DE2358747A1

DE2358747A1 - Regenerativ-waermeaustauscher

Info

Publication number: DE2358747A1
Application number: DE2358747A
Authority: DE
Inventors: Robert Noel Penny
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-11-28
Filing date: 1973-11-26
Publication date: 1974-05-30
Also published as: FR2208051B3; FR2208051A1; GB1407636A; IT999829B; JPS5644356B2; US3891028A; CA979673A; JPS50450A

Description

PATE	*
DIPL. ING.	R. HOLZES
AU	G S B U Ii G
FHHaPFINE	- VVELS EK-SSTIlASSJt 1*
VE	1.SFON₁ SMTS

235874

6i}6

Augsburg, den 26. November 1973

Robert Noel Penny, 12 Alderbrook Road, Solihull,

Warwickshire, England

Regenerativ-Wärmeaustauseher

Die Erfindung betrifft einen Regenerativ-Wärmeaustauscher_e Insbesondere handelt es sich hierbei um einen Wärmeaustauscher für ein Gasturbinentriebwerk»

Es sind bereits Regenerativ-Wärmeaustauscher bekannt, die einen umlaufenden scheibenförmigen Wärmespeicherkörper

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aufweisen, ßei solchen Wärmeaustauschern ist die Anordnung einer wirksamen Gleitdichtung zwischen dem Gehäuse und dem umlaufenden Speicherkörper schwierig. Insbesondere bereitet bei den bekannten Wärmeaustauschern die zwischen dem Gehäuse und dem Speicherkörper auftretende relative Wärmedehnung Schwierigkeiten, da der Speicherkörper gewöhnlich aus keramischem Werkstoff besteht und spröde ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Regenerativ-Wärmeaustauscher der eingangs dargelegten allgemeinen Art im Sinne einer Verminderung der Dichtungsund Wärmedehnungsprobleme zu verbessern.

Gemäß der Erfindung ist ein solcher Regenerativ-Wärmeaustauscher dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicherkörper als Kolben ausgebildet ist, der in einem, in einem Gehäuse gebildeten Zylinder hin- und herbewegbar ist, daß ferner i-Iittel zum Hin- und Herbewegen des Speicherkörpers im Zylinder vorgesehen sind und daß der Zylinder jeweils eine bei der einen Stellung des Speicherkörpers im Zylinder mit dem Speicherkörper in Verbindung stehende Einlaßöffnung und Auslaßöffnung und jeweils eine weitere, bei der anderen Stellung des Speicherkörpers im Zylinder mit dem Speicherkörper in Verbindung stehende Einlaßöffnung

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und Auslaßöffnung aufweist, derart, .daß, wenn der Speicherkörper abwechselnd seine eine oder seine andere Stellung einnimmt, abwechselnd heiße und kalte Strömungsmittelströme den Speicherkörper durch die einen bzw. anderen Einlaß- und Auslaßöffnungen hindurch durchströmen.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung werden nicht nur die eingangs genannten Schwierigkeiten gelöst, sondern sie weist darüberhinaus noch den Vorteil auf, daß Lagerung und Antrieb eines kolbenförmigen Speicherkörpers einfacher als bei einem scheibenförmigen umlaufenden Speicherkörper sind.

Der·Speicherkörper ist vorzugsweise so ausgebildet, daß er die eine Einlaßöffnung und die eine Auslaßöffnung verschließt, bevor er die weitere Einlaßöffnung und die weitere Auslaßöffnung öffnet bzw. umgekehrt.

Im Gehäuse kann eine Vielzahl von Zylindern gebildet sein, die jeweils einen Speicherkörper enthalten, In diesem Fall können die.Zylinder so angeordnet sein, daß ihre Längsachsen zueinander parallel verlaufen und mit gleichen gegenseitigen Abständen auf einem gedachten Teilkreis im

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Gehäuse liegen. Wenn die Zylinder in dieser Weise angeordnet sind, so können die Speienerkörper zweckmäßigerweise mittels einer Schrägscheibe oder einer äquivalenten. Vorrichtung zyklisch der Reihe nach hin- und herbewegt werden. In Abwandlung dazu können die Zylinder in einem Gehäuseteil angeordnet sein, welches um die Achse des genannten gedachten Teilkreises drehbar ist und die Speicherkörper zyklisch der Reihe nach unter der Steuerung einer feststehenden Kurvenscheibe hin- und herbewegt.

