DE3028632C2

DE3028632C2 - Regenerator mit einer in einem Gehäuse untergebrachten, um eine Drehachse umlaufenden, hohlzylindrischen Wärmetauscherwalze

Info

Publication number: DE3028632C2
Application number: DE3028632A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr.-Ing. 7500 Karlsruhe Zenkner
Original assignee: Wilhelm Gebhardt GmbH
Current assignee: Gebhardt Ventilatoren GmbH and Co KG
Priority date: 1980-07-29
Filing date: 1980-07-29
Publication date: 1985-07-25
Also published as: JPS5752796A; GB2084307A; SE458477B; US4491171A; DE3028632A1; SE8104523L; CH657207A5; SG34285G; CA1161029A; GB2084307B; NL8103562A; HK52685A; AT373999B; ATA319781A; FR2487964A1; FR2487964B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Regenerator mit einer in einem Gehäuse untergebrachten, um eine Drehachse umlaufenden, hohlzylindrischen Wärmetauscherwalze, deren Walzenmantel aus einem Wärmeträgermaterial aus zwischen sich radiale Durchströmspalte bildenden Lamellen besteht und in voneinander getrennten Bereichen von einem Wärme zuführenden und einem Wärme aufnehmenden Medienstrom durchsetzt wird und deren innerer Hohlzylinder durch eine feststehende Zwischenwand in je einem Medienstrorr. zugeordnete Bereiche geteilt ist, die die Medienströme unter zweimaligem, annähernd radialem Durchtritt durch den Walzenmantel quer zu der Drehachse der Wärmetauscherwalze durchströmen.

Es ist bereits ein Regenerator dieser Art aus der CH-PS 3 91 753 bekannt.

Dieser Regenerator besitzt eine umlaufende, als Wärmeträger fungierende Ringtrommel deren Ring durch eine Vielzahl von mit der Trommel verbundenen radialen Schaufeln in von der radial außen liegenden Begrenzung des Ringes zu dessen radial innen liegenden Begrenzung führende Schaufelkanäle unterteilt ist, wobei der Trommelinnenraum als feststehendes, in Leitkanäle unterteiltes Umlenkteil ausgebildet ist, durch dessen Leitkanäle eine aus Strömungskanälen nach innen in den feststehenden Teil eintretende Strömung zum nochmaligen Durchströmen der Speichertrommel nach außen umgelenkt wird. Die Anschlüsse für die Medien an

ίο der radial außen liegenden Begrenzung der Trummel verlaufen eng nebeneinander liegend entweder parallel oder unter spitzem Winkel zueinander und sind so ausgerichtet, daß die ein- und austretende Strömung etwa quer zur Schaufellängsrichtung orientiert ist. Bei einer solchen Anordnung ist einerseits wegen der ungünstigen Ausrichtung der Anschlußkanäle zu den Schaufeln der Ringtrommel der Strömungswiderstand groß, und andererseits — und vor allem — der Einbau in Kanäle von bereits bestehenden Anlagen umständlich und aufwendig: Der Kreisquerschnitt des Regenerators bzw. seines Gehäuses und der Rechteckquerschnitt der Kana'leiiung machen ein kompliziertes und mit Stromungsverlusten behaftetes Übergangsstück erforderlich, außerdem liegen die Zuluft- und Fortluftkanäle notwendigerweise sehr eng beieinander, so daß die Befestigung der Kanäle kompliziert, die Lagerung des Rotors schlecht zugänglich und die Kühlung der Lager schwierig ist Bei der Anordnung nach der US-PS 31 94 301 sind ähnliche Nachteile festzustellen: hier handelt es sich um einen Regenerativ-Vorwärmer für die Verbrennungsluft, z. B. bei Hochöfen, dessen von einem Gehäuse mit Kreisquerschnitt umgebener Walzenmantel aus zwischen sich radiale Durchströmspalte bildenden Lamellen besteht und einen Hohizylinder umschließt, der durch eine feststehende Zwischenwand in zwei ungleich große, jeweils von einem Medienstrom durchströmte Bereiche oder Abteile unterteilt ist, denen jeweils zwei unter einem rechten Winkel zueinander verlaufende Anschlüsse zugeordnet sind, die zum Erzielen etwa gleichbleibender Geschwindigkeiteh der eintretenden und austretenden Strömung unter Berücksichtigung der jeweiligen Temperaturen des Mediums vor und nach dem Durchtritt durch die Walze verschieden große Durchmesser haben. Es leuchtet ein, daß der Einbau einer solchen Anordnung in Kanäle von bereits bestehenden Anlagen schwierig zu realisieren und auf alle Fälle mit denselben Nachteilen wie die Anordnung nach der CH-PS 3 91 753 behaftet ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugründe, einen Regenerator der hier in Frage stehenden Art zu schaffender bei kostengünstiger Serienfertigung einfach in vorhandene Kanalsysteme einbaubar ist und einen geringen Strömungswiderstand aufweist.

