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Umlaufender Regenerativ-Luftvorwärmer mit keramischen Heizelementen
Die Erfindung bezieht sich auf umlaufende Regenerativ-Luftvorwärmer, und zwar sowohl
auf die gebräuchliche Ausführungsform mit die Speichermasse enthaltendem Rotor als
auch auf die kinematische Umkehr dieser Kontruktion, bei der die Speichermasse ruht,
während die Kanalanschlüsse umlaufen.
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Es ist bekannt, daß bei solchen Luftvorwärmern die Speichermasse auf
der kalten Seite in hohem Maße korrosionsgefährdet ist. Dieser Gefahr versucht man
dadurch zu begegnen, daß für die Heizelemente, insbesondere auf der kalten Seite,
korrosionsbeständige Materialien verwendet werden, z. B. korrosionsfeste Stähle,
Stähle mit korrosionsfesten Überzügen oder aber keramische Heizelemente. Mit dieser
zuletzt genannten Lösung befaßt sich die Erfindung.
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Es sind bereits verschiedene Vorschläge für die Gestaltung der keramischen
Heizelemente bekanntgeworden. Da bei umlaufenden Luftvorwärmern der Gesamtquerschnitt
der Speichermasse kreisförmig ist und da diese Masse durch Wände in Sektoren unterteilt
ist, ist eine zweckmäßige Formgebung für die Heizelemente sehr wichtig, damit die
völlige Ausfüllung der Sektoren mit Hilfe von möglichst wenig verschiedenen Typen
durchführbar sei.
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Gemäß einem bekannten Vorschlag werden die keramischen Heizelemente
im Grundriß in Form eines Dreiecks ausgebildet, dessen Scheitelwinkel gleich dem
Zentriwinkel des Sektors ist. In diesem Falle genügt eine einzige Type solcher dreiec1cförmigen
Elemente. Bekannt ist es auch, Keramikelemente im Grundriß in Form eines Parallelogramms
zu verwenden, wobei an einer der beiden Sektorwände zum Ausgleich der freien Flächen
auch wieder Dreiecksteine benutzt werden. In diesem Falle benötigt man also auch
nur zwei verschiedene Typen.
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Gemeinsam ist aber diesen beiden bekannten Ausführungsformen der wesentliche
Nachteil, daß Steine mit sehr spitzen Winkeln benutzt werden. Bei dem erstgenannten
Vorschlag ist dieser Nachteil bei sämtlichen Elementen vorhanden. Bei dem zweiten
Vorschlag liegt dieser Nachteil zwar nicht bei den parallelogrammförmigen Steinen
vor, wohl aber bei den Steinen mit dreieckiger Grundfläche. Da aber Steine mit scharfen
Winkeln in hohem Maße der Bruchgefahr ausgesetzt sind, sind diese vorgeschlagenen
Ausführungsformen im praktischen Gebrauch unvorteilhaft.
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Im Unterschied zu diesen früheren Vorschlägen ist die Erfindung von
der Erkenntnis ausgegangen, daß bei der Formgebung und Bemessung der Steine schon
allein aus Festigkeitsgründen eine möglichst weitgehende Annäherung der Steinform
an die Würfelform angestrebt werden muß. Leitend war aber auch noch eine andere
Überlegung, die die bekannten spitzen Steinformen als unvorteilhaft erkennen läßt,
und zwar handelt es sich um die Ausbildung der Strömungskanäle. Zur Vermeidung der
als äußerst lästig bekannten Ablagerungen ist es nämlich erstrebenswert, die Kanäle
der Steine mit möglichst stumpfwinkligen Querschnittsformen auszuführen. Unter diesem
Gesichtspunkt ist die Wabenform, also eine Steinform mit Kanälen von der Querschnittsform
regelmäßiger Sechsecke, die günstigste. Bei dieser Wabenform ist auch vorteilhaft,
daß die Wandstärke zwischen den Wabenzellen einheitlich ist, so daß man sie optimal
wählen kann. Eine solche gleichmäßige, günstigst bemessene Wandstärke des keramischen
Speicherkörpers bedeutet aber eine gleichmäßige und daher bestmögliche Ausnutzung
der Speichermasse. Solche Kanäle von regelmäßig sechseckigem oder vergleichbarem
Querschnitt lassen sich jedoch in spitzwinkligen Steinen nur mit schlechter Raumausnutzung
unterbringen. Demgegenüber ist bei Steinen von quadratischer oder nicht zu schmaler
Rechteckform eine wesentlich bessere Raum- und Materialausnutzung möglich. Das gleiche
gilt für Steine von trapezförmiger Grundfläche, wenn diese Trapezform hinsichtlich
Länge und Breite größenordnungsmäßig nicht allzu unterschiedliche Abmessungen aufweist.
