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Regenerativer Wärmeaustauscher zwischen einer Hochdruckgas erzeugenden
Anlage und einer Vorrichtung zur Entspannung und Abkühlung dieses Gases Die Erfindung
bezieht sich auf Wärmeaustauscher der regenerativen Art. Derartige Wärmeaustauscher
oder Regeneratoren enthalten eine Anzahl von Kammern, die mit einer Wärme absorbierenden
Speichermasse gefüllt sind, durch die verhältnismäßig warme und kalte Gase in wechselnder
Richtung geleitet werden. Beim Durchgang der warmen Gase (Warmperiode) wird Wärme
an die Speichermasse abgegeben, die dann auf das kühlere Gas beim Wechsel der Strömungsrichtung
übertragen wird. Im allgemeinen wird der Gasstrom automatisch durch ein System von
Ventilen geregelt, die stufenweise arbeiten, um den Gasstrom durch die Regeneratorkammern
zu gewährleisten.
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Arbeitet ein Regenerator unter gleichmäßigen Bedingungen, so muß ein
Gleichgewicht zwischen der aufgenommenen Wärme und der auf das Gas abgegebenen Wärme
bestehen. Falls sich dieses nicht zwangläufig aus der Masse und der Temperatur des
in den beiden Richtungen strömenden Gases einstellt, kann es notwendig sein, eine
Kompensationseinrichtung in Form eines Hilfsstromes durch eine oder mehrere derjenigen
Kammern vorzusehen, durch die während irgendeiner Stufe des Vorgangs der Hauptgasstrom
nicht hindurchgeht. Dies setzt natürlich mindestens drei Kammern für den Regenerator
voraus, von denen eine während irgendeiner Stufe des Vorganges beim Durchgang eines
verhältnismäßig warmen Gases aufgeheizt wird, die zweite beim Durchgang des verhältnismäßig
kühlen Gases gekühlt wird, während die dritte Kammer den Hilfs- oder Kompensationsstrom
des Gases aufnimmt.
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Eine derartige Ausführungsform eines Regenerators ist in der deutschen
Patentschrift 928 954 an Hand der Zeichnung 4 erläutert. Dabei ist die Menge des
kühleren Gases kleiner als die des warmen Gases, da ein Teil des warmen Gases verflüssigt
und daher nicht mehr dem Regenerator zugeführt wird.
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Dieser Gleichgewichtsmangel zwischen dem Gasstrom in den beiden Richtungen
wird durch einen Hilfsgasstrom ausgeglichen, der durch Zurückführung eines Teils
des warmen Gases in den Kreislauf erhalten wird, nachdem es nach dem Durchgang durch
den Regenerator abgekühlt worden war. Dieser abgezweigte Teil des Gases wird vor
der Rückführung in den Kreislauf wieder erwärmt, wodurch insgesamt ein beträchtliches
Gleichgewicht zwischen der von den Kammern des Regenerators aufgenommenen Wärme
und der auf den Gasstrom übertragenen Wärme hergestellt wird.
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Ähnliche Ausgleichsvorkehrungen können auch unter anderen Umständen
erforderlich sein, z. B. wenn ein Teil des Gasstromes für andere Zwecke als nur
zur Verflüssigung abgelassen werden muß oder wenn das ganze Gas in beiden Richtungen
strömen muß, wobei sich aber seine spezifische Wärme ändert. In jedem Fall kühlt
der Hilfsstrom, der zum Ausgleich vorgesehen ist, die Speichermasse der Regeneratorkammer
ab und erwärmt das Gas, das beim Durchgang durch den Regenerator abgekühlt worden
ist.
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Bei der bekannten Vorrichtung werden die Öffnungen an den unteren
Enden der Regeneratorkammern durch ein Drehventil geregelt. Um Komplikationen bei
einem ähnlichen Ventil, das gleichzeitig mit dem ersten an den oberen Enden der
Regeneratorkammern arbeitet, zu vermeiden, sind selbsttätige Ventile vorgesehen,
durch den an verschiedenen Stellen herrschenden Gasdruck geregelt werden. Das den
Hilfsstrom bildende Gas, das zum Ausgleich in den Kreislauf zurückgeführt wird,
wird vom Hauptstrom durch Einbau von Drosseln und Ventilen abgezweigt, bevor dieser
der Turbine zur adiabatischen Abkühlung zugeleitet wird.