Der oder die Speicherkörper können aus porösem keramischem oder keramikähnlichem Werkstoff, beispielsweise Siliziumnitrid, hergestellt sein. In Abwandlung dazu können der oder die Speicherkörper ein hohles Gehäuse aufweisen, welches mit einem porösen oder schaumähnlichen, wärmebeständigen Werkstoff gefüllt ist und mit den genannten Einlaß- und Auslaßöffnungen des jeweils zugeordneten Zylinders zusammenwirkende öffnungen aufweist.

Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Pig, I einen Schnitt durch einen

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Regenerativ-Warmeaustauscher nach der Erfindung mit einem, einen Zylinder bildenden Gehäuse und einem darin in der einen Stellung stehenden Speicherkörper,

Fig. 2 einen Schnitt ähnlich Fig, 1,

wobei der Speicherkörper in der anderen Stellung im Zylinder steht,

Fig. 3 einen in kleinerem Maßstab als

die Fig„ 1 und 2 gezeichneter Axialschnitt durch ein Gehäuse mit einer Vielzahl von Zylindern, die dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Zylinder entsprechend ausgebildet sind, wobei der Speicherkörper in einem der geschnittenen Zylinder in seiner einen Stellung (entsprechend Fig_e 1) und der im anderen geschnittenen Zylinder befindliche Speicherkörper in seiner anderen Stellung (entsprechend Fig. 2) steht, und

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Fig. 4 einen im gleichen Maßstab wie

die Fig, I und 2 gezeichneten Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Fig, 3»

Gemäß Fig_e 1 bildet ein Gehäuse 1 einen Zylinder 2, in welchem ein Speicherkörper 3 axial verschieblieh ist. Der Zylinder 2 weist einen Einlaß 4 und einen Auslaß für kalte Gase auf. Der Einlaß 4 kann die kalten Gase beispielsweise vom Verdichter eines nicht dargestellten Gasturbinentriebwerks erhalten. Der Einlaß 4 und der Auslaß 5 sind einander diametral gegenüber im Zylinder 2 angeordnet. Ferner weist der Zylinder 2 einen Einlaß 6 und einen Auslaß 7 für heiße Gase auf. Der Einlaß 6 kann diese heißen Gase von der Turbine des Gasturbinentriebwerks empfangen. Der Einlaß 6 und der Auslaß 7 sind wiederum an einander diametral gegenüberliegenden Stellen des Zylinders 2 angeordnet.

Der Speicherkörper 3 weist ein kolbenförmiges, an seinen Stirnseiten verschlossenes Metallgehäuse 8 auf, welches im Zylinder 2 dicht verschiebbar ist« Das Gehäuse weist einander diametral gegenüberliegende Öffnungen 9 und

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auf, die entweder, wie in Fig.. 1 dargestellt ist, mit dem Einlaß 4 bzw, dem Auslaß 5 in Verbindung oder, wie in Pig,, 2 dargestellt ist, mit dem Einlaß 6 bzw« dem Auslaß 7 in Verbindung gebracht werden können, jeweils in Abhängigkeit von der Stellung des Speicherkörpers 3 im Zylinder 2, Das Gehäuse 8 ist mit einem porösen oder schaumähnlichen, wärmebeständxgen Werkstoff 11, beispielsweise Siliziumnitrid, gefüllt.

Im Betrieb werden, wenn der Speicherkörper 3 seine in Fig. 2 dargestellte Stellung eingenommen hat, heiße Gase durch den Einlaß 6 und die öffnung 9 in den Speicherkörper eingeleitet, welche das Speichermaterial 11 erwärmen, bevor sie durch die öffnung 10 und den Auslaß 7 und von da aus beispielsweise in die Außenluft ausströmen Der Speieherkörper 3 wird dann axial nach rechts in die in Fig.- 1 dargestellte Stellung verschoben und verschließt den Einlaß 6 und den Auslaß 7, bevor der Einlaß 4 bzw« der Auslaß 5 mit den öffnungen 9 und 10 des Gehäuses 8 des Speicherkörpers in Verbindung gebracht werden, Kalte Gase, beispielsweise Luft aus einem Verdichter eines Gasturbinentriebwerks, treten dann in das vorher erwärmte Speichermaterial 11 des Speicherkörpers 3 durch den Einlaß 4 und die öffnung 9 ein und werden vom Speichermaterial 11 erwärmt, bevor sie durch

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die Öffnung 10 und den Auslaß 5 und von da aus beispielsweise in eine Brennkammer des Gasturbinentriebwerks ausströmen. Danach wird der Speicherkörper 3 wieder axial nach links in die in Fig, 2 dargestellte Stellung verschoben, wobei der Speicherkörper 3 den Einlaß 4 und den Auslaß 5 verschließt, bevor der Einlaß 6 mit der öffnung 9 und der Auslaß 7 mit der Öffnung 10 in Verbindung gebracht werden« Danach v/ird der Zyklus wiederholt.

