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Wärmeaustauscher mit zwei von Wärmesteinen durchsetzten Kammern, in
denen eine mit napfförmigen Körpern versehene Welle umläuft Die Erfindung betrifft
einen Wärmeaustauscher mit Wärmesteinen, bestehend aus zwei übereinander angeordneten
Kammern, welche von den Wärmesteinen nacheinander durchsetzt werden, wobei ihnen
in der oberen Kammer vom einem ersten Medium Wärme zugeführt und in der zweiten
Kammer durch ein zweites Medium wieder entzogen wird, und welche übereinander angeordnete
und an einer vertikalen, drehbaren Welle befestigte, durchlöcherte napfförmige Körper
enthalten.
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Die Wärmesteine können aus metallischem oder auch keramischem körnigem
Material bestehen, welches entweder inerten oder katalytischen Charakter hat, je
nachdem, welcher Art der durchzuführende Prozeß ist.
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Es sind Wärmeaustauscher mit Wärmesteinen bekannt, bei denen die Wärmesteine
durch verschiedene Öffnungen oder entlang verschiedener Leitbleche herabfallen,
in welchem Falle keine Möglichkeit besteht, die Wärmesteine in ihrem Kreislauf zu
steuern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe dem Wärmesteinen
erteilter Zentrifugalkraft die Durchlaufzeit der Wärmesteine durch die Kammern zu
vergrößern und den jeweiligen Verhältnissen entsprechend wählen zu können, wodurch
auch die Wärmeübertragung vergrößert bzw. der Wärme.austauscher verkleinert werden
kann. Die Erfindung besteht darin, daß umlaufende napfförmige Körper, welche einen
ringförmigen Spalt zwischen ihrer Außenkante und der Innenwand der Kammer bilden,
und napfförmige Körper, welche eine Öffnung nahe der drehbaren Welle besitzen und
dort einen Durchtritt für die Wärmesteine gestatten, vorgesehen sind, so daß die
herabfallenden Wärmestei.ne abwechselnd an den inneren und äußeren Kanten der napfförmigen
Körper vorbeifallen. Je nach der Drehzahl der Welle kann auf diese Weise die Geschwindigkeit,
mit welcher die Wärmesteine über die sich drehenden napfförmigen Körper bewegt werden,
gesteuert werden.
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Es ist eine Vorrichtung zur Behandlung von klebrigen organischen Stoffen
bekannt, welche aus einem aufrecht stehenden zylindrischen Behälter besteht und
in welcher abwechselnd an einer drehbaren Welle und an der Innenwand des Behälters
befestigte, konisch zulaufende Scheiben vorgesehen sind. Das klebrige organische
Material wird von oben in den Behälter eingeführt, fällt auf die erste mit der Welle
befestigte Scheibe, wird durch diese gegen die Innenwand des Behälters geschleudert
und fällt entlang der nächsten feststehenden Scheibe auf die darunter befindliche
nächste mit der Welle verbundene Scheibe. Da die verschiedenen Scheiben nicht durchbrochen
sind, kann der in diese Vorrichtung eingeführte Dampf nur die Zwischenräume zwischen
den Kanten der verschiedenen Scheiben durchsetzen. Eine solche Vorrichtung ist als
Wärmeaustauscher wenig geeignet, da eine Wärmeübertragung zwischen dem wärmeabgebenden
Medium und den Wärmesteinen nur in den genannten Zwischenräumen zwischen den Kanten
der verschiedenen Scheiben erfolgen kann. Jedenfalls ist mit einer solchen Vorrichtung
die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich die Wärmeaufnahme durch die
Wärmesteine zu vergrößern, nicht erreichbar.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung an zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In der Zeichnung zeigt Fig.1 eine schematische Darstellung eines
Wärmeaustauschers nach der Erfindung, Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung
eines rotierenden Verteilers gemäß Fig. 1, Fig. 3 und 4 Draufsicht auf einen rotierenden
Verteiler nach den Schnittlinien 111-III bzw. IV-IV der Fig. 2, Fig. 5 einen Vertikalschnitt
einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
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Bei der in Fig.l dargestellten Ausführungsform werden heiße Verbrennungsgase
der Kammer 10 durch einen Stutzen 20 zugeführt, dergestalt, daß sie
nach
oben strömen unter gleichzeitigem Wärmeaustausch mit den verhältnismäßig kalten
Wärmesteinen, welche sich über eine Reihe durchlöcherter napfförmiger Körper 14
und 16 nach unten bewegen. Nachdem ein wesentlicher Teil der Wärme auf die Wärmesteine
übertragen ist, werden die abgekühlten Gase von der Kammer, 10 durch einen Abfu'hrstutzen
22 abgeleitet. Die Wärmesteine, die in der Kammer 10 erwärmt wurden, treten durch
das Halsstück 18 in die Kammer 12 über, wo sie sich über eine zweite Reihe von napfförmigen
Körpern 14 und 16 bewegen. Während die heißen Wärmesteine in der Kammer 12 sich
nach unten bewegen, strömen sie unter Wärmeaustausch mit einem kalten gasförmigen
Medium, welches der Kammer 12 durch den Stutzen 24 zugeführt wird, dergestalt, daß
das kalte gasförmige Medium erhitzt wird, bevor es an einem Abflußstutzen 26 abgeführt
wird und die Wärmesteine werden abgekühlt, bevor sie den Boden der Kammer erreichen.
