DE2219479C3 - Regeneratlv-Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Regenerativ-Wärmetauscher mit in einem Gehäuse in einem Paar von Zylindern entlang deren Achsen parallel und axial sowie wechselweise entgegengesetzt hin- unci herbewegbaren Kolben, weldie mehrere ί^ν; .'<iingtn gleicher axialer Länge aus sliomung^pi;: !durchlässigem WärniespeichermauMial tragen, duah v-ehhes ein wärmetuifnehmendeb und ein wärmeabgebendes Strömungsmittel zeitlich nacheinander in entgegengesetzter Richtung hindurchtreten, wobei getrennte Leitungen für die beiden Strömungsmittel vorgesehen sind.

Regenerativ-Wärmetauscher mit einem in einem Gehäuse untergebrachten Wärmespeichermaterial, welches abwechselnd von den wärmetauschenden Strömungsmitteln durchströmt wird, sind bekannt, ίο Das Würmespeichermaierial befindet sich Ja bei in Form von zwei getrennt voneinander angeordneten Teilen im Gehäuse, wobei die beiden Teile aus Wärmespeichermaterial Ringform aufweisen und koaxial zueinander angeordnet sind. Das Gehäuse des Wäriretauschers besitzt dann zwei Endkammern und eine Zwischenkammer mit jeweils Ein- und Auslassen für die Strömungsmittel, wobei diese Ein- und Auslässe so zu dem War ^speichermaterial liegen, daß die Verbindung zwischen den EnJku^nicrn und der Zwischenkammer jeweils durch einen der Teile aus Wärmespeichermaterial geht. Das wärmeabgebende Strömungsmittel wird dabei von der Zwischenkammer und das wärmeaufnehmende Strömungsmittel \on den Endkammern her abwechselnd durch da^ Wärmeausiauschermaterial geführt. Die nötige Steuerung der Strömung der wärmetauschenden Strömungsmittel erfolgt Jiirch einen Rohrschieber, welcher bei einer koaxialen Anordnung der Teile aui Wärmespeichermateria! zu diesen Teilen ebenfalls koaxial angeordnet, ist. Die bekannten Regenerativ-Wärmetauscher der geschilderten Art haben vor allem den Nachteil, daß sie trotz ihres relativ komplizierten Auibaus nur einen diskontinuierlichen Muß der Strömungsmittel zulassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Regenerativ-Wärmetauscher zu schaffen, der bei einfachem Aufbau und hohem Wirkungsgrad einen kontinuierlichen Fluß der Strömungsmittel zuläßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Regenerativ-Wärmetauscher der eingangs geschilderten Art erfindungsgemäß so ausgestaltet, daß die Wärmespeicherpackungen zwischen jeweils zwei die Enden der Kolben bildenden Haltegliedern angeordnet und durch Kolbenringe voneinander getrennt sind, und daß die Leitung für das wärmeaufnehmende Strömungsmittel zentrisch im Gehäuse und auf jeder Seite dieser Leitung — durch je eine Zwischenwand von der Lanue einer Wärmespeicherpackung getrennt — jeweils eine Leitung für das wärmeabgebende Strömungsmittcl mündet, wobei die Leistungseinmündungen Räume bilden, deren axiale Breite ebenso wie die axiale Länge der Halteglieder und der Zylinderenden ein ganzzahliges Vielfaches der Länge einer Wärmespeicherpackung beträgt.

Durch diese Konstruktion wird neben der Möglichkeit eines kontinuierlichen Flusses für die Strömungsmittel vor allem auch ein hochwirksamer Wärmetausch .sichergestellt.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind jeweils fünf Wärmespeicherpackungen zwischen den Haltegliedern angeordnet, wobei dann die Länge der Halteglieder der Länge dreier Wärmespeicherpackungen entspricht. Die Breite des von dem wiirrneaufnehmenden Strömungsmittel beauf- 'Jj schiagicn Raumes besitzt bei dieser Ausfühiungsform d^:e Lunge einer Wärmespeicherpack ung, wählend die Bieste der von <lcm wärmeabgebenden StrömuugsmiUcl beaufschlagten Räume jeweils der

tiing zweier Wärniespeicherpackimgen einspricht _wntl die Zylinderenden eine axiale Länge von jeweils vier Wärmespeicherpackungen aul weisen.