Der Speicherkörper 3 kann im Zylinder 2 mittels einer Kolbenstange 12 bewegt werden, welche von einer nicht dargestellten Kurvenscheibe gesteuert wird, welch letztere ihrerseits beispielsweise über eine umlaufende Welle des Gasturbinentriebwerks angetrieben ist.

Gegebenenfalls kann eine Vielzahl von Zylindern der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Art in einem ringförmigen oder zylindrischen Gehäuse so angeordnet sein, daß ihre Längsachsen zueinander parallel und mit gegenseitigen Abständen auf einem Teilkreis X (Fig, 4) angeordnet sind. Eine solche Anordnung ist in den Fig, 3 und 4 dargestellt, wobei mit Bezug auf die Fig* 1 und 2 gleichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

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Gemäß den Fig. 3 und 4 stehen die Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen 4 und 5 eines Zylinders 2 bei einer Stellung A eines Speicherkörpers 3 wie in Fig. 1 mit den Öffnungen 9 und 10 des Gehäuses 8 des Speicherkörpers 3 in Verbindung, Unter Druck stehende Luft, beispielsweise vom Verdichter eines Gasturbinentriebwerks strömt in einen Kanal 13, der mit den Einlaßöffnungen 4 sämtlicher Zylinder in Verbindung steht« Nach dem Durchströmen des Speichermaterials 11 des Speicherkörpers 3 und der öffnungen 10 und 5 tritt die Luft in eine zwischen den Zylindern 2 und dem Gehäuse 1 gebildete Kammer 14 ein. Die Kammer 14 leitet die aus dem Speicherkörper 3 kommende erwärmte Druckluft beispielsweise in eine Brennkammer des Gasturbinentriebwerks,

Gleichzeitig stehen die Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen und 7 eines anderen Zylinders 2 bei einer Stellung B des darin befindlichen Speicherkörpers 3 wie in Fig. 2 mit den öffnungen 9 und 10 des Gehäuses 8 des Speicherkörpers 3 in Verbindung, Heiße, unter Druck stehende Gase, die beispielsweise aus einer Turbine des Gasturbinentriebwerks kommen, strömen in einen weiteren Kanal 15, der mit allen Einlaßöffnungen 6 in Verbindung steht, und strömen nach dem Hindurchströmen durch den Speicherwerkstoff 11 des

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Speicherkörpers 3 und die öffnungen 10 und 7 beispielsweise in die Außenluft aus.

Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform die kalte Luft und das heiße Gas in der gleichen Richtung durch die Zylinder hindurciiströmen, können sie die Zylinder auch in entgegengesetzten Richtungen, also im Gegenstrom, durchströmen β

Die Speicherkörper 3 sind wie in den Pig, I und 2 jeweils mit einer Kolbenstange 12 versehen, dessen freies Ende mit einem Kugellager 17 zusammenwirkt, welches mittels eines Stützkörpers 18 auf einer Schrägscheibe 19 oder einer Kurvenscheibe befestigt ist, welche gemäß Fig, 3 mittels einer Welle 20 drehbar ist« Bei Drehung der Welle bewirkt die Schrägscheibe 19 der Reihe nach eine zyklische Hin- und Herbewegung der Speicherkörper 3 in ihren Zylindern 2 zwischen ihren beiden Endstellungen A und B, Durch in Fig, 3 sichtbare Schraubenfedern 21 werden die Speicherkörper.3 nach links gedrückt.

