DE2159911A1

DE2159911A1 - Rad für Energieaustausch von Luft zu Luft, und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2159911A1
Application number: DE19712159911
Authority: DE
Inventors: Marvin Kenneth Fanwood; Neary Robert John Westfield; N.J. Rohrs (V.St.A.)
Original assignee: Aero Flow Dynamics Inc
Current assignee: Aero Flow Dynamics Inc
Priority date: 1970-12-03
Filing date: 1971-12-02
Publication date: 1972-06-08
Also published as: GB1347377A; FR2116545A1; FR2116545B1; CA938606A; NL7116607A; SE374428B; IT945213B; US3702156A; BE776245A

Description

DB. ING. E. HOFFMANN DIPL. ING. W. EITXE · DR. HEB. NAT. H. HOFFMANN D.8000 MÖNCHEN 81 · ARABELIASTKASSE 4 · TElEFON (0811) «1087

Aero-Flow !dynamics, Inc., Linden N.J./U.S.A.

Rad für Energieaustausch von Luft zu Luft, und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung bezieht siöh auf ein Rad zum Energieaustausch von Luft zu Luft mit einer Nabe und einem zur Nabe konzentrischen und in radialem Abstand zu dieser angeordneten Rand, und auf das Verfahren zu seiner Herstellung.

Die Erfindung kann zwar auch für andere Zwecke verwendet werden, jedoch wurde in Verbindung mit einem Versuch, den Aufbau metallischer Warmeaustauschräder zu

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verbessern, gemacht und wird dementsprechend im Zusammenhang mit diesem Verwendungszweck beschrieben* WärmeUbertragungsräder werden in regenerierenden Heizsystemen verwendet. Das Rad besteht gewöhnlich aus metallischem Material oder dgl. und stellt eine Matrix dar, die in der Lage ist, Wärmeenergie aus einem heissen Luft- oder Gasstrom zu absorbieren und die gespeicherte Energie an einen davon getrennten Luft- oder Gasstrom abzugeben, der erwärmt werden soll. Bis jetzt wurden als Vorwärmer für Verbrennungsluft für Gasturbinen und für ähnliche Heizzwecke Rotationseinheiten zur Regenerierung verwendet. Sie wurden auch in Verbindung mit Heizvorrichtungen für Räume als Vorwärmer verwendet.

Diese Räder sind im allgemeinen einem großen Temperaturbereich ausgesetzt und müssen deshalb so gebaut sein, daß sie eine wesentliche Wärmeausdehnung aufnehmen und einer Verformung widerstehen können. Zudem sollten sie ein nur geringes Gewicht besitzen. Sie müssen ausreichend starr sein, um dem Druck der Strömungsmittel, in erster Linie dem dynamischen Druck, von den Gasströmen zu widerstehen. Die Räder müssen außerdem so geformt sein, daß geeignete Dichtungen angeordnet werden können, so daß sie mit ihren Flächen zusammenwirken können, um die beiden Gas- oder Luftströme voneinander zu trennen. Je nach den thermischen oder anderen Bedingungen können diese Räder einen sehr großen Durchmesser aufweisen. Somit ist der Aufbau eines Rades, das zufriedenstellend arbeiten soll, sehr kompliziert.

In der parallelen, gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung P mit dem Titel "Regenerierender

Rotationsraumerwärmer", übertragen auf den gleichen Anmelder, wird ein Heizsystem beschrieben, das ein Wärme-

