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Umwälz-Speicherteilchenwärmetauscher für zwei gasförmige Medien Die
Erfindung bezieht sich auf regenerative Wärmeaustauscher für zwei gasförmige Medien,
bei denen der Wärmetausch unter Vermittlung von umgewälzten Speicherteilchen in
unter verschiedenen Drücken stehenden Wärmetauschzonen erfolgt.
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An sich sind derartige regenerative Wärmetauscher, die unter dem Namen
»pebble heater« eine gewisse Verbreitung gefunden haben, bekannt. Bei den üblichen
einfachen »pebble heatern« durchströmen die gasförmigen Medien die in einer Schicht
von beträchtlicher Höhe angeordneten kugelförmigen Speicherteilchen. Es bereitet
nun aus verschiedenen Gründen, insbesondere wegen der Führung des Gases und der
Speicherteilchen in praktisch vertikaler Richtung große, praktisch kaum zu überwindende
Schwierigkeiten, unter Anwendung dieses Bauprinzips derartige Regeneratoren für
große Durchsatz- bzw. Gasmengen und kleine, tragbare Druckabfälle auszuführen.
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Es ist weiter bekanntgeworden, Regeneratoren mit feinkörnigen Speicherteilchen
als Wärmeträger, wie z. B. Sand, in der Weise auszubilden, daß eine höhere Speicherteilchensäule
durch Einschaltung von Zwischenböden mit Sickerlöchern für die Speicherteilchen
unterbrochen ist und das im Wärmetausch stehende Gas quer zur Bewegungsrichtung
der Speicherteilchen durch Kanäle zwischen den Zwischenböden und den auf diesen
lagernden Speicherteilchenschichten durch die von Zwischenboden zu Zwischenboden
rieselnden Speicherteilchenschichten hindurchgeleitet wird. Die beiden Kammern dieser
Regeneratoren sind dabei im Hinblick auf die vorhandenen Druckdifferenzen durch
eine nach Maßgabe des Leckverlustes bemessene Zwischenzone von Speicherteilchen
getrennt.
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Bei einer derartigen Ausführung kann zwar trotz Anwendung sehr feinkörniger
Speicherteilchen der Druckabfall bis zu einem gewissen Grade verringert werden,
indessen haben derartige Anordnungen den Nachteil, daß sie wegen der Einschaltung
der zahlreichen Zwischenböden sowie der Kanäle für die Führung des Gases und der
Speicherteilchen eine verwickelte baulische Gestaltung erfordern. Sie eignen sich
infolgedessen ebenfalls für größere Gasmengen nur wenig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wesentlich vereinfachtes
Umwälz-Speicherteilchenwärmetauschersystem für gasförmige Medien zu schaffen, das
sich bei einfachster Ausbildung durch einen günstigen Wärmetausch, kleinste Druckabfälle
sowie geringe Abmessungen auszeichnet und für der. Wärmetausch von großen Gasmengen
geeignet ist. Die erfindungsgemäße Lösung geht hierbei von durch nach Maßgabe des
Leckverlustes durch eine Zwischenzone von Speicherteilchen getrennten Wärmetauschzonen
aus und besteht darin, 1. daß in den beiden gleichsinnig von den Masseteilchen in
homogener Strömung durchflossenen Wärmetauschzonen der im Wärmetausch stehende Gasstrom
senkrecht zur Bewegungsrichtung der Speicherteilchen durch diese hindurchgeführt
wird, 2. in den beiden Wärmetauschzonen die gasförmigen Medien in entgegengesetzter
Richtung verlaufen und 3. daß die beiden Wärmetauschzonen (I, 1I) sowie die Zwischenzone
(III) und die Überleitungen zwischen den Wärmetauschzonen eine solche Ausbildung
aufweisen, daß die Temperaturschichtung der Speicherteilchen in den Wärmetauschzonen
senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung im Sinne der Herbeiführung eines Wärmetausches
nach dem Gegenstromprinzip aufrechterhalten wird.
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Entscheidend ist demnach für die erfindungsgemäße Anordnung, daß durch
die Querströmung des Gases in bezug auf die Massenströmung große Strömungsquerschnitte
für das die Speicherteilchenschicht geringer Stärke durchfließende Gas geschaffen
werden, was auch bei Anwendung sehr kleiner, die günstigsten Verhältnisse für den
Wärmetausch bietender Speicherteilchen eine Herabsetzung des Druckabfalls ermöglicht,
und daß gleichzeitig durch die gegensinnige Gasführung in den beiden Wärmetauschzonen
in Verbindung mit der Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperaturverteilung in
den nacheinander durchströmten Wärmetauschzonen ein
Wärmetausch
entsprechend dem Gegenstromprinzip trotz der kreuzweisen Führung von Gas- und Speicherteilchenstrom
erreicht wird.
