DE2216602A1 - Umlaufender waermeaustauscher - Google Patents

Description

PATENTANWALTS	BÜRO	SüHUNG	2216602
HOMSEN - TlEDTKE	- I		N W Ä L T E
TEL. (0811) 53 0211 TELEX: 53 0212	8-24 303 topa!	ENTA	Frankfurt/M.:
	PAT		Dipl.-lng. W. Welnkiuff (Fuchihohl 71)
	München:	Dlpl.-Chem. Dr. D. Thomsen Dipl.-lng. H. Tledtke Dipl.-Chem. G. Bühling Dipl.-lng. R. Kinne Dipl.-Chem. Dr. U. Eggers

8000 München 2

Kalser-Ludwig-Platz 6 7. April 1972

Nissan tfotor Company, Limited Yokohama City, Japan

Umlaufender Wärmeaustauscher

Die Erfindung bezieht sich auf umlaufende Wärmeaustauscher und insbesondere auf einen Wärmeaustauscher, der eine allgemein zylindrische Rotoreinheit aufweist, die um ihre Achse drehbar ist.

Die Rotoreinheit eines solchen Wärmeaustauschers

^ besitzt ein Paar in Abstand stehender Endplatten und eine An-

J₀ zahl ländlicher üohlschaufeln, die sich zwischen den Endplatten

00 parallel zur Drehachse der Rotoreinheit erstrecken. Diese Hohl-0>

^ schaufeln nind gewöhnlich im gleichen Abstand voneinander und to ^allLen»ein radial um die Drehachse der Rotoreinheit angeordnet. ί Die Hohlsnhauffiln verlaufen durch eine Anzahl Pinnen oder

ringförmige Scheiben, die in einem merkbaren Abstand voneinander zwischen den in Abstand stehenden Endplatten gestapelt sind. Die Hohlschaufeln und diese Finnen sind durch Löten starr miteinander verbunden. Eine Gruppe abv/echselnd auf einanderfol^ender Hohlschaufeln dient zur Bildung von Kanälen für hereinkommende Ströme eines entsprechend dem Anwendungsfall zu kühlenden oder zu erwärmenden Fluids, und die andere Gruppe der übrigen Hohlschaufel, die ebenfalls abwechselnd aufeinanderfolgen, wird als Kanäle für herauslaufende Fluidströme benutzt. Jedes benachbarte Paar Hohlschaufeln steht an ihren Enden miteinander in Verbindung; die in eine Strömungsumkehrkammer geöffnet sind, so daß die hereinkommenden Fluidströme zu den Kanälen für die herausgehenden Fluidströme geführt werden,

Jede Hohlschaufel hat eine derartige Form, daß sie allgemein Stromlinienquerechnitt hat, wobei ihr äußeres Ende gegenüber ihrem inneren Ende in der Drehrichtung der Rotoreinheit gedreht ist, damit ein Strom von Kühl- oder Heizfluid durch die Rotoreinheit weich und wirkungsvoll geführt wird. Für die Gestaltung und Herstellung der so geformten Hohlschaufeln sind ungünstig viel Zeit, Arbeit und aufwendige Techniken unerläßlich, was die Produktionskosten des Wärmeaustauschers insgesamt vergrößert. Mit der Erfindung wird dieses Problem gelöst.

Mit der Erfindung wird daher ein verbesserter umlaufender Wärmeaustauscher der beschriebenen Art geschaffen, der Hohlschaufeln besitzt, die einen einfachen Aufbau haben und leicht zu gestalten und herzustellen sind.

209886/0720

Mit der Erfindung wird ferner ein verbesserter umlaufender Wärmeaustauscher geschaffen, der billiger herzustellen ist als die bekannten Wärmeaustauscher der beschriebenen Art.