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Übertragungsrad verwendet. Das Heizsystem ist in der Beziehung einmalig, daß es eine wirksame Verbrennungseinheit vorsieht, die speziell die heissen Gase erzeugt, die das Rad erwärmen, worauf es das Rad einschaltet, um die Luft zu erwärmen, die direkt mit voller Heizkapazität für umgebende Räume verwendet wird. Das Rad auf der Verbrennungsseite der Kammer wird einem Gemisch von Luft und Verbrennungsprodukten bei einer Temperatur in der Größenordnung von 704 bis 8l6° C ausgesetzt, wobei die Mischung aus dem Rad mit einer Temperatur von etwa Il6,6° C austritt. Auf der Seite, auf der die Luft erwärmt wird, hat die einströmende Luft gewöhnlich eine Temperatur von im allgemeinen etwa 21,1 C, worauf sie mit etwa 71,1° C austritt. In dem besonderen, im Zusammenhang mit der oben erwähnten Anmeldung beschriebenen Beispiel, ist das Rad so angeordnet, daß es mit einer Umdrehungszahl von 20 UpM drehbar ist und einen Durchmesser, der nur etwas größer ist als 0,91 m, und eine Dicke von nur 7*62 cm aufweist.

Hinsichtlich hierauf ist es Ziel der Erfindung, Rad für den Energieaustausch von Luft zu Luft zu schaffen, das vollständig glatte Flächen für eine wirksame Gasabdiehtung aufweist. Weiterhin ist es Ziel der Erfindung, ein Rad zu schaffen, das besonders für Wärmeübertragung geeignet ist und das ohne Verziehen den in einem Heizsystem der in der oben erwähnten Anmeldung beschriebenen Art anzutreffenden Temperaturen widerstehen kann.

Weiterhin ist es Ziel der Erfindung, ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung eines derartigen Rades zu schaffen. Diese Ziele werden mit einem Rad zum Energieaustausch von Luft zu Luft erreicht, welches umfaßt

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eine zellenförmige Füllung aus einem Material, das für Energieübertragung von Luft zu Luft geeignet ist, welche den Raum zwischen der Nabe und dem Rand ausfüllt und parallel zur Achse der Nabe vorbeistreichende Luft durchströmen läßt, wobei die Füllung einander gegenüberliegende und mit den einander gegenüberliegenden Kanten des Randes bündige Flächen aufweist, eine erste Gruppe sich radial erstreckender und in einem Winkelabstand voneinander angeordneter Speichen, die sich zwischen der Nabe und dem Rand erstrecken und in entsprechenden Schlitzen in der Füllung auf einer Seite des Rades bündig mit der Fläche der Füllung und der Kante des Randes angeordnet sind, und eine zweite Gruppe sich radial erstreckender und in einem Winkelabstand voneinander angeordneter Speichen, die sich zwischen der Nabe und dem Rand erstrecken und in entsprechenden Schlitzen in der Füllung auf der anderen Seite des Rades bündig mit der Fläche der Füllung und der Kante des Randes erstrecken, wobei die Speichen der ersten Gruppe an beiden Enden mit dem Rand und der Nabe jeweils fest verbunden sind, sowie eine Einrichtung, die die Speichen der zweiten Gruppe bündig in den entsprechenden Schlitzen hält und ein axiales Verschieben der Füllung auf dem Rad während des Betriebes des Rades verhindert.

Kurz zusammengefaßt, ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Rad für den Energieaustausch von Luft zu Luft vorgesehen, das einen Metallrahmen, bestehend aus einer Nabe und einem konzentrischen äußeren Rand, umfaßt. Der Rahmen stützt eine zellenähnliche Füllung oder Matrize, die dadurch gebildet ist, daß versetzt angeordnete flache und gewellte Streifen aus Metallfolie, deren Breite der axialen Abmessung des Randes entspricht, spiralig um die Nabe gewickelt werden. Die Füllung

