DE829175C

DE829175C - Waermeaustauschvorrichtung

Info

Publication number: DE829175C
Application number: DEP32504A
Authority: DE
Inventors: Richard Rigby; John Charles Sayce White
Original assignee: Anglo Saxon Petroleum Co Ltd
Current assignee: Anglo Saxon Petroleum Co Ltd
Priority date: 1946-05-24
Filing date: 1949-01-27
Publication date: 1952-01-24
Also published as: GB614453A; US2578945A; FR968735A; BE483619A; CA459992A

Description

Die vorliegende Erfindung· betrifft Wärmeaustauschvorrichtungen derjenigen Bauart, bei der Wärnieakkumulatoren vorgesehen sind, welche die Wärme aus einem verhältnismäßig heißen strömenden Mittel entnehmen und sie auf ein verhältnismäßig kaltes strömendes Atittel übertragen. Dabei sind kontinuierlich arbeitende Einrichtungen vorgesehen, die dafür sorgen, daß die Speicher den genannten strömenden Mitteln fortschreitend abwechselnd ausgesetzt sind. Die Wärmespeicher können als Wärmeübertragungselemente mit von der einen Endfläche bis zur anderen sich erstreckenden Durchgängen für die strömenden Mittel ausgebildet sein.

Die Erfindung kann beispielsweise zum Vorwärmen von Luft oder einem anderen Gas mittels heißer Abgase benutzt werden.

Bei einer allgemein bekannten Bauart solcher Wärmeaustauschvorrichtungen, wie beispielsweise bei der Bauart Ljungström, wird das abwechselnde Aufheizen und Abkühlen der Elemente oder Zellen der Wärmespeicher durch Drehung einer passend unterteilten Trommel bewirkt. Falls beträchtliche Druckdifferenzen zwischen den beiden Gasströmen vorliegen, können Abdichtungsschwierigkeiten bei diesem Typ von Wärmeaustauschvorrichtungen mit umlaufender Trommel auftreten, die sich infolge der größeren Abnutzung der Abdichtmittel an der Außenseite der Trommel im Vergleich zu den gegen die Mitte hin liegenden Abdichtmitteln mit der Zeit verschärfen.

Erfindungsgemäß wird eine Wärmeaustauschvorrichtung der erwähnten Art vorgeschlagen, bei der die Abdichtungsmittel vereinfacht und wirksamer gestaltet sind. Ein weiterer Gesichtspunkt besteht darin, Abdichtungsmittel vorzusehen, bei

denen der Druck an den Abdichtungsstellen der Druckdifferenz zwischen den in Frage kommenden strömenden Mitteln koordiniert ist.

Bei der erfindungsgemäßen Wärmeaustauscheinrichtung werden die Durchgänge durch die Wärmeaustauschelemente den betreffenden strömenden Mitteln nach und nach abwechselnd ausgesetzt, und zwar dadurch, daß Verschlüsse vorgesehen sind, welche miteinander koordinierend die betreffenden ίο Endflächen der Elemente überstreichen; jeder Verschluß besitzt Dichtungsflächen, welche Räume abtrennen, die von den strömenden Mitteln außerhalb der Endflächen durchquert werden. Indem sich der betreffende Verschluß mit Bezug auf die Elemente l>ewegt, bilden die Dichtungsflächen eine veränderliche Abdichtung zwischen bestimmten Gruppen von Durchgängen, die jeweils mit den respektiven Räumen zusammenwirken sollen.

Vorzugsweise besitzt jeder der Verschlüsse die Form eines Ringes, der einen abgedichteten Raum umgrenzt, welcher in ständiger Verbindung je nachdem mit einem Einlaß oder einem Auslaß des einen strömenden Mittels und in Verbindung mit einer veränderlichen Auswahl von Strömungsdurchgangen durch die Elemente steht, wobei der Ring von einem abgedichteten Raum umgeben ist, der je nachdem in ständiger Verbindung mit dem Auslaß oder Einlaß des anderen strömenden Mittels und in Verbindung mit dem veränderlichen Rest der Durchgänge steht. Die Durchgänge für die strömenden λΐίηεΐ können um eine Längsachse herum in Form eines Speichers mit ringförmigen Endflächen angeordnet sein, wobei jeder Ring eine ringförmige Endfläche überstreichen kann, während sein Mittelpunkt mit Bezug auf die genannte Achse umläuft. Diese überstreichende Bewegung des Ringes kann durch einen Drehantrieb bewirkt werden, der in der Linie der Achse des Wärmeaustauschgerätes liegt, und zwar mittels einer auf der Antriebswelle sitzenden Kurbel, die in der Nabe des Speichenteils oder eines anderen durchbrochenen Tragstücks für den Ring angelenkt ist. Wahlweise kann die Übertragung von der Antriebswelle auch mittels eines auf die Welle aufgekeilten Exzenters erfolgen, der innerhalb des Ringes arbeitet.