Dies wird vorteilhafterweise bei einem umlaufenden UirmeaustauGcher erreicht, der eine allgemein zylindrische Rotoreinheit besitzt, die um ihre Achse drehbar ist und ein Paar im Abstand stehender Endplatten aufweist, eine Anzahl länglicher Hohlschaufel!η, die allgemein radial um die Drehachse der Rotoreinheit angeordnet sind und sich zwischen den im Abstand stehenden hndplatton im wesentlichen parallel zu der genannten Drehachse erntrecken, wobei die einzelnen Kohlschaufeln abvrechselnd aufeinanderfolgend Kanäle für hereinkommende und herauskommende Fluidströme bilden, eine Einrichtung zur Bildung einer Fluidverbindung zwischen den Enden jeweils zwei benachbarter Hohlschaufeln, die jeweils die Kanäle für die hereinkommenden und herausgehenden Fluidströme bilden, und eine Anzahl von im merkbarem Abstand befindlicher Finnen, die zwischen den Endplatten gestapelt sind und durch die die Hohlschaufeln senkrecht verlaufen. Jeder der so einen Teil der Rotoreinheit bildenden Hohlschaufeln besitzt parallele, allgemein flache Seitenwände und ist mit ihrem radial äußeren Ende gegenüber ihrem radial inneren Ende in Drehrichtung der Rotoreinheit gedreht, so daß das äußere Ende dem inneren Ende vorausläuft, wenn die Rotoreinheit zur Drehung um ihre Achse angetrieben wird.

Jede Hohlschaufel kann als einheitliches (einstückiges) Hohlorgan gebildet nein oder - wenn dies gewünscht ist - aus

?09B86/0720

zwei oder noch mehr liohlelenenten gebildet sein, die im wesentlichen voneinander getrennt sind und jeweils allgemein flache Seitenwände haben. Wenn solche unterteilten Hohlschaufeln verwendet werden, sollte das äußerste Element jeder Hohlschaufel derart ausgerichtet sein, daß sein äußeres Ende gegenüber dem inneren Ende in der Drehrichtung der Rotoreinheit gedreht ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines bekannten umlaufenden Wärmeaustauschers, auf den die Erfindung insbesondere gerichtet ist;

Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt einer Rotoreinheit mit verbesserten Hohlschaufeln in einem erfindungsgemäßen umlaufenden Wärmeaustauscher; und

Fig. 3 zeigt eine Fig. 2 ähnliche Ansicht zur Veranschaulichung einer Rotoreinheit, die abgeänderte Hohlschaufeln besitzt, in einem erfindungsgemäßen umlaufenden Wärmeaustauscher.

Zum besseren Verständnis der Ziele und Vorteile des erfindungsgemäßen umlaufenden Wärmeaustausc ters wird der allgemeine Aufbau und Letriebswoise des bekannten umlaufenden Wärmeaustauschers der beschrinbenen Art anhand von Fig. 1 beschrieben.

, 209886/07?0

Gemäß Darstellung in Pic. 1 besitzt der bekannte umlaufende Wärmeaustauscher eine allgemein zylindrische Rotoreinheit 10, die auf einer Antriebswelle 11 getragen wird und mit dieser drehbar ist, die von einem Ende der Rotoreinheit zum anderen verläuft. Es wird hier angenommen, daß die Rotoreinheit 10 von der Welle 11 iir, Gegenuhrzeigersinn angetrieben wird, wie dies durch einen Pfeil A gezeigt ist.

Die zylindrische Rotoreinheit 10 besitzt ein Paar in Abstand stehender Endplatten oder Kopfstücke, die an beiden Enden der Rotoreinheit angeordnet sind (in Fig. 1 nicht zu sehen). Die Rotoreinheit 10 ist über diese Endplatten an der Antriebswelle 11 befestigt. Zwischen diesen Endplatten verlaufen parallel zur Antriebswelle 11 eine Anzahl länglicher Hohlschaufeln oder l/ärmeaus tausche leinen te 12, die jeweils einen otronilinienquerschnitt besitzen, Diese ilohlschaufeln 12 sind im wesentlichen im gleichen Abstand voneinander allgemein radial um die Antriebswelle angeordnet, so daß sie insgesamt eine Käfigform besitzen. Eine von zwei benachbarten dieser Hohlschaufeln 12 bildet einen Kanal für einen hereinkommenden Strom eines zu kühlenden oder zu erwärmenden Fluids, und die andere bildet einen Kanal für einen herausgehenden Fluidstrom. Die Hohlschaufeln 12 verlaufen durch eine Anzahl von in merklichem Abstand stehenden Finnen oder ringförmigen Scheiben 13, die senkrecht zu den Hohlschaufeln zwischen den im Abstand stehenden Endplatten übereinandergestapelt sind. Die liohlschaufoln 12 sind mit diesen Finnen verlötet oder in anderer Weise starr verbunden, und ein sich ergebender Aufbau aus den Kohlsehnufoln 12 und den

