DE2838609A1

DE2838609A1 - Drehspeicherwaermetauscher

Info

Publication number: DE2838609A1
Application number: DE19782838609
Authority: DE
Inventors: Roderick J Baker
Original assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Current assignee: Alstom Power Inc
Priority date: 1977-09-06
Filing date: 1978-09-05
Publication date: 1979-03-08
Also published as: JPS5621999B2; JPS5449669A; BR7805741A; OA06031A; FR2402178B1; FR2402178A1; DE2838609C2; CA1077021A; US4122891A

Description

Patentanwälte Dipi.-Ing. W.Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Jochem

Prankfurt/Main Staufenstraße 36

Svenska Rotor Maskiner Aktiebolag

S-104 65 Stockholm /Schweden

Drehspeicherwärmetauscher

Die Erfindung "betrifft einen Drehspeiche !"wärmetauscher, bestehend aus einem von einer senkrechten, drehbar gelagerten Rotorwelle getragenen Rotor mit einer innerhalb eines zur Rotorwelle konzentrischen Rotormantels aufgenommenen Masse wärmespeichernden Materials, einem den Rotor mit Zwischenabstand umgebenden Gehäuse mit axial gegenüberliegenden Ein- und Auslaßkanälen für ein wärmeabgebendes und ein zu erwärmendes Fluid, einem Traglager an dem einen und einem radialen Führungslager am anderen Ende der Rotorwelle, einem Drehantrieb für den Rotor und wenigstens einer stirnseitigen, in mehrere radial Abschnitte unterteilten Sektorplatte zur Trennung des wärmeabgebenden vom zu erwärmenden Fluid.

Bei Drehspeicherwärmetauschern der genannten Art wird eine aus wärmeabsorbierenden Elementen, üblicherweise in Form von Plattenpaketen, bestehende Masse zunächst in den Strömungsweg eines sehr heißen Gases gebracht, um von dem hindurchströmenden Gas Wärme aufzunehmen. Nachdem die Platten

909810/1005 LJ 8933 / 4.9.1978

durch die heißen Gase erhitzt worden sind, v/erden sie in den Strömungsweg eines kühlen, zu erwärmenden Fluids, zum Beispiel Luft, bewegt, wo sie dann ihre Wärme an die kühle Luft oder ein anderes zu erwärmendes Gas abgeben.

Das wärmeabsorbierende Material ist in einem Rotor enthalten, welcher zwischen dem heißen und dem kühlen Fluid rotiert, während ein festes Gehäuse mit Sektorplatten an gegenüberliegenden axialen Enden des Rotors dazu dient, diesen zu umgeben und die heißen und kühlen Fluide hindurchzuleiten. Um die Vermischung der heißen und kühlen Fluide zu verhindern, sind die Endkanten des Rotors mit flexiblen Dichtungsgliedern versehen, welche an den benachbarten Flächen des Gehäuses entlanggleiten und wegen ihrer Nachgiebigkeit bis zu einem bestimmten Maße ein Verziehen bzw. eine Verformung des Rotors durch mechanische Belastung und Wärmedehnung zulassen.

Damit sich der Rotor frei um seine Achse drehen kann, ist ein bestimmter Kleinstabstand zwischen dem Rotor und dem umgebenden Gehäuse erforderlich. Ein zu großer Zwischenabstand muß jedoch vermieden v/erden, weil daraus eine allzu starke Leckage resultiert. Die ungleichmäßige Wärmedehnung des Rotors und des Gehäuses führt jedoch normalerweise zu unerwünscht großen Leckspalten und einer entsprechenden Verringerung des Wirkungsgrads.

