DE2028273C

DE2028273C - Regenerativer Wärmetauscher

Info

Publication number: DE2028273C
Application number: DE19702028273
Authority: DE
Inventors: Mark Carey Sedgwick Kenil worth Collet Peter Jacobus Sohhull Warwickshire Bramley Hugh Christopher Fazeley Tamworth Staffordshire Barnard, (Großbri tanmen)
Original assignee: Leyland Gas Turbines Ltd , Sohhull, Warwickshire (Großbritannien)
Priority date: 1969-06-11
Filing date: 1970-06-09
Publication date: 1973-08-23

Description

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Die Erfindung betrifft einen regenerativen Wärme tauscher mit einer in einem Gehäuse umlaufenden, axial im Gegenstrom von einem heißen und einem kalten Gas mit unterschiedlichen Drücken durchströmten Matrix aus einem spröden wämespeichern- den Material und mit auf den Stirnflächen der Matrix gleitenden, sektorförmige Querschnitte für den Durchtritt der Gase begrenzenden Dichtstreifen, wobei der Eintrittsquerschnitt für das heiße Gas und der Austrittsquerschnitt für das erwärmte kalte Gas 5« auf der einen Stirnfläche der Matrix angeordnet sind, während sich der AustriUsqutrschnitt für das abgekühlte heiße Gas dem entsprechenden Einlrittsquerschnitt gegenüberliegend an der anderen Stirnfläche der Matrix befindet und die außerhalb der durch die Dichtstreifen begrenzten Querschnitte verbleibenden Flächenteile der Matrix unter dem Druck des zuströmenden kalten Gases stehen.

Dieser Typ eines Wärmetauschers ist aus der USA.-. Patentschrift 3 401 740 bekannt und wird vornehm-Hch in Gasturbinenanlagen eingebaut. Der gewünschte hohe Gesamtwirkungsgrad dieser Anlagen erfordert es, daß der Wärmetauscher einerseits mit den sehr heißen Abgasen der Turbine und andererseits mit dem kalten, in die Turbine einzuspeisenden Arbeitsmittel beaufschlagt wird. Das Arbeitsmittel wird dabei im verdichteten Zustand dem Wärmetauscher zugeführt.

Die Anwendung hoher Temperaturen bedingt, daß die Matrix aus einem speicherfähigen, feuerfesten Material, z. B. Siliziumiiitrid oder einer anderen keramischen Masse, hergestellt werden muß. Hin solches Material ist jedoch relativ anfällig gegen Biegebelastungen. Dies muß zwi'.nglaufig dazu l'iihrei-ιΓ daß insbesondere bei hohen Temperaturen und unterschiedlichen Gasdrücken, die die Matrix unterschiedlich belasten, die starr auf einer Welle befestigte Matrix des Wärmetauschers zu Deformationen oder stärkeren Beschädigungen neigt. Als Folge davon ergehen sich erhebliche DichtungsproblernC, die gemäß der Lehre der vorgenannten USA.-Patentschrift 7, 401 740 vermittels verbesserter, auf den Stirn-."üchen der Matrix gleitender Dichtstreifen behoben werden sollen.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der F.rfindung darin, einen regenerativen Wärmetauschei zu schaffen, bei dem trotz Zuführung unter Druck stehender Gasströme eine Biegebelastung der Matrix von vornherein vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der den Umfangsteil des Eintrittsquerschnitts für das heiße Gas bestimmende Radius um einen solchen Wert größer ist als der Radius für den Umfangsteil des gegenüberliegenden Austrittsquerschnitts für das abgekühlte heiße Gas, daß die Kraft, die infolge der Ein- und Austrittsdrücke und der unterschiedlichen Querschnitte für das heiße Gas auf die Matrix einwirkt, im wesentlichen durch die entgegengerichtete Kraft, die infolge des Druckes des kalten Gases und der unterschiedlichen Flächen außerhalb der Querschnitte für das heiße Gas auf die-Matrix einwirkt, ausgeglichen ist.

Es liegt auf der Hand, daß bei einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher, dessen Matrix keinen ungleichmäßigen Belastungen mehr unterliegt und dementsprechend nicht zu DefOi mationen neigt, die Dichtungsprobleme wesentlich einfacher zu beherrschen sind. Aufwendige und teure Dichtstreifen können entfallen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß infolge des Fehlens jeglicher Biegebelastungen Beschädigungen der aus einem spröden Material bestehenden Matrix weitgehend vermieden werden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigl

F i g. I einen schematischen Axialschnitt durch die Matrix des Wärmetauschers,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Matrix in Richtung des Pfeiles II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht der Matrix von unten in Richtung des Pfeiles III der Fig. 1 und

Fig. 4 .nd 5 Axialschnitte durch die Matrix, die zugehörigen Dichtstreifen und das Gehäuse eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.