209886/0720

-ς- 2216502

Finnen 13 wirrt danach während der Herstellung platiert. Jede benachbarten zwei Hohlschaufeln 12 stehen an ihren an einer der Endplatten liegenden Enden über eine Strömungsumkehrkammer (nicht dargestellt) miteinander in Verbindung. Diese beiden Hohlschaufeln stehen ebenfalls an ihren an der anderen Endplatte liegenden Binden mit Fluideinlaß- und Fluidauslaßöffnungen (nicht gezeigt) in Verbindung. Die Rotoreinheit 10 ist auf diese Weise aus den .Endplatten, den Hohlschaufeln und Finnen, der Strömungsumkehrkammer und Fluidauslaß und -Einlaßöffnungen gebildet. Mit den Bezugsziffern 14 und lV sind stationäre Fluid-Leitwände bezeichnet, die die Wege von hereinlaufendem und herauslaufendem Kühl- oder Heizfluid begrenzen, das durch die Rotoreinheit geführt wird. Diese Leitwände I^ und I¹I¹ können über beide Umfangsseiten der Rotoreinheit 10 angeordnet sein, wenn es erwünscht ist, daß das Kühl- oder Heizfluid allgemein diametral durch die Rotoreinheit geführt wird, wie dies mit den Pfeilen F.. und Fp gezeigt ist. Ist es jedoch erwünscht, daß das Fluid axial zentral zur Rotoreinheit 10 geführt wird, können die Fluidleitwände zumindest an einer Endplatte der Rotoreinheit angeordnet sein. Dabei wird das Kühl- oder Heizfluid, das axial zentral zur Rotoreinheit 10 zugeführt wird, durch eine Zentrifugalkraft, die durch die Drehung der Rotoreinheit entwickelt wird, radial nach außen durch die Rotoreinheit gedrückt.

Jede der Ilohlschaufeln 12, die allgemein einer Stromlinienquerschnitt haben, wan im vorhergehenden erwähnt wurde, besitzt eine spitze Außenkante 12a und ein allgemein abgerundetes Ende 12b. Diese Außenkante l?n und das innere Ende 12b sind

209886/0720

derart angeordnet und ausgerichtet _% daß das Außenende 12a dem Innenende 12b vorangeht, wenn die Rotoreinheit 10 durch die Antriebswelle 11 zum Drehen im Gegenuhrzeigersinn angetrieben wird, wie dies durch den Pfeil A in Pig. I gezeigt ist.

bei den auf diese Weise aufgebauten bekannten umlaufenden Wärmeaustauscher wird das Fluid, von dem hier angenommen wird, daß es Kühlluft ist, in Richtung der Pfeile F- längs der Luftleitungswand I^ der Rotoreinheit 10 zugeführt und von der Rotoreinheit in Richtung des Pfeils Ί? längs der Luftleitungswand l'l' abgeführt, wenn die Rotoreinheit 10 durch die Welle 11 zur Umdrehung um diese angetrieben wird» Dieser Kühlluftfluß baut einen Luftstrom auf, der die Rotoreinheit 10 annähernd diametral über einen zentralen Abschnitt der Rotoreinheit durchquert.' Während dieser Vorgang stattfindet, wird die zu kühlende Flüssigkeit, die heißes Wasser sein kann, durch die Gruppe der Hohlschaufeln 12 geführt, die von der zuvor erwähnten Fluideinlaßöffnung ausgehen, und wird über die οtrömungsumkehrkammern zu der Gruppe der Hohlschaufeln 12 zurückgeführt, die zu der Fluidauslaßöffnung führen. Zirkuliert das heiße Wasser somit durch die beiden Gruppen Hohlschaufeln, die als Kanäle für die hereinlaufenden und herausgehenden Ströme den heißen Wassers dienen, wird die Wärme in dem heißen Wasser auf die Hohlschaufeln 12 und demgemäß auf die Finnen 13 übertragen und von diesen weiter in das Kühlfluid abgegeben (verteilt), das durch die Rotoreinheit 10 geführt wird.

