DE2144593B2

DE2144593B2 - Drehspeicherwärmetauscher

Info

Publication number: DE2144593B2
Application number: DE2144593A
Authority: DE
Inventors: Kurt Tyresoe Karlsson; Birger Alta Pettersson
Original assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Current assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Priority date: 1970-09-08
Filing date: 1971-09-07
Publication date: 1980-01-24
Also published as: CS163786B2; DE2144593A1; JPS5440766B1; GB1303695A; US3785431A; DE2144593C3; PL77834B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehspeicherwärmetauscher mit einem Gehäuse und einem darin angeordneten Rotor, welcher aus einer zentralen Rotorwelle und einem mit dieser über sich radial erstreckende Trennwände verbundenen Mantel besteht, die den Rotor in eine Vielzahl entdseitig offener, wärmespeicherndes Material aufrehmender Sektoren unterteilen, wobei das Gehäuse mit Ein- und Auslaßkanälen für ein wärmeabgebendes Fluid und ein aufzuheizendes Fluid versehen ist, und der Rotor an einem Ende mittels eines Axiallagers und am gegenüberliegenden Ende in einem bei Wärmeausdehnung axiale Bewegungen gestattenden Radiallager gelagert ist, und wobei zwischen den Stirnflächen des Rotors und den Endwänden des Gehäuses als stirnseitige Dichtungen dienende und ein Vermischen der am Wärmeaustausch beteiligten Fluide in diesem Raum verhindernde, axial bewegliche Platten angeordnet sind, welche sich auf jeder Seite des Rotors in eine mittlere, durch ein der Wärmeausdehnung des Rotors folgendes Teil des Radiallagers gehaltene Platte und an deren gegenüberliegenden Enden verschwenkbar angebrachte, sich radial erstreckende äußere Platten gliedern.

Derartige Wärmetauscher werden häufig als Luftvorwärmer in Kasselanlagen eingesetzt. Die hierbei als aufheizendes Fluid dienenden Verbrennungsgase können eine Temperatur von 350⁰C oder mehr haben. Im kalten Zustand hat der Rotor die Form einer flachen zylindrischen Scheibe. Wenn ef jedoch durch die heißen Verbrennungsgase erhitzt wird, erfährt er nicht nur eine thermische Ausdehnung, sondern verformt sich auch schalenförmig.

In einem Luftvorwärmer ist der Druck der aufzuheizenden Luft höher, als der Druck der Verbrennungsgase. Die Luft hat deshalb die Tendenz, in Form von Leckströmen zur Seite der Verbrennungsgase überzuströmen. Da eine solche Leckage Verluste bedeutet,

muß sie so klein wie möglich gehalten werden. Wegen der in den Verbrennungsgasen mitgeführten Anteile an Asche und Ruß ist es erforderlich, einen schmalen Spalt zwischen relativ zueinander beweglichen Dichtflächen vorzusehen, um Abrieb und Verschleiß infolge der Schleifwirkung der Asche und Rußteilchen zu verhindern. Diese Spalte müssen jedoch so klein wie möglich gehalten werde·:, und hierbei ist auch die thermische Verformung des Rotors gebührend zu beachten.

Bei Luftvorwärmern mit beweglichen Dichtplatten der oben bezeichneten Art ist gewöhnlich das äußere Ende jeder auf der einen Seite des Rotors befindlichen äußeren Dichtplatte mit dem äußeren Ende der auf der anderen Seite des Rotors axial gegenüberliegenden äußeren Dichtplatte verbunden, und das so gebildete schwingende System wird durch ein Gegengewicht so ausbalanciert, daß die Dichtplatten in der Schwebe gehalten sind. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in dem britischen Patent 11 18 710 beschrieben. Mit diesem schwingenden System, welches sich der sich ändernden Form des Rotors anpaßt, kann die schalenartige Verformung desselben wenigstens teilweise ausgeglichen werden.

Der Einfluß der axial gerichteten thermischen Ausdehnung und Verkürzung des Rotors auf die Spaltweite der Dichtung wird durch die Verbindung der zentralen Dichtplatte auf Seiten des Radiallagers mit dem axial beweglichen Teil dieses Lagers eliminiert.