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BAD ORIGiNAL

kann Energie von Luft zu Luft übertragen und nimmt den . Raum zwischen der Nabe und dem Rand ein. Durch sie kann Luft,' die parallel zur Nabenachse vorbeistreicht, hindurchdringen. Weiterhin umfaßt der Rahmen eine erste • Gruppe von Speichen, die sich radial in einem Winkelabstand voneinander erstrecken und in entsprechenden Schlitzen in der Füllung auf einer Seite des Rades angeordnet sind, und eine zweite Gruppe von Speichen, die sich radial in einem Winkelabstand voneinander erstrecken und in entsprechenden Schlitzen in der Füllung auf der anderen Seite des Rades angeordnet sind, wobei vorzugsweise beide Speichensätze auch in der Nabe und im Rand ausgebildet sind. Die Speichen sind in beiden Fällen mit den entsprechenden einander gegenüberliegenden Flächen des Rades bündig, die durch den Rand und die Matrize dargestellt werden. Die Speichen in der ersten Gruppe sind an beiden Enden jeweils mit dem Rand und mit der Nabe fest verbunden, während die Speichen der zweiten Gruppe vorzugsweise nur an einem Ende entweder am Rand oder der Nabe befestigt sein können, während die nicht befestigten Enden frei schwebend angeordnet sind.

Entsprechend einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Rades der oben beschriebenen Art geschaffen, das die folgen- " den Schritte umfaßt: um eine Metallnabe werden versetzt angeordnete flache und gewellte Streifen aus Metallfolie um eine Metallnabe spiralig gewickelt, bis der gewünschte Durchmesser erreicht ist. Das umwickelte Material wird dadurch befestigt, daß ein Metallrand darum angeordnet wird, worauf mehrere radiale und im Winkelabstand zueinander angeordnete Schlitze über der umwickelten Folie hergestellt werden, vorzugsweise quer zur Nabe und Band auf beiden Seiten des Rades. Die Söhlitse werden mi ti

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ORIGINAL INSPECTED

einer Tiefe hergestellt, die im wesentlichen geringer ist als die axialen Abmessungen der tunwickelten PoIIe₃ wobei sie an keiner Stelle eine Wendung in der umwickelten Folie schneiden. Danach wird eine Metallspeiche in jeden der Schlitze eingesetzt, so daß sie mit der Radfläche bündig ist. Alle Speichen sind auf einer Seite des Rades an beiden Enden jeweils mit der Nabe und dem Rand fest verbunden, während alle Speichen auf der anderen Seite des Rades vorzugsweise an nur einem Ende, am Rand oder an der Nabe, befestigt sein können.

Die Erfindung wird in der im Folgenden gegebenen genauen Beschreibung eines zur Zeit bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise weggebrochene Draufsicht auf ein entsprechend der Erfindung hergestelltes Rad,

und

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.

In beiden Zeichnungen werden zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile die gleichen Bezugsziffern verwendet,

Mit Bezug auf die Zeichnungen wird deutlich, daß das Rad in seiner bevorzugten Ausführunssfojfm aus einer Nabe-1O₄ einem Rand 11, einer M&fcrizenfUlIung 12, mehreren radialen Speichen 13, die in einem Winkelabstand zueinander auf d.er oberen Fläche des Radea ausgebildet sind, und zweiten radialen

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ORfGfNAL iNSPECTED

Speichen l4, die in einem Winkelabstand zueinander auf der unteren Fläche des Rades angeordnet sind, besteht. Die Nabe ist aus einem rohrförmigen oder zylindrischen Metallstück 15 gebildet, auf dessen Enden jeweils Kappen 16 und 17 angebracht sind, die jeweils die

ffnungen 18 und 19 aufweisen. Die öffnungen 18 und 19 ermöglichen das Einführen einer Welle, auf der das Rad angeordnet sein kann.

Wie Fig. 1 zeigt, sind auf der oberen Fläche des Rades acht radiale Speichen 13 vorgesehen. Es liegt auf der Hand, daß auf der unteren Seite des Rades eine gleiche Anzahl von Speichen 14 angeordnet ist, was die Zeichnung nicht zeigt, die zentral zwischen den entsprechenden Speichen auf der oberen Seite des Rades versetzt angeordnet sind. Durch den in Fig. 1 weggebrochenen Abschnitt der Füllung kann diese Beziehung der Speichen zueinander gesehen werden.