Zu dem oben genannten Zweck ist gemäß der Erfindung bei der neuen Anordnung vorgesehen, daß das Gehäuse in bezug auf die Drehachse der Wärmetauscherwalze 4-strahlig-symmetrisch ausgebildet ist mit etwa quadratischem Querschnitt und mit vier um jeweils 90° gegeneinander versetzten Kanalstutzen, von denen auf jeder Seite der den Innenraum der Wärmetauscherwalze in zwei symmetrische Bereiche halbzylindrischer Form· unterteilenden Zwischenwand jeweils zwei Kanalstutzen liegen und in einander gegenüberliegender Anordnung jeweils die Zuströmkanäle und die Abströmkanäle bilden, die das Medium jeweils zur radialen Durchströmung der Wärmetauscherwalze führen und an welche die der Zufuhr und Abfuhr der Medienströme dienenden Anlagekanäle in zueinander fluchten-

der und/oder rechtwinkliger Anordnung anschließbar sind.

Es ergibt sich nunmehr ein den typischen Kanalbauformen entsprechendes, flachbauendes und langgestrecktes Einbauelement realtiv kleinen Einbauvolumens mit einem sehr guten Wärmewirkungsgrad und mit möglichst variablen Kanalanschlüssen, bei dem die um 90° versetzten Kanalstutzen einfachste Anschlußmontage ermöglichen, durch die jede beliebige Zuström- und AbrVömbedingung erfüllt werden kann. Die Länge des Hohlzyinders kann entsprechend der Tiefe des Anlagenkanals ausgewählt werden und ist somit ein zusätzlicher Entwurfsparameter für den Anlagenplaner. Zu Reinigungszwecken ist der Rotor axial ausbaubar, ohne Demontage von Känalteilen und Anschlußstükken. Da der Medienstrom kaum angelenkt wird, ergibt sich beim Erfindungsgegensiand auch ein besonders guter Durchströmungswirkungsgrad.

Wenn gemäß Anspruch 2 das Gehäuse eine im Verhältnis zum Durchmesser große axiale Baulänge aufweist und die Zuleitungs- und Ableitungskanäle eine über die- gesamte Baulänge reichende Tiefe aufweisen, ergibt sich der Vorteil, daß der Einbau in Anlagen mit den typischen Rechteckkanälen geringer Höhe und großer Tiefe erleichtert wird. Unabhängig von der gewählten Baulänge wird eine weitestgehend gleichmäßige Temperaturverteilung in dem aufgeheizten Medienstrom erreicht und dem Einsatz im Hochtemperaturbereich stehen jedenfalls dann keine Bedenken entgegen, wenn nach einem besonderen Ausgestaltungsmerkmal temperaturempfindliche Bauelemente, wie Walzenlager und Drehantrieb, entfernt von den durchströmten Bereichen angeordnet sind und auf einfache Weise Lagerung und Antrieb wartungsfreundlich und gekühlt außerhalb der Strömungskanäle und der von den Medienströmen beaufschlagten Bereiche liegen.

