DE3426662A1

DE3426662A1 - Regeneratoreinheit und verfahren zum betreiben derselben

Info

Publication number: DE3426662A1
Application number: DE19843426662
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl.-Ing. 8000 München Leiner
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1984-07-19
Filing date: 1984-07-19
Publication date: 1986-01-23

Description

~⁴~ 3Λ26552

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

(H1504) H 84/75

Fa/fl 17.7.1984

Regeneratoreinheit und Verfahren zum Betreiben derselben

Die Erfindung betrifft eine Regeneratoreinheit mit einer Anzahl N in zyklischem Wechsel von zwei Fluidströmen durchflossenen Regeneratoren und mit den Enden der Regeneratoren zugeordneten Umschalteinrichtungen zur Verteilung der Fluidströme, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Regeneratoreinheit.

Regeneratoren sind Speicherwärmetauscher, die abwechselnd von einem kalten und von einem heißen Fluid durchströmt werden. Dabei kühlt sich zunächst das heiße Fluid unter gleichzeitiger Erwärmung der Wärmespeichermasse ab· Sobald die Wärmespeichermasse eine bestimmte obere Temperatur erreicht hat, wird die Zufuhr des heißen Fluides unterbrochen und ein kaltes Fluid durch den Regenerator geleitet. Dieses erwärmt sich bei gleichzeitiger Abkühlung der Wärme-Speichermasse. Wenn die Wärmespeichermasse eine bestimmte untere Temperatur erreicht hat, wird die Zufuhr des kalten Fluides unterbrochen und erneut das heiße Fluid durch den Regenerator geleitet. Sofern eines der Fluide Bestandteile enthält, die nicht in den Strömungsweg des anderen Fluides gelangen sollen und/oder die sich auf der Speichermasse

niederschlagen, wie z.B. Staub oder Ausfrierungen von

einzelnen Komponenten des Fluides, wird, bevor das andere Fluid durch den Regenerator geleitet wird, der Regenerator freigespült.
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Um einen stetigen Betrieb zu ermöglichen, müssen zumindest drei Regeneratoren vorhanden sein, von denen gleichzeitig immer je einer von einem der beiden Fluide durchströmt wird, während der Dritte zumindest zeitweise freigespült wird. Die Funktion der Regeneratoren wird in zyklischem Wechsel umgeschaltet.

Die Umschalteinrichtungen, mit denen die Regeneratoren umgeschaltet werden, weisen Zu- und Abführungen für die Fluide auf und sind mit den Enden der Regeneratoren verbunden. Es ist üblich, zur Umschaltung Schaltklappen zu verwenden, wobei zwischen jeder Zu- und Abführung und jedem Regenerator jeweils eine Schaltklappe vorgesehen ist, d.h. bei drei Regeneratoren und Zu- und Abführungen für zwei Fluide müssen 18 Schaltklappen vorgesehen sein.

Die große Anzahl von Schaltklappen bedeutet aber nicht nur einen erheblichen apparativen Aufwand und Platzbedarf, sondern auch große Totvolumina, die nicht am Wärmetausch beteiligt sind. Daneben besitzen die Schaltklappen ein insbesondere bei großen zu verarbeitenden Fluidmengen und damit großen Strömungsquerschnitten in den Schaltklappen ein nicht zu vernachlässigendes Trägheitsmoment, so daß der Umschaltvorgang eine gewisse Zeit benötigt. Bei.ohne Spültakt betriebenen Regeneratoren soll aber der Umschaltvorgang möglichts* Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeneratoreinheit der eingangs beschriebenen Art zu entwickeln, die auch bei großen Fluidmengen ein rasches Umschalten ermöglicht, die platzsparend ist und die kleine Totvolumina aufweist.

* rasch durchgeführt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Umschalteinrichtung ein in N radiale Sektoren unterteiltes zylindrisches Gehäuse aufweist und jeder der Sektoren mit einem Ende eines Regenerators verbunden ist, daß an den Stirnseiten des Gehäuses Anschlüsse für die Fluidströme vorgesehen sind und zwischen den Anschlüssen und den Sektoren jeweils eine Drehscheibe vorgesehen ist, die eine der Querschnittsfläche eines Sektors entsprechende öffnung aufweist .