Das Rad Viird dadurch hergestellt, daß zunächst das Nabenteil 15 mit einem oder mehreren Paaren von Bändern fest verbunden wird, von denen eines ein flaches Band ist, während das andere ein geripptes Band 21 ist. Diese Bänder können aus Metallfolie hergestellt sein. Im vorliegenden Fall wurde rostfreier Stahl mit einer Dicke von O,O5O8 mm mit Erfolg verwendet. Die Breite der Bänder sollte der Breite des Randes entsprechen, um eine rundum bündige Fläche zu erzielen. Das Paar aus Folie, dessen Enden am Nabenteil 15 befestigt sind, wird spiralförmig um dieses gewickelt, bis der für das Rad gewünschte Durchmesser erreicht ist. Dann wird der umgebende Rand 11, der vorzugsweise aus rostfreiem Stahl besteht, angebracht, um das umwickelte Material an seinem Platz zu halten.

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Nachdem nun der Unterbau fest zusammengehalten wird, werden mit einem Schleifrad Schlitze quer zum Nabenteil 15 geschliffen oder geschnitten, wie auch quer zur Matrize 12 und dem Rand 11, um die beiden Speichengruppen 15 und 14 unterbringen zu können. Danach werden die Speichen angebracht, wobei die Schlitze so tief sind, daß sie die Speichen bündig mit der Oberfläche der Matrize aufnehmen können, worauf die Speichen 14 mit dem Nabenteil 15 und dem 11 an ihrem jeweiligen Ende verschweißt oder mittels anderer Verfahren befestigt werden. Die Speichen 13 werden, wie die Abbildung zeigt, in gleicher Weise an ihren äußeren Enden an dem Rand befestigt, jedoch bleiben sie frei oder beweglich, und enden in Gleitsitz in den Schlitzen im Nabenteil Danach werden die Endplatten oder -kappen 16 und YJ auf das zylindrische Teil 15 geschweißt, wobei zu beachten ist, daß sie mit den inneren Enden der Speichen 13 verschweißt werden.

Es hat sich für den in der oben erwähnten zweiten Patentanmeldung beschriebenen Verwendungszweck als zweckmäßig erwiesen, die Speichen I3 aus rostfreiem Stahl und die Speichen 14 aus heißgewalztem Stahl herzustellen, während die Teile 15* 16 und 17 der Nabe aus unlegiertem Stahl bestehen.

Im weiteren wird nun ein besonderes Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem ein Rad mit einem Außendurchmesser von 95*25 cm und einer Dicke von 7*62 cm hergestellt wurde. Die Speichen l4 wurden aus einem Material mit 0,315 cm mit einer Höhe von 3,8l cm in axialer Richtung hergestellt. Die Speichen 13 wurden

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aus einem Material mit 0,315 ^{cm m}it einer Höhe von 1,27 cm in axialer Richtung hergestellt. Somit sind die Speichen 14 dreimal so hoch wie die Speichen 1J5. Durch Versetzen der Speichen auf beiden Seiten des Rades wird deutlich, daß die kleinste axiale Ausdehnung der Matrize an jedem Punkt 3,8l cm beträgt, d.h. der Betrag zwischen dem Unterschied zwischen der Dicke von 7,62 cm des Rades und der Tiefe der Speichen 14 von 3,8l cm. Wenn die Speichen auf beiden Radseiten in festem Eingriff gelassen würden, so würde die kleinste axiale Abmessung der Matrize auf 2,5^ cm reduziert werden. Somit ist durch Versetzen der Speichen für einen festen Radaufbau gesorgt.