Der Ring kann zwischen der Endfläche der Speicherelemente und einer am Ende des Wärmespeichers vorgesehenen Kappe eingeschlossen sein, der mit passenden Mehrfachleitungen für den Eingang und Ausgang der strömenden Mittel ausgerüstet ist. Die Endkappe kann dementsprechend eine parallel zur Endfläche der Gesamtheit der Elemente verlaufende Innenfläche besitzen und mit durch ihren mittleren Teil führenden sowie mit am Umfang liegenden öffnungen versehen sein. Die öffnungen am Umfang können radial verlaufen oder auch in Richtung der Achse gedreht sein.

In einer abgeänderten Ausführungsform sind die Einlaß- und Auslaßeinrichtungen für die strömenden Mittel an jedem Ende des Wärmeaustauschers so abgeändert, daß die Gehäusewandung der Durchgangsleitung für das eine strömende Mittel, die gleichzeitig diesen Durchgang von dem am gleichen Ende des Wärmeaustauschers liegenden Durchgang für das andere strömende Mittel trennt, ganz in der Nähe der betreffenden Endfläche der Gesamtheit der Elemente endet, wobei der Ring innerhalb der genannten Leitung an deren der Gesamtheit der Elemente benachbarten öffnung angeordnet ist.

Die Erfindung wird beispielsweise im folgenden an Hand der schematischen Zeichnungen näher veranschaulicht.

Fig. I ist ein Schnitt einer Ausführungsform des Wärmeaustauschers;

Fig. 2 ist ein Schnitt einer gegenüber Fig. 1 abgeänderten Ausführungsform;

Fig. 3 und 4 sind geschnittene Endaufrisse des in Fig. 2 dargestellten Wärmeaustauschers, und zwar längs Linie B-B bzw. C-C:

Fig. 5 ist ein Schnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 ist ein Schnitt einer weitereu Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 bis 4 besitzt die Wärmeaustauschvorrichtung die Gestalt einer Trommel 1. welche die in Fig. ι und 2 allgemein mit 2 bezeichneten Wärmeaustauschelemente um die Längsachse 3 der Trommel herum gehäuft enthält. Diese Elemente 2 bilden Durchgänge 4 für die strömenden Mittel, die von der einen Endfläche 5" zu der anderen Endfläche 5^ft durch die Elemente hindurch reichen. Diese Durchgänge können beispielsweise in einer der in Fig. 3 angegebenen Formen vorgesehen sein. Es sei darauf hingewiesen, daß die Elemente in unterteilten Sektionen der Gesamtheit angeordnet und aus keramischem Werkstoff, vorzugsweise aber aus Metall, bestehen können. Die Durchgänge können mit Wärme aufnehmenden Mitteln gefüllt sein, beispielsweise in der Form von dünnen Drähten, Drahtgewebe, Körnern, kleinen Kügelchen, hohlen Zylinderstücken, Perlen, Ringen oder in anderer Form. Andererseits können die einzelnen Durchgänge auch so bemessen sein, daß ihre Wandungen eine wirksame und passend bemessene wärmeübertragende Masse darstellen. Verschlüsse 6 in Ringform sind so eingerichtet, daß sie bei Umlauf ihrer Mitten um die Achse 3 die ringförmigen Endflächen 5" und 5^h der Durchgänge 4 überstreichen. Jeder Verschluß 6 wird einerseits von der Endfläche 5" oder 5* der Gesamtheit tier Elemente 2 und andererseits von dem Deckel 7 an dem betreffenden Ende des Wärmeaustauschers umschlossen. Jeder der Deckel 7 hat eine zu der Endfläche 5" bzw. 5* der Gesamtheit der Durchgänge 4 parallel liegende Innenfläche S und öffnungen 9. 12 oder 10. 11 durch ihren mittleren Teil und an ihrem Umfang, durch welche die strömenden Mittel eintreten und austreten. Die Umfangsöffnungen ri und 12 können wie in Fig. 1 radial oder gemäß Fig. 2 in Richtung der Achse gedreht angeordnet sein.

