DE2838609C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehspeicherwärmetauscher, be­ stehend 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 Zwischen­ abstand umgebenden Gehäuse und axial gegenüberliegenden Ein- und Auslaßkanälen für ein wärmeabgebendes und ein zu erwärmen­ des Fluid, einem Traglager an dem einen und einem radialen Führungslager am anderen Ende der Rotorwelle, einem Dreh­ antrieb für den Rotor und wenigstens einer stirnseitigen, in mehrere radiale Abschnitte unterteilten Sektorplatte zur Trennung des wärmeabgebenden vom zu erwärmenden Fluid, wo­ bei benachbarte Abschnitte der Sektorplatte gelenkig mit­ einander verbunden sind, und sich im wesentlichen radial erstreckende Hebel jeweils an einem am Gehäuse montierten, als Drehpunkt dienenden Stützglied gelagert und über ein Gelenkgestänge mit einem Abschnitt der Sektorplatte ver­ bunden sind.

Bei Drehspeicherwärmetauschern der genannten Art wird eine aus wärmeabsorbierenden Elementen, üblicherweise in Form von Plattenpaketen, bestehende Masse zunächst in den Strö­ mungsweg eines sehr heißen Gases gebracht, um von dem hin­ durchströmenden Gas Wärme aufzunehmen. Nachdem die Platten durch die heißen Gase erhitzt worden sind, werden 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 enthal­ ten, welcher zwischen dem heißen und dem kühlen Fluid ro­ tiert, während ein festes Gehäuse mit Sektorplatten an gegenüberliegenden axialen Enden des Rotors dazu dient, die­ sen zu umgeben und die heißen und kühlen Fluide hindurchzu­ leiten. 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 Nach­ giebigkeit 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 Zwischenab­ stand muß jedoch vermieden werden, 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 Ver­ ringerung des Wirkungsgrads.

Die Wärmedehnung des Rotors und der benachbarten Gehäusetei­ le 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 Verfor­ mungen am stärksten. Um den dadurch verursachten Verlust an Dichtwirkung an diesem, d. h. dem "heißen" Ende des Rotors aus­ zugleichen, ist in der US-PS 37 86 868 eine Konstruktion vor­ geschlagen, bei der eine ebene Sektorplatte um ein am Gehäuse montiertes Stützglied verschwenkbar ist.

Obgleich diese bekannte Ausführung 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 Temperatur­ anstieg mit unterschiedlichen Wärmedehnungen und einer stärkeren Leckageströmung zwischen den verschiedenen, re­ lativ zueinander drehbaren Teilen verbunden.

Es ist auch schon bekannt, die einzelnen radial benachbarten Abschnitte der Sektorplatte gelenkig miteinander zu verbin­ den (DE-AS 11 90 599). Die einzelnen beweglichen Teilab­ schnitte sind dabei über radiale Hebel mit Ausgleichsge­ wichten verbunden. Sie können so von einer bestimmten Stel­ lung in eine andere bestimmte Stellung gebracht werden. Dies geschieht von Hand, so daß bei jeder Änderung der Zustands­ bedingungen das Personal die beweglichen Teilabschnitte neu justieren muß. Es besteht dabei jedoch die Gefahr, daß die Justierung nicht korrekt oder überhaupt nicht erfolgt. Das angestrebte Ziel, die Leckage zu verringern, kann so in das Gegenteil umschlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschrie­ benen bekannten Ausführungen weiter in der Richtung zu ver­ bessern, daß die Leckage während des Betriebs verringert wird, und zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein sich im wesentlichen axial erstrec­ kendes Steuerglied neben dem im radialen Führungslager ge­ lagerten Ende der Rotorwelle angebracht und in Abhängig­ keit von deren Wärmedehnung axial bewegbar ist, und die sich im wesentlichen radial erstreckenden Hebel jeweils gelenkig mit dem Steuerglied verbunden sind, so daß die Abschnitte der Sektorplatte durch das Steuerglied in Ab­ hängigkeit von den Wärmedehnungen der Rotorwelle axial bewegbar sind.

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

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Drehspei­ cherwärmetauscher gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Teilschnitt in größerem Maßstab als Fig. 1, welcher die Führung einer gelenkig unterteilten Sektorplatte dar­ gestellt,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Verfor­ mung eines Rotors unter Wärmeeinwirkung.

Der dargestellte Drehspeicherwärmetauscher hat eine senk­ recht angeordnete Rotorwelle 6 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 Wärme absorbieren und auf ein kühleres, zu erwärmendes Fluid übertragen.