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Bei der Lösung der Aufgabe, mit möglichst wenigen verschiedenen Typen
keramischer Heizelemente auszukommen, hat die Erfindung zusätzlich auch die vorstehend
erläuterten Erkenntnisse berücksichtigt. Benutzt werden in an sich bekannter Weise
längs der Sektorenwände Elemente mit der
Grundflächenform von rechtwinkligen
Trapezen, während die dazwischen angeordneten Elemente von rechteckiger Grundflächenform
sind. Das wesentliche Merkmal des Regenerativ-Luftvorwärmers gemäß der Erfindung
mit keramischen, von Strömungskanälen durchzogenen Heizelementen der vorgenannten
Art, durch das dieser sich gegenüber der vorbekannten Ausführungsform unterscheidet,
besteht darin, daß bei den trapezförmigen Elementen die kürzere der beiden parallelen
Seiten ebenso lang ist wie die kurze Seite (b) der rechteckigen Elemente und die
längere Seite gleich 1,5 b, während
ist, wenn »l« die Länge der Grundflächen und »a« Öffnungswinkel der Sektoren bezeichnen.
Diese Bemessung hat zur Folge, daß man nicht nur bei den rechteckigen Elementen
mit einer einzigen Type auskommt, daß vielmehr auch für die trapezförmigen, längs
der Sektorenwände angeordneten Elemente eine einzige Type genügt, gleichgültig,
in wie viele Sektoren die kreisförmige Gesamtmasse unterteilt ist, wie groß also
der Öffnungswinkel a der Sektoren ist, unabhängig auch davon, ob es sich um eine
Speichermasse von kleinem oder von sehr großem Durchmesser handelt.
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Gemäß weiterer Erkenntnis ist der Tatsache Rechnung zu tragen, daß
der stark korrosionsgefährdete Bereich eine Höhe von mindestens 150 mm aufweist.
Die gebräuchlichen niedrigen keramischen Elemente müssen daher in mehreren Lagen
übereinander angeordnet werden. Auf diese Weise konnte aber bisher eine befriedigende
Lösung nicht erzielt werden. Es ist noch nicht gelungen, die einzelnen Steine so
zusammenzusetzen, daß die Strömungskanäle in den aufeinander geschichteten Lagen
miteinander fluchten. Fluchten sie aber nicht, so ergibt sich eine Erhöhung des
Durchströmwiderstandes. Außerdem geben die Kanten an den LTbergangsstellen, auch
wenn sie nur wenig in den Kanal vorstehen, Anlaß zum Ansetzen der in den Rauchgasen
mitgeführten Verunreinigungen und sogar zu Verstopfungen der Kanäle. Gemäß weiterer
Erfindung, die auf der Erkenntnis dieser Verhältnisse beruht, werden mehrere Wege
gezeigt, die die Vermeidung der beschriebenen Nachteile gestatten.
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Die eine Lösung besteht darin, die schädliche Neigung zur Verstopfung
durch eine höhere Bemessung der keramischen Heizelemente zu verringern, d. h. durch
den Fortfall der Trennfugen. Hierzu ist also erforderlich, die Heizelemente so hoch
zu bemessen, daß die sich über die gesamte stark korrosionsgefährdete Höhe der Speichermasse
erstrecken, so daß man also mit nur einer einzigen solchen Lage keramischer Heizelemente
auskommt. Daraus ergibt sich, daß die Höhe der keramischen Elemente mindestens 150
mm betragen muß.
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Vielfach jedoch ist die korrosionsgefährdete Zone höher. Da es bei
größerer Höhe schwierig ist, mit einer einzigen Lage keramischer Heizelemente auszukommen,
weil keramische Elemente größerer Höhe sich schlechter herstellen lassen und daher
wesentlich teurer sind, läßt sich eine Unterteilung in zwei oder mehr Lagen nicht
immer vermeiden. Trotzdem fäßt sich auch in solchen Fällen, in denen zwei oder mehr
Lagen keramischer Heizelemente übereinander - d. h. in Strömungsrichtung hintereinander
- angeordnet sind, eine wesentliche Besserung gegenüber den bisher bekannten Ausführungsformen
erzielen.