Zur Erzielung
eines vollen Ausgleiches ist die Stellung des Ventils entscheidend, über das der
Hilfsstrom der Unterseite der Ausgleichskammer zugeführt wird. Es ist hierbei nicht
zu vermeiden, daß nach längerer Betriebsdauer eine kleine Abweichung von den Sollwerten
eintritt, d. h., daß die von der Speichermasse in den Regeneratorkammem aufgenommene
Wärme etwas verschieden ist von der an das Gas abgegebenen Wärme, so daß eine allmähliche
Änderung der gewünschten Temperatur auftritt und das Temperaturgefälle, das über
die Länge jeder Kammer existiert, verändert wird. Da für gegebene Betriebsbedingungen
ein optimales Temperaturgefälle vorliegt, verursacht die Veränderung allmählich
einen Rückgang der Wirksamkeit der Anlage.
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Mit der Lösung dieses Problems befaßt sich die vorliegende Erfindung,
nämlich mit der Steuerung der Temperaturen in einem aus mehreren Regeneratoren bestehenden
Wärmeaustauscher mit Hilfe eines Hilfs- bzw. Ausgleichsgasstromes, wobei bei allen
Regeneratorkammern das eine Ende an ein gemeinsames Verteilerventil angeschlossen
ist, während die anderen Enden jeweils mit einem durch Druck geregelten Ventil versehen
sind. Der Wärmeaustauscher muß dazu mindestens drei Kammern aufweisen, und das Verteilerventil
muß in Verbindung mit den durch Druck geregelten Ventilen derartig arbeiten, daß
während jedes Arbeitszyklus die Speichermasse einer Kammer durch Wärmeaufnahme aus
dem Gas aus der Hochdruckanlage bei einem verhältnismäßig hohen Druck und hoher
Temperatur aufgewärmt wird, die Speichermasse einer zweiten Kammer durch eine kleinere
Menge an Gas aus der das Gas entspannenden und abkühlenden Vorrichtung abgekühlt
wird, während die Speichermasse einer dritten Kammer dadurch abgekühlt wird, daß
ein Teil des durch die erste Kammer hindurchgegangenen Gases in den Kreislauf zurückgeführt
wird. Die Regelung muß dabei so erfolgen, daß die vom die dritte Kammer durchströmenden
Hilfs- oder Kompensationsstrom aufgenommene Wärme derartig bemessen ist, daß immer
Gleichgewicht zwischen der gesamten Wärmemenge besteht, die in allen Kammern vom
Gas abgegeben bzw. auf das Gas übertragen wird.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe enthält der Wärmeaustauscher Vorrichtungen,
durch die am Beginn des Arbeitszyklus der Gasteilchenstrom, der von dem durch die
erste Kammer hindurchgegangenen Gas abgezweigt worden ist, durch das Verteilerventil
in die dritte Kammer strömt, wodurch in der dritten Kammer ein Druck aufgebaut wird,
dessen Aufbaugeschwindigkeit durch ein regelbares Ventil reguliert wird. Dies hat
zur Folge, daß das durch Druck geregelte Ventil am gegenüberliegenden Ende der Kammer
zu einem Zeitpunkt während des Betriebs geöffnet wird, der von der Stellung des
regelbaren Ventils und von der anfänglichen mittleren Temperatur der dritten Kammer
abhängt, worauf ein anderer von dem durch die erste Kammer hindurchgegangenen Gases
abgezweigter Gasteilstrom durch das durch Druck geregelte Ventil in die dritte Kammer
gelangt, diese nunmehr in umgekehrter Richtung durchströmt, die Speichermasse abkühlt
und die Kammer über das Verteilerventil verläßt. Infolgedessen befindet sich die
Durchschnittstemperatur der dritten Kammer immer etwa oberhalb oder unterhalb derjenigen,
die der Gleichgewichtsbedingung entspricht. Das bedeutet, daß das Temperaturgefälle
längs der Kammer von seinem Optium abgewichen ist, so daß sich das durch Druck geregelte
Ventil etwas früher oder später als normal öffnet und als Folge davon die Zeit,
während der der Hilfsgasstrom durch die Kammer fließt, derartig verändert wird,
daß das-Temperaturgefälle wieder seinen optimalen Zustand einnimmt. Ist mit anderen
Worten z. B. die Durchschnittstemperatur in der Kammer etwas zu niedrig, so benötigt
der sich aufbauende Gasdruck eine etwas längere Zeit, das Ventil zu öffnen, und
infolgedessen erfolgt der Strom des Hilfsgasstromes in der umgekehrten Richtung
nur für eine etwas kürzere Zeit. Da der Hilfsgasstrom die Speichermasse abkühlt,
wird infolge der kürzeren Durchströmungszeit die Durchschnittstemperatur der Kammer
etwas höher sein als üblich, wodurch die Gleichgewichtsbedingung wiederhergestellt
wird. Ist andererseits die Kammer etwas zu warm, so öffnet sich das druckgeregelte
Ventil etwas eher, und der Hilfsgasstrom strömt etwas länger in der umgekehrten
Richtung durch die Kammer, und ihre Temperatur wird auf diese Weise wieder ins Gleichgewicht
zurückgeführt.