Heiße Abgase oder andere Heizfluide treten in den Wärme­ tauscher 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 normaler­ weise ein nicht gezeigtes Sauggebläse angeschlossen ist. Nachdem die zu erwärmende Luft oder ein sonstiges zu erwär­ mendes Fluid durch das wärmeabsorbierende Material 10 gelei­ tet worden ist und dabei von diesem Wärme aufgenommen hat, wird es zum Ort seines Verbrauchs geleitet.

Ein zylindrisches Gehäuse 22 umschließt den Rotor mit be­ stimmtem Zwischenabstand, so daß zwischen beiden ein Ring­ raum 24 frei bleibt, welcher eine unabhängige Bewegung des Rotors um seine Achse erlaubt. Sektorplatten 26 zwischen den stirnseitigen Enden des Rotors und den benachbarten Gehäuse­ teilen 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, fle­ xible Dichtungen an der einen Endkante des Rotors anzubringen, welche mit der benachbarten Fläche des Gehäuses dichtend zu­ sammenwirken und eine Fluidströmung in diesem Bereich aus­ schließen.

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 wärmespeichernde Material 10 ab. Danach wird das nun­ mehr 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 be­ findet, wird dieses normalerweise als "kaltes" Ende des Wärme­ tauschers bezeichnet, während diejenige Seite des Wärmetau­ schers, wo sich der Einlaß des heißen Fluids befindet, als "heiße" Seite bezeichnet wird. Es versteht sich, daß am "heißen" Ende des Rotors die höchsten Temperaturverände­ rungen auftreten, während das "kalte" Ende des Rotors we­ sentlich niedrigeren Temperaturschwankungen und daraus re­ sultierenden 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 des Rotors und der benachbarten Gehäuseendwand mit der Folge starker Leckage zwischen diesen beiden relativ zueinander beweglichen Teilen.

Ein unteres Traglager 34 ist fest auf einem Fundament mon­ tiert und trägt die zentrale, den Rotor haltende Rotorwelle 6, welche um eine senkrechte Achse drehbar ist. Wenn der Rotor und die Rotorwelle erhitzt werden, können sie sich axial frei ausdehnen, sind aber unabhängig davon durch ein als Ra­ diallager ausgebildetes Führungslager 35 am "heißen" Ende des Rotors, welches radiale Bewegungen der Rotorwelle 6 verhindert, geführt.

Bei dem beschriebenen und gezeigten Ausführungsbeispiel ist am "heißen" Ende des Rotors eine Sektorplat­ te 26 vorgesehen, welche das heizende von dem zu erwärmen­ den 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 Verschie­ bung bzw. Verformung des benachbarten Bereichs des Rotors entspricht, so daß zwischen beiden nur eine minimale Fluid­ leckage 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 herab­ hängt oder in ähnlicher Weise so angebracht ist, daß es sich in direkter Abhängigkeit von der Wärmedehnung der Rotorwelle 6 auf- und abbewegt. Über axial versetzt am Steuerglied 36 an­ geordnete Gelenke 42 A, 42 B und 42 C sind Hebel 44 A , 44 B und 44 C angelenkt, an welchen über Gelenke 54 Tragstangen 52 A, 52 B, 52 C oder andere geeignete Gelenkgestänge vorgesehen sind, die den einzelnen Abschnitten der Sektorplatte eine senkrech­ te Bewegung erteilen.

Der Hebel 44 A ist abgestützt auf einem als Drehpunkt 46 A die­ nenden Stützglied, welches an einer Verbindungsplatte 48 oder einem anderen festen Gehäuseteil an diesem Ende des Rotors montiert ist. Die anderen Hebel 44 B und 44 C sind in ähnlicher Weise schwenkbar gelagert auf einem Gehäuseteil oder an einem Arm 50, welcher seinerseits verschwenk­ bar am Gehäuse montiert ist. Der Arm 50 kann z. B. verschwenkbar an einer Stelleinrichtung 51 montiert sein, welche dazu dient, den Arm 50 und die damit ver­ bundenen Hebel schnell und einfach in senkrechter Richtung zu verstellen, wenn sich der Rotor ausstülpt oder andere unnatürliche Bedingungen bestehen. Dann sorgt die Betäti­ gung eines Ventils 53 dafür, daß Druckfluid von einer Quel­ le 55 zur Stelleinrichtung 51 gelangt und diese sehr schnell die Arme 50, die Hebel 44, die Tragstangen 52 A-C 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 26 ist mit einer kastenförmigen Versteifung 56 versehen, welche auf der Oberseite des be­ treffenden Abschnitts der Sektorplatte aufgeschweißt oder in anderer Weise angebracht ist und diesen immer im wesent­ lichen eben hält. Die Versteifungen 56 können, wie im Bei­ spielsfall, die Grundlage für die Anbringung der Tragstangen 52 A-C mittels geeigneter Gelenkbolzen 62 bilden, wodurch jeder einzelne Abschnitt der Sektorplatte gelenkig mit einem Hebel 44 verbunden wird, der seinerseits gelenkig mit dem Steuerglied 36 verbunden ist.

