DE2206109B2 - Regenerative heat exchanger for gases - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Regenerativ-Wärmetauscher für Gase, bei dem die Wärmeübertragung von einem heißen auf ein kaltes Gas vermittels abwechselndem und aufeinanderfolgendem Strömen dieser Gase durch Zonen eines axial hin- und herbewegbaren zylinderförmigen Wärmetauschblocks erfolgt, der aus einem Stapel kreisförmiger, in radialer Richtung durchlässiger und in axialer Richtung undurchlässiger Platten besteht, wobei die Gasströme in mehrere zueinander parallele Teilgasströme gleicher Stärke unterteilt und in mehreren gleich breiten, jeweils den abzukühlenden und den zu erwärmenden Gasstrom aufnehmenden und miteinander abwechselnden Kanälen geführt sind, welche von beiden Seiten in den Zylinder eines Gehäuses münden, in dem der Wärmetauschblock an den Zwischenwänden der Kanäle abgedichtet angeordnet ist und eine hin- und hergehende Axialbewegung mit einem etwa der Breite eines Kanals entsprechenden Hub ausführt.The invention relates to a regenerative heat exchanger for gases in which the heat transfer from a hot to a cold gas by means of alternating and successively flowing these gases through zones of an axially reciprocable cylindrical Heat exchange block is made from a stack of circular, radially permeable and in the axial direction impermeable plates, the gas flows in several to each other parallel partial gas flows of the same strength and divided into several equally wide, each to be cooled and the alternating channels receiving the gas stream to be heated are guided, which open from both sides into the cylinder of a housing in which the heat exchanger block on the partition walls of the channels is arranged in a sealed manner and with a reciprocating axial movement executes a stroke corresponding approximately to the width of a channel.
Ein derartiger Regenerativ-Wärmetauscher ist bekannt (GB-PS 760 803). Bei diesem bekannten Regenerativ-Wärmetauscher wird der Wärmetauschblock nur in axialer Richtung hin und her bewegt.Such a regenerative heat exchanger is known (GB-PS 760 803). In this known regenerative heat exchanger, the heat exchanger block is only moves back and forth in the axial direction.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wärmetausch-Wirkungsgrad eines Regenerativ-Wärmetauschers der eingangs beschriebenen Art noch mehr zu erhöhen.The invention is based on the object of the heat exchange efficiency a regenerative heat exchanger of the type described above even more raise.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Axialebenen der Kanäle der einzelnen Teilgasströme gegenüber der Achse des Wärmetauschblocks seitlich versetzt verlaufen und daß in Ausnehmungen in den Zwischenwänden der Kanäle ringförmige, mit eipem Schlitz versehene Abdichtelemente angeordnetThe object is achieved according to the invention in that the axial planes of the channels of the individual partial gas flows with respect to the axis of the heat exchanger block laterally offset and that in recesses in the intermediate walls of the channels arranged annular, provided with a slit sealing elements
sind, die am äußeren Umfang des Wärmetauschblocks mit Reibung anliegen.which bear against the outer circumference of the heat exchanger block with friction.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird der Vor- \ teil erzielt, daß der Wärmetauschblock neben der axialen Hin- und Herbewegung noch eine Rotationsbewegung ausführt Diese Rotationsbewegung ist eine Folge der exzentrisch auftreffenden Teilgasströme und führt zu Turbulenzen, die den Wärmetausch-Wirkungsgrad verbessern.By the solution according to the invention, the pro \ partly achieved that the heat exchanger block next to the axial Back and forth movement still executes a rotational movement. This rotational movement is a consequence the eccentrically impinging partial gas flows and leads to turbulence, which affects the heat exchange efficiency to enhance.