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Als Vorrichtung zur Führung des abgezweigten Hilfsgasstromes in die
dritte Kammer über das Verteilerventil wird eine Leitung vorgesehen, die hinter
einer Drosselstelle des in der Hauptleitung von der ersten Kammer kommenden Gasstromes
beginnt und ein Rückschlagventil enthält, das parallel zu dem regelbaren Ventil
geschaltet ist. Der durch diese Leitung strömende Hilfsgasstrom nimmt während seines
Durchgangs durch das Verteilerventil Wärme auf, die dann durch die Speichermasse
der Kammer absorbiert wird. Sobald der zeitweilige Strom durch die genannte Leitung
zur dritten Kammer aufgehört hat, kühlt der in entgegengesetzter Richtung durch
die Kammer strömende Hilfsgasstrom die Speichermasse ab und erwärmt sich. Die auf
diese Weise durch das Gas aufgenommene Wärme würde in die Teile der Vorrichtung
gelangen, wo das Gas entspannt wird. Vorzugsweise passiert daher der Hilfsstrom
einen kleinen regenerativen Wärmeaustauscher, bevor er sich mit dem kühleren, unter
hohem Druck stehenden Gas vereinigt. Der anfänglich in umgekehrter Richtung strömende
Gasstrom nimmt aus diesem Wärmeaustauscher die in ihm gespeicherte Wärme wieder
auf und überträgt sie der Speichermasse der dritten Kammer.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer Zeichnung näher erläutert.
Der Regenerator enthält drei Kammern A 11, A 12 und A 13. Druckluft,
z. B. von einem Druck von 8 atm und bei Normaltemperatur, wird am unteren Ende der
Kammer All mit Hilfe eines Verteilerventils 51 eingelassen. Dieses Verteilerventil
besteht aus einem Gehäuse 52, das mit Öffnungen 53, 54 und 55 versehen ist, die
mit den unteren Enden der Kammer A 11, A 12 und A13 in Verbindung
stehen. Der Ventilkörper 56 dreht sich innerhalb des Gehäuses 52 und kann entweder
durch schrittweise Drehungen von jeweils 120° in jede Stellung gebracht werden,
oder einfacher führt er z. B. innerhalb 1 Minute und 20 Sekunden kontinuierlich
eine Umdrehung aus.
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Der Eingang für die Druckluft 60 steht in dauernder Verbindung mit
einer Aussparung 61 in dem Ventilkörper 56. In der gezeigten Stellung ist die Aussparung
61 in Verbindung mit der Öffnung 53. Sobald jedoch der Ventilkörper 56 entgegen
dem
Uhrzeigersinn sich dreht, steht die Aussparung 61
nacheinander
mit den Öffnungen 55 und 54 in Verbindung. Im Inneren weist der Ventilkörper 56
einen Hohlraum auf, der mit einer Aussparung 62 des Ventilkörpers 56 verbunden ist,
die in der gezeigten Stellung der Öffnung 54 gegenüberliegt und abgekühlte, unter
niedrigem Druck stehende Luft aus der Kammer A 12 erhält, die anschließend in die
Atmosphäre ausgestoßen wird. Um ein explosionsartiges Ablassen dieser Luft zu vermeiden,
geht der Aussparung 62 in der Richtung der Drehung ein kleiner Durchlaß 59 voraus,
der das anfängliche Einströmen der Luft regelt, bevor die Aussparung 62 mit jeder
der Öffnungen in Berühung kommt. Eine dritte Aussparung 63 in dem Ventilkörper 56
steht in dauernder Verbindung mit einer Rohrleitung 64. In der gezeigten Stellung
ist diese Aussparung auch in Verbindung mit der Öffnung 55 des unteren Endes der
Kammer A 13.