Nachstehend rollen anhand der Zeichnungen einige Ausführungsfornien der Erfindung erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigt

Fig. 1 den Aufbau eines Regenerators gemäß eines Ausführung .beiSpie's der Erfindung mit einer umlaufenden WärmeträgCrwalze in einer Vorderansicht in einem rechtwinklig ilir Walzendrehachse verlaufendem Schnitt,

F i g. 2 ifl den Ansichten a bis c alternative Möglichkeiten, die Medien^.röme durch die voneinander getrennten Bereiche bzw. Abteile der VYärmetauscherwalze hindurchzuführeii.

F i g. 3 eine Verwirklichungsmöglichkeit des Walzenmantels mit in axialer Richtung verlaufenden Durchströmspalten und Lamel/rn aus Wärmeträgermaterial in perspektivischer Teildarstellung und

Fig.4 eine zu Fig.5 alternative Ausführungsform mit kreisscheibenartigen Lamellen in derselben Darstellungsweise wie in F i g. 5.

Bei dem in F i g. 1 in einer Schnittansicht gezeigten Regenerator ist der Wärmetauscher eine hohlzylindrische Walze von im Verhältnis zu ihrem Durchmesser großer Baulänge. Die Wärmetauscherwalze 10 ist in einem Gehäuse 20 drehbar aufgenommen und mit einem nicht dargestellten Drehantrieb für kleine Umlaufgeschwindigkeiten ausgerüstet Gelagert ist die Wärfnetauscherwalzft 10 mittels außerhalb des vom Walzenmantel 11 umschlossenen Hohlzylinders angeordneter, ebenfalls nicht dargestellter Lager. Im Walzenmantel 11 ist in unten noch zu beschreibender Weise Wänneträgermaterial aufgenommen, derart, daß sich radiale Durchströmspalte ergeb-n. Der Innenraum der Wärmetauscherwalze 10 ist mittels einer etwa auf einer Durchmesserlinie vertikal verlaufenden, sich im übrigen über die gesamte Walzenlänge erstreckenden und sowohl gebenüber der inneren Zylinderfläche des Walzenmanteis als auch im Bereich der Walzenstirnseiten abgedichteten Zwischenwand 12 in zwei voneinander getrennte Bereiche 13,14 von jeweils halbzylindrischer Form unterteilt Das Gehäuse 20 besitzt vier um jeweils 90° gegeneinander versetzte Kanalstutzen 21, 21a bzw. 22, 22a bzw. 23,23a bzw. 24,24a, die je zwei auf jeder Seite der inneren Zwischenwand 12 im Hohlzylinder liegende Zu- bzw. Abströmkanäle 25,26 und 27,28 bilden. An die Kanäle 25, 26, 27, 28. die sich im wesentlichen über die gesamte Bauiänge der Wärmetauscherwalze 10 erstrekken, sind Anlagenkanäle 40, 41, 42, 43 zum Zu- und Abführen von Gasströmen anschließbar. Dabei verlaufen die der Zu- und Abfuhr des einen Medienstromes dienenden Anlagenkanäle 40, 41 fluchtend zueinander, während die der Führung des anderen Medienstromes dienenden Anlagenkanäle 42, 43 rechtwinklig zueinander verlaufen. Zumindest in der von der Zwischenwand 12 aufgespannten Ebene sind die Sp-%en zwischen dem Walzenmantel 11 und dem Gehäuse mittels nicht dargestellter Dichtleisten abgedichtet. Ahnliche, ebenfalls nicht dargestellte Abdichtungen befinden sich im Bereich der Walzenstirnseiten.

Typisch für den Regenerator ist, daß die Medienströme, zwischen denen über das im Walzenmantel aufgenommene Wärmeträgermaterial ein Wärmeaustausch stattfinden soll, den Walzenmantel jeweils zweimal annähernd radial durchströmen. Dies veranschaulichen in verschiedenen Ausgestaltungsmöglichkeiten die schematischen Darstellungen in den F i g. 2a bis 2c. Es ergibt sich also ein Strömungsbild wie etwa bei Querstromgeblasen. F i g. 1 veranschaulicht in Verbindung mit den F i g. 2a bis 2c die durch den Regenerator verwirklichten, vielfältigen Einbaumöglichkeiten.

