. 6 ist weiter ein nach dem gleichen Prinzip aufgebauter Wärmeaustauscher
dargestellt, der nun dazu dient, durch die heißen Abgase, z. B. einer Verbrennungsturbine,
die
vorher abgekühlte Speichermasse wieder aufzuwärmen. Da in diesem Fall das heiße
Gas seine Wärme an die Speichermasse abgibt, ist es zweckmäßig und erforderlich,
zur Sicherstellung einer gleichbleibenden Teilchengeschwindigkeit wegen der Volumenänderung
des sich abkühlenden Gases, dieses aus einem ringförmigen Kanal von außen in die
Wärmeaustauschbleche eintreten zu lassen und die Speichermasse durch zentrale Kanäle
den Rieselblechen zuzuführen. Es bedeutet in Fig.6 30 den von der Turbine kommenden
Abgaskanal sowie 32 den aus kegelstumpfförmigen einzelnen Rieselblechen 31 aufgebauten
Wärmeaustauscher, der ebenfalls die Form eines Hohlkegelstumpfes in seiner Gesamtheit
aufweist. Durch die sich keilförmig verjüngenden Kanalteile 34 wird das heiße Gas
von außen zwischen den Rieselblechen 31 eingeführt. 36 bedeutet einen zentralen
Ableitungskanal, durch den das abgekühlte Gas beispielsweise an die Atmosphäre abgeleitet
wird. 37 ist das zentra'#e Zuleitungskanalsystem für die Speichermasse. Durch Kanäle
38 wird wieder eine Grundströmung in dem Zuleitungssystem ermöglicht. 39 bedeutet
ein weiteres Kanalsystem, durch die die zwischen den Blechen 31 hindurchgeströmte
Speichermasse aufgefangen und beispielsweise zu einer Förderschnecke, die die Speichermasse
in einen Hochbehälter bewegt, abgeleitet werden kann.
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In vielen Fällen ist es nun erwünscht, mit Rücksicht auf die Regelung
der Gesamtanlage, auch eine Regelung sowohl des gasförmigen Mittels wie der Speichermasse
vorzunehmen. Die erfindungsgemäße Ausbildung von Wärmeaustauschern bietet ohne weiteres
die Möglichkeit, in einfacher Form eine Regelung sowohl des Gases wie der Speichermasse
vorzunehmen. Eine solche Regelung kann dadurch erreicht werden, daß einzelne Teilabschnitte
des Wärmeaustauschers abgeschaltet werden. Beispielsweise ist eine solche Regelung
in der Weise möglich, daß bewegliche Sperrflächen vorgesehen werden, die gegenüber
dem Wärmeaustauscher so bewegt werden, daß die Durchtrittsquerschnitte zwischen
den Rieselflächen ganz oder teilweise verschlossen werden. Sind beispielsweise Rieselflächen
gleicher Ausbildung vorgesehen, wie in Fig. 5 dargestellt ist, so kann, wie Fig.
7 zeigt, in dem zentralen Ableitungskanal 40 ein Ringschieber 41 vorgesehen sein,
der in den Wärmeaustauscher in der Weise hineinbewegt wird, daß die Strömungsquerschnitte
zwischen einem Teil der Rieselfläche verschlossen werden. Unter Umständen kann es
auch Vorteile bieten, einen Doppelringschieber vorzusehen, durch den sowohl der
Eintritt wie der Austritt der Speichermasse gegebenenfalls mit einer Phasenverschiebung
geändert werden kann.