Um die Wirksamkeit des Wärmetauschers noch zu erhöhen, ist es zweckmäßig, die Wärmespeicherpakklingen C-förmig auszugestalten und so anzuordnen, dall sie radial durchströmt sind, wohei birnenförmige Flügel an den Wärmespeicherpackungen für eine gleichmäßige Verteilung der Strömung sorgen.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung an Hand von Ausführungsbeispie" len erläutert. Es zeigen

Fig,. I bis4 axiale Schnitte durch den Regenera-Ijv-Wärmetauscher gemäß der Erfindung, wobei die schnitte 107 und M)U entsprechen den Zwischenwänden 56 und 58, während der Abschnitt !08 der Leitung 50 für kaltes Strömungsmittel entspricht. Das andere Zylinderende 91 weist vier Abschnitte 112, 113, II4und 115 auf. Die Halteglieder 80, 81, 82 und 83, die nicht bestimmten Abschnitten zugeordnet werden können, da sie in den Zylindern hin- und herbewegt werden, weisen eine Länge auf, die der Länge dreier Packungen entspricht.

Die Axialbewegung der Kolben 40, 42 erfolgt wechselweise entgegengesetzt. In Fig. 1 nimmt der Kolben 40 seine äußerste linke Lage ein, während üer Kolben 42 seine äußerste rechte Lage einnimmt. Bei dieser Stellung nimmt das Halteglied 80 die Ab-

Kolben in verschiedenen axialen Stellungen gezeigt 15 schnitte 101, 102 und 103 ein, die Wärmespeicherd

Fig. 5 eine Schrägansicht einer Turbomaschine mit dem Wärmetauscher nach Fig. i bis4,

Fig. ο eine Schnittansicht der Turbomaschine nach F i g. 5 mit einem Schnitt durch den Wärmetauicher längs der Linien 6-6 der F i g. 3.

Fig. 7 eine Schnittansicht des Wärmetauschers längs der Linien 7-7 der F i g. 3,

Fig. 8 eine Schrägansicht einer C-föi trugen Wärmespeicherpackung,

Fig. 9 eine axiale Schnitiansicht eines anderen Wärmelauschers mit acht Packungen und

Fig. 10 eine axiale SchnUtansichi eines weiieicn Wärmetauschers mit elf Packungen.

Nach Fig. 1 bis 4 weist der Wärmetauscher 10 ein üder mehrere Paare axialer Kolben 40, 42 auf, Jie innerhalb eines oder mehrerer Paare von Zylindern 44, 46 in einem Gehäuse 48 verschiebbar sind. Das Gehäuse 48 besitzt eine zentrische Leitung 50 für kaltes Strömungsmittel und zwei Leitungen 52, 54 für heißes Strömungsmittel, nämlich eine auf jeder Seite der zentrischen Leitung 50. Zwischenwände 56. 58 sind auf jeder Seite der Leitung 50 vorgesehen zum Trennen der Strömung aus den Leitungen 52, 54. Durch Pfeile sind die Durchflußrichtungen der kalten und heißen Strömungsmittel angedeutet.