Nach F i g. 4 und 5 weist der Wärmetauscher ein Gehäuse I auf, das im wesentlichen in der Draufsicht von kreisförmiger Gestalt ist und eine Spindel 2 trägt, auf der die Matrix 3 drehbar ist. Die Matrix hat die Gestalt einer ebenen Scheibe und ist vorzugsweise aus einem keramischen oder einem ähnlichen Material hergestellt, wie beispielsweise Siliziumnitrid. Die Matrix 3 weist innen- und außenliegendc Umfangsteile 4 und S auf, die nicht porös sind, sowie einen dazwischenliegenden, ringförmigen Abschnitt 6, der mit Wärmeübertragungskanälen versehen ist, die im

wesentlichen parallel zur Achse der Matrix verlaufen. Die Matrix wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Ritzels in Drehung versetzt, das in einen gezahnten Ring 7 über ein radial nachgiebiges Antriebsteil 8 eingreift, welches eine relative radiale Expansion und ■■> Kontraktion zwischen dem Ring 7 und der Matrix 3 zuläßt. Das Antriebsteil 8 kann \< >n beliebiger Art sein und beispielsweise durch ein spiralförmig aufgewickeltes redcrblech ouer ein gewelltes Federhlech .',irgestellt sein. '<-■

Das Gehäuse 1 trügt drei im wesentlichen .sektorförmige Querschnitte umfassende Balgendichtungen 9. 10 und Il (Fig. 2 und 3). die ebene Dichtstreifen 12. 13 und 14 entsprechender Gestalt tragen. Die Dichtstreifen stehen gleitend in F.ingrilT mit den >5 Stirnflächen 15 und 18 der Matrix. Die Dichtung 9 umschließt ilen Austrittsquerschnilt 16 für das abgekühlte heiße Gas. der mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Die Dichtung 10 umschließt den ELintrittst]uerschnitt 17 für das heiße Gas und steht mit dem Auslaßende einer Turbine des Gasturbinentriebwerks in Verbindung. Die Dichtung II umschließt einen Bereich 19, der zu einer Brennkammer des Triebwerks führt. Die übrigen Teile der Stirnflächen 15 und 18 der Matrix stehen mit einem inne- rcn Bereich 20 des Gehäuses in Verbindung, dem Druckluft von einem Verdicker des Triebwerks zugeführt wird. Wenn die Matrix umläuft, tritt Luft durch die Wärmeübertragungskanäle im Abschnitt 6 der Matrix (F i g. 5) hindurch und gelangt in den Bereich 19. Gleichzeitig treten die heißen Gase durch Wärmeübertragungskanäle im Abschnitt 6 der Matrix (F i g. 4) hindurch und gelangen in den Austrittsquerschnitt 16. Auf diese Weise wird die Matrix durch die heißen Gase aufgeheizt und überträgt Wärme an die Druckluft.

Nach F i g. I ist auf der ünken Seite des Gehäuses der Druck P 17 der Gase, die von der Turbine geliefert werden, das heißt, der Druck im Eintrittsquerschnitt 17, der von der Dichtung 10 umschlossen wird, größer als der Atmosphärendruck P 16 im Austritlsquerschnitt 16, der von der Dichtung 9 umschlossen wird. Daher würde sich dann, wenn die Dichtungen 9 und 10 sowie die Dichtstreifen 12 und 13 vcn gleicher Form und Größe sind, wie es bei bekannten umlaufenden Regenerativwärmetauschern der Fall ist, ein nach unten gerichteter Schub auf die Matrix einstellen. Da außerdem der Verdichterförderdruck P 2C im Bereich 20, der auf der rechten Seite der Matrix von unten gegen die Unterseite wirkt, höher ist als der Druck P19 im Bereich 19, der von der Dichtung Il umschlossen wird, würde ein Kippen der Matrix um die Spindel 2 die Folge sein.

Gemäß der Erfindung ist nun der Bereich, der vom Dichtstreifen 13 der Dichtung 10 umschlossen und dem Druck/'17 des von der Turbine gelieferten Gases ausgesetzt im. größer ausgebildet als der Bereich, der vom Dichtstreifen 12 der Dichtung 9 umschlossen ist.