Bei der im Vorhergehenden beschriebenen Konstruktion wurde festgestellt, daß sie den hohen Temperaturbedingungen, wie sie in dem im Vorhergehenden beschriebenen System gemessen wurden, ohne nennenswertes Verziehen standhält. Es wurde festgestellt, daß im Bereich der Verbrennung, wo das Rad den heissen Gasen ausgesetzt ist, die Temperatur auf der Radoberfläche an 650° C herankommt, während die Temperatur innerhalb der Matrize plötzlich absinkt, so daß sie nur noch bei etwa 150° C liegt, auch wenn dieser Bereich nur etwa 2,5 cm unterhalb der Radoberfläche liegt. Somit sind dis Speichen 14, die genau bemessen sind und für Festigkeit des Rades sorgen, im wesentlichen vor hohen Temperaturschwankungen geschützt. Auf der oberen Fläche des Rades sind die Speichen 13 nur zu dem Zweck vorgesehen, die Matrize an ihrem Platz zu halten, die sich sonst normalerweise ohne diese Speichen aufgrund der Wärmeausdehnung durch Ineinanderschieben verziehen würde. Wegen der inneren radialen Enden der Speichen IJ, die unbefestigt bleiben, können sich jedoch die Speichen ausdehnen, ohne das Rad zu verziehen.

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Während bisher die Erfindung mit bezug auf ein besonderes AusfUhrungsbeispiel eines Rades für den Energieaustausch von Luft zu Luft zur Wärmeübertragung beschrieben wurde, kann sie ebenso auf ein Rad angewendet werden, das die gesamte aufgenommene Wärme v/eiterleitet und bei dem die Matrize ein hygroskopisches Material umfaßt. Ein für diese Bauart typisches Rad könnte aus Asbest bestehen, der mit einem hygroskopischen Material überzogen ist.

Es ist zwar zweckmäßig, die Schlitze in den Rand,in die Matrize und in die Nabe gleichzeitig zu schneiden, jedoch ist es auch möglich, die Sehlitze in den Rand und das Nabenteil 15 zu fräsen und danach die Schlitze in der Folie 12 mit einem Schleifrad nach Zusammenbau mit dem Rand 11 und dem Nabenteil 15 zu schneiden.

Unter bestimmten Bedingungen kann sich herausstellen, daß die oberen Speichen den Rand einschnüren und verziehen, auch wenn sie relativ zur Nabe unbefestigt sind. In solchen Fällen empfiehlt es sich, die Randenden der Speichen frei zu lassen und die Nabenenden zu befestigen. Wird eine Vorrichtung vorgesehen, die verhindert, daß die oberen Speichen vollständig aus dem Rand oder der Nabe herausrutschen, so können solche Speichen auch so angeordnet werden,, daß ihre beiden Enden unbefestigt bleiben. Bei Bedarf können unter weniger widrigen Urnständen auch beide Enden der oberen Speichen an der Nabe und am Rand befestigt werden.

Es wurde an zahlreiche Abweichungen im Aufbau gedacht, die für Fachleute auf diesem Gebiet von Vorteil sind, ohne vom Geist der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen genau umrissen ist, abzuweichen.

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Zusammenfassend gesagt, sind abwechselnd flache und gewellte Bänder aus Metall- oder einer anderen Folie fortlaufend spiralig um eine zentrale Nabe gewickelt. Wenn der richtige Durchmesser erreicht ist, so wird die äußere Peripherie durch einen Rand mit einer axialen Abmessung gehalten, die der axialen Abmessung des spiralig gewundenen Materials entspricht. Speichen, die in einem Winkelabstand voneinander angeordnet sind, werden in Schlitze auf einander gegerü berliegenden Flächen des Rades bündig mit diesen Flächen eingesetzt. Die Speichen auf einer Seite des Rades haben eine axiale Abmessung, die im wesentlichen zur Festigkeit des Aufbaus beiträgt, und sind sowohl am Rand wie auch an der Nabe befestigt. Dünnere Speichen, die auf der entgegengesetzten Fläche des Rades angeordnet sind, können im allgemeinen an einem ihrer beiden Enden unbefestigt bleiben, obwohl unter bestimmten Umständen beide Enden befestigt werden können.