Wenn die Wärmesteine den Boden der Kammer erreicht haben, werden sie über eine Leitung
18 einem Hebemechanismus 29 zugeführt, welcher sie zu einer Leitung 30 am oberen
Ende der oberen Kammer 10 führt, wo die Wärmesteine wiederum durch die Eintrittsöffnung
des Wärmeaustauschers eintreten und ihren Kreislauf vollziehen.
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Unter Bezugnahme auf Fig.2, welche einen Teilschnitt der in Fig.1
dargestellten Anordnung zeigt, ist auf die Kammer 10 zu verweisen, welche die Antriebsachse
32 und die damit verbundenen napfförmigen Körper 14 und 16 umgibt. Der Außendurchmesser
des Körpers 16 ist nur um weniges geringer als der Innendurchmesser der Kammer
10, während der Außendurchmesser des Körpers 14 nicht unbeträchtlich geringer ist
als der des Körpers 16, so daß Wärmesteine, die über die Oberfläche eines Körpers
14 rollen, den Raum zwischen dem äußeren Rand des Körpers 14 und der Kammerwandung
durchfallen.
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Die Rotorachse 32 und die an ihr befestigten napfförmigen Körper 14
und 16 rotieren; die Achse ist in Lagern 34 an den beiden Enden des Gehäuses 10
und 12 angeordnet. Ein Antriebsmittel in Form eines Motors 36 ist mit der Welle
32 verbunden, um dieselbe zur Rotation um ihre Achse zu bringen; eine Regelvorrichtung
ist im Antrieb vorgesehen, um die Motorgeschwindigkeit so zu regeln, daß die Welle
32 mit einer bestimmten Geschwindigkeit umläuft.
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Die napfförmigen Körper 14 und 16 der Kammer 10 und
12 sind mit der Rotorwelle verbunden und laufen mit derselben um. Der Körper 16
bildet mit der Welle einen Winkel a, während der Körper 14 einen kleineren Winkel
b mit der Welle 32 bildet, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. Die napfförmigen Körper
14 und 16 wechseln an der Welle 32 ab in den beiden Kammerre 10 und 12. Da sämtliche
napfförmigen Körper an derselben Welle 32 befestigt sind, laufen sie mit gleicher
Geschwindigkeit um, .so daß die Wärcnesteine auf beiden Körpern mit wesentlich der
gleichen. Geschwindigkeit rotieren. Die auf die Wärmesteine wirkende Zentrifugalkraft
trachtet sie radial nach außen zu dem Gehäuse 10 zu bewegen, während gleichzeitig
auch die Schwerkraft zur Einwirkung gelangt, die bestrebt ist, die Wärmesteine die
Schräge der napfförmigen Körper entlang zur Welle 32 hin zu bewegen.
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Die Welle 32 und die Reihe der napfförmigen Körper 14 und 16 werden
mittels des Motors 36 so gedreht, daß, wenn ein Wärmestein sich auf der Platte 14
befindet, die Zentrifugalkraft und die Schwerkraft eine Komponente bilden., die
den Wärmestein radial nach außen über die Kante des Körpers 14 bewegt, wo
er auf den darunterliegenden Körper 16 fällt.
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Auf diesem ist die Komponente .der Schwerkraft wesentlich größer wegen
des größeren Winkels a, und die Resultierende aus der Schwerkraft und der Zentrifugalkraft
bewegt die Wärmesteine die Schräge des Körpers 16 hinab in Richtung zur Welle 32.