209886/0720

Damit der Kühlluftstrom F.durch die umlaufende Rotoreinheit 10 v/eich und wirksam geführt wird, ist jede der Hohlschaufeln 12 derart geformt, daß sie allgemein einer Stromlinienquerschnitt besitzt, wobei das radial äußere Ende gegenüber dem radial inneren Ende in die Drehrichtung A der Rotoreinheit 10 gedreht ist. Die Herstellung der derart geformten Hohlschaufeln 12 schließt eine äußerst komplizierte und zeitaufwendige Bearbeitung ein, die zu erhöhten Produktionskosten des gesamten Wärmeaustauschers führt. Soll eine relativ große Anzahl an Hohlschaufeln in jeder Rotoreinheit verwendet werden, sind verschiedene komplizierte Techniken für die Herstellung der Rotoreinheiten auf einer wirtschaftlichen Basis wesentlich. Ferner veranlaßt die besondere Form der Hohlschaufel, die den Stromlinienquerschnitt hat, eine Vergrößerung der Stärke der Hohlschaufel, wodurch sich eine Einschränkung der Flächen der Hohlschaufeln ergibt, die für die Ableitung der Wärme von den Hohlschaufeln verfügbar sind. All diese bei den bekannten Hohlschaufeln auftretenden Probleme sind bei den verbesserten Hohlschaufeln nach Fig. 2 und 3 gelöst. Die Hohlschaufeln nach Fig. 2 und 3 können daher nicht nur die Produktionskosten des Wärmeaustauscher der beschriebenen Art verringern sondern auch die Wärmeaustauschwirksamkeit vergrößern. Diese verbesserten Hohlschaufeln bilden einen Teil der Rotoreinheit, die in ihrer Gesamtheit in wesentlichen in gleicher Weise wie dns bekannte Gegenstück nach Fig. 1 aufgebaut ist, und daher wird eine ins einzelne gehende Erläuterung der Teile und Elemente der Rotoreinheit - mit Ausnahme der Hohlschaufeln - nicht gegeben.

209886/0720

Die verbesserten Hohlschaufeln, die die nur teilweise bei 10 gezeigte Rotoreinheit bilden, sind in Fig. 2 mit der Bezugsziffer 15 bezeichnet. Diese Hohlschaufeln 15 sind im wesentlichen in gleichem Abstand voneinander allgemein radial zur Rotoreinheit 10 angeordnet, nämlich im wesentlichen symmetrisch zur Antriebswelle 11 der Rotoreinheit 10. Die Hohlschaufeln erstrecken sich zwischen den zuvor erwähnten Endplatten der Rotoreinheit im wesentlichen parallel zu der Antriebswelle 11 (dies ist nicht dargestellt).

Jede der Hohlschaufeln 15 hat parallele, im wesentlichen flache Seitenwände 15a und 15b, wobei ihr radial äußeres Ende 15c um eine Strecke 1 gegenüber dem radial inneren Ende 15d in der Drehrichtung A der Rotoreinheit 10 verschoben ist. Wird somit die Rotoreinheit 10 zum Drehen um die Antriebswelle 11 in der Richtung A angetrieben, laufen die Außenenden der einzelnen Hohlschaufeln 15 um die Strecke 1 den Innenenden der Hohlschaufeln voraus. Wie zuvor erwähnt wurde, wird die Gruppe jeder zweiten Hohlschaufel als Kanäle für die einströmenden zu kühlenden oder zu erwärmenden Fluidströme benutzt, und die Gruppe der übrigen Hohlschaufeln, die ebenfalls abwechselnd aufeinander folgen, dienen als Kanäle für die herausströmenden Fluidströme.