Die mit einem Schlitz versehenen Abdichtelemente rufen folgenden die Rotationsgeschwindigkeit regelnden Effekt hervor: Wenn sich die Rotationsgeschwindigkeit des Wärmetauschblocks erhöht, so vergrößert sich auch die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das die Abdichtelemente umspült. Die Abdichtelemente werden dadurch verstärkt abgekühlt und ziehen sich zusammen. Das führt zu einer verstärkten Reibung und damit zu einer Abbremsung der Rotationsgeschwindigkeit. Wenn dagegen eine Veriangsamung der Rotation des Wärmetauschblocks eintritt, so verringert sich auch die Geschwindigkeit des die Abdichtelemente umströmenden Gases. Die Abdichtelemente erwärmen sich daher infolge der Reibung mit dem Wärmetauschblock und dehnen sich aus. Das führt zu einer Verringerung der Reibung und zu einer Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit des Wärmetauschblocks.The sealing elements provided with a slot call for the following regulators to regulate the speed of rotation Effect: If the speed of rotation of the heat exchanger block increases, it increases also the flow rate of the gas that washes around the sealing elements. The sealing elements are thereby increasingly cooled and contract. This leads to increased friction and thus to a deceleration of the rotation speed. If, on the other hand, there is a slowing down of the rotation of the heat exchanger block occurs, the speed of the flow around the sealing elements is also reduced Gas. The sealing elements therefore heat up as a result of the friction with the heat exchange block and expand. This leads to a reduction in friction and an increase in the speed of rotation of the heat exchanger block.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß die ringförmigen Abdichtelemente aus zwei konzentrischen Ringen aus Materialien mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, wobei der Ring mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten innen liegt. Durch diese Maßnahme wird unter Ausnutzung des Bimetall-Effektes das Ausdehnen und Zusammenziehen der Abdichtelemente bei Erwärmung und Abkühlung begünstigt.An expedient development of the invention can consist in that the annular sealing elements made of two concentric rings made of materials with different coefficients of thermal expansion exist, whereby the ring with the higher coefficient of thermal expansion is on the inside. By this measure the expansion and contraction of the sealing elements is made using the bimetal effect favored with heating and cooling.
Zur Vermeidung des Verkantens der Abdichtelemente wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Kanten der mit Reibung an dem Wärmetauschblock anliegenden Fläche des ringförmigen Abdichtelementes abgerundet sind.To avoid tilting the sealing elements, it is also proposed that the edges of the rounded with friction on the heat exchanger block abutting surface of the annular sealing element are.
Eine andere zweckmäßige Weiterbildung kann darin bestehen, daß die ringförmigen Abdichtelemente von dem Wärmetauschblock lösbar sind, so daß dieser nach vorheriger Wärmeausdehnung durch heiße Gase axial aus dem Zylinder des Gehäuses herausziehbar ist.Another useful development can consist in that the annular sealing elements of the heat exchanger block are detachable, so that this axially after previous thermal expansion by hot gases can be pulled out of the cylinder of the housing.
Eine besonders günstige Möglichkeit, mit der ein exzentrisches Auftreffen der Teilgasströme auf den Wärmetauschblock bewirkt werden kann, kann darin bestehen, daß eine Seitenwand der Kanäle tangential zum Zylinder des Gehäuses verläuft, während die andere Seitenwand etwa in einer Durchmesser-Ebene des Wärmetauschblocks liegt.A particularly favorable possibility with which an eccentric impingement of the partial gas flows on the heat exchanger block can be effected, can be that a side wall of the channels tangential to the The cylinder of the housing runs, while the other side wall is approximately in a diameter plane of the Heat exchanger block lies.
Die etwa in einer Durchmesser-Ebene des Wärmetauschblocks gelegenen Seitenwände der Kanäle können dabei in einer Abrundung zusammenlaufen, die tangential an dem zylindrischen Gehäuse des Wärmetauschblocks anliegtThe side walls of the channels located approximately in a diameter plane of the heat exchanger block can converge in a rounding tangential to the cylindrical housing of the heat exchanger block is applied
Aus konstruktiven Gründen und zur Erzielung des höchstmöglichen Wirkungsgrades sollten die Kanäle ferner so gelegt werden, daß die abströmenden Teilgasströme bezüglich einer Durchmesser-Ebene des Wärmetauschblocks symmetrisch zu den zuströmenden Teilgasströmen verlaufen.For structural reasons and to achieve the highest possible degree of efficiency, the channels can also be placed so that the outflowing partial gas flows with respect to a diameter plane of the heat exchanger block run symmetrically to the inflowing partial gas flows.
Weiterhin besteht eine zweckmäßige Führung der Teilgasströme darin, daß die Kanäle so ausgerichtet sind, daß ein Teil der am Wärmetauschblock ankommenden Teilgasströme auf der einen Seite und der andere Teil der Teilgasströme auf der gegenüberliegenden Seite des Wärmetauschblocks in diesen mündet.Furthermore, an expedient way of guiding the partial gas flows is that the channels are aligned in this way are that a part of the incoming partial gas flows at the heat exchanger block on one side and the other Part of the partial gas flows on the opposite side of the heat exchanger block opens into this.