Die tatsächliche Bewegungsbahn, die die Wärmesteine bei ihrer Bewegung über den
Körper 14 oder 16 beschreiben, ist eine Spiralbah.n in Anbetracht der Rotationsbewegung,
die die Wärmesteine von den rotierenden Körpern erfahren. Diese Bahn ist in Fig.4
durch die Spirale 33 angedeutet. Durch eine solche Anordnung wird die Zeit, während
welcher jeder Wärmestein von einem napfförmigen Körper getragen wird, wesentlich
vergrößert, so daß eine thermische oder chemische Reaktion zwischen dem Medium und
dem Wärmestein gefördert wird.
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Fig. 3 zeigt die Art der Befestigung eines napfförmigen Körpers 16
mit der Rotorwelle unter Anwendung von Verbindungsbolzen 37, welche öffnungen 38
bilden, durch die die Wärmesteine fallen können. Fig. 4 zeigt einen napfförmigen
Körper 14 mit seinem ringförmigen Spalt 40, durch welchen die Wärmesteine auf den
nächstunteren Körper fallen können.
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Die napfförmigen Körper 14 und 16 sind in beiden Kammern
10 und 12 abwechselnd angeordnet, wie dies Fig.1 zeigt, wobei die
Zahl der angewendeten Körper 14 und 16 nur beispielsweise wiedergegeben ist.
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Dichtungsmittel, die in dem Halsstück 18 und in den Leitungsabschnitten
28 und 30 angeordnet sind, dienen dem Zweck, einen unerwünschten Nebenschluß des
Fludenstoffes zwischen den Zonen verschiedenen Druckes zu verhindern.
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In Fig.1 ist eine einzige sich durch beide Kammern 10 und 12 erstreckende
Welle dargestellt; es kann unter Umständen auch empfehlenswert sein, getrennte Wellen
in jeder Kammer vorzusehen, insbesondere; wenn beide Kammern nicht axial miteinander
fluchtend angeordnet werden.
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Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, die sich von
der Ausführungsform gemäß Fig.1 dadurch unterscheidet, daß abwechselnd napfförmige
Körper 42 an den Wänden der Kammern 10 und 12 mit dazwischen angeordneten napfförmigen
Körpern 44, die an der Rotorwelle 32 befestigt sind und mit ihr umlaufen, vorgesehen
sind. Wärmesteine, die auf die Körper 44 fallen, werden mit solcher Geschwindigkeit
zur Rotation gebracht, daß die Resultierende der Fliehkraftkomponente und der Schwerkraftkomponente
die Wännesteine veranlaßt, auf einer Spiralbahn sich nach außen und oben bis zur
Kante des napfförmigen Körpers zu bewegen, wo sie auf den darunterliegenden festen
Körper 42 fallen und diesen herabrollen, indem sie der Schwerkraft folgen und dann
wiederum auf einen umlaufenden Körper44 fallen. Dort werden die Wärmesteine wiederum
mit hinreichender Geschwindigkeit zur Rotation gebracht, so daß die Fliehkraftkomponente
sie veranlaßt, nach oben und außen zu rollen und sie über die Außenkante des Körpers
auf den nächstunteren festen Körper fallen. Die Anzahl derartiger
Übergänge,
die ein Wärmestein macht, hängt ganz von der Art des durchzuführenden Prozesses
ab. Im allgemeinen ist die Zeitspanne, die ein Wärmestein auf dem rotierenden napfförmigen
Körper verbleibt, proportional dessen Rotationsgeschwindigkeit, denn eine Zunahme
der Rotationsgeschwindigkeit vergrößert die entsprechende Komponente der Zentrifugalkraft
und daher die Geschwindigkeit, mit welcher sich ein Wärmestein radial nach außen
bewegt.
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Bei einer Anordnung, wie sie in Fig.1 bis 4 dargestellt ist, ist die
Rotationsgeschwindigkeit der Welle 32 von ausschlaggebender Bedeutung, denn es muß
ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Zentrifugalkraft, die den Wärmesteinen von
den napfförmigen Körpern 14 bzw. 1.6 erteilt wird, gewährleistet sein, um auf dem
Körper 14 eine. radial nach außen gerichtete und auf dem Körper 16 eine radial nach
innen gerichtete Bewegung sicherzustellen. Dagegen ist bei einer Anordnung gemäß
Fig. 5 die Konstruktion so, daß eine Veränderung der Umdrehungsgeschwindigkeit der
Welle 32 und der mit dieser Welle verbundenen napfförmigen Körper lediglich die
Zeit verändert, die die Wärmesteine auf dem betreffenden Körper verbleiben.