Die Kolben 40, 42 sind in den Zylindern 44. 46 in axialer Richtung abwechselnd hin- und herbewcgbar. Jeder Kolben weist eine Vielzahl von Wärmespeicherpackungen auf, die zwischen zwei Halletliedem angeordnet sind, wobei benachbarte Packungen durch Kolbenringe getrennt sind. Bei dem in Fig. 1 bis 4 dargestellten Wärmetauscher weist der Kolben 40 fünf Packungen 60, 61. 62, 63 und 64 auf. di packung 60 den Abschnitt 104, die Packungen 61 und 62 die Abschnitte 105 und 106 in der Leitung 52 für heißes Strömungsmittel, die Packung 63 den Abschnitt 107, die Packung 64 den Abschnitt 108 in der Leitung 50 für kaltes Strömungsmittel und das Halteulied 81 die Abschnitte 109. *0 und 111. Die Abschnitte 512, 113. 114 und 115 bleiben frei. Ist der Kolben 42 in seiner äußersten reellen Stellung, sind die Abschnitte 101, 102, 103 und 104 frei, das HaI-tegiied 82 nimmt die Abschnitte 105, 106 und 107 ein, die Packung 70 den Abschnitt 108 in der Leitung 50 für kaltes Strömungsmittel, die Packung 71 den" Abschnitt 109. die Packungen 72 und 73 die Abschnitte Π0 und 111 in der Leitung 54 für heißes Strömungsmittel, die Packun» 74 den Abschnitt 112 und das "Haiteulied 83 die Abschnitte 113, 114 und 115.

In der Anfangsstellung nach F i g. 1 werden d:e Wärmespeicherpackungen 61 und 62 des Kolbens 40 und die Packungen 72^und 73 des Kolbens 42 durch das heiße Strömungsmittel in den Leitungen 52 und 54 aufgeheizt. Gleichzeitig geben die Packung 64 des Kolbens 40 und die Packung 70 des Kolbens 42 Wätme MU das kalte Strömungsmittel in der Leitung 50 ab. Bei dieser Anfangsstellung verhindern die Kolbenringe 65 und 67 ein Abfließen von heißem Strömungsmittel aus der Leitung 52. während der Kolbenring 68 und das Halteglied «1 ein Abfließen von kaltem Strömungsmittel aus der Leitung 50 verhindern. Das Halteglied 81 % erhindert, daß heißes Strömungsmittel von der Leitung 54 in den Zylinder 44 gelangt. In bezug auf den Kolben 42 'erhindert das" Halteglied 82. daß heißes Strömungsmittel aus der Leitung 52 in den Zylinder 46 eintritt, während

40

durch Kolbenringe 65, 66, 67 und 68 voneinander 50 die Kolbenringe 76 und 78 ein Abfließen von heißem

getrennt sind. Die Wärmespeicherpackungen 60. 61, Strömungsmittel aus der Leitung 54 verhindern. Dei

Kolbenring 75 und das Halteglied 82 verhindern ein Abfließen von kaltem Strömungsmittel aus der Leitung 50.

In Fi ρ 2 hat der Kolben 40 sich um einen Ab schnitt oder eine Packimgslänge nach rechts vcrscho· bcn. während der Kolben 42 sich um einen Abschnit nach links bewegt hai, In diesen Stellungen werdet die Wärmespeicherpackungen 60 und 61 sowie T.

schers mit fünf Wärmespeicherpackungen sind die 6" und 74 durch das heiße Strömungsmiitcl aufgeheizt

Zylinder 44 und 46 in fünfzehn gleiche Abschnitte während die Packungen 63 und 71 Wärme an da

101 bis 115 eingeteilt worden, wobei jeder Abschnitt etwa gleich der Länge einer einzelnen Packung ist.

Das Zylinderende 90 umfaßt vier Abschnitte 101.

62, 63 und 64 werden zwischen Haltegliedern 80, 81 festgehalten. Der Kolben 42 weist in ähnlicher Weis: fünf Wärmespeicherpackungen 70. 71, 72. 73 und auf, die durch Kolbenringe 75. 76, 77 und 78 voneinander getrennt sind. Die Haltcgliciler 82, 83 sind an jedem Ende der Packungen 70. 71. 72. 73 und des Kolbens 42 vorgesehen.

Zur Erläuterung der Arbeitssveise des Wärmetaukalte Strömungsmittel abgeben.