Eine im Rahmen der Erfindung liegende weiterbildende Maßnahme, die eine Möglichkeit zur Regulierung der Temperatur der Platten betrifft, kann darin bestehen, daß die Frequenz der durch eine umschaltbare Klappe gesteuerten Translationsbewegung des Wärmetauschblocks durch eine Zeitschaltvorrichtung gesteuert ist. Die Zeitschaltvorrichtung kann beispielsweise aus einem elektrischen Zeitschalter und einem von diesem gesteuerten Elektromagneten oder aus einem pneumatischen Zeitschalter bestehen, der von einem der durch den Wärmetauschblock hindurchgehenden unter Druck stehenden Gase betrieben wird.A further education within the scope of the invention Measure that concerns a way of regulating the temperature of the panels can be included in it exist that the frequency of the controlled by a switchable flap translational movement of the heat exchanger block is controlled by a timer. The time switch device can, for example from an electric timer and one of consist of this controlled electromagnet or a pneumatic timer, which is controlled by a the pressurized gases passing through the heat exchanger block is operated.
Die wechselweise Druckbeaufschlagung der Enden des Wärmetauschblocks kann mit einer verstellbaren Klappe erfolgen, welche jeweils das eine Ende des Wärmetauschblocks unter Druck setzt und das andere Ende mit der Außenluft verbindet.The alternating pressurization of the ends of the heat exchanger block can be adjusted with an adjustable Flap take place, which puts one end of the heat exchanger block under pressure and the other End connects with the outside air.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigtEmbodiments of the invention are described below with reference to the drawings. It shows
F i g. 1 einen Schnitt mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regenerativ-Wärmetauschers,F i g. 1 shows a section with an embodiment of the regenerative heat exchanger according to the invention,
F i g. 2 eine Draufsicht auf ein Abdichtelement,F i g. 2 a plan view of a sealing element,
F i g. 3 eine Seitenansicht des in F i g. 2 dargestellten Abdichtelementes,F i g. 3 is a side view of the FIG. 2 sealing element shown,
F i g. 4 einen Schnitt durch ein eingebautes Abdichtelement, F i g. 4 a section through a built-in sealing element,
F i g. 5 einen Schnitt durch ein Abdichtelement, das gegenüber dem in F i g. 4 gezeigten Abdichtelement modifiziert ist,F i g. 5 shows a section through a sealing element which, compared to that shown in FIG. 4 sealing element shown is modified,
Fig.6 einen schematisierten Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regenerativ-Wärmetauschers, 6 shows a schematic section through another Embodiment of the regenerative heat exchanger according to the invention,
F i g. 7 einen schematisierten Schnitt durch eine dritte Ausführungsform des erfindunsgemäßen Regenerativ-Wärmetauschers, F i g. 7 shows a schematic section through a third Embodiment of the regenerative heat exchanger according to the invention,
Fig.8 einen Axialschnitt durch eine Turbine, in der der erfindungsgemäße Regenerativ-Wärmetauscher eingebaut ist.8 shows an axial section through a turbine in which the regenerative heat exchanger according to the invention is installed.
Bei dem in F i g. 1 dargestellten Regenerativ-Wärmetauscher ist ein Wärmetauschblock 5 in ein zylindrisches Gehäuse eingebaut. Der Wärmetauschblock besteht aus einem Stapel kreisförmiger, in radialer Richtung durchlässiger und in axialer Richtung undurchlässiger Platten 21. Die Platten sitzen auf einer axialen Welle 15. Der Wärmetauschblock 5 ist mit der axialen Welle 15 in axialer Richtung hin- und herverschiebbar. Zur Bewirkung der Hin- und Herverschiebung wird den beiden Enden des Gehäuses wechselweise über Kanäle 24 komprimierte Luft zugeführt. Der Wechsel wird mit einer Klappe 25 gesteuert Das jeweils nicht mit Druckluft beaufschlagte Ende des Gehäuses wird durch ein Ventil 26 mit der Außenluft verbunden.In the case of the FIG. 1 shown regenerative heat exchanger is a heat exchanger block 5 in a cylindrical Housing built in. The heat exchanger block consists of a stack of circular shapes in a radial direction permeable and axially impermeable plates 21. The plates sit on an axial Shaft 15. The heat exchanger block 5 can be pushed back and forth with the axial shaft 15 in the axial direction. To effect the back and forth displacement, the two ends of the housing are alternately over Channels 24 supplied with compressed air. The change is controlled with a flap 25 that is not in each case the end of the housing acted upon by compressed air is connected to the outside air through a valve 26.