Die Wärmedehnung des Rotors und der benachbarten Gehäuseteile ist im Bereich des Einlasses des heißen Fluids am größten, weil hier der Rotor und das Gehäuse den höchsten Temperaturen ausgesetzt werden. Als Folge davon sind dort auch die Verformungen am stärksten. Um den dadurch verursachten Verlust an Dichtwirkung an diesem, d.h. dem "heißen" Ende des Rotors auszugleichen, ist in der US-PS 3 786 868 eine Konstruktion vorgeschlagen, bei der eine ebene Sektorplatte um ein am Gehäuse montiertes Stützglied verschwenkbar ist. Es ist auch bereits bekannt (vgl. z.B. US-PS 3 404 727) eine Sektorplatte in

909810/1005 Lj 8933 / 4.9.1978

mehrere radial benachbarte Abschnitte zu unterteilen und dann jeden Abschnitt so zu halten, daß sich eine gewünschte räumliche Beziehung zur benachbarten Fläche des Rotors ergibt.

Obgleich die bekannten Ausführungen bereits teilweise zu einer Verringerung der Leckage von Fluiden durch den Spalt zwischen dem Rotor und der Sektorplatte führen, stellt die Leckage nach wie vor ein wesentliches Problem dar, weil sich jeder Bereich der Sektorplatte linear ausdehnt, während sich die benachbarte Fläche des Rotors sowohl radial als auch axial verformt und dabei etwa die Form eines umgekehrten Tellers annimmt. Normalerweise ist deshalb ein Temperaturanstieg von unterschiedlichen Wärmedehnungen und einer stärkeren Leckageströmung zwischen den verschiedenen, relativ zueinander drehbaren Teilen verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen bekannten Ausführungen weiter in der Richtung zu verbessern, daß die Leckage während des Betriebs verringert wird, und zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß benachbarte Abschnitte der Sektorplatte gelenkig miteinander verbunden sind, ein sich im wesentlichen axial erstreckendes Steuerglied neben der Rotorwelle angebracht und in Abhängigkeit von deren Wärmedehnung bewegbar ist und sich im wesentlichen radial erstreckende Hebel jeweils an einem am Gehäuse montierten, als Drehpunkt dienenden Stützglied gelagert und gelenkig mit dem Steuerglied sowie über ein Gelenkgestänge mit einem Abschnitt der Sektorplatte verbunden sind, so daß dieser in Abhängigkeit von Wärmedehnungen der Rotorwelle axial bewegbar ist.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Abschnitte der Sektorplatte zwar zusammenhängen, aber unabhängig voneinander so geführt werden können, daß sie jederzeit eine mit Bezug auf das Ende des Rotors dicht benachbarte Stellung einnehmen, wodurch die vom Zwischenabstand abhängige Leckage minimal bleibt.

909810/100 5. Lj 8933 / 4.9.1978

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.· Es zeigen:

Pig. 1 einen Querschnitt durch einen Drehspeicherwärmetauscher gemäß der Erfindung,

Pig. 2 einen Teilschnitt in größerem Maßstab als Pig. 1, welcher die Führung einer gelenkig unterteilten Sektorplatte darstellt,

Pig. 3 eine schematische Darstellung der Verformung eines Rotors unter Wärmeeinwirkung.

Der dargestellte Drehspeicherwärmetauscher hat eine senkrecht angeordnete Rotorwelle β und einen dazu konzentrischen Rotormantel 8. Der Raum zwischen beiden ist mit einer Masse permeablen, wärmeabsorbierenden Materials 10 ausgefüllt. Dieses soll von einem heißen Fluid 'Tanne absorbieren und auf ein kühleres, zu erwärmendes Fluid übertragen.