Bei der erfindungsgemäßen Regeneratoreinheit sind zwei Umschalteinrichtungen am kalten bzw. am warmen Ende der Regeneratoren ausreichend, um zwei Fluide abwechselnd den Regeneratoren zuzuführen und daraus abzuführen. Für jedes Fluid ist ein Anschluß zur Zu- und ein Anschluß zur Abführung vorgesehen, wobei jeweils ein Anschluß mit einer Stirneite des Gehäuses verbunden ist. Die in den Umschalteinrichtungen befindlichen Drehscheiben sperren den Querschnitt des Gehäuses auf beiden Seiten der Sektoren gegen die Anschlüsse zur Zu- und Abführung der Fluide ab. In den Drehscheiben befindet sich je eine öffnung, die vorzugsweise in Form und Größe mit der Querschnittsfläche eines Sektors übereinstimmt. Durch die öffnung ist je nach Stellung der Drehscheibe eine Verbindung zwischen dem angrenzenden Anschluß und einen der drei Sektoren geschaffen. Durch Drehen der Drehscheibe werden nacheinander alle drei Sektoren mit dem zugehörigen Anschluß verbunden, so daß jedes Fluid nacheinander jedem der drei Regeneratoren zu- und daraus abgeführt wird. Daneben ergibt sich die Möglichkeit, durch entsprechende Stellung der Drehscheibe zwei benachbarte Sektoren gleichzeitig mit einem Anschluß zu verbinden, wobei die Verteilung des Fluidstromes auf die Sektoren durch das Flächenverhältnis der öffnung über den beiden Sektoren einstellbar ist.

Der Erfindungsgegenstand ermöglicht ein rasches Umschalten der Regeneratoren auch bei großen Fluidmengen und Strömungsquerschnitten. Diese Möglichkeit ist insbesondere bei Regeneratoren, die ohne Spültakt zwischen Beladung und Regenerierung betrieben werden, von Vorteil. Andererseits bietet der Erfindungsgegenstand auch die Möglichkeit, die Strömungswege langsam umzuschalten, wie dies häufig gewünscht wird, um angeschlossene Apparaturen, wie z.B. einen Rauchgaskessel, nicht zu stören. Überdies läßt sich die erfindungsgemäße Regeneratoreinheit sehr kompakt und platzsparend bauen.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes drei Sektoren und drei Regeneratoren vorgesehen sind.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes besitzen die öffnungen jeweils etwa die Form eines Drittelkreissektors.

Es erweist sich als zweckmäßig, wenn gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes die öffnungen in den Drehscheiben einer Umschalteinrichtung unterschiedlich groß sind.

Es ist von Vorteil, wenn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes jeweils die einem Anschluß zur Zuführung zugeordnete öffnung größer als die einem Anschluß zur Abführung zugeordnete öffnung ist.

3Q Diese Anordnung ist dann sinnvoll, wenn eines der beiden Fluide zum Spülen der Regeneratoren verwendet wird. Die größeren öffnungen sind den Anschlüssen zur Zu- und Abführung dieses Fluides zugeordnet. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß bei einer bestimmten Stellung der Drehscheibe ein Spalt der größeren öffnung dem Sektor zugeordnet ist, über den das Fluid zum Spülen zu- und abgeführt wird,

während zugleich der restliche Teil der größeren öffnung, dessen Größe derjenigen der kleineren öffnung in der anderen Drehscheibe entspricht, einem benachbarten Sektor zugeordnet ist.

In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes wird vorgeschlagen, daß jeweils eine Drehscheibe aus den beiden Umschalteinrichtungen auf einer gemeinsamen Welle angeordnet ist.

Hierbei ist es zweckmäßig, jeweils eine einem Anschluß zur Zuführung und eine einem Anschluß zur Abführung desselben Pluides zugeordnete Drehscheibe auf einer gemeinsamen Welle anzuordnen.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sind die beiden Wellen ineinander angeordnet.

Es ist von Vorteil, wenn, wie weiter vorgeschlagen wird, jede Umschalteinrichtung einen Anschluß zur Zuführung des einen und einen Anschluß zur Abführung des anderen der beiden Fluide aufweist.

Ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Regeneratoreinheit, bei dem in aufeinanderfolgenden Schalttakten jeder Regenerator zyklisch von dem ersten Fluid durchströmt, von zumindest einem Teil des zweiten Fluides freigespült und von dem zweiten Fluid durchströmt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß der zum Freispülen verwendete Teil des 3Q zweiten Fluides dem ersten Fluid vor seinem Durchgang durch den Regenerator zugemischt wird. Allerdings setzt diese Schaltung voraus, daß der Druck des als Kühlfluid verwendeten Fluids zumindest geringfügig größer als der Druck desjenigen Fluides ist, dem das Spülfluid zugemischt wird, um ein Ein-„g dringen dieses Fluides in den im Spültakt befindlichen Regenerator zu vermeiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet, wenn das erste Fluid eine Rauchgas und das zweite Fluid Luft ist.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Hierbei zeigen:

Figur 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen

Regeneratoreinheit mit drei Regeneratoren,

Fig. 2, 3 eine erfindungsgemäße Umschalteinrichtung

in zwei Schnittdarstellungen, 15

Fig.4a-4e zwei Umschalteinrichtungen in fünf aufeinanderfolgenden Schaltstellungen.

Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Regeneratoreinheit, die aus drei Regeneratoren 1, 2, 3 sowie jeweils einer Umschalteinrichtung 4, 5 an den beiden Enden der Regeneratoren besteht. Jeder Regenerator 1, 2, 3 ist mit Leitungen 6,7 bzw. 8,9 bzw. 10,11 mit den beiden Umschalteinrichtungen verbunden. Die Umschalteinrichtungen 4,5 tragen jeweils zwei weitere Anschlüsse, die zur Zu- und Abführung von zwei Fluiden dienen. Beispielsweise wird als erstes Fluid Rauchgas über eine Leitung 13 der Umschalteinrichtung 4 zugeführt und über eine Leitung 15 aus der Umschalteinrichtung abgeführt.

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Ein zweites Fluid, beispielsweise Luft, wird über eine Leitung 12 der Umschalteinrichtung 5 zugeführt und über eine Leitung 14 aus der Ümschalteinrichtung 4 abgeführt.

Jeder Regenerator 1, 2, 3 wird nacheinander von Rauchgas und Luft durchströmt und vor dem Lufttakt von Rauchgasresten freigespült, beispielsweise mit einem Luftstrom. Die Umschaltung erfolgt mittels der Umschalteinrichtungen 4, 5 deren Aufbau und Schaltungsweise im folgenden näher erläutert werden.

Die Figuren 2 und 3 zeigen eine Umschalteinrichtung im Längs- und im Querschnitt. Die Umschalteinrichtung weist ein zylindrisches Gehäuse 16 auf, dessen Innenraum durch radial verlaufende Trennwände 17, 18, 19 in Sektoren 20, 21, 22 unterteilt ist. Die Trennwände sind dabei einerseits mit der Wand des Gehäuses 16 und andererseits mit einem Kernrohr 23 verbunden. Jedem der Sektoren 20, 21, 22 ist an der Umfangsflache des Gehäuses 16 ein Anschluß 24, 25, 26, an denen jeweils ein Regenerator anzuschließen ist, zugeordnet.

An den Stirnseiten des Gehäuses 16 befindet sich jeweils eine Haube 27, 28 als Anschluß für die Leitungen 12, 15 bzw. 14, 13. Zwischen den Sektoren 20, 21, 2 2 und den Hauben 27, 28 sind Drehscheiben 29 bzw. 30 vorgesehen, die sich über den gesamten Innenquerschnitt des Gehäuses 16 erstrecken. In den Drehscheiben sind öffnungen vorgesehen, wobei in der Figur nur die öffnung 32 in der unteren Drehscheibe 30 zu sehen ist. Die öffnungen weisen etwa die Form eines Drittelkreissektors auf und sind ungefähr so groß wie die Oberfläche eines Sektors, keinesfalls aber größer.

Bei der Darstellung gemäß Figur 3 befindet sich der größte Teil der öffnung 32 am Sektor 22 sowie ein kleiner Teil der öffnung 32 am Sektor 21. Bei dieser Stellung ist eine Verbindung zwischen dem Anschluß 28 und den an den Anschlüssen 25 und 26 angeschlossenen Regeneratoren geschaffen.

Die Drehscheibe 29 ist mit einer Welle 33 verbunden, die Drehscheibe 30 mit einer Hohlwelle 34. Die beiden Wellen 33, 3 4 sind ineinander angeordnet. Bei Bedarf sind die Drehscheiben einer weiteren Umschalteinrichtung an der Welle 33 bzw. der Hohlwelle 34 befestigt (nicht dargestellt) , um die Drehscheiben zweier Umschalteinrichtungen paarweise synchron betätigen zu können.