Die wärmespeichernde Masse bietet den Fluidströmen einen Widerstand, der sich in einem Druckabfall äußert. Der Druck des Fluids ist in Strömungsrichtung gesehen vor dem Vorwärmer stets höher als hinter diesem. Wenn ein Rotorsegment während seiner Drehung von der Luftseite zu der Gasseite zwischen die Dichtplatten gelangt, aber noch mit der Luftseite in Verbindung steht, wird das schwebend gehaltene Dichtplattensystem durch die Druckdifferenz zum kälteren Ende des Vorwärmers hin gedrückt. Wenn jedoch dam. das Rotorsegment durch seine in Drehrichtung gesehen hintere, sich radial erstreckende Trennwand von der Luftseite abgeschlossen wird, und sofort danach in Verbindung mit der Gasseite des Vorwärmers gebracht wird, so wird das Dichtplattensystem in die entgegengesetzte Richtung gedrückt. Auf diese Weisj schwingen die Dichtpla^ten während des Betriebs des Vorwärmers beständig hin und her, denn auch bei Übergang der Rotorsegmente von der Gasseite zur Luftseite werden derartige Oszillationsbewegungen ausgelöst.

Die vorstehend geschilderten Schwingungen der Dichtplatten haben mehrere unerwünschte Folgen, insbesondere eine erhöhte Leckage, verhältnismäßig starken Verschleiß der Gelenke und eine unerwünschte pulsierende Beanspruchung der zentralen Dichtplatten durch Biege- und Kippkräfte. Diese verursachen insbesondere Schwierigkeiten an der axial beweglichen mittleren Dichtplatte.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die geschilderten Schwingungen und damit die erwähnten Nachteile zu vermeiden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schrägstellung der mittleren Platte während des Betriebs verhindernde, stabilisierende Trag- und Führungsmittel zwischen dieser Platte und dem bei Wärmeausdehnung bewegten Teil des Radiallagers.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten 4usführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

F i e. 1 einen axialen Teilschnitt durch einen Drehspeicherwärmetauscher gemäß der Erfindung mit schematischer Darstellung des allgemeinen Aufbaus,

F i g. 2 eine Draufsicht auf einen Teil des Wärmetauschers nach F i g. 1 mit der in F i g. 1 eingetragenen Blickrichtung H-H,

F i g. 3 einen Querschnitt nach Linie Ι1Ι-Π1 in F i g. 2,

F i g. 4 einen Querschnitt nach Linie IV-IV in F i g. 2,

F i g. 5 einen Querschnitt nach Linie V-V in F i g. 2,

F i g. f> eine Teilansicht auf den Wärmetauscher nach F i g. 1 von unten,

F i g. 7 einen Querschnitt nach Linie VII-VII in F i g. 6,

F i g. 8 eine vereinfachte perspektivische Ansicht des gesamten stabilisierten Systems der Dichtplatten.

Der in F i g. 1 dargestellte Luftvorwärmer in Form eines Drehspeicherwärmetauschers hat den bekannten Grundaufbau mit einem drehbaren, zylindrischen Rotor 10 aus regenerativ wärmespeicherndem Material. Der Rotor besitzt eine zentrale Rotorwelle mit endseitigen Wellenzapfen und einen zylindrisch''η Mantel 14, der durch sich radial erstreckende Ί rennwände 'nicht gezeigt), die den Rotor in eine Vielzahl endseitig offener Sektoren unterteilen, mit der Rotorwelle 12 verbunden ist. Die Sektoren enthalten die die Wärme übertragende Masse gewöhnlich in Form von Packungen 16 gewellter Platteneiemente.

Der Rotor 10 ist in einem Gehäuse mit einer Umfangswand 18 montiert. Die stirnseitigen Endwände des Gehäuses werden im wesentlichen durch die Einlaß- und Auslaßkanäle der am Wärmeaustausch beteiligten Fluide gebildet. Zum Zwecke der weiteren Funktionsbeschreibung sei beispielsweise angenommen, daß der in Fig. 1 gezeigte Kanal 20 der Einlaßkanal für heiße Verbrennungsgase und der Kanal 22 der Auslaßkanal für die gekühlten Gase sei. In entsprechender Weise gibt es einen Einlaßkanal 24 und einen Auslaßkanal 26 für die vorzuwärmende Luft, wie dies bruchstückhaft auf der linken Seite der F i g. 1 angedeutet ist.

Die Kanäle 20 und 26 am oberen Ende des Gehäuses sind durch einen Balken 28 mit U-förmigem Querschnitt getrennt, der sich diametral über die obere Stirnfläche des Rotors erstreckt und dessen seitliche Flansche einen Teil der Wände der Kanäle bilden. Ein entsprechender Balken 30 ist am unteren Ende des Gehäuses angebracht.

Die axial gegenüberliegenden Enden der Balken 28, 30 sind durch senkrechte Säulen (nicht gezeigt) fest miteinander verbunden, so daß ein starrer rechteckiger Rahmen gebildet ist, der auf einem nicht dargestellten Fundament ruht und das Gehäuse abstützt.