In Abwandlung dazu kann das die Zylinder 2 enthaltende Gehäuse 1 um eine zu den Zylinderachsen parallele und durch den Mittelpunkt des Teilkreises X gehende Achse drehbar

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sein und die Schrägscheibe 19 kann durch eine feststehende Kurvenscheibe mit geneigter Stirnfläche ersetzt sein, Vielehe das Hin- und Hergehen der Speicherkörper bewirkt. Der Hub der Speicherkörper 3 kann durch Änderung des Winkels der Schrägscheibe 19 bzw. der Kurvenscheibe eingestellt werden. Anstelle einer Schrägscheibe 19 kann auch eine Vielzahl von synchron laufenden Kurvenscheiben Anwendung findenβ

Obwohl die Zylinder 2 gemäß den Pig, 3 und 4 auf einem Teilkreis angeordnet sind, können sie selbstverständlich' auch in anderer Weise angeordnet sein» Beispielsweise können die Zylinderachsen radiale Abstände voneinander aufweisen oder auf zwei oder mehreren konzentrischen Teilkreisen angeordnet sein.

Anstatt durch mit porösem oder schaumähnlichem Material gefüllte Gehäuse 8 können die Speicherkörper auch durch Zy linder kör per aus porösem keramischem oder keramikähn-lichem Werkstoff, beispielsweise Siliziumnitrid, gebildet sein.

Obwohl die Speicherkörper als Vollzylinder dargestellt sind, können sie auch als Hohlzylinder ausgebildet oder in Längsrichtung gekrümmt sein. Im letzteren Fall müßten

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die Zylinder in gleicher Weise in Längsrichtung gekrümmt sein₉

Ferner können die Speicherkörper, obwohl sie als in Längsrichtung, hin- und herbewegliche Kolben dargestellt worden sind, anstatt dessen auch durch Winkelbewegungen oder schraubenförmige Bewegungen zwischen zwei Betriebsstellungen hin- und herbewegbar sein.

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Claims

Patentansprüche

I I₉/Regenerativ-Wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicherkörper als Kolben (3) ausgebildet ist, der in einem, in einem Gehäuse (1) gebildeten Zylinder (2) hin- und herbewegbar ist, daß ferner Mittel zum Hin- und Herbewegen des Speicherkörpers im Zylinder vorgesehen sind und daß der Zylinder jeweils eine bei der einen Stellung des Speicherkörpers im Zylinder mit dem Speicherkörper in Verbindung stehende Einlaßöffnung (4) und Auslaßöffnung (5) und jeweils eine weitere, bei der anderen Stellung des Speicherkörpers im Zylinder mit dem Speicherkörper in Verbindung stehende Einlaßöffnung (6) und Auslaßöffnung (7) aufweist, derart, daß, wenn der Speicherkörper abwechselnd seine eine oder seine andere Stellung einnimmt, abwechselnd heiße und kalte Strömungsmittelströme den Speicherkörper durch die einen bzw, anderen Einlaß- und Auslaßöffnungen hindurch durchströmen.

2, Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkörper (3) den einen Einlaß (4)

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und den einen Auslaß (5) verschließt, bevor er mit dem weiteren Einlaß (6) und Auslaß (7) in Zusammenwirkung tritt b zw. umgekehrt«

3» Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (1) eine Vielzahl von Zylindern (2) angeordnet ist, die jeweils einen Speicherkörper (3) enthalten,

4, Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (2) derart im Gehäuse (1) angeordnet sind, daß ihre Längsachsen parallel sind und mit gleichen Abständen auf einem gedachten Teilkreis (X) im Gehäuse liegen,

5, Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherkörper (3) mittels einer relativ zum Gehäuse (1) drehbaren Schrägscheibe (19) zyklisch und der Reihe nach in ihren Zylindern (2) hin- und herbewegt werden,

6» Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherkörper (3) durch Drehung des

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Gehäuses (1) relativ zu einer geneigten Scheibe, gegen welche die Speicherkörper mittels Federn (21) gedrückt werden, zyklisch und der Reihe nach in ihren Zylindern (2) hin- und herbewegt werden,,

7, Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Speicherkörper (3) als Vollkörper aus porösem keramischem oder kermikähnlichem Werkstoff ausgebildet ist bzw_e sind,

8. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Speicherkörper (3) als hohles, mit porösem oder schaumähnlichem, wärmebeständigem Werkstoff (11) gefülltes kolbenförmiges Gehäuse (8) ausgebildet ist bzw, sind, wobei dieses Gehäuse (8) öffnungen (9, 10) aufweist, welche mit den genannten Einlassen (4, 6) und Auslässen (5, 7) des jeweils zugehörigen Zylinders (2) in Verbindung bringbar sind«

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