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An sich ist eine Führung von Speicherteilchen in Zwischenzonen gleichbleibender
Temperaturschichtung oder in gesonderten Überleitungen für Teilströme verschiedener
Temperatur bekannt. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kommt es jedoch nicht an
sich auf diese Merkmale, sondern lediglich auf die Anwendung in Verbindung mit den
übrigen Merkmalen der Erfindung an, um einen Wärmetausch nach dem Gegenstromprinzip
möglich zu machen.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Wärmetauscher geschaffen,
der in seiner Wirkungsweise den bekannten Wärmetauschern mit rotierender Speicherniasse
praktisch gleich ist.
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An Stelle der rotierenden, scheibenförmigen Speichermasse ist abweichend
von der erwähnten bekannten Anordnung ein im Kreislauf in feststehenden Kanälen
geführter Strom aus feinkörnigen Speicherteilchen, wie Stahlsand, Quarzsand u. dgl.
aetreten, durch welchen in den beiden durch Speicherteilchenschichten getrennten
Wärmetauschzonen die gasförmigen Medien senkrecht zur Bewegung der Speicherteilchen
hindurchgeführt werden.
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Wird durch die erfindungsgemäße Lösung ein ebenso günstiger Wärmetausch
wie bei den bekannten Wärmetauschern mit rotierenden Speicherschichten erreicht,
so hat jedoch die Anordnung nach der Erfindung zur Folge, daß ein rotierendes System
mit den bekannten Schwierigkeiten der Abdichtung an den Gaszuführungen bzw. Gasableitungen
vermieden ist.
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Die einfachste Ausbildung für ein Wärmetauschersystem gemäß der Erfindung
ergibt sich, wenn in an sich bekannter Weise die beiden übereinander angeordneten
Wärmetauschzonen durch eine Zwischenzone von gleichem Querschnitt wie die Wärmetauschzonen
verbunden sind.
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Es ist jedoch auch ohne weiteres möglich, gemäß der weiteren Ausgestaltung
der Erfindung den Querschnitt der zwischen den übereinanderliegenden Wärmetauschzonen
angeordneten Zwischenzone gegenüber Querschnitten der Wärmetauschzonen in bekannter
Weise eingeengt auszuführen und an der Zwischenzone Leitwände vorzusehen, die im
wesentlichen parallel zu den Kanalwänden verlaufen und deren Ebene senkrecht zur
Richtung der Gasströmung steht.
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Um in möglichst vollkommener Weise die schichtweise Überleitung der
aus der unteren Wärmetauschzone austretenden Speicherteilchen in die obere Wärmetauschzone
zu ermöglichen, kann weiter eine Unterteilung der überleitkanäle in mehrere Teilkanäle
vorgesehen werden, in denen ebenfalls in an sich bekannter Weise gesonderte Fördereinrichtungen
für die Speicherteilchen eingeschaltet sind.
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Die ErfiAdung soll näher an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert
werden. In F i g. I bedeutet I eine Wärmetauschzone, welche durch die gasdurchlässigen
Wandteile 1 sowie einen Abschluß an den Stirnseiten bildende gasundurchlässigen
Wände 2 abgeschlossen ist. Der Wärmetauschzone I wird durch ein Kanalsystem 3 seitlich
ein durch den Pfeil 4 angedeuteter Kaltgasstrom zugeführt, der von rechts
nach links verläuft. 5 bedeutet den gegenüber dem Kanal 3 angeschlossenen Gasableitkanal,
durch welchen das Gas nach Anwärmung in der Zone 1 a CY b.eführt wird. Zur Erwärmung
des Gasstromes werden nun der Wärmetauschzone von oben durch den Zulauf 6 feinkörnige
Speicherteilchen in Form von Stahlsand oder Quarzsand zugeführt, die unter der Einwirkung
der Schwere von oben nach unten strömen. Wie ohne weiteres ersichtlich, wird das
kalte Gas, das quer zur Bewegungsrichtung durch die Speicherteilchenschicht hindurchgeführt
wird, aufgewärmt. Die durch die Wärmetauschzone 1 geführten Speicherteilchen verlaufen
nach dem Durchströmen der Wärmetauschzone I durch eine Zwischenzone III, die allseitig
durch dichte Wandteile 7 abgeschlossen ist. An die Zwischenzone 111 schließt
sich die Wärmetauschzone 11 an, der die Speicherteilchen von oben aus der Zwischenzone
III zuströmen. Die Wärmetauschzone 1I ist wieder genau wie die Wärmetausehzone I