Das kalte und das heiße Gas werden in zueinander parallele Teilgasströme gleicher Stärke unterteilt und in mehreren gleich breiten, jeweils den abzukühlenden und den zu erwärmenden Gasstrom aufnehmenden und miteinander abwechselnden Kanälen 3, 4 geführt Die hin- und hergehende axiale Bewegung des Wärmetauschblocks ist dabei so gewählt, daß der Hub etwa der Breite eines Kanals entspricht.The cold and hot gas are divided into parallel partial gas flows of equal strength and in several equally wide, each receiving the gas stream to be cooled and the gas stream to be heated alternating channels 3, 4 out. The reciprocating axial movement of the heat exchanger block is chosen so that the stroke is approximately corresponds to the width of a channel.
Wie man der F i g. 6 entnehmen kann, verlaufen die Axialebenen 3A, 3B und AA, AB der Kanäle 3, 4 der einzelnen Teilgasströme gegenüber der Achse 50 des Wärmetauschblocks 5 seitlich gegeneinander versetzt. Dadurch treffen die Teilgasströme exzentrisch auf den Wärmetauschblock 5 und versetzen diesen in Rotation. Bei der Ausführungsform nach F i g. 6 verläuft die eineHow to get the F i g. 6, the axial planes 3A, 3B and AA, AB of the channels 3, 4 of the individual partial gas flows run laterally offset from one another with respect to the axis 50 of the heat exchanger block 5. As a result, the partial gas flows hit the heat exchanger block 5 eccentrically and set it in rotation. In the embodiment according to FIG. 6 runs the one
Seitenwand der Kanäle 3, 4 der Teilgäsströme des ankommenden Gases tangential zum zylindrischen Gehäuse des Wärmetaüschblocks 5, während die andere Seitenwand etwa in einer Durchmesseer-Ebene des Wärmetaüschblocks 5 liegt. In gleicher Weise sind die Kanäle für die abströmenden Teilgasströme ausgebildet. Insgesamt verlaufen die austretenden Teilgasströme bezüglich einer Durchmesser-Ebene des Wärmetaüschblocks 5 symmetrisch zu den ankommenden Teilgasströmen. Die Kanäle für die ankommenden Teilgasströme einerseits und die Kanäle für die abströmenden Teilgasströme andererseits münden dabei — in der erwähnten Weise versetzt — an gegenüberliegenden Stellen des Wärmetauschblocks 5.Side wall of the channels 3, 4 of the partial gas streams of the incoming Gas tangential to the cylindrical housing of the heat exchange block 5, while the other Side wall lies approximately in a diameter plane of the heat exchange block 5. In the same way they are Channels formed for the outflowing partial gas flows. Overall, the exiting partial gas flows run in relation to a diameter plane of the heat exchange block 5 symmetrical to the incoming partial gas flows. The channels for the incoming partial gas flows on the one hand and the channels for the outflowing partial gas flows on the other hand open into the mentioned Offset way - at opposite points of the heat exchanger block 5.
In F i g. 7 ist eine gegenüber F i g. 6 modifizierte Ausführungsform gezeigt. Hier geht die eine Seitenwand eines Kanals 4 für einen zuströmenden Teilgasstrom in die eine Seitenwand eines Kanals für einen abströmenden Teilgasstrom durch eine Abrundung 5t über, welche das zylindrische Gehäuse für den Wärmetauschblock 5 tangiert. Bei dieser Ausführungsform ist die Durchströmmenge größer als bei der in Fig.6 dargestellten Ausführungsform.In Fig. 7 is one opposite FIG. 6 modified embodiment shown. Here one side wall of a channel 4 for an inflowing partial gas flow goes into one side wall of a channel for an outflowing partial gas flow through a rounding 5t over which the cylindrical housing for the heat exchanger block 5 is tangent. In this embodiment, the Flow rate greater than in the embodiment shown in Figure 6.