Der Rotor 10 w.rd durch ein kombiniertes Axial-Radiallager 32 getragen, welches den unteren Wellenzapfen 12/4 der Rotorwelle 12 aufnimmt. Dieses Lager 32 ruht auf einer Plattform 34 oben auf einer Tragsäule 36. Auf diese Weise ist der durch die Balker 28, 30 jnd die sie verbindenden seitlichen Säulen gebildete Rahmen vom Gewicht des Rotors entlastet. Der obere Wellenzapfen 125 der Rotorwelle 12 ist in einem Radiallager 38 geführt, welches, wie weiter unten beschrieben, beweglich mit dem oberen Balken 28 verbunden ist.

Um ein Vermischen der Gas- und biftströme zu verhindern, sind Dichtungsplatten 40 zwischen den Balken 28 bzw. 30 und den Stirnflächen des Rotors 10 angeordnet. Außerde/n ist der Ringraum zwischen dem Rotormantel 14 und der Umfangswand 18 des Gehäuses durch nachgiebige Dichtungsstreifen 42 abgedichtet, die an der Umfangswand 18 befestigt sind und gleitend mit der Außenseite von an den Enden des Rotors 10

angebrachten Umfangsringen 44 zusammenwirken.

In F i g. 1 ist das Radiallager 38 und seine Verbindung mit dem Balken 28 und der oberen Dichtungsplatte 40 schematisch dargestellt. Diese Teile sollen nachstehend im Zusammenhang mit den F i g. 2 bis 5 noch näher beschrieben werden.

Gemäß den Fig.2 bis 4 besteht das Radiallager 38 aus einem Lagergehäuse 46, in welchem die äußeren Laufringe von zwei im axialen Abstand angeordneten Kugellagern 48 und 50 montiert sind. Die inneren Laufringe dieser Kugellager werden durch eine Distanzbüchse 52 in einem bestimmten Abstand gehalten. Der innere Laufring des unteren Kugellagers ruht dabei auf einem Abstandselement 54 auf, welches wiederum durch eine Schulter 56 am oberen Wellenzapfen 12S der Rotorwelle 12 abgestützt wird. Auf diese Weise wird das gesamte Lager 38 durch das Ende des Wellenzapfens 12ßgetragen.

Wenn sieh die Rotorwelle ausdehnt unu /usaniinciizieht. bewegt sich das Lager 38 in senkrechter Richtung. Diese Bewegung wird durch eine Gabel 60 geführt, die auf einer Welle 62 sitzt. Die letztere ist in Querwänden 64 drehbar gelagert, die sich zwischen den Flanschen des Balkens 28 erstrecken. Das freie Ende jedes Gabelschenkels trägt einen Lagerzapfen 66, der in eine passende Bohrung im Lagergehäuse 46 eingreift. Wenn sich das Lager 38 in senkrechter Richtung bewegt, folgt es wegen der beschriebenen Anordnung einem bogenförmigen Weg, da jedoch die senkrechte Bewegung klein ist, bleibt auch die Abweichung von einer geraden senkrechten Linie vernachlässigbar.

Wie am besten aus Fig.4 hervorgeht, ist das Lagergehäuse 46 mit zwei Ansätzen 68 ausgebildet, an welchen verschwenkbar die oberen Erden von Spannankern 70 befestigt sind. Die unteren Enden der Spannanker 70 sind verschwenkbar mit Armen 72 verbunden, die an torsionssteifen Stangen oder Wellen 74 angebracht sind, welche sich längs des Balkens 28 erstrecken und drehbar in Halterungen 76 am Stegteil des Balkens 28 gelagert sind. Wenn sich also das Lager 38 relativ zum Balken 28 in senkrechter Richtung bewpgt. drehen sich die Wellen 74 im entgegengesetzten Drehsinn.

Jede Dichtungsplatte 40 besteht aus einer mittleren Platte 40A und zwei sich radial nach außen erstreckenden äußeren Platten 48S, die an den beiden gegenüberliegenden Endkanten der mittleren Platte 40A mit dieser gelenkig verbunden sind. Die Gelenkachsen sind in F i g. 2 und 3 mit 58 bezeichnet. Die Wellen 74 haben im wesentlichen dieselbe Länge wie die mittlere Platte 4OA und an ihren Enr*en sitzen Arme 78. an welchen sich senkrecht erstreckende Bolzen 80 von einstellbarer Länge gelenkig befestigt sind. Die Bolzen 80 sind durch den Stegteil des Balkens 28 gesteckt und an ihren unteren Enden mit der mittleren Dichtungsplatte 40Λ nahe deren Ecken verbunden. Auf diese Weise ist die mittlere Dichtungsplatte 40v4 an den Armen 78 aufgehängt, und ihr Gewicht wird durch die Wellen 74 und Spannanker 70 auf das Lagergehäuse 46 übertragen.