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Die unter hohem Druck stehende Luft, die durch die Kammer A 11 strömt,
wird während ihres Durchgangs abgekühlt und strömt über das Rückschlagventil V24
zu einem an sich bekannten Hochdruckverteiler 4. An der Stelle B teilt sich der
Luftstrom, wobei ein Teil c abwärts strömt, um, wie bekannt, verflüssigt zu werden.
Der Rest des Luftstromes bewegt sich in der durch d angegebenen Richtung. Die Rückschlagventile
V 25 und V26 haben nacheinander die gleiche Funktion wie das Ventil V 24
je nach der Stellung des Verteilerventils 51.
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Beim Punkt D verläuft der Strom entlang dem Hochdruckverteiler 4,
weil, wie gezeigt, das Kolbenventil V29 geschlossen ist. Dies hat seinen Grund darin,
daß bei Beginn jedes Arbeitszyklus die Kammer A 13 unter niederem Druck steht. Bei
der vorhergehenden Phase des Betriebs hat die Kammer A13 die Funktion der
Kammer A 12 erfüllt, d. h., durch sie strömte Luft von niederem Druck und
niedriger Temperatur abwärts. Infolgedessen wirkt auf die Unterseite des Kolbenventils
V29 der hohe Druck im Verteiler 4 und der niedrige Druck in der Kammer A 13 auf
seine Oberseite, so daß das Ventil geschlossen bleibt und keine Luft hindurchtreten
kann. Die Kolbenventile V27 und V28 üben nacheinander die gleiche Funktion
aus wie das Kolbenventil V29.
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Am Punkt C strömt der Hauptstrom der Luft zur Turbine 5, die mit der
Bremsvorrichtung 18 verbunden ist. Hier wird die Luft durch adiabatische Expansion
abgekühlt. Die kalte abstreichende Luft strömt von der Turbine durch das Rohr 6
zum Kondensator 7, in dem sie Wärme aufnimmt, und dann über den Niederdruckverteiler
und das Rückschlagventil V 22 zur Kammer A 12. Die Ventile V 21 und
V23 üben nacheinander die gleiche Wirkung aus wie das Ventil V 22. Der Teil c der
Luft wird nach dem Durchgang durch das Rohr 8 und durch das Ventil 9 im Kondensator
7 verflüssigt, von dort mit Hilfe des selbsttätigen Expansionsventils 12 abgezogen,
wobei die flüssige Luft zum automatischen Abscheider 13 und in gewissen Zeitabständen
in einen Behälter geführt wird.
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Während das Kolbenventil V29 geschlossen bleibt, kann ein Teil der
Luft abwärts von der Stelle c durch die Leitung 1.0 strömen. Diese Leitung enthält
einen regenerativen Wärmeaustauscher 70 sowie ein Rückschlagventil 71, parallel
zu einem verstellbaren Nadelventil 72. Die durch die Leitung 10 abwärts
strömende Luft kann nicht vollständig durch das Ventil 72 hindurchgehen,
sondern es vermag nur ein bestimmter Teil das Ventil 72 zu passieren, der
dann durch die Leitung 64 zur Unterseite der Kammer A 13 gelangt. Dieser Rückwärtsstrom
von Luft baut in der Kammer A 13 einen Druck auf, so daß sich der Druck auf der
Oberseite des Kolbenventils V 29 dem im Verteiler 4 herrschenden hohen Druck nähert.
Hat der Druck in der Kammer A 13 einen bestimmten Wert erreicht, so beginnt dieser,
weil er durch das Gewicht des Kolbens 32 des Ventils V 29 vergrößert wird, das Ventil
V29 zu öffnen. Luft kann nun von der Stelle D durch die ringförmige Öffnung hindurchströmen,
die durch den Raum zwischen dem Zylinder 33 und dem darin frei beweglichen Kolben
32 entsteht. Je höher der Druck in der Kammer A 13 ansteigt, um so weiter öffnet
sich das Ventil, bis der Druck an der Mündung unter den Wert fällt, der von der
Drossel R 1 herrscht. In diesem Stadium wechselt der Strom in der Kammer A 13 seine
Richtung, und die Luft strömt aufwärts durch das Ventil V 29, abwärts durch die
Kammer, durch das Rückschlagventi171 und somit über den regenerativen Wärmeaustauscher
70 zurück zur Stelle C.
