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Vorrichtung zur stirnseitigen Abdichtung der radialen Rotortrennwände
von Drehspeicherwärmetauschern Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur stirnseitigen
Abdichtung der radialen Rotortrennwände von Drehspeicherwärmetauschern gegenüber
den axial angrenzenden, mit Ein- und Auslaßöffnungen für die wärmetauschenden Gase
versehenen Endplatten eines feststehenden Austauschergehäuses mit Hilfe je eines
an den Stirnenden jeder Trennwand angeordneten und sich über diese hinaus axial
beweglich erstreckenden Dichtungsblattes.
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Bei derartigen Wärmetauschern nimmt der Rotor während des Betriebes
auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen am »heißen« Ende, das am Einlaß
für das wärmeabgebende Gas liegt, und am »kalten« Ende,, das am Einlaß für das kühlere,
zu erwärmende Gas liegt, für gewöhnlich eine schalenförmige Gestalt an, durch welche
die Stirnkanten der Rotortrennwände ihre Lage gegenüber den Endplatten des Austauschergehäuses
verändern. Dieser Umstand erfordert besondere Dichtungsvorrichtungen an den Rotorstirnenden,
um eine Vermischung der wärmetauschenden Gase durch einen sich erweiternden Dichtspalt
zu verhindern bzw. andererseits eine Verklemmung zwischen Rotor und Endplatte auszuschließen.
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Es ist zu diesem Zwecke bekannt, an den zurückspringenden Stirnenden
jeder Trennwand sich axial darüber hinaus erstreckende Dichtungsblätter axial beweglich
anzuordnen, die sich unter Vorspannung gegen die jeweilige Endplatte anlegen. Um
die durch das Schleifen der Dichtungsblätter auf den Endplatten entstehende Abnutzung
zu vermeiden, ist es auch bekannt, die Dichtungsblätter mit Hilfe besonderer Führungsglieder
derart an den Endplatten zu führen, daß unter allen Betriebsverhältnissen ein vernachlässigbarer
kleiner Leckspalt zwischen Dichtungsblatt und Endplatte verbleibt. Da die mit den
Dichtungsblättern verbundenen Führungsglieder jedoch in ständiger Bewegung zu den
ortsfesten Führungen sind, ist auch eine solche Anordnung nicht verschleißfrei und
erfordert darüber hinaus zusätzliche Antriebsenergie.
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Um eine Anstellung der Dichtungsblätter unter einer Anpreßkraft zu
vermeiden, ist auch bereits vorgeschlagen worden, die sich bei der thermischen Verwerfung
der Rotortrennwände ergebende entgegengesetzte Veränderung des Dichtungsspaltes
am oberen und unteren Stirnende dadurch auszunutzen, daß die dort axial beweglich
angebrachten Dichtungsblätter derart gegenläufig miteinander gekoppelt werden, daß
mit dem Vorschieben des Dichtungsblattes an der einen Trennwandstirnkante sich das
Dichtungsblatt an der anderen Stirnkante zurückzieht und umgekehrt, wobei das Gewicht
der Dichtungsblätter noch zusätzlich durch Gegengewichte ausgeglichen wird. Durch
den hierdurch erreichten Fortfall besonderer Anpreßkräfte für die Dichtungsblätter
wird zwar deren Verschleiß vermindert, jedoch noch immer nicht völlig ausgeschaltet,
weil die Anpassung der Lage der Dichtungsblätter nach wie vor durch Berührung mit
den Endplatten des feststehenden Gehäuses gesteuert wird.
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Anstatt der Verwendung von Dichtungsblättern ist es auch bekannt,
sektorförmige Endplatten zwischen denn Ein- und Auslaßöffnungen des Gehäuses axial
verstellbar anzuordnen und derart nachgiebig miteinander zu verbinden, daß sie gemeinsam
der Verwerfung des Rotors folgen können. Um ein Verklemmen des sich beim Anfahren
axial ausdehnenden Rotors zwischen den Endplatten zu vermeiden, kann andererseits
die Verbindung zwischen den Endplatten durch Mittel erfolgen, die den Plattenabstand
temperaturabhängig verändern und dadurch die Axialausdehnung des Rotors kompensieren.