Da, wie Fig. 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 kleinst­ mögliche Spalt ergibt.

Um jeden Drehpunkt 46 der Hebel 44 richtig einzustellen, müs­ sen die Betriebsbedingungen des Rotors bekannt sein. Danach können dann die Abstände d ¹, d ² und d ³ zwischen dem Steuerglied 36 und den betreffenden Drehpunkten nach bekannten Rechenregeln berechnet werden, so daß bestimmte senkrechte Bewegungen der Abschnitte der Sektorplatte ent­ sprechend der Bewegung des Steuerglieds 36 und der bekannten Hebelarme erhalten werden.

Durch geeignete Wahl der Lage der Drehpunkte 46 zum Zwecke der Veränderung des Verhältnisses zwischen den Abständen d ¹, d ² und d ³ und Abständen l ¹, l ², l ³ der Hebel 44 kann die senkrechte Bewegung der Sektorplatte bei Betätigung so eingerichtet werden, daß sie sich der Kontur des Rotors eng anpaßt und nur ein Minimum an Leckage auftritt.

Da der Hebel 44 C mit dem der radial innerste Abschnitt der Sektorplatte 26 verstellbar ist, ein Einfachhebel ist, während die beiden anderen Hebel 44 A und 44 B Doppelhebel sind, ist erkennbar, daß auch andere Führungs- und Stellgestänge eingesetzt werden können, um den unabhängigen Abschnitten der Sektorplatte die ge­ wünschte Steuerbewegung aufzuzwingen, so daß sie sich dem Verzug des Rotors anpassen.

Claims (5)

1. Drehspeicherwärmetauscher, bestehend aus einem von einer senkrechten, drehbar gelagerten Rotorwelle getragenen Rotor mit einer innerhalb eines zur Rotorwelle konzen­ trischen Rotormantels aufgenommenen Masse wärmespeichern­ den Materials, einem den Rotor mit Zwischenabstand umge­ benden Gehäuse und axial gegenüberliegenden Ein- und Aus­ laßkanälen für ein wärmeabgebendes und ein zu erwärmendes Fluid, einem Traglager an dem einen und einem radialen Führungslager am anderen Ende der Rotorwelle, einem Dreh­ antrieb für den Rotor und wenigstens einer stirnseitigen, in mehrere radiale Abschnitte unterteilten Sektorplatte zur Trennung des wärmeabgebenden vom zu erwärmenden Fluid, wo­ bei benachbarte Abschnitte der Sektorplatte gelenkig mit­ einander verbunden sind, und sich im wesentlichen radial erstreckende Hebel jeweils an einem am Gehäuse montierten, als Drehpunkt dienenden Stützglied gelagert und über ein Gelenkgestänge mit einem Abschnitt der Sektorplatte ver­ bunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich im wesentlichen axial erstreckendes Steuer­ glied (36) neben dem im radialen Führungslager (35) gela­ gerten Ende der Rotorwelle (6) angebracht und in Abhängig­ keit von deren Wärmedehnung axial bewegbar ist, und die sich im wesentlichen radial erstreckenden Hebel (44) je­ weils gelenkig mit dem Steuerglied (36) verbunden sind, so daß die Abschnitte der Sektorplatte (26) durch das Steuer­ glied (36) in Abhängigkeit von den Wärmedehnungen der Rotor­ welle (6) axial bewegbar sind.

2. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ab­ schnitte der Sektorplatte (26) mit einer Versteifung (56) versehen sind, um Wärmeverzug zu verhindern.

3. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Stützglied ein am Gehäuse (22, 48) angebrachter länglicher Arm (50) ist, an welchem für jeden Hebel (44) ein Drehpunkt (46) vorgesehen ist.

4. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der längliche Arm (50) schwenkbar am Gehäuse (22, 48) an­ gelenkt ist.

5. Drehspeicherwärmetauscher nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der längliche Arm (50) über einen in senkrechter Richtung wirksamen Antrieb (51, 53) mit dem Gehäuse (22, 48) verbunden ist, wobei durch Betätigung des Antriebs (51, 53) der längliche Arm (50) von der benachbarten Stirnseite des Rotors (8, 10) fortbewegbar ist.