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Regenerativ-Wärmeaustauscher, dessen Rotor von den beiden Medien im
Gegenstrom zu seiner umlaufenden Bewegung durchströmt wird Die Erfindung betrifft
einen Regenerativ-Wärmeaustauscher, der einen in einem feststehenden Gehäuse gelagerten
und in diesem umlaufenden Rotor aufweist, dessen am Rotorumfang angeordnete, in
einzelne Ringsektoren unterteilte Speichermasse von dem wärineabgebenden Medium
und dem wärmeaufnehmenden Medium im Gegenstrom zu ihrer umlaufenden Bewegung durchströmt
ist.
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Bei verschiedenen, im allgemeinen unter der Bezeichnung Ljungström-Regenerativ-Vorwärmer
bekanntgewordenen Ausführungsformen eines Regenerativ-Wärmeaustauschers strömen
die am Wärmeaustausch beteiligten Medien in entgegengesetzter Richtung senkrecht
zur Bewegung der Speichermasse durch diese hindurch, wobei man in Analogie zu einem
Wärmeaustauscher mit festen Trennwänden sagen kann, daß sich die Speichermasse im
Kreuzstrom zu den am Wärmeaustausch beteiligten Medien bewegt. Ein solcher Vorwärmer
hat zwar auf der einen Seite den Vorteil, daß in ihm in besonders einfacher Weise
relativ große Speichermassen untergebracht werden können, besitzt jedoch auf der
anderen Seite eine Reihe recht erheblicher Nachteile, die den zuvor behandelten
Vorteil wiederaufheben und das Gerät in seiner praktischen Verwendbarkeit beeinträchtigen.
Ein wesentlicher und für die Praxis recht erheblicher Nachteil eines solchen Regenerativ-Vorwäriners
besteht dabei vor allem darin, daß insofern große Speichermassen mit einer großen
Wärmekapazität erforderlich sind, als die Speichermasse bei ihrem Umlauf von der
wärmeabgebenden Seite zur wärmeaufnehmenden Seite nur verhältnismäßig geringe Temperaturunterschiede
von beispielsweise 20' C aufweisen darf.
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Außerdem sind noch ähnliche Regenerativ-Wärmeaustauscher bekanntgeworden,
bei denen das wärmeabgebende Medium in radialer Richtung durch die in diesem Fall
ringförmig am Rotorumfang angeordnete Speichermasse in das Rotorinnere eintritt
und wieder in axialer Richtung abströmt, das wärineaufnehmende Medium dagegen in
axialer Richtung in das Rotorinnere eintritt und unter Wärmeaufnahme wieder in radialer
Richtung durch die Speichermasse nach außen abströmt. Auch hierbei bewegt sich die
Speichermasse wieder im Kreuzstrom. zu den am Wärmeaustausch beteiligten Medien.
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Weiterhin ist noch ein Regenerativ-Wärmeaustauscher geschaffen worden,
der den Vorteil des zuvor behandelten bekannten Ljungström-Vorwänners, -nämlich
die Unterbringung relativ großer Speichermassen, aufweist, ohne jedoch auch die
Nachteile dieses Regenerativ-Wärmeaustauschers, nämlich das infolge der nach dem
Kreuzstromprinzip senkrecht zur Strömungsrichtung der beiden Medien bewegten Speichermassen
nur geringe, in der Speichermasse zu verarbeitende Temperaturgefälle, zu besitzen.
Dieser bekannte Regenerativ-Wärmeaustauscher zeichnet sich dabei dadurch aus, daß
seine am Rotorumfang ähnlich axialer Längsrippen angeordnete Speichermasse von dem
wärmeabgebenden Medium und dem wärineaufnehmenden Medium im Gegenstrom zu ihrer
umlaufenden Bewegung durchströmt ist. Die Trennung der beiden Strömungswege wird
dabei durch ähnlich Drehkreuzen ausgeführte, sich über die ganze Rotorlänge erstreckende
Absperrorgane bewirkt, deren radial vorstehende Schaufeln nacheinander zwischen
die einzelnen Längsrippen der Speichermasse abdichtend hineingreifen.