F i g. 2b stellt bei Weglassen des Regeneratorgehäuses eine mit F i g. 1 übereinstimmende Anordnung dar.

Es sei ein Umlauf der Wärmeträgerwalze 10 gemäß Pfeil 16, als im Uhrzeigersinn, um ihre Drehachse 15 angenommen. Es ist ersichtlich, daß ein über den Zuströmkanal 25 im Gehäuse 20 zugeführter Medienstrom 30 annähernd radial durch den Walzenmantel hindurchtritt und in den halbzylindrischen Rotorinnenraum 13 eintritt, um diesen Innenraum dann untsr nochmaliger Durchströmung des Walzenmantels im Bereich des Abströmkanals 26 im Gehäuse zu verlassen. Ein zweiter Medienstrom 31 wird über den Zuströmkanal 27 des Gehäuses zugeführt und tritt ebenfalls unter Durchströmung des Walzenmantels 11 in den anderen halbzylindrischen Rotorinne.'iraum 14 ein, um dann unter Richtungsumlenkung und erneuter Durchströmung des WaI-zenmantels wieder über den Abströmkanal 28 abgeführt zu werden. Im Rotorinneren sind die beiden Medienströme 30, 31 durch die Zwischenwand 12 voneinander getrennt. Nimmt man an, daß der Medtenstrom 30 Wärme zuführt, so wird bei dem zweimaligen Durchströmen des Walzenmantels das in diesem angesammelte Wärmeträgerr-edium aufgeheizt. Angesichts des Umlaufs der Wärmeträgerwalze in Richtung des Pfeils 16 wandern stetig die vom Wärme zuführenden Medienstrom 30 durchströmten Walzenbereiche Über die vertikal verlaufende Trennebene zwischen den beiden Medienströmen hinweg und gelangen in Durchströmungsbereiche des Medienstroms 31, der beim Durchströmen des zuvor erhitzten Wärmeträgermaterials sich seinerseits aufheizt und mithin Wärme abführt. Die Me-

dienströme sind dabei entgegen der Drehrichtung der Wärmelauscherwalze 10 geführt, so daß beim Abströmen des Wärme zuführenden Medienstroms aus dem Rotorinnenraum 13 eine Voraufwärmung des Wärmeträgermaterials stattfindet und dieses im Bereich des Zuströmkanals 25 eine Aufheizung auf seine Endtemperatur erfährt. Der die Wärmeabfuhr von der Wärmeirägerwalze 10 vermittelnde Medienstrom 31 hingegen strömt durch das hocherhitzte Wärmeträgermedium im Bereich des Abströmkanals 28 aus dem Rotorinnenraum 14 ab und tritt, nachdem bei der genannten Durchströmung dem Wärmeträgermaterial bereits in erheblichem Maße Wärme entzogen worden ist, im Bereich des Zuströmkanals 27 ein, wobei, angesichts der entsprechend niedrigen Eintrittstemperatur dieses Medienstroms, die in diesem Umlaufbereich des Walzenmantels noch im Wärmeträgermaterial enthaltene Wärme entzogen wird. Durch diese der Drehrichtung der Wärmetaiiseherwalze entgegengerichtete zweimalige Durchströmung des Walzenmantels ist im Bereich der beiden Medienströme eine nahezu gegenstromartige Wärmeübertragung sichergestellt.

Die Prinzipskizze nach F i g. 2a unterscheidet sich von der Ausführungsform nach F i g. 2b nur dadurch, daß die innere Zwischenwand 112 in einer sich etwa unter 45° gegenüber der Horizontalen erstreckenden Durchmesserebene verläuft und daß die Medienströme 130, 131 jeweils horizota! zugeführt werden und vertikal von der Wärmeträgerwalze 110 abströmen.

F i g. 2c zeigt, daß auch bei außerhalb der Wärmetauscherwalze 210 fluchtend geführten Medienströmen 230,231 diese den Walzenmantel jeweils zweimal annähernd radial durchströmen.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist im Verhältnis zum Durchmesser der Wärmetauscherwalze die Baulänge o;s Regenerators groß, desgleichen die dem Zu- und Abfuhren der Medienströme dienenden Kanäle im Gehäuse, die eine etwa der Länge der Wärmetauscherwalze entsprechenden Tiefe bei vergleichsweise geringen Erstreckungen quer dazu aufweisen. Diese Abmessungsverhältnisse sind in der Zeichnung nicht weiter dargestellt.

