DE2206109C3 - 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 alternate and successive flows of these gases by zoning an axially reciprocable cylindrical heat exchanger block consisting of a stack of circular, radially permeable and axially impermeable plates consists, wherein the gas streams are divided into several parallel partial gas streams 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 are guided, which from both sides in the cylinder of a housing open, in which the heat exchanger block is arranged in a sealed manner on the intermediate walls of the channels and a reciprocating axial movement approximately equal to the width of a channel Hub executes.
Ein derartiger Regenerativ-Wärmetauscher ist bekannt (GB-PS 7bO8O3). 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 7bO8O3). In this known regenerative heat exchanger the heat exchanger block is only moved 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 ringförmipe, mit einem 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 annular, with a slot provided sealing elements arranged
-j jig am äußeren Umfang des Wärmetauschblocks mit Reibung anliegen.-j jig rest against the outer circumference of the heat exchanger block with friction.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird der Vorteil erzielt, daß der Wärmetauschblock neben der axialen Hin- und Herbewegung noch eine Rotationsbeweeung ausführt. Diese Rotationsbewegung ist eine Folge der exzentrisch auftreffenden Teilgasströme und führt zu Turbulenzen, die den Wärmetausch Wirkungsgrad verbessern.The inventive solution has the advantage that the heat exchanger block in addition 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 increases the efficiency of the heat exchange 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 Rotatiorsgeschwindigkeit Wenn dagegen eine Verlangsamung der Rotation des Wärmetauschblocks eintptt, 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 Rotationsge schwindigkeit 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 rotator speed If, on the other hand, a slowdown in the rotation of the heat exchanger block occurs, it also decreases the speed of the gas flowing around the sealing elements. The sealing elements heat up therefore due to the friction with the heat exchanger block and expand. That leads to a decrease the friction and an increase in the rotational speed of the heat exchanger block.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß die ringförmigen Abdichtelemente aus zwei konzentrischen Ringen aus Mate-ialien mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizieriten 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 of two concentric rings of materials with different thermal expansion coefficients, the ring with the higher thermal expansion coefficient lies inside. This measure, while utilizing the bimetal effect, allows the sealing elements to expand and contract 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 abgerundetTo 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
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 dann 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 cheap way to get an eccentric Impact of the partial gas flows on the heat exchanger block can be effected, can then exist that one side wall of the channels is tangential to the cylinder of the housing, while the other Side wall lies approximately in a diameter plane of the heat exchanger block.
Die etwa in einer Durchmesser-Ebene des Wärmetauschblocks gelegenen Seitenwände der Kanäle können dabei in einer Abrundung zusammenlaufen, die tangentia! an dem zylindrischen Gehäuse des Wärmetauschblocks anliegt. .The approximately in a diameter plane of the heat exchanger block located side walls of the channels can converge in a rounding, the tangentia! rests against the cylindrical housing of the heat exchanger block. .
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 zustromenden 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 incoming partial gas flows.
Weiterhin besteht eine zweckmäßige Fuhrung 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 mündetFurthermore, an expedient guiding of the partial gas flows consists in aligning the channels are that some of the partial gas flows arriving at the heat exchanger block are 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 durin 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 educational measure within the scope of the invention, the possibility of regulation The temperature of the panels may be concerned, that the frequency of the switchable by a Flap-controlled translational movement of the heat exchanger block controlled by a timer The time switch device can, for example, consist of an electrical time switch 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. 2 eine Draufsicht auf ein Abdichtelement, F i g. 3 eine Seitenansicht des in F i g. 2 dargestellten Abdichtelementes,F i g. 1 shows a section with an embodiment of the regenerative heat exchanger according to the invention, F i g. 2 shows a plan view of a sealing element, FIG. 3 is a side view of the FIG. 2 shown Sealing element,
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 in FIG. 4 sealing element shown is modified,
F i g. 6 einen schematisierten Schnitt durch eine weitere Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Regenerativ-Wärmetauschers, F i g. 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,
F i g. 8 einen Axialschnitt durch eine Turbine, in der der erfindungsgemäße Regenerativ-Wärmetauscher eingebaut ist.F i g. 8 shows an axial section through a turbine in which the regenerative heat exchanger according to the invention is built in.
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 a heat exchange block 5 is installed in a cylindrical housing. The heat exchanger block consists from a stack of circular, more permeable in the radial direction and impermeable in the axial direction Plates 21. The plates sit on an axial shaft 15. The heat exchanger block 5 is with the axial Shaft 15 can be pushed back and forth in the axial direction. To bring about the shifting back and forth the two ends of the housing alternately supplied via channels 24 compressed air. The change is controlled with a flap 25. The end of the housing that is not 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 axiaie 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 corresponds approximately to the width of a channel.
Wie man der F i g. 6 entnehmen kann, verlaufen die Axialebenen ZA, 3ß und 4Λ, 4ß 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 can be seen, the axial planes ZA, 3ß and 4Λ, 4ß of the channels 3, 4 of the individual partial gas flows with respect to the axis 50 of the heat exchanger block 5 are laterally offset from one another. 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
Seilenwand der Kanäle 3, 4 der Teilgasströme des ankommenden Gases tangential zum zylindrischen Gehäuse des Wärmetauschblocks 5, während die andere Seitenwand etwa in einer Durchmesseer-Ebene des Wärmetauschblocks 5 liegt. In gleicher Weise sind die Kanäle für die abströmenden Teilgasströme ausgebildet. Insgesamt verlaufen die austretenden Teilgasströme bezüglich einer Durchmesser-Ebene des Wärmetauschblocks 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.Cable wall of the channels 3, 4 of the partial gas flows of the incoming gas tangential to the cylindrical housing of the heat exchanger block 5, while the other side wall is approximately in a diameter plane of the Heat exchange block 5 is located. The channels for the outflowing partial gas flows are designed in the same way. Overall, the exiting partial gas flows run in relation to a diameter plane of the heat exchanger 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 51 über, welche das zylindrische Gehäuse für den Wärmetauschblock 5 tangiert. Bei dieser Ausführungsform ist die Durchströmmenge größer als bei der in F i g. 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 rounded portion 51 over which the cylindrical housing for the heat exchanger block 5 is tangent. In this embodiment, the Flow rate greater than that in FIG. 6 illustrated embodiment.
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 F i 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 F i g. 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, the annular sealing element consists of two concentric rings 10, 11. of which the inner ring 11 has a greater coefficient of thermal expansion than the outer ring 10. The two Rings 10, 11 can be uniformly thick across their width. But it is also possible that they have a wedge-shaped Have cross-section, as shown in FIG. 5 is shown. 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 F i g. 8 zeigt den Einbau eines Regenerativ-Wärmetauschers 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 F i g. 1 beschrieben wurde, die Translationsbewegung des Wärmetauschblocks 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 F i g. 8 shows the installation of a regenerative heat exchanger into a turbine. Since the turbine is not the subject of the invention, it will not be explained in more detail will. The heat exchanger is designated here with the reference number 38. The flap 25 is via a line 52 compressed gas supplied from the turbine. The flap 25 is connected via a line 53 and a line 54 connected to the two ends of the heat exchanger 38 and controls, as already in connection with F i g. 1, the translational movement of the heat exchanger block 5. The time-dependent control the switchable flap 25 is carried out by a time switch 55. In the case of an electrical time switch this expediently has an electric clock drive which is attached to a flap 25 controlling electromagnet acts. In the case of a pneumatic time switch, this is activated via one of line 56 branching off line 52 is supplied with pressurized gas.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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 |