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Durch diese besondere Art der Ausbildung des Regenerativ-Wärmeaustauschers
wird zwar theoretisch in bezug auf die Speichermasse das Gegenstromprinzip sowohl
hinsichtlich der Wärmeabgabe als auch der Wärmeaufnahme nahezu ideal verwirklicht,
in der Praxis ist die Abdichtung der beiden Strömungswege der am Wärmeaustausch
beteiligten Medien aber doch immer noch so mäßig, daß sich die Medien leicht
miteinander vermischen und sich die an sich durch die bessere Wärmeübertragung erzielten
Vorteile wieder aufheben.
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Diese bei dem Wärmeaustauscher der zuvor behandelten Art aufgetretenen
Abdichtungsschwierigkeiten hat man bei einer ähnlichen Ausführungsform eines derartigen
Wärmeaustauschers, bei dem die am Umfang eines Rotors angeordnete Speichermasse
ebenfalls
in Ringsektoren unterteilt ist, dadurch zu
vermeiden versucht, daß als Speichermasse
selbst gewellte Bleche od. dgl. vorgesehen sind, die wieder derart radial angeordnet
sind, daß die am Wärineaustausch beteiligten Medien lediglich in radialer Richtung
durch die Speichennasse in die eine Kammer des in zwei Kammern unterteilten zylindrischen
Rotorhohlraumes hineinströmen und an der gegenüberliegenden Seite dieser Kammer
wieder ebenfalls in radialer Richtung durch die Speichermasse abströmen können.
Durch diese radiale Anordnung der Speichennassenbleche bewirken diese zwar beim
Übergang von dem einen Strömungsweg zum anderen Strömungsweg eine ausreichend zuverlässige
Ab-
dichtung, jedoch wird dieser Vorteil durch außerordentlich gewundene Strömungswege
erkauft, deren Strölnungswiderstand derart groß ist, daß auch dieser Wärmeaustauscher
den Erfordernissen der Praxis nicht gerecht wird.
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Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen solchen an
sich bekannten Regenerativ-Wärmeaustauscher derart auszubilden, daß er auch in der
Praxis tatsächlich den in ihn gesetzten Erwartungen entspricht und jede Vennischung
der am Wärmeaustausch beteiligten Medien unterbleibt, ohne daß hierbei besondere
Abdichtungsmaßnahmen wesentliche Strömungswiderstände zur Folge haben.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung nun dadurch gelöst, daß zwischen
den einzelnen Ringsektoren mit diesen umlaufende, die Trennung der Strömungswege
der beiden am Wänneaustausch beteiligten Medien bewirkende Absperrorgane angeordnet
sind, die während ihres größten Umlaufwege# offen und beim Übergang von dem einen
Strömungsweg zum anderen Strömungsweg zwangsweise in Abhängigkeit der Rotordrehung
schließbar sind. Infolge dieser Anordnung der Absperrorgane und deren zwangsweisen
Steuerung ist eine einwandfreie Abdichtung der beiden Strömungswege und damit wieder
eine Wärmeübertragung erzielbar, die so groß ist, daß gegenüber dem bekannten nach
dem Kreuzstromprinzip arbeitenden Ljungström-Vorwärmer bei jeder Umdrehung des die
Speichermasse tragenden Rotors von jedem Speichermassenteilähen ein vielfach größeres,
10- bis 20faches Temperaturgefälle verarbeitet wird. Ist also beispielsweise
die Rotordrehzahl des erfindungsgemäßen Wärineaustauschers die gleiche wie bei bekannten
Ljungström-Vorwärmern, so kann das Gewicht der Speicherinassen dieses erfindungsgemäßen
Wärineaustauschers auf etwa ein Zehntel bis ein Zwanzigstel herabgesetzt werden.
Wird hing gegen bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher die gleiche Menge an
Speichermassen wie bei dem Ljungström-Vorwärmer benutzt, so sind zur Übertragung
der gleichen Wärmemenge lediglich Rotordrehzahlen notwendig, die etwa ein Zehntel
und weniger betragen.