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Claims

Patentansprüche

Γΐ.) Rad zum Energieaustausch von Luft zu Luft mit einer Nabe und einem zur Nabe konzentrischen und in radialem Abstand zu dieser angeordneten Rand, gekennzeichnet durch eine zellenförmige Füllung (12) aus einem Material, das für Energieübertragung von Luft zu Luft geeignet ist, welche den Raum zwischen der Nabe (10) und dem Rand (11) ausfüllt und parallel zur Achse der Nabe vorbeistreichende Luft durchströmen läßt, wobei die Füllung (12) einander gegenüberliegende und mit den einander gegenüberliegenden Kanten des Randes (ll) bündige Flächen aufweist, eine erste Gruppe sich radial erstreckender und in einem Winkelabstand voneinander angeordneter Speichen (14) , die sich zwischen der Nabe (10) und dem Rand (11) erstrecken und in entsprechenden Schlitzen in der Füllung (12) auf einer Seite des Rades bündig mit der Fläche der Füllung und der .Kante des Randes (11) angeordnet sind, und eine zweite Gruppe sich radial erstreckender und in einem V/inkelabstand voneinander angeordneter Speichen (13)* die sich zwischen der Habe (1O) und dem Rand (11) erstrecken und in entsprechenden Schlitzen in der Füllung (12) auf der anderen Seite des Rades bündig mit der Fläche der Füllung (12) und der Kante des Randes (11) erstrecken, wobei die Speiehen (14) der ersten Gruppe an beiden Enden mit dem Rand (11) und der Nabe (10) jeweils fest verbunden sind, sowie eine Einrichtung, die die Speichen (13) der zweiten Gruppe bündig in den entsprechenden Schlitzen hält und ein axinles Verschieben der Füllung (12) auf dem Rad während des Betriebes des Rades verhindert.
2. Rad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Speichen (1'.) der zweiten

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Gruppe nur an einem Ende mit dem Rand (11) oder der Nabe (10) fest verbunden sind, während die unbefestigten Enden frei beweglich sind.
3. Rad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die zellenförmige Füllung (12) fortlaufend spiralförmig gewickelt ist und aus einem entsprechend geformten Folienmaterial besteht.
4. Rad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die zellenförmige Füllung (12) fortlaufend spiralförmig aus abwechselnd flachen und gewellten Folienbändern gewickelt ist.
5. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Füllung (12), der Rand (11) und die zweite Gruppe von Speichen (13) aus rostfreiem Stahl bestehen, während die Nabe (10) aus unlegiertem Stahl und die erste Gruppe von Speichen (1^) aus heißgewalztem Stahl besteht.
6. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Höhe der Speichen (14) in der ersten Gruppe in axialer Richtung etwa dreimal so groß ist wie die entsprechende Höhe der Speichen (13) der zweiten Gruppe.
7. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Winkellage der Speichen (H) in der ersten Gruppe relativ zur Winkellage der Speichen (13) in der zweiten Gruppe versetzt ist.

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8. Verfahren zum Ausbilden eines Rades zum Energieaustausch von Luft zu Luft, gekennzeichnet durch spiraliges Aufwickeln von abwechselnd flachen und gewellten Folienbändern um eine Metallnabe, bis der gewünschte Durchmesser erreicht ist, Befestigen des aufgewickelten Materials durch Anordnen eines Metallrandes um dieses mit einer axialen Abmessung, welche der der Folienbänder entspricht, Herstellen mehrerer radialer Schlitze mit Winkelabständen zueinander, die sich quer zur aufgewickelten Folie auf beiden Seiten des Rades erstrecken und eine Tiefe haben, die wesentlich geringer ist als die axiale Abmessung der Folie und an keinem Punkt eine Windung der aufgewiekelten Folie schneidet, durch Einsetzen einer Metallspeieh in jeden Schlitz, so daß diese mit der Radoberfläche bündig ist, Befestigen aller Speichen auf einer Seite des Rades an beiden Enden jeweils an der Nabe und am Rand und Befestigen aller Speichen auf der anderen Seite des Rades an mindestens einem Ende am Rand oder an der Nabe.
9· Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Schlitze so ausgebildet werden, daß sie sich quer zur Nabe und zum Rand auf beiden Seiten des Rades erstrecken.
10. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Schlitze zumindest auf der aufgewickelten Folie durch Schneiden nut einem Schleifrad hergestellt werden.

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