Heiße Abgase oder andere Heizfluide treten in den Wärmetauscher durch einen Einlaßkanal 12 ein und werden durch einen Auslaßkanal 14 abgeleitet, nachdem sie durch das wärmeabsorbierende Material 10 des Rotors geleitet worden sind, der durch einen Drehantrieb rotierend angetrieben wird. Kalte Luft oder ein anderes zu erwärmendes Fluid tritt durch einen Einlaßkanal 16 in den Wärmetauscher ein und wird, nachdem das erwärmte Material des Rotors durchströmt worden ist, über einen Auslaßkanal 18 abgeleitet, an den normalerweise ein nicht gezeigtes Sauggebläse angeschlossen ist. Nachdem die zu erwärmende Luft oder ein sonstiges zu erwärmendes Fluid durch das wärmeabsorbierende Material 10 geleitet worden ist und dabei von diesem Wärme aufgenommen hat, wird es zum Ort seines Verbrauchs geleitet.

909810/1005 Lj 8933 / 4.9.1978

Ein zylindrisches Gehäuse 22 umschließt den Rotor mit "bestimmtem Zwischenabstand, so daß zwischen "beiden ein Ringraum 24 frei "bleibt, welcher eine unabhängige Bewegung des Rotors um seine Achse erlaubt. Sektorplatten 26 zwischen den stirnseitigen Enden des Rotors und den benachbarten Gehäuseteilen dienen dazu, den Strom des heißen Fluids von dem des zu erwärmenden Fluids zu trennen. Um die Leckage der einen Strömung zur anderen hin zu verhindern, ist es üblich, flexible Dichtungen an der einen Endkante des Rotors anzubringen, welche mit der benachbarten Fläche des Gehäuses dichtend zusammenwirken und eine Fluidströmung in diesem Bereich ausschließen.

Bei einem üblichen Wärmetauscher der hier beschriebenen Art, befindet sich der Einlaßkanal 12 am oberen Ende des Gehäuses. Das heiße Gas strömt von oben nach unten und gibt dabei Wärme an das \värmespeichernde Material 10 ab. Danach wird das nunmehr abgekühlte Gas durch den Auslaßkanal 14 abgeleitet. Da sich der Einlaß des zu erwärmenden Fluids neben dem Auslaß des abgekühlten Gases am unteren Ende des Wärmespeichers befindet, wird dieses normalerweise als "kaltes" Ende des Wärmetauschers bezeichnet, während diejenige Seite des Wärmetauschers, wo sich der Einlaß des heißen Fluids befindet, als "heiße" Seite bezeichnet wird. Es versteht sich, daß am "heißen" Ende des Rotors die höchsten Temperaturveränderungen auftreten, während das "kalte" Ende des Rotors wesentlich niedrigeren Temperaturschwankungen und daraus resultierenden Wärmedehnungen ausgesetzt ist.

Wegen der größten Wärmedehnung des Rotors am oberen, "heißen" Ende nimmt er die in Fig. 3 gezeigte, nach unten gekrümmte Gestalt an. Dabei entsteht normalerweise ein unerwünscht großer Spalt zwischen der oberen Stirnfläche dss Rotors und der benachbarten Gehäuseendwand mit der Folge starker Leckage zwischen diesen beiden relativ zueinander beweglichen Teilen.

Lj 8933/4.9.1978 _909810/1005

Ein unteres Traglager 34 ist fest auf einem Fundament montiert und trägt die zentrale, den Rotor haltende Rotorwelle 6, welche um eine senkrechte Achse drehbar ist. Wenn der Rotor und die Rotorwelle erhitzt v/erden, können sie sich

sind

axial frei ausdehnen,/aber unabhängig davon durch ein Radiallager 35 am "heißen" Ende des Rotors, welches radiale Bewegungen der ROtOr¹WeIIe 6 verhindert, geführt.

Bei dem beschriebenen und gezeigten Ausführungsbeispiä. der Erfindung ist am "heißen" Ende des Rotors eine Sektorplatte 26 vorgesehen, welche das heizende von dem zu erwärmenden Fluid trennt. Jede Sektorplatte am "heißen" Ende des Rotors ist in unabhängige, radial benachbarte Abschnitte unterteilt, die durch längliche Gelenke bzw. Scharniere 30 in der in Fig. 2 dargestellten Weise gelenkig miteinander verbunden sind. Jeder unabhängige Abschnitt der Sektorplatte hat eine Steuer- bzw. Betätigungseinrichtung , die ihn in axialer Richtung in einem Maße verstellt, das der Verschiebung bzw. Verformung des benachbarten Bereichs des Rotors entspricht, so daß zwischen beiden nur eine minimale Fluidleckage stattfindet.