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So besteht eine Möglichkeit darin, die Lagen nicht unmittelbar aufeinander
zu setzen sondern in geringem Abstand voneinander zu halten. Dieser Gedanke ist
an sich bekannt, und zwar hatte man die Formsteine zu diesem Zweck auf den einander
zugewandten Stirnflächen mit Rippen versehen. Dieses ist fertigungstechnisch nachteilig.
Solche Steine, bei denen die Abstandsrippen in zwei zueinander senkrechten Achsen
und die Strömungskanäle in der dritten Raumachse angeordnet sind, können nämlich
nicht im Strangpreßverfahren gefertigt werden. Auf Grund dieser Überlegung sind
gemäß weiterer Erfindung solche Steine vorzuziehen, bei denen die Stirnflächen in
der üblichen Weise ebenflächig sind, während zur Erzielung des gewünschten Abstands
zwischen die einzelnen Lagen besondere Distanzstücke gelegt werden, die einen trennenden
Abstand in der Größenordnung von 5 bis 10 mm ergeben mögen. Ein solcher Abstand
hat also zur Folge, daß ein Versatz der Kanäle gegeneinander sich wesentlich weniger
auswirkt als bei unmittelbar aufeinander gesetzten Lagen.
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Es ist aber auch möglich, den Versatz zu beseitigen und die Kanäle
mit befriedigender Genauigkeit fluchtend zu machen. Dieses kann beispielsweise mit
Hilfe von Fixierstiften erzielt werden. Hierbei kann man die Lage also unmittelbar
aufeinandersetzen, wie es bisher gebräuchlich ist. Man kann solche Fixierstifte
aber auch dann mit Nutzen verwenden, wenn die Lagen mit Hilfe von Distanzstücken
in Abstand voneinander gehalten werden, wobei diese Distanzstücke selbst als Fixierstifte
ausgestaltet werden können.
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In allen Fällen, in denen die Heizelemente mehrlagig angeordnet werden,
ist es vorteilhaft, sie miteinander zu verkitten.
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Ein entscheidendes Merkmal gemäß weiterer Erfindung besteht darin,
daß die keramischen Heizelemente durch trapezförrnige Blechrahmen zu Einheiten zusammengefaßt
sind. Eine solche Einheit aus mehreren Steinen erstreckt sich in der Breite zweckmäßigerweise
quer durch die ganze Rotorkammer hindurch, also von Kammerwand zu Kammerwand, wobei
außen beispielsweise je ein trapezförmiger Stein und zwischen diesen beiden äußersten
Steinen die erforderliche Anzahl rechteckiger Steine liegt. In radialer Richtung
können die Einheiten sich über eine oder mehrere - vorzugsweise zwei - Steinfängen
erstrecken.
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Zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens ist in der Zeichnung
ein Ausführungsbeispiel dargestellt.
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Fig. 1 und 2 zeigen in Aufsicht ein rechteckiges und ein trapezförmiges
Heizelement mit sechseckigen Kanälen; Fig.3 stellt, ebenfalls in Aufsicht, einen
Ausschnitt aus einer sektorförmigen Kammer eines Speicherkörpers dar; Fig. 4 zeigt
einen Teilschnitt durch eine Keramikeinheit, parallel zur Speichermasseachse, und
zwar gemäß der Schnittlinie IV-IV in Fig. 3, während Fig. 5 die in Fig. 4 durch
einen Kreis gekennzeichnete Verbindungsstelle bei einem Schnitt gemäß der Linie
V-V in Fig. 3 wiedergibt.
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Bei dem in Fig.1 dargestellten Normalelement mit rechteckiger Grundfläche
haben die einzelnen
Kanäle 1 die an sich bekannte Querschnittsform
regelmäßiger Sechsecke. Diese Zellen setzen sich in der Weise zum Bild einer Bienenwabe
zusammen, daß die Trennwände 2 überall etwa von der gleichen Dicke sind, die etwa
3 mm betragen möge. Gegebenenfalls kann die rechteckige Außenwandung 3 aus Festigkeitsgründen
etwas stärker ausgeführt werden. Die Höhe dieser Heizelemente - gemessen also senkrecht
zur Zeichenebene - sollte zu mindestens 150 mm gewählt werden. Der lichte Durchmesser
der Strömungskanäle sollte mindestens 8 mm, höchstens jedoch 18 mm betragen.
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Fig. 2 stellt die zweite Elemententype dar, nämlich diejenige mit
der Grundfläche eines Trapezes mit zwei rechten Winkeln. Hinsichtlich der Kanäle
1 sowie der Wandungen 2 und 3 gilt das gleiche wie für den rechteckigen Normalstein.