In Fig. 3 hat sich der Kolben 40 insgesamt un zweieinhalb Abschnitte nach rechts verschoben, wäh

102. 103 und 104. Oie Leitung 52 für heißes Stm- 65 rend der Kolben 42 sich insgesamt um zweieinJial'

mungsniittei erstreck sich über zwei Abschnitte 105 Abschnitte nach links verschoben hat. Der Zwec

und 106. die Leitung 54 für heißen Strömungsmittel der Darstellung der Kolben 4(i und 42 in einem hei ebenfulk über zwei Ao'dinitte 110 und 111. !>ie Ab

her. Abschnitt besteht dvir.n. di Abdichtung der Xo

benringe während der Bewegung zwischen den Abschnitten zu zeigen. Es zeigt sich, daß die Kolbenringe 65 und 76 ein Abfließen zwischen der Leitung 52 für heißes Strömungsmittel und der Leitung 50 für kaltes Strömungsmittel verhindern, während die Kolbenringe 67 und 78 ein Abfließen zwischen der Leitung 54 für heißes Strömungsmittel und der Leitung 50 für kaltes Strömungsmittel verhindern.

Fig. 4 zeigt den Kolben 40 in seiner äußersten rechten Stellung und den Kolben 42 in seiner äußersten linken Stellung, beide jeweils um vier Abschnitte aus ihrer Ausgangsstellung verschoben. Rei Erreichen der Stellungen nach Fig.4 kehren beide Kolben 40 und 42 ihre Bewegungsrichtung um und bewegen sich zurück in Richtung auf ihre Ausgangsstellungen nach Fig. 1. Wie sich aus der Folge der Fig. I bis4 ergibt, nehmen die Wärmespeichcrpakkungen 60, 61 und 62 Wärme in den Abschnitten 105 und 106 auf und geben diese Wärme an das kalte Strömungsmittel in der Leitung 50 ab, wenn sie durch den Abschnitt 108 gelangen. Bei der Rückwärtsbewegung nach links nehmen die Packungen 62, 63 und 64 Wärme in den Abschnitten 110 und Ml auf und geben diese Wärme an das kalte Strömungsmittel in der Leitung 50 ab, wenn sie sich nach links durch den Abschnitt 108 verschieben. Die Rückwärts- und Vorwärtsbewegung des Kolbens 42 setzt die Wärmespcicherpackungen 70. 71, 72 und 73, 74 abwechselnd dem heißen und kalten Strömungsmittel in gleicher Weise aus.

Während der wechselweise entgegengesetzten Bewegung der Kolben 40 und 42 werden stets zwei Packungslängen des Kolbens 40 und des Kolbens 42 dem heißen Strömungsmittel aus den Leitungen 52 und 54 ausgesetzt. Somit werden insgesamt vier Pakkungslängen durch das heiße Strömungsmittel aufgeheizt. Gleichzeitig wird jeweils eine Packungslänge der Kolben dem kalten Strömungsmittel aus der Leitung 50 ausgesetzt. Deshalb geben insgesamt zwei Packungslängen Wärme an das kalte Strömungsmittel ab.

Der Regenerativ-Wärmetauscher kann verschiedene Anwendungen finden, beispielsweise als Zwischenkühler, als Luftvorwärmer für Industrie und Haushalt oder als Gasturbinenregenerator. Die folgende dctailliei'.e Beschreibung des Regenerativ-Wärmetauschers bezieht sich auf einen Gasturbinenregerrerator.

Wie in F i g. 5 gezeigt ist. kann der Regenerativ-Wärmetauscher 10 am Austrittsende 11 der Turbomaschine 12 befestigt sein. Ein Kolbenbetätigungsmechanismus 14 ist am einen Ende des Wärmetauschers 10 vorgesehen und erteilt den Kolben eine abwechselnde hin- und hergehende Bewegung. Der Betätigungsmechanismus 14 kann ein Getriebe mit direkter Kupplung von einer Hilfsturbomaschinenwelle sein, oder es können hydraulische, pneumatische oder elektrische Motoren vorgesehen werden.

