DE824212C - Waermeaustauschvorrichtung - Google Patents

Description

• Wärmeaustauschvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauschvorrichtung mit Regeiierativwirkung, bei der ein drehrarer Teil vorhanden ist, der eine Hohlform aus wärmespeicherndem Werkstoff aufweist, welche in Zellen unterteilt ist und von zwei Wärmeaustauschmittelströmen abwechselnd durchflossen wird. Der eine Strom überträgt Wärme auf die Hohlform, während der aridere Wärme von ihr übernimmt. Dabei bringt die Drehung der Hohlform jeden ihrer Teile nacheinander in solche Stellung, daß sie abwechselnd von den beiden Strömen durchflossen werden.
• Bisher wurde diese Regeneratorart in Fällen verwendet, in denen die Drücke der beiden Wärmeaustauschmittelströme nur wenig, wenn überhaupt voneinander verschieden waren. Daher war es ziemlich leicht, t.eck\-erltiste von einem Strom auf den anderen so gering wie möglich zu halten, indem man beispielsweise verhältnismäßig einfache Mittel zum Abdichten der Einrichtung verwendete. Bei einer Gasturbinenanlage indessen, wo die Auspuffgase der Turbine zum Erwärmen des von einem Kompressor gelieferten kühlenGases benutzt werden, und auch in anderen Einrichtungen, z. B. bei Sauerstofferzeugungsanlagen können die Drücke der beiden durch den Wärmeaustauscher strömenden Wärmeaustauschmittel sehr unterschiedlich sein, und wirksamere Dichtungsverfahren müssen angewendet werden. Die Erfindung bezweckt, einen Wärmeaustauscher so abzudichten, daß er auch hierfür verwendbar ist.
• Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Hohlform in einem Ringgehäuse drehbar ist und daß die Trennwände zwischen den Hohlformzellen längs dem Umfang im Abstand voneinander liegen und sich in dem Ringgehäuse in radialer Richtung in bezug auf die Drehachse der Hohlform erstrecken sowie den Innenquerschnitt des Ringgehäuses dichtend ausfüllen, wodurch eine wirksame Abdichtung zwischen Wärmeaustauschmittelströmen bei verschiedenen Drücken erreicht wird; das Ringgehäuse hat zwei Öffnungspaare, die je auf einem Durchmesser einander gegenüberliegen, und die Öffnungen jedes Paares sind so angeordnet, daß die Hohlformzellen abwechselnd von dem heißen und von dem kalten Mittel durchströmt werden. Vorzugsweise sind die Trennwände zwischen den Abteilungen der sich drehenden Hohlform mit Federringen versehen, die ähnlich wie Kolbenringe wirken und Abdichtungen bilden, welche verhindern, daß das Wärmeaustauschmittel am Umfang von einem der durch die Hohlform strömenden Ströme zum anderen übertritt. Zum Drehen des Hohlformrotors kann er mit einer Ringzahnstange versehen sein, die in einer senkrecht zur Rotorachse verlaufenden Ebene liegt, in der auch wenigstens zwei Zahnräder angeordnet sind, die mit der Ringzahnstange in Eingriff stehen und angetrieben werden, um ihrerseits den Rotor anzutreiben. Diese Zahnräder sind miteinander durch Getriebe verbunden, und bei jedem ist ein Teil abgeschnitten, damit die Trennwände an den Rändern heim Drehen des Rotors vorbeigehen können, während der Antrieb des Rotors aufrechterhalten wird.
• Der Querschnitt des Ringgehäuses und der entsprechende Umriß des Hohlformrotors ist vorzugsweise kreisförmig, weil diese Form am einfachsten herzustellen ist. Man kann indessen auch eine elliptische Form oder andere ähnliche Formen verwenden, die in einer glatten fortlaufenden Kurve verlaufen, welche durch Scheiben und Ringe in der beschriebenen Weise abgedichtet werden können.
• Der Hohlformrotor kann in verschiedener Weise von einer Kraftquelle aus gedreht werden. Wird der Wärmeaustauscher beispielsweise in Verbindung mit einer Gasturbine verwendet, kann die Drehung den Zahnrädern durch ein Untersetzungsgetriebe von der Turbinenwelle aus übermittelt werden. Die Drehung des Hohlformrotors kann ständig oder unterbrochen vor sich gehen, je nach dem Bedarf der Einrichtung, in welcher der Wärmeattstauscher verwendet wird.