Auch bei diesem bekannten Wärmeaustauscher wird ein Aufeinandergleiten zwischen
drehenden und feststehenden Teilen nicht gänzlich vermieden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur stirnseitigen Abdichtung
der radialen Rotortrennwände der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher
unter allen Betriebsbedingungen ein Aufeinandergleiten drehender und feststehender
Teile und
somit der hierdurch bedingte Verschleiß vermieden werden
und die Dichtungsverhältnisse zwischen dem Rotor und den Endplatten über einen weiten
Bereich der Verwerfung des Rotors im wesentlichen konstant gehalten werden. Gemäß
der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jedem Dichtungsblatt eine von
den durch den Rotor strömenden Gasen umspülte thermische Ausdehnungsvorrichtung
zugeordnet und derart mit dem Dichtungsblatt gekoppelt ist, daß jede durch die Gastemperatur
bedingte axiale Verwerfung der Stirnkante der Rotortrennwand eine entsprechend große
entgegengerichtete Axialbewegung des dortigen Dichtungsblattes zur Folge hat.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bringt somit gegenüber dem Stand
der Technik den wesentlichen Vorteil, daß sowohl die thermisch bedingte axiale Längenausdehnung
des Rotors als auch die Verwerfung der Stirnenden seiner radialen Trennwände unter
Vermeidung jeglicher mechanischen Berührung zwischen relativ zueinander drehenden
Teilen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung optimaler Dichtungsverhältnisse an den
Rotorstirnenden bzw. den Endplatten keinen Verschleiß hervorrufen können und die
erforderliche Antriebsleistung für den Rotor einen kleinstmöglichen Wert erreicht.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist jedes Dichtungsblatt
an seinem radial inneren Ende schwenkbar mit der Trennwand verbunden, während die
zugehörige Ausdehnungsvorrichtung an ihrem einen Ende mit der Trennwand verbunden
und an ihrem anderen Ende an das Dichtungsblatt im Abstand vom Schwenkpunkt desselben
angeschlossen ist. Eine solche Aaslenkung des Dichtungsblattes vereinfacht den Aufbau
der erfindungsgemäßen Abdichtungsvorrichtung beträchtlich und genügt trotzdem den
gestellten Anforderungen, da die Verwerfung der Stirnkanten der Rotortrennwände
wegen ihrer festen Anbringung an der Rotornabe radial nach auswärts zunimmt.
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Zweckmäßig besteht jede Ausdehnungsvorrichtung aus einer radial sich
erstreckenden Stange., die an ihrem inneren Ende an der Trennwand befestigt ist
und an ihrem äußeren Ende an das Dichtungsblatt über einen an der Trennwand gelagerten
Winkelhebel angeschlossen ist und deren Wärmeausdehnungskoeffizient von dem der
Trennwand abweicht. Letzteres ist Voraussetzung dafür, daß überhaupt eine Relativbewegung
des Dichtungsblattes gegenüber der sich im Betrieb auch radial ausdehnenden Trennwand
erfolgt. Dabei kann es erforderlich sein, den Winkelhebel über eine Lasche od. dgl.
mit dem Dichtungsblatt zu verbinden, um in der Anordnung des Winkelhebels und der
Stange an der Trennwand frei zu sein und eine Behinderung der Bewegung des Dichtungsblattes
durch den Winkelhebel und die Stange zu vermeiden.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen senkrechten Schnitt
durch einen Drehspeicherwärmetauscher mit der erfindungsgemäßen Abdichtvorrichtung,
F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 1 mit einem oberen und einem unteren
Dichtungsblatt. Gemäß der Zeichnung hat der in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnete
Rotor einen zylindrischen Außenmantel 12 und ist durch radiale Trennwände 14 in
sektorförmige Zellen unterteilt. Die Trennwände 14
sind mit einer zentralen
Rotornabe 16 verbunden, die mit Hilfe einer Motor-Getriebe-Einheit 18 um
ihre Achse drehbar ist. Die Rotorzellen enthalten in bekannter Weise eine Füllung
aus wärmespeicherndem Material, die zunächst Wärme von einem wärmeabgebenden Gas
aufnehmen, das in den Wärmetauscher durch einen Kanal 22 eintritt und durch einen
Kanal 24 diesen wieder verläßt. Durch langsame Drehung des Rotors wird das wärmespeichernde
Material in einen zweiten, durch einen Kanal 26 eintretenden Gasstrom gebracht,
wobei es die gespeicherte Wärme wieder abgibt.