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Bei dem in Fig. 3 gezeichneten Ausschnitt aus einem einzelnen Speichermassensektor
ist als Beispiel eine Unterteilung der gesamten Speichermasse in achtzehn Sektoren
angenommen, woraus sich ein Zentriwinkel a = 20° ergibt. Von den durch diesen Ausschnitt
erfaßten vier Ringzonen enthält die äußerste Zone drei rechteckige Elemente 4, die
nach innen benachbarte Zone zwei solcher Elemente 4 und die nächste Zone ein einziges.
Die Anpassung an die Soktorwände 5 erfolgt in jeder dieser Zonen mit Hilfe der trapezförmigen
Elemente 6, wobei die innerste Zone nur zwei solche trapezförmige Elemente - und
überhaupt kein rechteckiges - enthält.
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Die erfindungsgemäße Bemessung, die zur Folge hat, daß man mit einer
einzigen Type rechteckiger Steine und auch mit einer einzigen Type trapezförmiger
Steine auskommt, beruht auf nachstehenden Überlegungen, die an Hand dieser Fig.
3 genauer erläutert seien.
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Die kürzere der beiden parallelen Trapezseiten soll gleich der kürzeren
Rechteckseite »b« sein, und die längere Trapezseite b' soll das 1,5fache davon betragen,
d. h. b' = 1,5 b. Bezeichnet man die Länge der Grundflächen beider Elemente
(gemessen also in radialer Richtung gemäß der Winkelhalbierenden) mit »l«, dann
lassen sich zwischen diesen Größen folgende Beziehungen aufstellen:
Wählt man die Bemessung nach diesen Formeln, so ergibt sich, daß beim Fortschreiten
von einer äußeren Zone zu der nach innen benachbarten Zone jeweils genau ein Heizelement
von rechteckiger Grundfläche in Fortfall kommt. Sämtliche rechteckige Elemente haben
also tatsächlich die gleichen Abmessungen, und das gleiche gilt für die äußeren
trapezförmigen Elemente. Wählt man beispielsweise die Länge der Grundfläche zu l
= 250 mm, so ergibt sich für eine Speichermasse, die in achtzehn Sektoren unterteilt
ist, bei der also der Zentriwinkel der Sektoren a = 20° ist, b=2-250-tg101 =500-0,176=88mm,
b' =1.32 mm wobei sowohl für die Länge als auch für die Breite der Elemente die
Breite je einer Fuge mit eingerechnet sei. Es zeigt sich weiterhin, daß Heizelemente
dieser Abmessung sogar für Vorwärmer unterschiedlichen Durchmessers benutzt werden
können, sofern die Durchmesser um 50 mm bzw. ganzzahlige Vielfache davon abgestuft
werden. Die Wahl der vorstehend erläuterten und begründeten Elementeformen führt
also zu dem Ergebnis, daß nicht nur für einen einzelnen Vorwärmer sondern für Vorwärmer
unterschiedlicher Durchmesser insgesamt nur zwei verschiedene Typen von Heizelementen
genügen.
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Aus Fertigungsgründen kann es zweckmäßig sein, die in Fig. 3 mit ausgezogenen
Linien dargestellten Elemente doch noch etwas weiter zu unterteilen, wie es für
das mittelste Feld des Sektors durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Dadurch
ergeben sich Elemente, die weniger langgestreckt sind, bei denen vielmehr die Länge
etwa gleich der Breite ist. Auch hierbei genügen zwei Grundformen von Elementen,
nämlich rechteckige Elemente sowie solche mit dem Grundriß eines rechtwinkligen
Trapezes. Allerdings werden die letzteren in zwei verschiedenen Abmessungen benötigt,
wie es die Zeichnung erkennen läßt.