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Weiter weist der Regenerativ-Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung
noch den Vorteil auf, daß jeder zu übertragenden Wärmemenge eine ganz bestimmte
optimale Umlaufgeschwindigkeit der Speichermasse zugeordnet ist. Hierdurch ist die
Möglichkeit gegeben, den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung durch eine Änderung der
Drehzahl des die Speichermasse tragenden Rotors abzusenken, was beispielsweise sehr
wertvoll sein kann, wenn die Temperatur der Speichermassen oder des wärineaufnehmenden
Mediums einen Höchstwert nicht überschreiten darf. Schließlich ist noch als Vorteil
die als besonders günstig erkannte Tatsache anzuführen, daß, da die Wärmeübertragung
unter anderem auch von dem Produkt Speicherinasse mal deren Drehzahl abhängig ist,
sich durch eine entsprechende Wahl der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors und damit
auch der Speichermasse die tiefsten (Taupunkt) und die höchsten (Verzunderung) Heizflächentemperaturen
in weitem Spielraum einstellen lassen.
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Die Erfindung zeichnet sich ferner dadurch aus, daß bei n am Rotorumfang
verteilten Absperrorganen der Abstand der Innenkanten der einander benachbarten
Ein- und Auslaßstutzen mindestens gleich lln des äußeren Rotorumfanges ist. Weiter
kann die Steuerung der Absperrorgane mechanisch, beispielsweise mittels Nocken,
Gestängen oder Stößeln erfolgen. Desgleichen kann in gewissen Fällen aber auch eine
pneumatische, hydraulische oder elektrische Steuerung der Absperrorgane vorteilhaft
sein.
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Als Absperrorgane lassen sich beispielsweise in zwischen den Ringsektoren
angeordneten Trennwänden befindliche Absperrventile oder Absperrschieber verwenden.
Es können aber auch Drehklappen oder Drehklappengruppen vorgesehen sein, wobei dann
die einzelnen Klappen dieser Gruppen in radialer Richtung hintereinander angeordnet
und gemeinsam über je ein Gestänge od. dgl. betätigt werden.
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Weiter sind an den beiden Stimseiten des Rotors vorteilhaft Scheiben
angeordnet, die gegenüber dem feststehenden Gehäuse abgedichtet sind. Die Abdichtung
des Rotoffimeren gegenüber der Außenhift erfolgt dabei zweckmäßig in an sich bekannter
Weise mittels vorzugsweise aus einzelnen Segmenten bestehender Schleifringe, die
unter der Spannung von Druckfedern stehen und abdichtend sowohl an der Außenwandung
des feststehenden Gehäuses als auch den Innenflächen der umlaufenden Scheiben anliegen.
Auf diese Weise wird eine einwandfreie Abdichtung erreicht, die jedes Auftreten
von Lässigkeitsverlusten schlechthin ausschließt.
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Der Antrieb des Rotors, dessen Drehzahl je nach Auslegung des
Regenerativ-Wärmeaustauschers nur etwa 5 bis 15 Umdrehungen pro Stunde
beträgt, wird vorteilhaft mittels an sich bekannter Antriebsrollen bewirkt, auf
denen sich die Rotorscheiben nicht nur abwälzen, sondem gleichzeitig auch abstützen.
Bei kleineren und damit leichteren Ausführungsformen ist es natürlich auch denkbar,
den Rotor ebenfalls in an sich bekannter Weise mittels -einer gleichzeitig seiner
Lagerung dienenden zentralen Welle anzutreiben.
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Um schließlich einerseits Wärmeverluste, andererseits übermäßige Wärmebelastungen
des Rotormaterials, der beiden Stirnscheiben sowie des festen Gehäuses zu vermeiden,
ist die Speichermasse nach außen hin durch Isoherwände abgeschirmt.
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Ein Ausführungsbeispiel des Regenerativ-Wärmeaustauschers gemäß der
Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen
in rein schematischer Weise Fig. 1 einen senkrechten Schnitt des Regenerativ-Wärmeaustauschers
und Fig. 2 eine Seitenansicht des Regenerativ-Wärmeaustauschers mit Teilschnitt
längs der Linie A -B.