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Der Rotor 10 ist zur Drehung um seine Achse auf einem Stützlager 28
drehbar gelagert und wird von einem zylindrischen Gehäuse 34 mit Endplatten 36 an
den einander entgegengesetzten Stirnenden umschlossen. Die Endplatten 36 sind an
diametral gegenüberliegenden Stellen 38 und 40 mit Ein- bzw. Auslaßöffnungen zum
Durchtritt des wärmeabgebenden und des wärmeaufnehmenden Gases versehen. Um zu verhindern,
daß sich die durch den Wärmetauscher tretenden Gase miteinander vermischen, weisen
die Endplatten 36 zwischen den Öffnungen 38, 40 durchbrechungsfreie Abschnitte auf,
die sich in Umfangsrichtung mindestens ebensoweit wie eine Rotorzelle erstrecken.
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An den Stirnenden der Trennwände 14 sind Radialdichtungen in Form
von Dichtungsblättern 44 angeordnet, die gegenüber den benachbarten Oberflächen
der Endplatten 36 dichten und somit die sektorförmigen Rotorzellen im Bereich zwischen
den Öffnungen 38 und 40 der Endplatten wirksam abschließen. Ferner erstrecken sich
Umfangsdichtungen 46 von den Stirnkanten des Rotormantels zu den Endplatten, um
ein Umströmen des Rotors durch den ringförmigen Spalt 48 zwischen Rotor und Gehäuse
auszuschließen.
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Die ebenen, metallischen Dichtungsblätter 44 sind mit ihren inneren
Enden mittels Schwenkzapfen 52 an den radialen Trennwänden 14 in der Nähe der Rotornabe
16 aasgelenkt und erstrecken sich, auf einer Seite dichtend und gleitend gegen die
Trennwand anliegend bis unmittelbar vor den Rotoraußenmantel12. Durch die Aaslenkung
der radial inneren Enden sind die äußeren Enden der Dichtungsblätter in axialer
Richtung beweglich und gestatten eine Anstellung gegen die gegenüberliegende. Oberfläche
der benachbarten Endplatte in Übereinstimmung mit der Verwerfung des Rotors innerhalb
des Rotorgehäuses.
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Jedem Dichtungsblatt 44 ist eine bei Erwärmung ihre Länge ändernde
Steuerstange 54 zugeordnet, die sich parallel zu dem Dichtungsblatt erstreckt und
mit ihrem radial inneren Ende an einer Stelle 56 in der Nähe des Schwenkzapfens
52 derart an der Rotorstruktur befestigt ist, daß sich ihr äußeres Ende in radialer
Richtung entsprechend den im Betrieb auftretenden Temperaturänderungen frei ausdehnen
oder zusammenziehen kann. An einer Stelle zwischen dem äußeren Ende des Dichtungsblattes
44 und der Steuerstange 54 ist ein Winkelhebel 58 an der radialen Trennwand
schwenkbar gelagert und mit seinem einen Arm an die Steuerstange 54 und seinem anderen
Arm an das Dichtungsblatt 44 angekoppelt.
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Die Ausbildung des Winkelhebels 58 und seine Anordnung sind derart,
daß jede durch die Gastemperatur bedingte axiale Verwerfung der Stirnkante der Rotortrennwand
unter der Wirkung der Ausdehnung bzw. Zusammenziehung der Steuerstaige
eine
entsprechend große entgegengesetzt gerichtete Axialbewegung des zugehörigen Dichtungsblattes
zur Folge hat. Hierzu kann es, wie aus dem unteren Teil der F i g. 2 hervorgeht,
erforderlich sein, zwischen Winkelhebel und Dichtungsblatt eine Verbindungslasche
60 einzuschalten.
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Um die gewünschte Relativbewegung der Dichtungsblätter 44 gegenüber
der sich verwerfenden Trennwand 14 sicherzustellen, besteht die Steuerstange 54
notwendigerweise aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient verschieden
von dem der Trennwand 14 ist. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel,
bei welchem das obere Ende des Rotors am Einlaß für das wärmeabgebende Gas liegt
und sich folglich nach unten schüsselförmig verformen wird, müssen die Steuerstangen
54 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der größer als derjenige der Trennwand
ist, um sowohl das obere wie das untere Dichtungsblatt im Verhältnis zur Trennwand
nach aufwärts zu bewegen. Bei einer Umkehrung der Strömungsbedingungen derart, daß
das »heiße« Ende des Rotors unten liegt, würde die Erwärmung des Rotors eine schüsselförmige
Verwerfung desselben nach aufwärts verursachen, so daß dann entweder die Ankopplungen
zwischen Steuerstange und Dichtungsblatt vertauscht werden müßten oder aber eine
Steuerstange mit geringerem Wärmeausdehnungskoeffizient als dem der Trennwand vorgesehen
werden müßte.