Die Hohlschaufeln nach Fig. 2 sind als einstückige Organe aufgebaut; ist es jedoch erwünscht, Hohlschaufeln zu verwenden, die relativ große Weiten haben, die mit V/ in Fig. 2 bezeichnet sind, kann jede der Hohlschaufeln in zwei, drei oder

209886/0720

noch mehr Abschnitte oder Elemente unterteilt sein, um die Herstellung und das Zusammenbauen der Hohlschaufeln zu erleichtern, Fig. 3 veranschaulicht ein Beispiel der Hohlschaufel, die in zwei Hälften unterteilt ist.

Die Hohlschaufeln, die einen solchen unterteilten Aufbau haben, sind in Fig. 3 nut der Bezugsziffer 16^ bezeichnet. Jede dieser Hohlschaufeln 16 besteht aus zwei radial äußeren und inneren Hälften 17 bzw. IB, die im wesentlichen voneinander getrennt sind, oowohl die äußeren als auch die inneren Ha¹Iften 17 und 18 erstrecken sich im wesentlichen parallel zur Drehachse der Rotoreinheit 10 - in gleicher V/eise wie die zuvor beschriebenen Hohlschaufeln. Die äußere Hälfte 17 besitzt in Abstand stehende, parallele, im wesentlichen flache Seitenwände 17a und 17b, während die innere Hälfte 18 in gleicher Weise in Abstand stehende, parallele, im wesentlichen flache Seitenwände l8a und l8b besitzt. Die Paare der äußeren und inneren Hälften

17 bzw. l8 sind annähernd radial zur Rotoreinheit 10 angeordnet, wie dies gezeigt ist. Jede der äußeren Hälften 17 ist gegenüber der zugehörigen inneren Hälfte 18 derart ausgerichtet, daß ihr äußeres Ende 17c gegenüber dem inneren Ende 18c der inneren Hälfte 18 in der Drehrichtung A der Rotoreinheit 10 verschoben ist. In anderen Worten, die äußeren und inneren Hälften 17 bzw.

18 stehen in oinem Winkelabstand von q[ , um in Kombination einen Aufbau zu bilden, der in der Drehrichtung A der Rotoreinheit 10 allgenein konkav ist, v/i.e dies in Fig. 3 gezeigt ist. fit diesem Aufbau laufen die äußersten Enden 17c der äußeren Hälfte 17 den inneren Enden 3 8c der inneren HMlfte 18 vornn, wenn die

209886/0720

Rotoreinheit 10 zum Drehen um die Antriebswelle (nicht gezeigt) in der im vorhergehenden beschriebenen Weise angetrieben wird»

Im Bedarfsfall kann die Anzahl der Komponentenelemente, die in Kombination eine einzige Hohlschaufel bilden, auf drei oder noch mehr erhöht werden. Dabei sollten die Komponentenelemente einer solchen unterteilten Hohlschaufel derart gestaltet sein, daß sie in Drehriehtung der Rotoreinheit allgemein konkav sind. Durch geeignete Auswahl der allgemeinen Formen der Hohlschaufeln wird der Strom an der Rotoreinheit zugeführtem Kühl- oder Heisfluid weich und wirksam zwischen den Hohlschaufeln geführt. Die Anzahl der Komponentenelemente der Hohlschaufel und/oder die Anzahl der Hohlschaufein selbst sollte unter Berücksichtigung der spezifischen Betriebsbedingungen gewählt werden, einschließlich der Durchflußr-ate der zu kühlenden oder zu erwärmenden Flüssigkeit, der Temperatur der Flüssigkeit und der Abkühl- oder Erwärmungsrate.