Im kalten Zustand des Luftvorwärmers kann die mittlere Dichtungsplatte 4OA mit Bezug auf die obere Stirnfläche des Rotors 10 mittels der Spannanker 70 und der Bolzen 80 richtig eingestellt werden. Diese relative Lage bleibt auch erhalten, wenn der Rotor erhitzt wird, weil bei der thermischen axialen Ausdehnung des Rotors und der Rotorwelle sich auch das Lager 38 zusammen mit dem oberen Lagerzapfen i2B aufwärts bewegt, wodurch die Weilen 74 so gedreht werden, daß die Bolzen 80 und die mittlere Dichtungsplatte 40/4 angehoben werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die zentrale Dichtungsplatte 4OA in der Weise aufgehängt ist, daß sie sich zusammen mit dem Lager 38 in senkrechter Richtung bewegt, ohne daß sich dabei ihre räumliche Orientierung mit Bezug auf den Rotor ändert, und sie kann auch äußere Kräfte aufnehmen,

to ohne sich schräg zu stellen oder verformt zu werden.

Somit bildet also die Aufhängung der mutleren Dichtungsplatte 4OA am Lager 38 ein stabilisierendes Trag- und Führungsmittel für die Dichtungsplatte.

Auch die Dichtungsplatte 40 an der unteren Stirnfläche des Rotors 10 besteht aus einer zentralen Dichtungsplatte 4OA und äußeren Platten 40ß, wie dies in Fig. 6 strichpunktiert angedeutet ist. In diesem Fall ist die mittlere Dichtungsplatte 4OA jedoch nicht axial beweglich, sondern in der gewünschten Lage relativ /ur unteren Stirnfläche des Rotors mittels einstellbarer Bolzen 82 (in I- i g. 6 nur schematisch gezeigt) am Balken 30 befestigt.

Die äußeren Dichtungsplatten 40ß der unteren Dichtung sind mit der zentralen Platte 4OA in derselben Weise wie auf der Oberseite des Rotors durch Gelenke 58 verbunden. Nahe ihren äußeren Enden ist jede äußere Dichtungsplatte 40ß mit zwei Bolzen 90 versehe.;, die sich durch den Stegteil des unteren Balkens 30 erstrecken und gelenkig mit den waagerechten Armen von Kniehebeln 84 verbunden sind, deren senkrechte Arme auf jeder Seite miteinander durch einen Spannanker 86 verbunden Jind. Jeweils einer der Kniehebel 84 jeder äußeren Dichtungsplatte 40S greift an einer gemeinsamen torsionssteifen Stange oder Welle 88 an, die sich längs des Balkens 30 erstreckt und die beiden mit ihr verbundenen Kniehebel zwingt, sich gemeinsam zu bewegen. Die Drehbewegungen dieser beiden Kniehebel werden durch die Spannanker 86 auch auf die beiden anderen Kniehebel übertragen, so daß sich alle Kniehebel 84 gemeinsam bewegen und dadurch verhindern, daß sich die äußeren Dichtungsplatten 40ß relativ zur Stirnfläche des Rotors in entgegengesetzter Richtung bewegen, sich schief stellen oder kippen.

Jede äußere Dichtungsplatte 40ß an der Unterseite des Rotors 10 ist mit der axial gegenüberliegenden äußeren Dichtungsplatte 40B auf der Oberseite des Rotors verbunden. Diese Verbindung kann irgend einer geeigneten Art sein, z. B. ähnlich der. die in dem britischen Patent 1118 710 beschrieben ist; der Einfachheit halber ist sie im vorliegenden Fall nach F i g. 7 als ein Verbindungsglied 92, welches gelenkig mil den Dichtungsplatten verbunden ist, dargestellt. Obgleich nicht besonders gezeigt kann dieses Verbindungsglied auch als ein in seiner Länge einstellbaren Spannanker oder ein ähnliches Teil ausgeführt sein.

Wie in F i g. 7 dargestellt, sind mit den äußeren Enden jeder äußeren Dichtungsplatte 405 auf der Oberseite des Rotors Bolzen 94 verbunden, die sich nach oben durch den Stegteil des oberen Balkens 28 erstrecken.