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Die schon als besonders wichtig hervorgehobene Zusammenfassung der
keramischen Elemente zu Keramikeinheiten erfolgt mit Hilfe von Blechrahmen 7. In
diese Rahmen, die in Aufsicht gemäß Fig.3 die Form symmetrischer Trapeze haben,
werden die Steine unter Verwendung von säurefestem und hitzebeständigem Kitt oder
Mörtel eingebaut. Die Blechstärke der Rahmen soll hierbei so gering gewählt werden,
daß die durch die Wärmedehnungen erzeugten Ausdehnungskräfte durch die Haftkräfte
des Kitts oder Mörtels aufgenommen werden können, so daß die Steine sich in den
Rahmen nicht lockern. Diese durch die genannten Rahmen 7 zusammengefaßten Keramikeinheiten
werden durch Leisten 8 gehalten, die an die radialen Sektorwände 5 der Tragkonstruktion
angeschweißt sind, und zwar erfolgt auch diese Befestigung der Rahmen 7 an den Leisten
8 durch Schweißen. Hierbei dürfen weder die Schweißnähte 9 zur Befestigung der Tragleisten
8 an den Radialwänden 5 gemäß Fig. 5 noch die Schweißnähte 10 zur Befestigung der
Blechrahmen 7 an den Tragleisten 8 durchlaufen. Es erstrecken sich die geschweißten
Abschnitte vielmehr, wie Fig. 3 zeigt, jeweils nur über eine kürzere Strecke. So
sind die Tragleisten 8 mit den Radialwänden 5 mit Hilfe der Nahtabschnitte 9 jeweils
dort verschweißt, wo zwei Keramikeinheiten aneinanderstoßen. Andererseits sind die
Blechrahmen 7 der Keramikeinheiten mit den Tragleisten 8 jeweils nur in der Mitte
zwischen den vorgenannten Schweißstellen 9 verschweißt. Durch diese Versetzung der
Schweißstellen 9 und 10 gegeneinander wird der Trägerkonstruktion eine Ausdehnung
ermöglicht, ohne daß die Keramikeinheiten dieser Ausdehnung zu folgen brauchen,
was wegen ihres geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Zerstörungen führen
würde.
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Auf der kalten Seite des Luftvorwärmers können die Tragleisten 8 mit
Hilfe des gleichen Kitts oder Mörtels, wie er für den Einbau der Steine verwendet
wird, zum Schutz gegen Korrosion abgedeckt werden. Diese Abdeckung 11 ist aus Fig.
4 und 5 ersichtlich.
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Der Luftvorwärmer gemäß der Erfindung weist eine Anzahl vorteilhafter
Eigenschaften auf, die zum Teils an sich auch schon bei bekannten Ausführungsformen
anzutreffen sind, überwiegend aber neu sind.
So hat der Luftvorwärmer
gemäß der Erfindung zunächst mit den bekannten Luftvorwärmern mit keramischen Heizelementen
gemeinsam, daß solche keramischen Elemente in einfacher Weise durch Waschen gereinigt
werden können, ohne daß dabei die Gefahr von Zerstörungen auftritt. Hierin besteht
ein wesentlicher Vorzug gegenüber metallischen Heizelementen, bei denen Zerstörungen
durch Korrosion und Verrosten möglich sind.
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Gegenüber diesen bekannten Luftvorwärmern mit keramischen Heizelementen
jedoch bestehen ebenfalls Vorteile, nämlich die vorstehend ausführlich erläuterten.
Wie dargelegt, genügen bei der erfindungsgemäßen Bemessung der keramischen Elemente
zwei Elemententypen, gleichgültig, in welcher Größenordnung der Durchmesser der
Speichermasse liegt und in wie viele Sektoren diese unterteilt ist, wobei andererseits
die gedrungene Bauform der Elemente, bei der spitze Winkel vermieden sind, die Verwendung
günstiger Kanalquerschnitte und dadurch die bestmögliche Ausnutzung der Speichermasse
gestattet.
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Die Befestigung der Heizelemente ist einwandfrei, was besonders für
Luftvorwärmer mit umlaufender Speichermasse und waagerechter Welle wichtig ist.
In diesem Falle müssen ganz besonders hohe Anforderungen gestellt werden, die durch
die erfindungsgemäße Rahmenkonstruktion erfüllt werden. Die Heizelemente sind in
den Luftvorwärmer nicht eingebaut, sondern sie sind durch die Rahmen 7 zu festen
Einheiten zusammengefaßt, die ihrerseits an der Tragkonstruktion durch Anschweißen
befestigt sind. Durch diese Konstruktion ist somit eine zuverlässige kraft- und
formschlüssige Verbindung geschaffen. Dadurch ist die Gefahr vermieden, daß die
Speicherelemente bei jeder Rotorumdrehung abwechselnd zur Nabe und wieder zum Rotormantel
hin wandern, wodurch der Lauf des Rotors unregehnäßigwerdenwürde. Auch würden sich
hierbei die Keramiksteine aus ihren Halterungen lösen und würden ständig aneinander
scheuern, was zu einer sehr schnellen Zerstörung führen würde. So zeichnet sich
der Luftvorwärmer gemäß der Erfindung auch infolge dieser einwandfreien Halterung
der keramischen Heizelemente durch eine große Lebensdauer aus.