Um die gewünschte selbsttätig wirksame Führung der einzelnen Abschnitte der Sektorplatte zu erreichen, ist ein Steuerglied 36 vorgesehen, welches vom Gehäuse des Führungslagers 35 herabhängt oder in ähnlicher Weise so angebracht ist, daß es sich in direkter Abhängigkeit von der Wärmedehnung der Rotorwelle auf- und abbewegt. Über axial versetzt am Steuerglied 36 angeordnete Gelenke 42A, 42B und 42C sind Hebel 44A, 44B und angelenkt, welche beidseits gelenkig verbundenen Tragstangen 52 oder einem anderen geeigneten Gelenkgestänge und darüber auch den einzelnen Abschnitten der Sektorplatte eine senkrechte Bewegung erteilen.

Der Hebel 44A ist abgestüzt auf anem als Drehpunkt 46A dienenden Stützglied, welches an einer Verbindungsplatte 48 oder einem anderen festen Gehäuseteil an diesem Ende des

909810/1005 Ig 8933 / 4.9.1978

Rotors montiert ist. Die anderen Hebel 44B und 44C sind in ähnlicher Weise schwenkbar gelagert auf einem Gehäuseteil oder an einem Gestänge 50, welches seinerseits verschwenkbar am Gehäuse montiert ist. Das Gestängeteil 50 kann z.B. verschwenkbar an einer Stelleinrichtung 51 montiert sein, reiche dazu dient, das Gestängeteil 50 und die damit verbundenen Hebel schnell und einfach in senkrechter Richtung' zu verstellen, wenn sich der Rotor ausstülpt oder andere unnatürliche Bedingungen bestehen. Dann sorgt die Betätigung eines Ventils 53 dafür, daß Druckfluid von einer Quelle 55 zur Betätigungseinrichtung 51 gelangt und diese sehr schnell das Gestängeteil 50, die Hebel 44, die Tragstangen und die damit verbundenen Abschnitte der Sektorplatte 26 senkrecht von der Stirnfläche des Rotors weg bewegt. Die Betätigung des Ventils 53 erfolgt automatisch bei zu starker Reibung oder anderen Betriebsstörungen. Jeder Abschnitt der Sektorplatte ist mit einem kastenförmigen Versteifungsaufbau 26 versehen, welcher auf der Oberseite jeweils des betreffenden Abschnitts der Sektorplatte aufgeschweißt oder in anderer Weise angebracht ist und diesen immer im wesentlichen eben hält. Die Versteifungen 56 können, wie im Beispielsfall, die Grundlage für die Anbringung der Tragstangen 52 mittels geeigneter Gelenkbolzen 62 bilden, wodurch jeder einzelne Abschnitt der Sektorplatte gelenkig mit einem Hebelarm 44 verbunden wird, der seinerseits gelenkig mit dem Betätigungs - bzw. Steuerglied 36 verbunden ist.

Da, wie Pig. 3 zeigt, das stärkste Abbiegen nach unten des Rotors am radial äußeren Ende erfolgt, während radial nach innen zu ein ständig geringeres Abbiegen erfolgt, wird jeder Abschnitt der gelenkigen Sektorplatte bei Wärmedehnungen der Rotorwelle individuell in dem Maße verstellt, wie es das Maß des Abbiegens des Rotors an der entsprechenden, direkt benachbarten Stelle bedingt, so daß sich überall der kleinstmögliche Spalt ergibt.