Wie im einzelnen in F i g. 6 gezeigt ist. kann die Turbomaschine 12 einen Kompressor 16 mit einem Lufteinlaß 20 in einer einzigen radialen Stufe 18 enthalten. Eine Leitung 22 überführt die komprimierte Luft aus dem Auslaß 24 in den Einlaß 26 und dann in die Leitung 50 für das kalte Strömungsmittel des Wärmetauschers 10. Die Luft strömt in radialer Richtung durch die Packungen 61, 72 der Kolben 40. 42 des Wärmetauschers 10 nach außen. Die aufgeheizte, komprimierte Luft wird dann in die Brennkammcreinlaßschnecke 30 geleitet. Im Anschluß an die Verbrennung strömen die Verbrennungsgase durch die Schaufeln 32 der Turbine 34.

Die Abgase werden nach dem Durchströmen der Turbine 34 durch die Leitungen 52 und 54 für das heiße Strömungsmittel des Wärmetauschers geführt, die an dem Ende Il der Turbomaschine 12 angebracht sind. Wie F i g. 7 zeigt, strömen die heißen Abgase in radialer Richtung nach innen durch die

ίο Wärmespeieherpackungen 63, 74 der Kolben 40, 42, l>cvor sie durch die Auslaßleitungen 36 und 38 strömen.

Die einzelnen Wärmespcicherpackungen können in radialer Richtung von C-förmiger Gestalt sein, wie aus F i g. 6 und 7 zu entnehmen ist, oder sie können in axialer Richtung gekrümmt sein, damit die frontale Strömungsfläche vergrößert und damit die KoI-bcnlängc verringert wird. Während diese Figuren zeigen, daß das kalte Strömungsmittel in radialer Richtung nach außen und das heiße Strömungsmittel in radialer Richtung nach innen fließt, kann die Strömung in speziellen Anwendungsfällen auch umgekehrt werden. Birnenförmige Flügel 59 können die Strömung durch die Packungen gleichmäßiger vertcilcn. Abdichtungen 55, 57, die Labyrinthdichtungen sein können, können am offenen Ende der C-förmigen Packungen verwendet wurden.

F.s kann jede Art von Wärmespeichermaterial vorgesehen sein, da das Material nicht Teil der Tragkonstruktion ist. Das Material kann lediglich auf Grund der Wärmeleitung, des Gewichtes und des Volumens ausgewählt werden. Man verlangt von ihm nicht, daß es ein Abfließen verhindert, daß es Dichtungen trägt oder daß es mechanische oder Übertragungsbelastungen aufnimmt. Es können Wärmespeicherkcrne verwendet werden, die aus dreieckigen Rippen, wellenförmigen oder versetzten Rippen, gewobenen Drahtnetzen, gekreuzten Stäben, gefüllten Kugeln oder glaskeramischen zellularen Anordnungen bestehen. Mit Draht umwickelte Gittergcfüge können dicht gewickelt werden, so daß sie eine große Gefügefläche mit kleinem Durchmesser bei geringen Kosten und kleinen Mitreißverlusten bilden. Eine Schrägansicht eines C-förmigen, mit Draht umwikkellen Gitters ist in F i g. 8 gezeigt.

In dem Wärmetauscher tritt ein cch,fr Gegenstrom-Wärmeaustausch ein. d. h.. daß zwei Strömungsmittelströme sich direkt entgegengesetzt zueinander bewegen. Auf den Oberflächen der Packungen, die sich durch die heißen Abgase bewegen, wird Wärme gespeichert und anschließend an die Luft abgegeben. Die axiale Kolbenbewegung verschiebt die Packungen abwechselnd zwischen heißen und kalten Strömungsmittelströmen und ergibt eine selbstreinigende Wirkung, die gewährleistet, daß in den Pakkungen keine Verschmutzung und kein Verstopfen auftritt.