Mit 1 ist ein Rotor in der Form
eines Hohlzyhnders bezeichnet, an dessen beiden Stimseiten die Scheiben 2 angeordnet
sind. Dieser Rotor 1 ist von einem feststehenden, ebenfalls zylinderförmigen
Gehäuse 3 umgeben, Sowohl der Rotor 1 mit den
Scheiben
2 als auch das Gehäuse 3 sind durch Isolierschichten 4 vor den Temperaturen
der dem Wärmeaustausch unterworfenen Medien geschützt, so daß nennenswerte Wärmeverluste,
insbesondere aber Längenänderungen oder Spannungen im Material infolge von Temperatureinflüssen
vermieden werden.
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In das feststehende Gehäuse 3 münden die dem Eintritt und Austritt
der beiden Medien, beispielsweise des abzukühlenden Rauchgases bzw. der vorzuwärmenden
Luft, dienenden Stutzen 6, 7 und 5, 8.
Der Rotor 1 ruht mit
seinen Scheiben 2 auf Antriebsrollen 9 auf, die von außen angetrieben werden
und den Rotor 1 in Drehbewegung versetzen. Es ist im Rahmen der Erfindung
aber auch möglich, die Bewegung des Rotors 1 über eine zentral angeordnete
Antriebswelle zu bewirken, die wieder in entsprechenden Lagern abgestützt ist.
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Durch die Pfeile 10 ist die Drehrichtung des Rotors
1 dargestellt, die Pfeile 11 und 12 dagegen geben die Strömungsrichtung
der am Wärmeaustausch teilnehmenden Medien, also beispielsweise des wärmeabgebenden
heißen Rauchgases und der zu erwärmenden Luft, an.
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Der von den Bauteilen 1, 2 und 3 eingeschlossene ringförmige
Hohlraum ist beispielsweise durch in Form von Drehklappengruppen 13 bis 24
ausgebildete Absperrorgane in einzelne Ringsektoren unterteüt, in denen Wärmespeicherinassen
25 angeordnet sind, die beispielsweise aus einen besonders hohen Wärme-Übergang
gewährleistenden Spiralfedergruppen, Paketen aus mit Abstandshaltem oder dergleichen
ausgestatteten glatten Blechen oder aus Paketen gewellter Bleche bestehen können.
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Die Abstützung des ruhenden, die Ein- und Austrittsstutzen
5 bis 8 aufweisenden Gehäuses 3 gegenüber dem sich zusammen
mit der Speichermasse 25
und den Absperrorganen 13 bis 24 drehenden
Rotors 1 ist nicht näher erläutert. Es sei hier nur kurz angedeutet, daß
das Gehäuse 3 vorteilhaft in Leichtbauweise, also aus dünnem Blech, hergestellt
ist und sich über mit ihm in Verbindung stehende Laufrollen wieder auf den seitlichen
Scheiben 2 abstützt. Die auftretenden Kräfte werden hierbei über die Scheiben 2
und die Antriebsrollen 9 in das Fundament eingeleitet.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers sowie der
zeitliche Ablauf der Steuerung der Absperrorgane sind nachstehend beschrieben: In
der in der Fig. 1. dargestellten Stellung des sich nur sehr langsam entgegengesetzt
zur Strömungsrichtung 11/12 der beiden am Wärmeaustausch beteiligten Medien drehenden,
die Speichermasse 25
tragenden Rotors 1 haben sich nach dem Passieren
der Eintrittsstutzen 6 und 7 die beiden Klappengruppen 13 und
19 gerade geschlossen, wodurch der von den Bauteilen 1, 2 und
3 umgebene Hohlraum in zwei völlig voneinander getrennte, sich jeweils Über
einen Bereich von etwa 1501 erstreckende Ringkanäle unterteilt ist. Wird
beispielsweise durch den Stutzen 6 dem rechten Ringkanal heißes Rauchgas
zugeführt, so strömt dieses zunächst in annähernd radialer Richtung in das gerade
dem Eintrittsstutzen 6
benachbarte Speichermassenpaket ein, nimmt seinen Weg
in Richtung der weiteren Pfeile 11 durch die zwischen dem Eintrittsstutzen
6 und dem Austrittsstutzen 5 befindlichen offenen Drehklappengruppen
15 bis 18 und die Wärme aufnehmenden Speichermassen 25, um
schließlich wieder in annähernd radialer Richtung aus dem gerade dem Austrittsstutzen
5 benachbarten Speicherinassenpaket heraus-und durch diesen Austrittsstutzen
5 abzuströmen. In der gleichen Weise, jedoch in der durch die Pfeile 12 gekennzeichneten
entgegengesetzten Richtung, strömt dann die zu erwärmende Luft durch den Stutzen
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in den linken Ringkanal ein, nimmt die von den Speichermassen
25 gespeicherte Wärme auf und strömt wieder durch den Austrittsstutzen
8 ab.