Um jeden Drehpunkt 46 der Hebel 44 richtig einzustellen, müssen die Betriebsbedingungen des Rotors bekannt sein. Danach

909810/1005 Lj 8933 / 4.9.1978

können dann die Abstände d"!, d² und d3 zwischen der Betätigungsstange 36 und den betreffenden Drehpvmkten nach bekannten Rechenregeln berechnet werden, so daß bestimmte senkrechte Bewegungen der Abschnitte der Sektorplatte entsprechend der Bewegung des Betätigungsglieds 36 und der bekannten Hebelarme erhalten werden.

Durch geeignete Wahl der Lage der Drehpunkte 46 zum Zwecke der Veränderung des Verhältnisses zwischen der Länge der Hebelarme d"¹, d² und d3 mit Bezug auf die Hebelarme 1"!, I² und 3.3 kann die senkrechte Bewegung der Sektorplatte bei Betätigung so eingerichtet v/erden, daß sie sich der Kontur des Rotors eng anpaßt und nur ein Minimum an Leckage auftritt.

Während der Hebel 44C ein Hebel "zweiter Klasse" ist, der dem radial innersten Abschnitt der Sektorplatte 26 eine bestimmte Art von Betätigung erteilt, ist erkennbar, daß auch andere Führungs- und Stellgestänge eingesetzt werden können, um den unabhängigen Abschnitten der Sektorplatte die gewünschte Steuerbewegung aufzuzwingen, so daß sie si'ch dem Verzug des Rotors anpassen.

Lj 8933 / 4.9.1978 90 98 10/1005

Claims

Patentansprüche

Drehspeicherwärmetauscher, bestehend aus einem von einer senkrechten, drehbar gelagerten Rotorwelle getragenen Rotor mit einer innerhalb eines zur Rotorwelle konzentrischen Rotormantels aufgenommenen Masse wärmespeichernden Materials, einem den Rotor mit Zwischenabstand umgebenden Gehäuse und axial gegenüberliegenden Ein- und Auslaßkanälen für ein wärmeabgebendes und ein zu erwärmendes Fluid, einem Traglager an dem einen und einem radialen Führungslager am anderen Ende der Rotorwelle, einem Drehantrieb für den Rotor und wenigstens einer stirnseitigen, in mehrere radiale Abschnitte unterteilten Sektorplatte zur Trennung des wärmeabgebenden vom zu erwärmenden Fluid, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Abschnitte der Sektorplatte (26) gelenkig miteinander verbunden sind, ein sich im wesentlichen axial erstreckendes Steuerglied (36) neben der Rotorwelle (6) angebracht und in Abhängigkeit von deren Wärmedehnung bewegbar ist und sich im wesentlichen radial erstreckende Hebel (44) jeweils an einem am Gehäuse (22, 48) montierten, als Drehpunkt (46) dienenden Stützglied (50) gelagert und gelenkig mit dem Steuerglied (36) sowie über ein Gelenkgestänge (52) mit einem Abschnitt der Sektorplatte (26)verbunden sind, so daß dieses in Abhängigkeit von Wärmedehnungen der Rotorwelle (6) axial bewegbar ist.
2. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte der Sektorplatte (26) mit einer Versteifung (56) versehen sind, um Wärmeverzug zu verhindern.

909810/1005 Ig 8933 /4.9.1978
3. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (22, 48) ein Stützglied in Form eines länglichen Arms (50) angebracht ist, an welchem für jeden radialen Hebel (44) ein Drehpunkt (46) ausgebildet ist.
4. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der lär^licfne Am (50) schwenkbar an Gehäuse (22. i-3) angelenkt is"c.
5. Drehspeichervärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Arm (50) über einen in senkrechter Richtung v/irksamen Antrieb (51, 53) mit dem Gehäuse (22, 48) verbunden ist, wobei durch Betätigung des Antriebs (511 53) der längliche Arm (50) von der benachbarten Stirnseite des Rotors (8, 10) fortbewegbar ist.

La 8933 /4. 9.1978 _909810/1005