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Der Strom der Luft durch die Kammer A 13 in Richtung des Verteilerventils
wird durch den Unterschied zwischen dem Druck an der Eintrittsstelle des Drosselventils
29 und dem Druck hinter der Drossel R 1 geregelt und außerdem durch den Strömungswiderstand
des gesamten Kreises einschließlich der Kammer A 13.
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In einer besonderen Ausführungsform ist das Ventil V29 so konstruiert,
daß die Öffnung erfolgt, sobald der Druckabfall bei ihm 1,05 kg/cmz beträgt. Das
Ventil öffnet sich dann allmählich, bis der Druckabfall einen Wert von etwa 0,21
kg/cm° erreicht hat. Bei diesem Druck ist das Ventil vollständig offen. Bei Gleichgewichtsbedingungen
im System hat der Druckabfall am Ventil V29 einen Wert von 0,14 kg/cm=.
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Obwohl natürlich die Vorrichtung derartig konstruiert ist, daß der
Luftstrom bei geöffnetem Ventil V29 annähernd in der richtigen Menge zur Verfügung
steht, so ist dieser Wert doch nicht ausschlaggebend, da sich in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung das Gleichgewicht stets von selbst einstellt. Der Grund dafür ist darin
zu sehen, daß bei einer Durchschnittstemperatur in der Kammer A 13, die niedriger
als der entsprechende Gleichgewichtswert liegt, das Ventil V29 eine längere Zeit
benötigt, sich zu öffnen, da kalte Luft dichter ist als warme Luft und dementsprechend
eine längere Durchströmdauer durch das Ventil 71 notwendig ist, um den notwendigen
Druck herzustellen. In dem beschriebenen Beispiel dauert jede Arbeitsstufe 1.3 Sekunden.
Im allgemeinen benötigt der hinter der Drossel R 1 abgezweigte Luftstrom etwa 8
Sekunden und der anschließend in umgekehrter Richtung strömende Luftstrom etwa 5
Sekunden. Ist infolgedessen die Kammer etwas zu kühl, so wird die letztere Zeit
auf weniger als 5 Sekunden verkürzt, und daher kühlt sich die Kammer nicht so stark
ab, wie es sonst der Fall sein müßte. Ist die Kammer etwas zu warm, so öffnet sich
das Ventil V29 früher, und das Strömen vom Ventil zur Kammer dauert etwas länger
als 5 Sekunden. Daher stellt sich stets von selbst das Gleichgewicht ein, was für
eine derartige Anlage von beträchtlicher Bedeutung ist. Im Gleichgewichtszustand
sollte
die Temperatur im mittleren Teil jeder Kammer gleich sein. Die Temperatur in der
Mitte jeder Kammer sollte einen Wert besitzen, der zwischen den Temperaturen an
den beiden Enden liegt. Diese Bedingung verlangt genaue Übereinstimmung zwischen
der bei jedem Zyklus abgegebenen und aufgenommenen Wärmemenge. Wird die Übereinstimmung
nicht erzielt, so wird der Mittelteil der Kammer entweder zu warm oder zu kalt.
Dadurch wird die dem Gleichgewichtszustand entsprechende Temperatur von der Mitte
der Kammer zum kalten oder warmen Ende verschoben. Im ersten Fall wird dann Kohlendioxyd
eingeschleppt, während im zweiten Fall durch die größere Temperaturdifferenz zwischen
den beiden Gasströmen am warmen Ende zu viel Wärme in die Vorrichtung gelangt.
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Wenn der abgezweigte Hilfsgasstrom nach dem Öffnen des Kolbenventils
V29 zur Kammer A13
strömt, kühlt er diese ab und nimmt selbst Wärme auf. Ein
Teil dieser Wärme wird dann an den regenerativen Wärmeaustauscher 70 abgegeben,
bevor sich die Luft mit dem kalten Luftstrom an der Stelle C wieder vereinigt. Daher
nimmt im ersten Teil des Zyklus, d. h., wenn der abgezweigte Gasstrom von der Stelle
C zur Kammer A 13 strömt, die Luft während ihres Durchströmens durch den Wärmeaustauscher
Wärme auf, so daß sie keine weitere Wärme mehr im Laufe ihres Durchströmens durch
das Drehventil 51 aufnimmt, während der Druck aufgebaut wird. Die Menge dieser Luft
wird durch das Nadelventil 72
geregelt, so daß sich optimale Bedingungen leicht
aufrechterhalten lassen.