an den in Richtung der Schichtstärke die Wärmetauschzone begrenzenden Wänden durch
gasdurchlässige Wandteile 1 abgeschlossen, während an den Stirnseiten undurchlässige
Wandteile 2 vorhanden sind. 8 und 9 bedeuten wieder Gaszu-
und Ableitungskanäle, durch welche in der durch den Pfeil 11 angedeuteten Weise
von links nach rechts der Wärmetauschzone 1I ein heißes Gas, beispielsweise das
Abgas einer Turbine, zugeführt wird, das beim Durchströmen der Wärmetauschzone 1I
die innerhalb derselben befindlichen Speicherteilchen A aufheizt. 12 bedeutet eine
den Durchsatz der Speicherteilchen regelnde Einrichtung am Austritt der Speicherteilchen
aus der Zone 11, die ermöglicht, eine aus der Zone II austretende regelbare Speicherteilchenmenge
in Umleitkanäle 14a bis 14c abzuführen. Durch die Umleitkanäle 14a bis 14c,
die mit geeigneten Fördereinrichtungen 15a bis 15c bekannter Art versehen
sind, können die Speicherteilchen den Füllrichtern 6 a bis 6 c oberhalb der Wärmetauschzone
i wieder zugeführt werden. Statt gesonderter Umleitkanäle 14a bis 14c ist es jedoch
unter Umständen auch möglich, einen zusammengefaßten Umleitkanal vorzusehen, durch
den die in der Zone 1I aufgeheizten Speicherteilchen der Wärmetauschzone 1 wieder
zugeführt werden (vgl. F i g. 2). Die Zwischenzone III weist in Richtung der Speicherteilchenströmung
eine größere Länge auf. Durch die Zwischenzone werden die unter verschiedenen Drücken
stehenden Wärmetauschzonen getrennt, wobei entsprechend der Länge der Zwischenzone
die mögliche Leckströmung gering gehalten wird. In gleicher Weise wird auch der
Strömungswiderstand der Umleitkanäle 14 infolge der Länge oder Querschnittsgestaltung
so gehalten, daß auch durch diese Kanäle störende Querströmungen zwischen den Wärmetauschzonen
I und II ausgeschlossen sind.
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Die Ausbildung der Zwischenzone, Überleitkanäie und Wärmetauschzonen
gibt die Möglichkeit, eine solche Temperaturschichtung in den Wärmetauschzonen 1
und II herbeizuführen, daß sich in Verbindung mit der Gasströmung und Speicherteilchen
Strömung in ähnlicher Weise wie bei den rotierenden Speichermassenwärmetauschern
ein Wärmetausch nach dem Gegenstromprinzip ergibt. Diese Temperaturverhältnisse
sind darauf zurückzuführen, daß die Speicherteilchen im wesentlichen wirbelfrei
parallel zu den Wärmetauschzonen I, 1I und die Zwischenzone 111 begrenzenden
Wänden 1 bzw. 7 verlaufen und daß durch die getrennten Kanäle 14a bis
14c
die Speicherteilchen in der gleichen Temperaturverteilung über den Füllrichter wieder
der Zone I zugeführt werden, wie sie der Zone II entnommen sind. Um die Führung
der Speicherteilchen in den einzelnen Schichten sicherzustellen, können jedoch unter
Umständen auch Zwischenwandteile 16, insbesondere in der Zwischenzone III, vorgesehen
sein. Im allgemeinen wird man in den Wärmetauschzonen zur Verringerung des Druckabfalls
keine Zwischenteile vorsehen. Jedoch wäre es auch grundsätzlich möglich, innerhalb
der Wärmetauschzonen selbst gasdurchlässige Zwischenwandteile vorzusehen, die in
diesem Falle ebenso wie die Begrenzungswände 1 aus parallel zueinander in der Strömungsrichtung
der Speicherteilchen verlaufenden Gasdurchtrittsschlitze frei lassenden Profilen
zusammengesetzt sind.
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Besonders empfiehlt sich die Anwendung der Zwischenwandkörper 16,
wenn in der Zwischenzone III der Strömungsquerschnitt in Richtung der Schichtstärke
verändert ist. In F i g. 2 der Zeichnung ist eine Ausbildung eines Wärmetauschers
für diesen Fall wiedergegeben. Bei dieser Anordnung werden zweckmäßigerweise zur
Überleitung in die Wärmetauschzonen geneigte Führungswandteile 17 an die Zwischenwandteile
16 angeschlossen. F i g. 3 gibt noch eine geänderte Ausführung wieder, bei der der
Querschnitt der Zwischenzone senkrecht zur Schichtstärke eingeschnürt ist. Bei einer
derartigen Anordnung können unter Umständen Zwischenwandteile in der Zone
111 entfallen, da bei einer entsprechenden Gestaltung des Strömungsquerschnittes
auch grundsätzlich die ähnlich der einer zähflüssigen Masse verlaufende Strömung
der einzelnen Speicherteilchen nicht gestört wird.