Die Intensität des Wärmeaustauschs zwischen einem Wärmeträgermaterial und einem durch letzteres hindurchtretenden Medienstrom ist einerseits von der Beschaffenheit des Wärmeträgermaterials (insbesondere seiner Wärmespeicherfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit) und andererseits von der Strömungsart um das Wärmeträgermaterial abhängig. Anzustreben sind größtmögliche Wärmeübergangszahlen, was durch stark turbulente Strömungen oder Strömungsgrenzschichten möglichst kurzer Lauflängen gelingt. Neben bekannten Wärmeträgermaterial in Kugel- oder Granulatform werden die in F i g. 3 und 4 dargestellten Varianten gezeigt.

Bei den oben erwähnten Varianten gemäß F i g. 3 und 4 ist der Walzenmantel aus Lamellen aufgebaut. Dabei kann es sich um in Walzenlängsrichtung verlaufende Lamellen 61 in Form langgestreckter Blechstreifen handein, die unter Ausbildung radialer Durchströmspalte im Abstand voneinander angeordnet sind (F i g. 5) oder um kreisscheibenförmige Lamellen 62, die auf sich in Längsrichtung der Walze erstreckenden Tragbolzen 63 aufgenommen sein können (Fig.4). Bei dem Einsatz von Lamellen als Wärmeträgermaterial hat es sich als zweckmäßig erwiesen, im Bereich der radial gerichteten Durchströmspalte Oberflächenveränderungen vorzusehen, etwa in Form von rechtwinklig zur Lamellenebene gerichteten Ausprägungen oder Ausklinkungen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regenerator mit einer in einem Gehäuse untergebrachten, um eine Drehachse umlaufenden, hohlzylindrischen Wärmetauscherwalze, deren Walzenmantel aus einem Wärmeträgermaterial aus zwischen sich radiale Durchströmspalte bildenden Lamellen besteht und in voneinander getrennten Bereichen von einem Wärme zuführenden und einem Wärme aufnehmenden Medienstrorr. durchsetzt wird und deren innerer Hohlzylinder durch eine feststehende Zwischenwand in je einem Medienstrom zugeordnete Bereiche geteilt ist, die die Medienströme unter zweimaligem, annähernd radialem Durchtritt durch den Walzenmantel quer zu der Drehachse der Wärmetauscherwalze durchströmen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (20) in bezug auf die Drehachse (15) der Wärmetauscherwalze 4-strahlig-symmetrisch ausgebildet ist mit etwa quadratischem Querschnitt und mit um jeweiis 90" gegeneinander verseizcen Kanalstutzen (21, 22, 23, 24), von denen auf jeder Seite der den Innenraum der Wärmetauscherwalze (10) in zwei symmetrische Bereiche (13, 14) halbzylindrischer Form unterteilenden Zwischenwand (12) jeweils zwei Kanalstutzen (21,22 bzw. 23,24) liegen und in einander gegenüberliegender Anordnung jeweils die Zuströmkanäle (25 bzw. 27) und die Abströmkanäle (26 bzw. 28) bilden, die das Medium jeweils zur radialen Durchströmung der Wärmetauscherwalze führen und ar. welche die der Zufuhr und Abfuhr der Medienströme dienenden Anlaeekanäle (40, 41, 42, 43) in zueinander fluchtender und/oder rechtwinkliger Anordnung anschließbai sind

2. Regenerator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (20) eine im Verhältnis zum Durchmesser große axiale Baulänge aufweist und die Zuleitungs- und Ableitungskanäle über eine die gesamte Baulänge reichende Tiefe aufweisen.

3. Regenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager und/oder der Drehantrieb der Wärmetauscherwalze außerhalb der vor den Medienströmen beaufschlagten Bereiche angeordnet sind.