Die oberen Enden der Bolzen 94 sind verschwenkbar mit Kniehebeln 96 verbunden, die paarweise durch Spannanker 98 gekoppelt sind Auf diese Weise werden alle Dichtungsplatten 405 gegen Schiefstellen oder Kippen gesichert

In Fig.7 ist der Rotor 10 nur bruchstückhaft dargestellt Mit 100 sind die radialen Trennwände des Rotors bezeichnet die mit Dichtungsstreifen 102 versehen sind, weiche in bekannter Weise mit den

Dichtiingsplatten 40 zusammenwirken.

Hei dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Dichtiingsplatten 40/t, 40fl eine rechteckige I orm und erstrecken sich diametral über den Kotor 10. so dall die von den beiden Mulden beaufschlagten (-'lachen gleich groß sind

Hierzu 5 HIaIt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehspeicherwärmetauscher mit einem Gehäuse und einem darin angeordneten Rotor, welcher aus einer zentralen Rotorwelle und einem mit dieser über sich radial erstreckende Trennwände verbundenen Mantel besteht, die den Rotor in eine Vielzahl einseitig offener, wärmespeicherndes Material aufnehmender Sektoren unterteilen, wobei das Gehäuse mit Ein- und Auslaßkanälen für ein Wärme abgebendes Fluid und ein aufzuheizendes Fluid versehen ist und der Rotor an einem Ende mittels eines Axiallagers und am gegenüberliegenden Ende in einem bei Wärmeausdehnung axiale Bewegungen gestattenden Radiallager gelagert ist, und wobei '5 zwischen den Stirnflächen des Rotors und den Endwänden des Gehäuses als stirnseitige Dichtungen dienende und ein Vermischen der am Wärmeaustausch beteiligten Fluide in diesem Raum verhindernde, axial bewegliche Platten angeordnet sind, welche sich auf jeder Seite des Rotors in eine mittlere, durch ein der Wärmeausdehnung des Rotorendes folgendes Teil des Radiallagers gehaltene Platte und an deren gegenüberliegenden Enden verschwenkbar angebrachte, sich radial erstreckende äußere Platten gliedern, gekennzeichnet durch eine Schrägstellung der mittleren Platte (40A) während des Betriebs verhindernde, stabilisierende Trag- und Führungsmittel (70, 72, 74, 80) zwischen di'.sir Platte (40^ und dem bei Wärmeausdehnung bewegten Teil (46) des Radiallagers (38).

2. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabilisierenden Trag- und Führungsmittel au.« wenigstens einer drehbaren, torrosionssteifen, am Gehäuse (28) gelagerten Welle (74) mit einer Mehrzahl daran mit Zwischenabstand undrehbar angebrachter Arme (72,78) und gelenkigen Verbindungsgliedern (70,80) einerseits zwischen einem oder mehreren der Arme (72) und dem bei Wärmeausdehnung bewegten Teil (46) des Radiallagers (38) und andererseits zwischen den übrigen Armen (78) und der mittleren Platte (40A) besteht.

3. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei parallele Wellen (74) mit in entgegengesetzte Richtung weisenden Armen (72,78) vorgesehen sind.

4. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsglieder (70,80) in ihrer Länge einstellbar sind.

5. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Welle (74) parallel zu einer die Mittelpunkte der gegenüberliegenden Endkanten der mittleren Platte (40A) verbindenden Linie erstreckt und die Verbindungsglieder (80) nahe der Endkanten angreifen.

6. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungsglieder (80) an vier äußeren Punkten der mittleren Platte (40A) angreifen, wovon zwei mit Armen (78) der Welle (74) und die anderen beiden über Kniehebel einer Parallelführung mit den ersten beiden verbunden sind.

7. Drehspeicherwärmetauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die stabilisierenden Trag- und Führungsmittel (70, 72, 74, 78, 80) außerhalb des Gehäuses (18, 28, 30) angeordnet sind.

8. Drehspeicherwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die stirnseitigen Endwände des Gehäuses einen sich mit Bezug auf den Rotor (10) diametral erstreckenden Balken (28, 30) aufweisen und daß die stabilisierenden Trag- und Führungsmittel (70, 72, 74, 78, 80) an diesem Balken (28) angebracht sind.

9. Drehspeicherwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die axial gegenüberliegenden äußeren Platten (40B) miteinander verbunden sind.

10. Drehspeicherwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die radial äußeren Enden der äußeren Platten (40S; auf jeder Seite des Rotors (10) miteinander durch beide Platten (40£^ in derselben Richtung mitnehmende Führungsmittel (84, 88, 90) verbunden sind.

11. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die stabilisierenden Trag- und Führungsmittel (84, 86,88,90) auf einer Seite des Rotors angeordnet sind und die stabilisierende Wirkung durch Verbindungsglieder (92) zwischen Jen sich axial gegenüberliegenden Platten (40B) auf die andere Seite übertragbar ist.