Die Figuren 4a bis 4e zeigen fünf aufeinanderfolgende Schaltstellung von zwei Umschalteinrichtungen 4, 5, die mittels der Anschlüsse 24, 25, 26 mit den beiden Enden von drei Regeneratoren 1, 2, 3 verbunden sind. Die öffnungen 35, 36 in den oberen Drehscheiben der Umschalteinrichtungen 4, 5 sind durchgehend, die öffnungen 37, 38 in den unteren Drehscheiben sind gestrichelt gezeichnet.

Die öffnungen 35, 38 sind größer als die öffnungen 36, und sind den Anschlüssen zugeordnet, über die das auch als Spülgas verwendete Fluid, also zum Beispiel Luft, zu- und abgeführt wird. Die öffnungen 36, 37 sind den Anschlüssen zur Zu- und Abführung des zweiten Fluides, also beispielsweise Rauchgas, zugeordnet.

Beim Betrieb der Regeneratoreinheit werden folgende Schaltstufen durchlaufen:

Figur 4a:

Im ersten Schalttakt wird der Regenerator 1 von Luft, der Regenerator 3 von Rauchgas durchströmt, während der

Regenerator 2 mit Luft gespült wird. Die öffnung 35 befindet sich zum größten Teil über dem Sektor 20 sowie mit einem Spalt über dem Sektor 22/ die öffnung 37 über dem Sektor 21 der oberen Umschalteinrichtung 4. In der unteren Umschalteinrichtung 5 ist die öffnung 36 über dem Sektor 20 und die öffnung 38 zum größten Teil über dem Sektor 21 und mit einem Spalt über den Sektor 22 angeordnet, über den oberhalb der Bildebene befindlichen Anschluß wird der Umschalteinrichtung 4 Luft zugeführt. Der größte Teil der Luft (Pfeil 39) gelangt durch die öffnung 35 in den Sektor 20 und von dort über den Anschluß 24 in den Regenerator 1. Nach Durchströmen des Regenerators 1 wird der Luftstrom über den Anschluß 24, den Sektor 20 und die öffnung 36 dem oberhalb der Bildebene befindlichen Anschluß der Umschalteinrichtung zugeführt und daraus entnommen.

über den unterhalb der Bildebene befindlichen Anschluß der Umschalteinrichtung 5 wird Rauchgas (Pfeil 41) durch die öffnung 38 und den Sektor 21 dem Anschluß 26 zugeführt und gelangt von dort in den Regenerator 3, den es von unten nach oben durchströmt. Nach Verlassen des Regenerators 3 gelangt das Rauchgas über den Anschluß 26 der Umschalteinrichtung 4 in den Sektor 21, verläßt diesen durch die öffnung 37 und wird über den unterhalb der Bildebene befindliehen Anschluß der Umschalteinrichtung 4 entnommen.

Ein Teilstrom (strichpunktierter Pfeil 40) der der oberen Umschalteinrichtung 4 zugeführten Luft gelangt durch den über dem Sektor 22 befindlichen Spalt der öffnung 35 zum Anschluß 25 und durchströmt den Regenerator 2 als Spülgas. Nach Verlassen des Regenerators 2 gelangt dieser Teilstrom der Luft durch den über dem Sektor 22 befindlichen Spalt der öffnung 38 zu dem unterhalb der Bildebene befindlichen Anschluß der Umschalteinrichtung 5 und wird dort mit dem dem Regenerator 3 zugeführten Rauchgas vermischt. Grundsätzlich ist auch eine Verfahrensweise denkbar, bei der das Spülgas getrennt vom Rauchgas abgeführt wird.

Um ein Eindringen von Rauchgas in den Luftströmungsweg zu verhindern, ist es erforderlich, daß der Luftstrom einen geringfügig höheren Druck als der Rauchgasstrom aufweist.

Figur 4b:

Die beiden oberen Drehscheiben sind unverändert geblieben, während die beiden unteren Drehscheiben synchron im Uhrzeitsinn gedreht worden sind, bis der Spalt, den die öffnung 38 über dem Sektor 22 gebildet hat, verschlossen ist. Dadurch ist der Lufstrom durch den Regenerator 2 unterbrochen und der Spültakt beendet. Der Regenerator 1 wird weiterhin von Luft und der Regenerator weiterhin von Rauchgas durchströmt.