Hierdurch ist die wirksame Flache der oberen Stirnfläche 18 der Matrix außerhalb des Dichtstreifens 13. die dem Hinlaßdnick/'20 der Druckluft ausgesetzt ist. innen im Gehäuse 1 kleiner ausgebildet als der entsprechende Teil der unteren Stirnfläche 15 Dieses wird dadurch erreicht, daß der Radius des Sektors der Dichtung 10 größer als derjenige der Dichtung 9 ausgebildet ist und dadurch die Umfangsieile des Balgens der Dichtung 10 und der Dichtstreifen 13 näher an den Außendurchmesser der Matrixscheibe heranrücken. Das läßt sich durch einen Vergleich der F i g. 2 und 3 erkennen, in denen der Radius des Sektors der Dichtung 10 den Wert ■ R + X ; und der Radius des Sektors der Dichtung 9 den Wen .Ii-. aufweist. Der Druck P 17 der heißen Gase im Fintritts"uerschnitt 17 ist giößer als der Druck P 16 im Austrittsquerschnitt 16, und da der von der Dichtung 10 umschlossene Bereich größer ist als der von der Dichtung 9 umschlossene Bereich, ergibt sich eine resultierende, nach unten gerichtete Kraft, die auf die Matrix einwirkt. Weiterhin stellt ■-ich eine resultierende, nach oben auf die Matrix einwirkende Kraft infolge des Drucks P 20 der Druckluft innerhalb des Gehäuses ein, der auf die gesamten Stirnflächen der Mairix mit Ausnahme der Flächen innerhalb der Dichtstreifen 12, 13 und 14 einwirkt. Durch geeignete Dimensionierung der Dichtstreifen 52 und 13 kann die durch die Druckluft sich ergebende resultierende, nach oben gerichtete Kraft im wesentlichen der resultierenden, nach unten gerichteten Kraft durch die heißen Gase in den Querschnitten 16 und 17 angepaßt werden, wodurch Spannungen innerhalb der Matrix verhindert und auch Abnutzungen an den Dichtungen infolge nicht ausgeglichenen Stirnflächenschubs auf die Matrix vermieden werden.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf eine Matrix, die nichtporöse Umfangsteile 4 und 5 aufweist. Wenn der poröse Teil sich bis zum Umfang der Matrix erstreckt, müssen die Kanäle der Matrix, die nicht an beiden F.nden des Gasweges offen sind, die an beiden Enden des Luftweges offen sind, oder die an beiden Enden durch die Dichtstreifen 12 und 13 abgedichtet sind, abgesperrt werden, um ein Durchlecken von Gas durch die Matrix zu verhindern. Andererseits können die Kanäle in axialer Richtung in der Weise geneigt angeordnet sein, daß sie an beiden Enden zum Gasweg hin offen sind, an beiden Enden zum Luftweg hin offen sind, oder an beiden Hilden durch die Dichtstreifen 12 und 13 abgedichtet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Regenerativer Wärmetauscher mit einer in einem (iehäuse umlaufenden, a\ial im Gegenstrom Min einem heißen und einem kalten das mit unterschiedlichen Drücken durchströmten Matrix aus einem spr klcn wärmespeichernden Material und mit auf den Stirnflächen der Matrix gleitenden, sektorförmige Querschnitte für den Durchtritt der Gase begrenzenden Dichtstreifen, wobei der Kiiitrittsquerschnitt für das heiße Gas und der Au Irittsquerschnitt für das erwärmte kalte Ga-; auf der einen Stirnfläche der Matrix angeordnet sind, während sich der Austritisquerschnitt für das abgekühlte heiße Gas dem entsprechenden Uintrittsquerschniu gegenüberliegend an der anderen Stirnfläche der Matrix befindet und die außerhalb der durch die Dichtstreifen begrenzten Querschnitte verbleibenden nächenteile der Matrix unter dem Druck des zuströmenden kalten Gases stehen, dadurch gekennzeichnet, daß der den llmfangstcil des Kintrittsquerschnitts (17) für das heiße Gas bestimmende Radius um einen solchen Wert größer ist als der Radius für den Umfangsteil des gegenüberliegenden Austrittsquerschnitts (16) für das abgekühlte heiße Gas, daß die Kraft, die infolge der E^:.in- und Austrittsdrücke und der unterschiedlichen Querschnitte (16, 17) tür das heiße Gas auf die Matrix (3) einwirkt, iim wesentlichen durch die entgegengeriditete Kraft, die infolge ues Druckes des kalten Gases und der unterschiedlichen Flächen außerhalb der Querschnitte (16, 17) für das heiße Gas auf die Matrix einwirkt, ausgeglichen ist.