Um ein dichtes Anliegen der Verschlüsse 6 an den Endflächen 5" und 5^ft der Elementgesamtheit und an den entgegengesetzten Innenflächen 8 der Deckel 7 des Wärmeaustauschers zu gewährleisten, ist jeder Verschluß aus zwei konzentrischen Elementen 13 und 14 zusammengesetzt, die sich in Axialrichtung

teleskopartig zueinander verschiel>en können, wobei die Verbindung zwischen den beiden Stücken durch Dichtungs- oder Kolbenringe 15 gas- oder rlüssigkeitsdicht gestaltet ist. Die beiden Teile der konzentrischen Elemente 13 und 14 können vorgespannt, (1. h. durch Federn oder andere Mittel in Axialrichtung auseinandergedrückt sein, um jederzeit auf die Dichtungsfläche einen Mindestauflagedruck auszuüben. Offensichtlich wird sich dieser Auflagedruck entsprechend vergrößern, wenn der Druck innerhalb des Ringes größer ist als der Druck außerhalb des Ringes. Die überstreichende Bewegung des Verschlusses 6 wird durch einen in der gleichen Linie mit der Achse 3 des Wärmeaustauschers liegenden Drehantrieb über eine Kurbel 17 bewirkt, die auf der Antriebswelle 16 sitzt und in der Nabe 18 angelenkt ist, einer Nabe, die das konzentrische Element 14 tragende Speichen 19 besitzt, wie rechts in Fig. ι und 2 dargestellt ist. Die Übertragung von der Antriebswelle 16 kann auch über einen auf der Welle aufgekeilten Exzenter 20 erfolgen, welcher innerhalb des konzentrischen Elementes 14 arbeitet, wie links in Fig. 1 veranschaulicht ist.

Während des Betriebs umgrenzt jeder Verschluß 6 im Verlauf seiner exzentrischen Bewegung mit Bezug auf die Trommel 1 einen abgedichteten Raum 21 (Fig. 3 und 4), dor in ständiger Verbindung mit den öffnungen 9 und 10 im Hinblick auf das eine strömende Mittel und in Verbindung mit einer veränderlichen Auswahl von Durchgängen 4 durch die IClemente 2 gehalten wird. Der Verschluß 6 bewegt \ sich in dem abgedichteten Raum 22, der zwischen ■ den Endflächen 5" und 5'' der Durchgänge 4 und des Deckels 7 des Wärmeaustauschers liegt, und der in ständiger Verbindung mit den Öffnungen 11 und 12 mit Bezug auf das andere strömende Mittel sowie in Verbindung mit dem veränderlichen Rest der Durchgänge 4 gehalten wird.

Das strömende Mittel, welches unter verhältnismäßig hohem Druck steht, strömt durch den Verschluß 6, während das unter verhältnismäßig niedrigem Druck stehende strömende Mittel außerhalb der Verschlüsse strömt. Dementsprechend strömt bei der Rückgewinnung der Wärme aus Abgas das letztere über Öffnungen 9 und 10 durch den Verschluß 6, während das zu erhitzende Gas außerhalb des Verschlusses (1 durch Öffnungen 11 und 12 strömt. Die die Durchgänge bestimmende Unterteilung und die Weite der Verschlüsse bestimmende Unterteilung werden so gewählt, daß der Verschluß einen Durchgang oder eine Gruppe von Durchgängen richtig abdichtet und von dem Rest trennt. Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 5 und 6 sind die Ein- und Auslaßanordnungen für die strömenden Mittel so abgeändert, daß Einlaß und Auslaß des einen strömenden Mittels überLeitungen 22, und 24 erfolgt, die innerhalb weiterer Leitungen 25, 26 für den Ein- und Auslaß des anderen strömenden Mittels liegen. Die Gehäusewandungen 27 der Leitungen 23 und 24 enden in unmittelbarer Xälu' der zugehörigen Endflächen 5" und 5* der Gesamtheit der Elemente. Jeder der Verschlüsse 6 ist auf einem Speichenteil oder einem ähnlichen durchbrochenen Tragrahmen 19" in der Leitung 23 oder 24 an dessen der Gesamtheit der Elemente 2 benachbarter öffnung angeordnet. Das in den Leitungen 23, 24 strömende Mittel wird durch Dichtungslabyrinthe 28 oder andere Mittel daran gehindert, außerhalb der Verschlüsse 6 in die Leitungen 25, 26 und in denjenigen Teil der Trommel 1, der zu der betreffenden Zeit nicht von den Leitungen 23, 24 überdeckt wird, einzuströmen. Die Leitungen 22,, 24, in deren öffnungen die Verschlüsse 6 angeordnet sind, haben jeder im wesentlichen den gleichen Gesamtdurchmesser über ihre ganze Länge wie die öffnungen und die Verschlüsse, wobei der Durchmesser der letzteren ungefähr gleich oder ein wenig größer als der halbe Durchmesser der Trommel 1 ist. Auf diese W^reise kann der um die Achse der Trommel herum liegende unbenutzte Raum erheblich verringert werden, während andererseits gesichert ist, daß alle Elemente während der Bewegung des Verschlusses mit Bezug auf die Trommel von der ersteren richtig überstrichen werden. Hinzu kommt, daß bei dieser An-Ordnung eine erhebliche Verringerung von Druckverlusten erzielt wird.