Aus den vorhergehenden Ausführungen ergibt sich, daß die Hohlschaufeln des erfindungsgemäßen umlaufenden Wärmeaustauschers zur Herbeiführung leichter und wirtschaftlicher Herstellung und Zusammenbau wegen ihres beträchtlich vereinfachten Aufbaus geeignet sind. Die einzelnen Hohlschaufeln oder die einzelnen Komponentenelemente der unterteilten Hohlschaufeln sind an die Finnen angelötet, um die Rotoreinheit in einer üblichen V/eise zu bilden. Wegen der Einfachheit des Aufbaus der Hohlschaufeln ist die Anzahl der Stufen für die Herstellung der Rotoreinheit begrenzt, selbst wenn die Anzahl der Teile und

203888/0720

Kiemente der Rotoreinheit zunimmt. Da die Hohlschaufeln nach Fig. 2 und 3 ferner parallele, flache Seitenwände haben, kann die Stärke jeder Hohlschaufel gegenüber den bekannten Hohlschaufeln mit Stromlinienquerschnitt beträchtlich verringert werden. Dies trägt zu einer Vergrößerung der Flächen der Hohlschaufeln bei, die für die Wärmeaustauschung verfügbar sind, wodurch die Wärmeaustauschfähigkeit des Wärmeaustauschers vergrößert wird. Die besondere Form der hier beschriebenen Hohlschaufeln erlaubt ebenfalls die Verwendung einer vergrößerten Anzahl von Hohlschaufeln in jeder Rotoreinheit. Somit kann die Kühl- oder Heizluft mit einer zufriedenstellenden Wirksamkeit durch die Rotoreinheit ohne Verwendung der Hohlschaufeln geführt werden, die die Stromlinienquerschnitte haben.

Von den hier vorgeschlagenen Hohlschaufeln wird daher erwartet, daß sie zur Verringerung der Herstellungskosten der umlaufenden Wärmeaustauscher der beschriebenen Art und bei der Verbesserung der bei solchen Wärmeaustauschern verfügbaren Wärmeaustauschwirksamkeit nützlich sind.

209886/0720

Claims (3)

1. Patentansprüche

   l/Umlauf ender Wärmeaustauscher, gekennzeichnet durch die Kombination einer allgemein zylindrischen Rotoreinheit (10), die um ihre Achse (11) drehbar ist und ein Paar in Abstand stehender Endplatten besitzt, eine Ansah! länglicher Hohlschaufeln (15, 16), die allgemein radial zu der Rotoreinheit (10) um deren Achse angeordnet sind und die sich zwischen den in Abstand stehenden Endplatten ir wesentlichen parallel zu der Achse erstrecken, wobei jede Hohlschaufel (15, 16) in Abstand stehende, parallele, im wesentliche flache Seitenwände (15a, 15bj 17a,17b; 18a, 18b) besitzt und mit ihrem radial äußeren Ende (15Cj 17c) Gegenüber dem radial inneren Ende (15d, IBc) in Drehrichtung der Rotoreinheit (10) verschoben ist, wobei die Hohlschaufeln (15, 16) abwechselnd aufeinanderfolgend Kanäle für hereinströmende und herausströmende Fluidströme bilden, und einer Einrichtung, die eine Verbindung zwischen den Enden jeder benachbarten zwei der Hohlschaufeln (15, 16) bilden, die jeweils die Kanäle für die hereinströmenden und herausströmenden Pluidströme bilden.
2. 2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anzahl in merlichem Abstand stehenden Finnen (13), die zwischen den in Abstand stehenden Endplatten gestapelt sind und durch die sich die Hohlschaufeln (15, 16) im wesentlichen senkrecht erstrecken.
3. 3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

   209886/0720

   gekennzeichnet, daß jede Hohlschaufel (16) aus zumindest zwei hohlen Elementen (17» 18) gebildet ist, die sich im wesentlichen parallel zur Umdrehung3achse der Rotoreinheit (10) erstrecken und die im wesentlichen voneinander getrennt sind, wobei jedes hohle Element (17, 18) in Abstand stehende, parallele, im lieeentlichen flache Seitenwände (17a, 17bj 18a, 18b) besitzt.

   209886/0720