• In den Zeichnungen sind die Hauptmerkmale von Ausführungsformen eines Wärmeaustauschers nach der Erfindung beispielsweise schematisch dargestellt.
• Fig. i ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform mit teilweise weggelassenem Gehäuse, um den zur Herbeiführung der Drehung des Rotors dienenden Antrieb zu zeigen; Fig. 2 ist ein Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. i in der Pfeilrichtung gesehen; Fig. 3 ist ein Schnitt nach Linie 3-3 der Fig. i in der Pfeilrichtung gesehen; Fig.4 ist ein Schnitt in einer die Achse einer abgeänderten Ausführungsform enthaltenden Ebene; bei dieser Ausführungsform sind die Durchlässe für die Wärmeaustauschmittelströme durch die Hohlform so angeordnet, daß diese Ströme radial durch die Hohlform verlaufen im Gegensatz zum axialen Durchströmen der in Fig, i bis 3 gezeigten Ausführungsform.
• Nach Fig. i bis 3 besteht der Hohlformrotor aus einer Reihe einander ähnlicher Zellenabteilungen A, die aus wärmespeicherndem Material bestehenden Wänden T gebildet werden und etwa gemäß Fig. 2 und 3 rechteckigen Querschnitt haben, während sie im Seitenaufriß nach Fig. i Quadrantenform aufweisen. Die Abteilungen A -,werden voneinander durch kreisförmige Trennwände B getrennt. Der ganze Rotor hat nach Einbau der Abteilungen Ringform und kann innerhalb eines feststehenden Ringgehäuses C liegen und sich darin drehen. Dieses Gehäuse besteht aus zwei einander gleichen Teilen, wie Fig.2 zeigt, die durch eine, in einer senkrecht zur Achse des Gerätes liegenden Ebene angeordnete Verbindung C zusammengehalten werden. In diesem Gehäuse liegen. die Umfänge der radialen Trennwände B des Hohlformrotors neben den inneren Wandflächen des Gehäuses, und die Zellenabteilungen A zwischen diesen Trennwänden. Bei dieser Ausführungsform sind die Abteilungen A so angeordnet, daß (las Wärmeaustauschmittel sie parallel zur Drehachse des Rotors durchströmt. Längs der flachen Seiten jeder Zellenabteilung befindet sich ein tunnelartiger Durchlaß D' bzw. D, über welche die Trennwände B hinweggehen. Wie die Schnitte der Fig. 2 und 3 zeigen, erscheinen die Durchlässe I) und D' als Kreisabschnitte, die durch die Wand des Gehäuses C begrenzt werden, während die flache Seite der Zellenabteilung die Selnie bildet. Die einander gegenüberliegenden Enden der zahlreichen Zellen jeder Hohlform münden in Teile dieser Durchlässe, die zwischen den Trennwänden B liegen. Jeder Leckverlust durch diese Durchlässe und von einer Zellenabteilung zur anderen wird dadurch vermieden, daß man jede Trennwand B mit einem Dichtungsring B' oder mit mehreren derartigen Ringen versieht, die einem Kolbenring ähnlich sind und sich dichtend gegen die \\'and des Gehäuses C legen.
• In jeder der einander gegenüberliegenden Seitenwände des Gehäuses C sind zwei bogenförmige Öffnungen E, E' vorgesehen, die in diesem Fall einander in Größe und Gestalt gleichen, jedoch nicht dieselbe Größe zu haben brauchen. Die Öffnungen jedes Paares liegen bei dieser Ausführungsform einander auf einem Durchmesser gegenüber. jede dieser Öffnungen in einer Seitenwand des Gehäuses liegt gegenüber einer gleichen Öffnung in der anderen Seitenwand, so daß die Wärmeaustauschmittel durch (fiese Öffnungen und durch die Zellenabteilungen A zwischen ihnen parallel zur Achse der Vorrichtung strömen können. Die einander gegenüberliegenden Seiten allerZellenabteilungen A kommen mit den Enden der Zellen nacheinander in Überdeckung mit diesen öffnungen E. E', so daß das eine Mittel durch die eine Öffnung F_ auf einer Seite des Gehäuses C einströmen, die Zellen durchströmen und durch die