Gemäß Fig. 5 haben die Leitungen 23 und 24 die Form zylindrischer Rohre, deren gemeinsame Achse 29 zu der Achse 3 der Trommel 1 parallel und versetzt läuft. Die Leitungen 23, 24 liegen innerhalb der zylindrischen Rohre 25", 26" und bilden Leitungen 25, 26, deren Durchmesser dem Durchmesser der Trommel 1 ungefähr gleich ist.

Das Überstreichen der Gesamtheit der Elemente 2 durch die Verschlüsse wird dadurch bewirkt, daß die Trommel sich um ihre Achse 3 mittels eines angetriebenen Zahnrades 30 dreht, das in einen auf dem äußeren Umfang der Trommel 1 vorgesehenen Zahnkranz 31 eingreift, während die Leitungen 23, 24, 25 und 26 samt den Verschlüssen!6 und den zugehörigen Teilen stationär gehalten werden.

Gemäß Fig. 6 sind die wiederum in Form zylindrischer Rohre innerhalb weiterer zylindrischer Rohre 25", 26" vorgesehenen Leitungen 23 und 24 so ^1O5 angeordnet, daß ihre gemeinsame Achse 29" an den von der Trommel 1 entfernt liegenden Enden in einer Linie mit der Achse 3 der Trommel liegt, wobei diese Leitungen 23 und 24 so gebogen sind, daß dort, wo sie mit der Trommel zusammentreffen, ihre n° gemeinsame Achse 29* zu der Achse 3 der Trommel ι parallel und versetzt verläuft, wie dies in Fig. 6 veranschaulicht ist. Die Leitungen 23 und 24 sind so gestaltet, daß sie den geringstmöglichen Strömungswiderstand ergeben. Das Überstreichen der Gesamtheit der Elemente 2 wird durch Drehung der Leitungen 23 und 24, welche die Verschlüsse 6 tragen, um die Achse 3 der Trommel 1 mittels angetriebener Zahnräder 30 bewirkt, die in Umfangszahnkränze 31 und- 32 auf den Außengehäusen der betreffenden Leitungen 23 und 24 eingreifen, während die Trommel 1 und die Leitungen 25, 26 stationär gehalten werden.

An den Stellen 33 und 34, wo die drehbaren Leitungen 23 und 24 die stationären Verlängerungen $·,, 36 der an den Zuleitungen und Ableitungen für

die strömenden Mittel befestigten Leitungen treffen, sind passende Lager und Dichtungsvorrichtungen vorgesehen.

Es ist ersichtlich, daß bei den in Fig. 5 und 6 veranschaulichten Ausführungsformell der außenseitige Antrieb es unnötig macht, irgendwelche in neu liegende Antriebs vorrichtungen vorzusehen, wodurch der um die Trommelachse herum liegende Raum noch weiter ausgenutzt werden kann.

Claims

P AT E N T A N S P R Ü C H E :

1. Wärmeaustauschvorrichtung, welche durch Speicherung einem strömenden Mittel Hitze entnimmt und auf ein anderes strömendes Mittel überträgt und bei welcher die strömenden Mittel durch Durchgänge in den Elementen der Austauschvorrichtung geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß diese Durchgänge (4) nach und nach und abwechselnd den jeweiligen strömenden Mitteln ausgesetzt werden, dadurch, daß beiderseits Verschlüsse (6) vorgesehen sind, die miteinander koordinierend die jeweiligen Endflächen (5", 5^fe) dieser Elemente (2) überstreichen, wobei jeder Verschluß Dichtungsflächen besitzt, welche die von den strömenden Mitteln durchquerten und außerhalb der Endflächen liegenden Räume voneinander so abdichten, daß das eine "Mittel einen Teil der Elemente und das zweite Mittel die restlichen Elemente durchströmt.

2. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch, i, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verschluü (6) die Form eines Ringes aufweist, der einen abgedichteten Raum umgrenzt, welcher in ständiger Verbindung je nachdem mit einem Einlaß oder mit einem Auslaß des einen strömenden Mittels und in Verbindung mit einer veränderlichen Auswahl von Durchgängen (4) durch die Elemente (2) steht, wobei der Verschluß (6) von einem abgedichteten Raum umgel>en ist, der in ständiger Verbindung je nachdem mit dem Auslaß oder Einlaß des anderen strömenden Mittels und in Verbindung mit dem veränderlichen Rest der Durchgänge steht.

3. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente um eine Längsachse (3) herum in Form eines Speichers mit ringförmigen Endflächen angeordnet sind, während jeder Verschluß (6) eine ringförmige Endfläche überstreicht, indem sein Mittelpunkt mit Bezug auf diese Achse (3) umläuft.

4. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verschluß (6) zwischen der ringförmigen Endfläche (5°, 5^ft) des Speichers und einem Deckel (7) der Wärmeaustauschvorrichtung eingeschlossen ist, wobei der Deckel (7) eine zu der ringförmigen Endfläche (5°, 5*) parallel liegende Innenfläche (8) aufweist und mit einem Durchgang versehen ist, der mit dem Inneren des Verschlusses (6) in Verbindung stellt sowie mit einem weiteren Durchgang, der mit dem Raum außerhalb des Verschlusses (6) in \^rerbindung steht.

5. Wärmeaustauschvorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verschluß (6) aus zwei konzentrischen Elcmenten (13, 14) besteht, die in Axialrichtung teleskopartig ineinandergefügt sind.

6. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Einrichtungen, durch welche die konzentrischen Elemente (13, 14) des Ringes in Axialrichtung auseinandergedrängt werden.

7. Wärmeaustauschvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung jedes Verschlusses (6) durch einen in der Linie der Achse (3) der Wärmeaustauschvorrichtung liegenden Drehantrieb mittels einer Kurbel (17) bewirkt wird, die auf der Antriebswelle (16) sitzt und an die Nabe (18) eines der Verschlüsse (6) tragenden durchbrochenen Tragrahmens (19") angelenkt ist.

8. Wärmeaustauschvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung jedes Ver-Schlusses (6) durch einen Exzenter (20) bewirkt wird, welcher auf eine umlaufende Antriebswelle (16) aufgekeilt ist und innerhalb des Verschlusses (6) arbeitet.

9. Wärmeaustauschvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsein- und -auslasse an jedem Ende der Wärmeaustauschvorrichtung so angeordnet sind, daß die Gehäusewand eines Durchgangs für das eine strömende Mittel, welche diesen Durchgang von dem Durchgang des anderen strömenden Mittels am gleichen Ende der Wärmeaustauschvorrichtung trennt.

in nächster Xähe der betreffenden Endfläche des aus den Elementen bestehenden Speichers endet. wobei der Verschluß (6) in dem erstgenannten Durchgang an dessen dem Speicher benachbart liegenden Öffnung angeordnet ist.

10. Wärmeaustauscheinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang, in dessen Öffnung ein Verschluß angeordnet ist. im wesentlichen über seine ganze Länge den gleichen Gesamtdurchmesser besitzt wie die Öffnung und der Verschluß (6), wobei der Durchmesser des Verschlusses (6) ungefähr gleich oder größer als der halbe Durchmesser der Wärmeaustauschvorrichtung ist.

11. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10. dadurch gekennzeichnet, daß das Bestreichen der ringförmigen Endflächen (5^e; 5*) durch Drehung des aus den Elementen bestehenden Speichers bewirkt wird, während die Durchgänge und Verschlüsse (6) stillstehen.

12. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang, in dem ein Verschluß (6) vorgesehen

ist, so angeordnet ist, daß die Durchgangsachse parallel und versetzt zur Achse (3) des EIementenaggregats liegt.

13. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Überstreichen der ringförmigen Endflächen (5", 5⁶) durch Drehung der die Verschlüsse (6) tragenden Durchgänge um die Achse (3) des Elementenaggregats bewirkt wird, während das Aggregat und die übrigen Durchgänge stillstehen.

14. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang, in dem ein Verschluß (6) vorgesehen ist, so angeordnet ist, daß seine Achse an dem von dem Elementenaggregat entfernt liegenden Ende in der gleichen Linie mit der Achse (3) des Aggregats liegt, wobei der Durchgang derart gebogen ist, daß an der Stelle des Zusammentreffens mit dem Aggregat seine Achse mit Bezug auf die Achse (3) des Aggregats parallel und versetzt verläuft.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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