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Grundsätzlich ist es bei kegelförmiger Ausbildung des zentralen Luft-
oder Gaszuleitungskanals auch möglich, einen kegelförmigen Sperrschieber zu verwenden,
der einen Teil der Strömungskanäle zwischen den Rieselflächen abschließt. Es ist
aber auch möglich, den Wärmeaustauscher so aufzubauen, daß sich an einen kegelförmigen
Kanal ein Teil mit zylindrischem Durchströmungsquerschnitt anschließt, so daß ein
einfacher Sperrzylinder vorgesehen werden kann. Die Regelung kann ohne weiteres
selbsttätig erfolgen, z. B. in Abhängigkeit von dem Druck. Wird beispielsweise eine
Gasturbine mit Teillast betrieben, so ergibt sich, daß der die Verbrennungsluft
liefernde Kompressor bei Teillast ebenfalls nur einen Teildruck liefert. In diesem
Fall würde man druckabhängig einen Teil der Strömungskanäle des Wärmeaustauschers
abschließen. Die selbsttätige Regelung kann beispielsweise durch eine Stauscheibe
oder ein druckempfindliches Organ erfolgen, auf welches das gasförmige Mittel einwirkt:
Durch einen Sperrschieber od. dgl., der den wirksamen Durchtrittsquerschnitt regelt,
kann neben einer betriebsmäßigen Regelung in Abhängigkeit von den physikalischen
Größen, die in der Anlage auftreten, auch eine Einjustierung vorgenommen werden,
um die gewünschte Arbeitsweise des Wärmeaustauschers zu erreichen. Die Einjustierung
wird am zweckmäßigsten dadurch erreicht, daß der Arbeitsbereich des Sperrschiebers
durch eine Lagenänderung zum Zwecke der Einstellung ermöglichende Zwischenteile
verschöben wird.
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Eine andere Regelmöglichkeit bzw. Möglichkeit zur Einjustierung der
Arbeitsweise des Wärmeaustauschers besteht darin, daß die Grundströmung der Speichermasse
geregelt wird.
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Andere Möglichkeiten zur Regelung bestehen noch darin, daß die Neigung
der Rieselflächen, über die die Speichermasse strömt, geändert wird. Bei einem Aufbau
der Rieselflächen aus einzelnen ebenen Sperrsegmenten, wie sie in Fig.4 dargestellt
ist, läßt sich eine derartige Regelung ohne größere Schwierigkeiten durchführen.
Eine einfache Lösung -ergibt sich in diesem Fall dadurch, daß die Rieselbleche-
an ihren außenliegenden Kanten gelenkig aufgehängt werden. Zur Lenkung der Rieselfläche
müssen in diesem Fall in der Vertikalen durchgeführte Zugglieder verwendet werden,
die an den freien Enden der Rieselbleche angelenkt sind. Zur Abdichtung des sich
ändernden Spaltes zwischen den Rieselblechen dienen segmentförmige Zwischenlagen,
die ebenfalls zweckmäßigerweise an den Zuggliedern angelenkt werden.
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Weiter läßt sich, wie Versuche gezeigt haben, eine sehr vorteilhafte
Regelung des Flusses der Speichermasse auf elektromagnetischem Wege erreichen. Findet
ein ferromagnetisches Material Anwendung, so kann durch entsprechende Erregung,
z. B. durch Magnetspulen oder durch bewegliche permanente Magnetsysteme, die gesteuert
werden, der Fluß der Speichermasse angehalten bzw. freigegeben werden. Durch Erregen
oder Entregen in verschiedenen Zeitintervallen kann hierbei der Fluß der Speichermasse
beeinflußt werden. Wie Versuche gezeigt .haben, können die magnetisch wirkenden
Regeleinrichtungen mit besonders kleinen Abmessungen ausgeführt werden, wenn diese
unmittelbar an den Austrittsöffnungen des Rohrsystems zur Verteilung der Speichermasse
angeordnet werden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, an anderen Stellen
durch magnetische Felder eine Regelung des Speichermassenflusses zu bewirken. Bei
Verwendung einer nicht magnetisierbaren Speichermasse, z. B. aus Messingkörnchen
oder einem ähnlichen metallischen Material, kann die magnetische Regelung mit Wechselfeldern
bewirkt werden. Hierbei kommt die hemmende Wirkung durch Wirbelstrombildung in der
dem Magnetfeld ausgesetzten Speichermasse, z. B. im Bereich der Austrittsöffnungen,
an dem Rohrverteilungssystem zustande. Für die Regelung des Speichermassenflusses
ist #unter Umständen der Durchmesser der Austrittsöffnungen in den Zuführungsrohren
der Speichermasse von wesentlicher Bedeutung. Unter Umständen kann es vorteilhaft
sein, an Stelle einer größeren Austrittsöffnung in den Zuleitungskanälen mehrere
parallel geschaltete Kanäle vorzusehen.
Die Fig. 8 und 9 zeigen
Anordnungen zur magnetischen Regelung des Speichermassenflusses an den Austrittskanälen
der Zuleitungsrohre 7.