Figur 4c:

Während die unteren Drehscheiben festgehalten worden sind, sind die oberen Drehscheiben synchron im Uhrzeigersinn gedreht worden, bis die öffnungen 35 und 36 über den Sektoren 22 der Umschalteinrichtungen 4 bzw. 5 stehen. In dieser Stellung wird nunmehr der Regenerator 2 von Luft und der Regenerator 3 von Rauchgas durchströmt.

Figur 4d:

Die oberen Drehscheiben sind festgehalten worden, während die unteren Drehscheiben im Uhrzeigersinn gedreht wurden, bis die öffnung 37 über dem Sektor 20 und die öffnung 38 zum größten Teil über dem Sektor 20 und mit einem Spalt über dem Sektor 21 steht. In dieser Position wird weiterhin der Regenerator 2 von Luft und der Regenerator 1 von Rauchgas durchströmt.

Figur 4e:

Die unteren Drehscheiben sind festgehalten worden, während die oberen Drehscheiben synchron im Uhrzeigersinn gedreht wurden, bis die öffnung 35 zum größten Teil über dem Sektor 22 und mit einem Spalt über dem Sektor 21 steht, während

die Öffnung 36 über dem Sektor 22 steht. In dieser Position wird weiterhin der Regenerator 1 von Rauchgas durchströmt. Der größte Teil der Luft wird durch den Regenerator 2 geführt/ während ein Teilstrom der Luft durch den Regenerator 3 geführt und anschließend dem Rauchgasstrom vor seinem Eintritt in den Regenerator 1 zugemischt wird. In dieser Schaltphase wird der Regenerator 3 gespült.

In analoger Weise werden die Drehscheiben der Umschalteinrichtungen 4 und 5 weiter gedreht, bis im dreizehnten Umschaltvorgang der erste Zustand wieder erreicht ist.

Claims

(H 1504) H 84/75

Fa/fl 17.7.1984

Patentansprüche

( 1.] Regeneratoreinheit mit einer Anzahl N in zyklischem V7echsel von zwei Fluidströmen durchflossenen Regeneratoren und mit den Enden der Regeneratoren zugeordneten Umschalteinrichtungen zur Verteilung der Fluidströme, dadurch gekennzeichnet, daß jede Umschalteinrichtung (4,5) ein in N radiale Sektoren (20,21,22) unterteiltes zylindrisches Gehäuse (16) aufweist und jeder der Sektoren mit einem Ende eines Regenerators (1,2,3) verbunden ist, daß an den Stirnseiten des Gehäuses (16) Anschlüsse für die Fluidströme vorgesehen sind und zwischen den An-Schlüssen und den Sektoren (20,21,22) jeweils eine Drehscheibe (29,30) vorgesehen ist, die eine der Querschnittsfläche eines Sektors entsprechende Öffnung (35,36,37,38) aufweist.
2. Regeneratoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Sektoren (20,21,22) und drei Regeneratoren (1,2,3) vorgesehen sind.
3. Regeneratoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (35,36,37,38) jeweils

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etwa die Form eines Drittelkreissektors besitzen.
4. Regeneratoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet/ daß die öffnungen(35 bzw. 37, 36 bzw. 38) in den Drehscheiben einer Umschalteinrichtung unterschiedlich groß sind.
5. Regeneratoreinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die einem Anschluß zur Zuführung eines Fluides zugeordnete öffnung (35,38) größer als die einem Anschluß zur Abführung zugeordnete öffnung (36,37) ist.
6. Regeneratoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Umschalteinrichtung (4,5) einen Anschluß zur Zuführung des einen und einen Anschluß zur Abführung des anderen der beiden Fluide aufweist.
7. Regeneratoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 2Q dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Drehscheibe aus den beiden Umschalteinrichtungen (4,5) auf einer gemeinsamen Welle (33,34) angeordnet ist.
8. Regeneratoreinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wellen (33,34) ineinander angeordnet sind.
9. Verfahren zum Betreiben der Regeneratoreinheit nach Anspruch 1, bei dem in aufeinanderfolgenden Schalt-

QQ takten jeder Regenerator zyklisch von dem ersten Fluid durchströmt, von zumindest einem Teil des zweiten Fluides freigespült und von dem zweiten Fluid durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Freispülen verwendete Teil des zweiten Fluides dem ersten Fluid vor seinem Durchgang durch den Regenerator zugemischt wird.

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10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet/ daß das erste Fluid ein Rauchgas und das zweite Fluid Luft ist.