  entsprechende Öffnung E der gegenüberliegenden

  Gehäuseseite ausströmen kann. Der Strom des

  anderen Mittels erfolgt dann in die Öffnung E'

  der anderen Gehäuseseite, auf der das erste

  Mittel durch die Öffnung E ausgeflossen ist,

  durch die "Zellen jeder Zellenabteilung und aus

  der 1-Iolilforni hinaus durch die entsprechende

  Öffnung E' auf der anderen Seite des Gehäuses.

  Die beiden \\"irmeaustausclimittel, die den Wärme-

  aus tatischer durchströmen sollen, «-erden so zum

  Durchströmen gebracht, daß bei Drehung des

  Ilohlformrotors das eine Mittel in einer Rich-

  tung durch jede Zellenabteilung A strömt, während

  bei weitergehender Drehung des Rotors das zweite

  Mittel in entgegengesetzter Richtung durch die-

  selbe Zellenabteilung fließt. Die gebogenen undurch-

  brochenen Teile C2 der Seitenwände des Gehäuses C,

  die nach Fig. i zwischen den Öffnungen E, E' liegen,

  sind in der Umfangrichtung so lang, daß in jedem

  dieser vollständig geschlossenen Teile des Ring-

  gehäuses C stets wenigstens eine Trennwand B bei

  Drehung des Rotors vorhanden ist. Auf diese Weise

  bilden die Trennwände B mit ihren Kolbenringen B'

  eine wirksame Abdichtung gegen Leckverluste von

  einem Flüssigkeitsstrom zum anderen.

  :1m Umfang des Hohlformrotors ist eine Ring-

  zahnstange F vorgesehen, die bei jeder Trennwand B

  mit Kolbenring unterbrochen ist. Mit dieser Zahn-

  stange kämmen zwei Zahnräder G, die in einem

  'feil C3 des Gehäuses angeordnet und eingeschlossen

  sind, <las aus dein Umfang des Ringgehäuses C vor-

  steht, wie Fig. i und 3 zeigen. Die beiden Zahn-

  r:ider befinden sich in derselben senkrecht zur Achse

  der Vorrichtung verlaufenden Ebene, in der auch

  die Ringzahnstange F liegt (Fig. 3), und die Zahn-

  r`ider sind in der Umfangrichtung im Abstand von-

  einander angeordnet (Fig. i). Bei jedem Rad ist

  ein Teil des Umfanges bei G' weggeschnitten, so

  daß es bei einer Drehung an den Wänden B und

  ihren Kolhenringen B' vorübergehen kann. Die

  Zahnräder werden gleichzeitig angetrieben. Sie sind

  so weit voneinander entfernt, und ihre weggeschnit-

  tenen Teile stehen so in Beziehung zueinander, daß

  sie beim Antreiben des Hohlformrotors dessen

  Drehung nicht unterbrechen. Wenn nämlich der

  eine weggeschnittene Teil des einen Rades an einer

  Trennwand 13 vorübergeht und nicht mehr mit der

  Ringzahnstange F im Eingriff steht, ist das andere

  Jtad weiter im Eingriff mit dieser Ringzahnstange

  und dreht infolgedessen den Hohlformrotor weiter.

  Die Zahnräder stehen in irgendeiner Weise durch

  ein Getriebe miteinander in Verbindung und werden

  von irgendeiner Kraftquelle aus mit einer für sie

  geeigneten Geschwindigkeit angetrieben.