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Wie die Klappengruppen 13 und 19 sind in dem in der
Fig. 1 dargestellten Zeitpunkt auch die beiden Klappengruppen 1.4 und 20
noch geschlossen, so daß die beiden Medien den ihnen zugewiesenen Weg nehmen können,
ohne sich an irgendeiner Stelle auch nur in geringem Maße miteinander zu mischen.
Im Verlauf der Rotordrehung werden die einzelnen Klappengruppen 13 bis 24
dabei jeweils an den Innenkanten6a und 7a der Einlaßstutzen6 und 7
geschlossen
und bleiben so lange gesperrt, bis sie die Innenkanten 5 a
und 8 a der Auslaßstutzen 5 und 8
erreicht haben. An
diesen Innenkanten 5a und 8a erfolgt dann wieder ein Öffnen der Klappengruppen
13 bis 24, damit die Medien ungehindert durch den linken bzw. rechten Ringkanal
hindurchströmen können. Die in der Fig. 1 dargestellten Klappengruppen 14
und 20 werden sich somit im nächstfolgenden Augenblick öffnen und dem jeweils austretenden
Medium den Weg in den Austrittsstutzen 5
bzw. 8 freigeben. Diese öffnungsstellung
der Klappengruppen bleibt dann jewefls so lange aufrechterhalten, bis die einzelnen
Klappengruppen wieder die Innenkante 6a oder 7a des folgenden Eintrittsstutzens
6
bzw. 7 erreicht haben.
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Die Steuerung dieser Klappengruppen 13 bis 24 wird zweckmäßig
von der Drehbewegung des Rotors 1
abgeleitet. Dies kann beispielsweise mit
Hilfe von mechanischen Mitteln in Form von feststehenden Nocken, Gestängen und Stößeln
erfolgen, die über jeweils zu einer der Klappengruppen 13 bis 24 gehörenden
Gestänge ein Öffnen oder Schließen der einzelnen Klappen bewirken. Auch ist es möglich,
die Klappengruppen 13 bis 24 mit Hilfe von Gegengewichten zu betätigen, also
eine Steuerung, die ebenfalls in Abhängigkeit von der Drehbewegung des Rotors
1 erfolgt. Selbstverständlich kann eine derartige Steuerung der Klappengruppen
13 bis 24 auch mit Hilfe von pneumatischen, hydraulischen oder elektrischen
Mitteln verwirklicht werden.
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Eine beispielsweise Variante der Erfindung zeichnet sich noch dadurch
aus, daß an Stelle des angenähert radialen Ein- und Austrittes der Gase in den die
Speichermasse. 25 tragenden Rotor 1 der Ein- und Austritt der Gase
um 90' versetzt erfolgt, wobei die Gase dann parallel zur Rotorachse durch
öffnungen in die dann feststehenden Scheiben 2 des Rotors 1
ein- bzw. ausströmen.
In diesem Falle wäre dann die Speichermasse 25 gegenüber der in den Fig.
1 und 2 erläuterten Ausführung räumlich um 90' zu verdrehen, damit
die Gase von den Eintrittsstutzen 6
und 7 aus auch in die Ringkanäle
des Rotors 1 eintreten und nach Erreichen der Austrittsstutzen
5 und 8
wieder austreten können, wobei, wenn die Speichermasse
25 aus Blech besteht, diese in der Art von konzentrischen Zylinderteilen
anzuordnen wäre.