Der Flächeninhalt der Abdichtflächen bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher ist naturgemäß wesentlich kleiner als bei einem entsprechenden Drehscheiben-Wärmetauscher. Da die Gleitgeschwindigkeit der Kolben normalerweise niedrig ist, z. B. l,5m/sec, wird die Dichtungstebensdauer gegenüber Drehscheiben-Wärmetauschern, die Flächendichtungen erforderlich machen, wesentlich erhöht. Die Technik axialer Kolbenringe ist bei hin- und hergehenden Motoren für die Automobil- und Flugzeugindustrie hoch entwickelt; die Geschwindigkeit der hin-

und hergehenden Kolben liegt in der Größenordnung von 9 msec. Im Gegensatz zu Drehscheiben-Wärmetauschern ist keine Rcibdiehtung zwischen der Gefügefläche und dem Gehäuse erforderlich. Is tritt auch keine thermische Störung der Diehuingsreihflächcn auf.

Während in Verbindung mit F i g. I bis 4 ein Wärmetauscher mit fünf Wärmespeicuerpaektrieen beschrieben wurde, kann die Anzahl der Packungen auch geändert werden. Beispielsweise können acht

Packungen nach Fig.¹» oder elf Packungen nach Fig. II) verwendet werden. Hs ist möglich, eine beliebige Anzahl von Packungen. z.B. 3. 5, 8. 9, Il usw. zu verwenden. Fs gibt aber praktische Be- > jhränkungen, die die Anzahl der Packungen mit S 8 oder 11 am /.weckmäßigsten erscheinen lassen. Jt größer tue Anzahl der Packungen, desto kürzer win die Gesamtlänge des Wärmetauschers und um si kleiner werden die Leckverluste /wischen den heißet

ίο und kalten Strömungsmitteln.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   I. Regenerativ-Wärmetauseher mit in einem Gehäuse in einem Paar von Zylindern entlang deren Achsen parallel und axial sowie wechselweise entgegengesetzt hin- und herbewegbaren Kolben, welche mehrere Packungen gleicher axialer Länge aus strömungsmitteldurchlässigem Wärmespeichermaterial tragen, durch welches ein wärmeaufnehmendes und ein wärmeabgebendes Strömungsmittel zeitlich nacheinander in entgegengesetzter Richtung hindurchtreten, wobei getrennte Leitungen für die beiden Strömungsmittel vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespeicherpackungen (60 bis 64; 70 bis 74) zwischen jeweils zwei die Enden der Kolben (40; 42) bildenden Haltegliedern (80, 81; 82, 83) angeordnet und durch Kolbenringe (65 bis 68; 75 his 78) voneinander getrennt sind, und daß die Leitung (SO) für das wärmeaufnehmende Strömungsmittel zenirisch im Gehäuse (48) und auf jeder Seite dieser Leitung (50) — durch je eine Zwischenwand (56, 58) von der Länge einer Wärmespeicherpuekung getrennt — jeweils eine Leitung (52, 54) für das wärmeabgeben de Strömungsmitte! mündet, wobei die Leitungseinmündungen Räume bilden, deren axiale Breite ebenso wie die axiale Länge der Halteglieder (80, 81: 82, 83) und der Zylinderenden (90. 90 ein ganzzahliges Vielfaches der Länge einer Wärmespeicherpackung beträgt.
2. 2. Renerativ-Wärmetausche. nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils fünf Wärmespeicherpackunuen (60 bis 64; 70 bis 74) zwischen den Haltegliedern (80, 81; 82, 83) Ungeordnet sind, daß die Länge der Halteglieder eier Länge dreier Wärmespeicherpackungen entspricht, daß die Breite des von dem wärmeaufnehmenden Strömungsmittel beaufschlagten Raumes (Leitung 50) der Länge einer Wärmetpeicherpackung entspricht, während die Breite der von dem wärmeabgebenden Strömungsmittel beaufschlagten Räume (Leitungen 52. 54) jeweils tier Länge zweier Wärmespeicherpackungen entspricht, und daß die Zylinderenden (90, 91) eine Hxiale Länge von jeweils vier Wärmespeichcrpakkungen aufweisen.
3. 3. Regenerativ-Wärmetauscher nach An-Spruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die C-förinigen Wärmespeicherpackungen (60 bis 64; 70 bis 74) radial durchströmt sind und die Strömung gleichmäßig verteilende birnenförmige Flügel (59) aufweisen.