  Die Kolbenringe können so eingeschliffen werden,

  claki sie die Kreisbohrung des Gehäuses genau aus-

  füllen. Ringe normaler Breite werden nach dem

  üblichen zylindrischen Einschleifen im allgemeinen

  genau genug passen, da sie sich schnell einer Kreis-

  form anpassen. In jedem Fall ist es erwünscht,

  die Ringe durch Stifte oder auf andere Weise zu

  befestigen, so claß sie sich in ihren Nuten nicht

  drehen k<innen, <la ein "feil des Ringes, der sich

  z. B. der Innenfläche des Ringgehäuses angepaßt hat, vielleicht nicht genau an der Außenfläche anliegt, und umgekehrt.
• Das Strömen der Wärmeaustauschmittel durch die Hohlform kann erfolgen entweder ungefähr parallel zur Achse des Gerätes oder in radialer Richtung oder in schräger Richtung, d. h. in einer Zwischenrichtung zwischen axial und radial. Wie erwähnt, verlaufen die in der Ausführungsform der Fig. i und 2 gezeigten Durchlässe für das Einströmen und Ausströmen der Mittel in der Achsenrichtung des Gerätes. In Fig.4 dagegen ist eine andere Anordnung gezeigt. Hier liegen die Zellenabteilungen A im Hohlformrotor mit ihren Zellen radial verlaufend statt axial, wie es bei der Ausführungsform i, 2 und 3 der Fall ist. Zwei Durchlässe F_2 und E3 liegen nebeneinander und führen in das Innere des Gehäuses C4. Diese Durchlässe verlaufen in der axialen Richtung, ihre inneren Enden sind indessen radial auswärts gegen die Enden der Zellen in den Abteilungen A gerichtet. Außen am Gehäuse sind Durchlässe E4 und E5 vorgesehen, durch die das Wärmeaustauschmittel abströmt und zuströmt und die in axialer Richtung verlaufen, jedoch innen radial einwärts gerichtet sind, und zwar gegen die äußeren Enden der Zellenabteilungen A. Die Durchlässe E4, E5 liegen einander auf einem Durchmesser am Umfang des Gehäuses C4 gegenüber, und die Achsen aller vier Durchlässe E2, F_3, E4 und E5 befinden sich in derselben Ebene. Bei dieser Anordnung strömt das kalte Mittel z. B. durch den Durchlaß E2 ein, dann radial durch die Zellenabteilungen A nach außen und durch den Durchlaß E4 ab. Gleichzeitig strömt das heiße Mittel in entgegengesetzter Richtung durch den Durchlaß E5 ein und nach radialem Einwärtsströmen durch die Zellenabteilungen A durch den Durchlaß E3 ab. Eine derartige Durchbildung kann in manchen Fällen besonders gut Verwendung finden, da sie den Vorteil hat, daß der innere Teil des Gerätes der kühlere ist und daß der Querschnitt in allen Stellen proportional dem Gasvolumen sein kann.
• Wie erwähnt, ist es nicht wesentlich, daß die Einlaß- und Auslaßöffnungen des Gehäuses einander auf einem Durchmesser gegenüberliegen oder daß sie gleich groß sind. Unter Umständen kann die Einlaßöffnung für das kalte hochgespannte Mittel kleiner sein als die Öffnung, durch die das heiße niedrig gespannte Mittel abströmt. Wird der Wärmeaustauscher für Gase verwendet, ist eine derartige Durchbildung wegen der Unterschiede in den Gasvolumina und in den Wärmeübergangsgeschwindigkeiten zweckmäßig. Bei einer solchen Durchbildung würde man den größeren Durchlaß zweckmäßig in der Umfangrichtung der Gehäusewand weiter um dieses herumführen als den kleineren Durchlaß.
• Bei Gasturbinen kann es erwünscht sein, wenn die Schmierung der Reibflächen durch Öl nicht durchfuhrbar ist, dem Gehäuse eine möglichst glatte Innenfläche zu geben. Man könnte es z. B. mit einer Schicht hochgekohlten Eisens bespritzen. Die Porosität eines solchen Überzuges hat sich in gewissen Fällen, in denen die Reibbedingungen ähnlich lagen, als vorteilhaft erwiesen.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Wärmeaustauscher mit einer aus wärmespeicherndem Werkstoff bestehenden, durch Trennwände in Zellen unterteilten Hohlform, die drehbar in einem Gehäuse liegt, das so mit Rohrleitungen in Verbindung steht, daß bei der Drehung der Hohlform jede Zelle abwechselnd von einem heißen und von einem kalten Wärmeaustauschmittel durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (C) als Ringgehäuse ausgebildet ist, dessen Trennwände (B) sich in radialer Richtung zur Drehachse der Hohlform so über das Gehäuse erstrecken, daß sie den betreffenden Querschnitt des Wärmeaustauschmittelraumes dicht abschließend ausfüllen, und daß ferner das Ringgehäuse zwei Paar Öffnungen (E, E') hat, von denen ein Paar ungefähr auf einem Durchmesser <lern ai;duieii gegenüberliegt, während die Öffnungen jedes Paares so angeordnet sind, daß die Zellenabteilungen abwechselnd von dem heißen und von dem kalten Wärmeaustauschmittel durchströmt werden.
2. 2. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände Dichtungsringe (B') ähnlich wie Kolbenringe aufweisen.
3. 3. Wärmeaustatischer nach Anspruch r und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlform- und die Gehäuseöffnungen so angeordnet sind, daß die Wärmeaustauschmittel parallel zur Drehachse der Hohlform durch sie hindurchströmen (Abb. r bis 3). :4. Wärmeatistauscher nach Anspruch r oder 2, dadurch gekennzeichnet. daß die Hohlform und die Gehäuseöffnungen so angeordnet sind, daß die Wärmeaustauschmittel radial durch die Hohlform in bezug auf deren Drehachse strömen (Abb. 4).