Es soll nunmehr erneut Bezug genommen werden auf F i g. 1. Die einzelnen Kanäle 3, 4 sind durch Abdichtelemente 6 voneinander getrennt. In den F i g. 2 bis 5 sind derartige Abdichtelemente 6 gezeigt. Die Abdichtelemente 6 haben die Form eines Ringes, der an einer Stelle offen und dazu mit einem Schlitz 7 versehen ist. Wie man aus den F i g. 4 und 5 ersehen kann, dringt der Druck des komprimierten Gases in die das ringförmige Abdichtelement 6 aufnehmende Ausnehmung 8 in der Gehäusewand und drückt ihn bei 9 gegen den Wärmetauschblock 5.Reference should now be made again to FIG. 1. The individual channels 3, 4 are sealed by sealing elements 6 separated from each other. In the F i g. 2 to 5 such sealing elements 6 are shown. The sealing elements 6 have the shape of a ring which is open at one point and is provided with a slot 7 for this purpose is. As one can see from FIGS. 4 and 5, the pressure of the compressed gas penetrates the annular sealing element 6 receiving recess 8 in the housing wall and presses it at 9 against the heat exchanger block 5.
Gemäß Fi g. 5 besteht das ringförmige Abdichtelement aus zwei konzentrischen Ringen 10,11, von denen der innere Ring 11 einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der äußere Ring 10 hat Die beiden Ringe 10, 11 können über ihre Breite gleichmäßig dick sein. Es ist aber auch möglich, daß sie einen keilförmigen Querschnitt haben, wie dies in Fig.5 gezeigt ist. Letztere Ausbildung trägt der Tatsache Rechnung, daß beispielsweise auf der Seite 13 heiße Abgase strömen, die eine wesentlich höhere Temperatur als die beispielsweise auf der Seite 14 strömende komprimierte Luft aufweisen. Die Trennfläche 12 der beiden Ringe verläuft in diesem Fall schräg. Auf diese Weise kann durch geeignete Wahl der beiden Materialien der Ringe sehr genau der Öffnungsgrad eingestellt werden. Eine leichte Abrundung der Kanten der Anlageflächen des Abdichtelementes erleichtert das Anliegen und verhindert ein Verkanten auf den Platten 21 des Wärmetauschblocks 5.According to Fig. 5 consists of the annular sealing element of two concentric rings 10, 11, of which the inner ring 11 has a greater coefficient of thermal expansion than the outer ring 10 has The two rings 10, 11 can be uniform over their width be fat. But it is also possible that they have a wedge-shaped Have cross-section, as shown in Fig.5 is. The latter training takes into account the fact that for example on the side 13 hot exhaust gases flow, which is a much higher temperature than that for example have compressed air flowing on side 14. The interface 12 of the two rings runs obliquely in this case. In this way, by suitable choice of the two materials of the rings the degree of opening can be set very precisely. A slight rounding of the edges of the contact surfaces the sealing element makes it easier to fit and prevents tilting on the plates 21 of the heat exchanger block 5.
Die Fi g. 8 zeigt den Einbau eines Regenerativ-WärL metauschers in eine Turbine. Da die Turbine nicht Gegenstand der Erfindung ist, soll sie nicht näher erläutert werden. Der Wärmetauscher ist hier mit der Bezugsziffer 38 bezeichnet. Der Klappe 25 wird über eine Leitung 52 Druckgas aus der Turbine zugeführt. Die Klappe 25 ist über eine Leitung 53 und eine Leitung 54 mit den beiden Enden des Wärmetauschers 38 verbunden und steuert, wie dies bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, die Translationsbewegung des Wärmetaüschblocks 5. Die zeitabhängige Steuerung der umschaltbaren Klappe 25 erfolgt durch einen Zeitschalter 55. Im Falle eines elektrischen Zeitschalters weist dieser in zweckmäßiger Weise einen elektrischen Uhrenantrieb auf, der auf einen die Klappe 25 steuernden Elektromagneten einwirkt. Im Falle eines pneumatischen Zeitschalters wird dieser über eine von der Leitung 52 abzweigende Leitung 56 mit Druckgas versorgt.The Fi g. 8 shows the installation of a regenerative Wär L metauschers in a turbine. Since the turbine is not the subject of the invention, it will not be explained in more detail. The heat exchanger is denoted here with the reference number 38. The flap 25 is supplied with compressed gas from the turbine via a line 52. The flap 25 is connected to the two ends of the heat exchanger 38 via a line 53 and a line 54 and controls, as already described in connection with FIG a time switch 55. In the case of an electrical time switch, this has an expedient electrical clock drive which acts on an electromagnet controlling the flap 25. In the case of a pneumatic time switch, it is supplied with compressed gas via a line 56 branching off from line 52.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |