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Regenerativ-Wärmeaustauscher Es sind bereits viele Bauarten von Regenerativ-Wärmeaustauschern
beschrieben worden, so beispielsweise in dendeutschenPatentschriften 85q. 66o, g52
555. 842 948 und 835 494 sowie in der britischen Patentschrift 62q.383 und in der
schweizerischen Patentschrift 27q.346.
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Die vorliegende Erfindung geht von einem durch die deutsche Patentschrift
8242L2 umrissenen Stand der Technik äus. Diese Patentschrift zeigt einen Regenierativ-Wärmenustauscher
mit bogenförmigen Einlaß- und Auslaßöffnungen und scheibenförmigem Rotor. Der Rotor
ist dabei durch Rippen in Segmente unterteilt, welche unter sich gleiche Form haben
und die an den Einlaß- und Auslaßöffnungen ihre Begrenzung haben. Der Stator gehört
der Scheibenbauart an und besteht aus zwei Hälften, die bogenförmige Einlaß- und
AuSlaßöffnungen aufweisen. Weiterhin wird der Stand der Technik, von welchem die
vorliegende Erfindung ausgeht, durch die deutsche Patentschrift 829 175
umrissen,
in welcher auf S. 2, Zeilen 94 bis 97 angegeben ist, daß die wärmeaustauschenden
Elemente in unterteilten Sektionen der Gesamtheit angeordnet sein können. Endlich
wird der den Ausgangspunkt für die Erfindung bildende Stand der Technik auch durch
die britische Patentschrift
655.3I3 umrissen,, in welcher auf S.
2, Zeilen 74 bis 79 von Rotoren aus keramischer Masse die Rede ist.
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Die Erfindung macht von einer Kombination einiger der aus dem Stand
dar Technik bekannten Merkmale Gebrauch. Sie bertrifft umlaufende Speichermasse,
Regenerativ-Wärmeaustauscher oder Luftvorwärmer, mit scheibenförmigem Rotor, insbesondere
für Brennkraftturbinen.
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Die bei dieser Wärmeaustauscher-Bauart auftretenden Aufgabestellungen
schließen unter anderem auch die Erzielung einer wirksamen Abdichtung, die Verringerung
schädlicher Druckverluste, dieeinfache Herstellung und die Erzielung niedriger Fsrtigungskosten
in sich.
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Wenn Schleifdichtungen zwischen den rotierenden und feststehenden
Teilen verwendet werden, dann kann eine wirksame Abdichtung nur dann erzielt werden,
wem die Abmessungen der Dichtfläche klein sind. Je größer diese Flächen ist, um
so größer wird der Betrag des. Verziehens und infolgedessen auch derjenige der Unebenheit.
Die Brauchbarkeit von Schleifdichtungen hängt aber von dieser Unebenheit ab.
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.Eine möglichst ungehinderte Strömung der Gase oder der betreffenden
Medien von und zur Speichermasse, d. h. dem wirksamen wärmeaustauschenden Teil des
Wärmeaustauschers, ist wesentlich, wenn die schädlichen Druckverluste niedrig gehalten
werden sollen. Es sollten so wenig Biegungen als möglich in den Strömungswegen sein
und Schwingungen in den Strömungswegenfhchen sollten vermieden werden.
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Ebenso, wie die Abmessungen des Speichermassenquerschnittes hinsichtlich
der Druckverluste in der Speichermasse selbst von wesentlicher Bedeutung sind, so
sind auch die Abmessungen der kleinsten Querschnitte in den -Zu- und Ableitungskanälen,
die zur Speichermasse hin- b#zw. von dieser wegführen, von Wichtigkeit, soweit es
sich um die auf Grund dieser Kanäle auftretenden zusätzlichen Druckverluste handelt.
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Vom Standpunkt der Kosten und der leichten Herstellung aus sollte
der Wärmeaustauscher hinsichtlich seiner Form einfach und für die Massenherstellurng
geeignet sein. Außerdem ergibt sich vom Standpunkt der Fertigung aus eine Grenze
hinsichtlich der Abmessungen, soweit für die die Dichtungen bildenden Teile keramische
Stoffe benutzt werden. Eine weitere Grenze ergibt sich aus der Anwendung des Feinstschleifens
bei der Herstellung der Dichtflächen.
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Außerdem müssen alle Teile einfach im Aufbau, leicht zu ersetzen und
untereinander austauschbar sein.
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Die Erfindung besteht in der - Schaffung einer verbesserten Regenerativ-Wärmeaustauschereinheit
mit scheibenförmigem Rotor und umlaufender Speichermasse, welche den oben angegebenen
Forderungen entspricht und welche dazu benutzt werden kann, einen zusammengesetzten
Wärmeaustauscher aufzubauen. Zu diesem Zweck wird der nachstehend beschriebene Wärmeaustauscher
als Wärmeausta:uscher-Element bezeichnet, d. h. als Element, welches zwar als solches
einen vollständigen Wärmeaustauscher darstellt, welches jedoch hauptsächlich in
Verbindung mit anderen, gleichartigen Elementen, benutzt wird, um einen vollständigen
Wärmeaustauscher aufzubauen.
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Die erfindungsgemäße Regenerativ-Wärmeaustauschereinheit weist die
Zusammenfassung folgender acht Merkmale auf I. einen scheibenförmigen Rotor, bestehend
aus einem Gehäuse, welches eine ringförmige Speichermasse aus zum Wärmeaustausch
geeignetem Material enthält und welches innerhalb einer zur Drehachse rechtwinkligen
Ebene in zwei miteinander identische Hälften unterteilt ist, die aus keramischen
oder sonstigen gesinterten Körpern hergestellt sind, beispielsweise aus gesinterten
Oxyden, gesinterten Silikaten, gesinterten Karbiden, gesinterten Metallen oder Mischungen
irgendwelcher dieser Stoffe, wobei das Rotorgehäuse einen maximalen Durchmesser
von ungefähr 25o mm hat; 2. bogenförmige Einlaß- und Auslaßöffnungen im Rotorgehäuse
für den Zutritt und den Aus.laß der wärmeaustauschenden Medien zu und von der Speichermasse;
wobei die Querschnitte jeder dieser Öffnungen kleiner sind als der Ringquerschnitt
der Speichermasse und wobei diese Öffnungen durch Dichtflächen begrenzt sind; 3.
in radialer Richtung sich erstreckende und das RGtorgehäuse in Sektoren von gleicher
Farm unterteilende Rippen, wobei diese Rippen sich jeRVeils auf jeder Seite der
Speichermasse in axialer Richtung innerhalb der Ebene erstrecken, welche die Einlaß-
und Auslaßöffn:ungen des Rotorgehäuses hegremzenden Dichtflächen aufweist: 4. einen
den Rotar umgebenden Stator, der aus zwei gleichen Hälften aus gepreßtem Blech besteht,
wobei dieser Stator Einlaß- und Auslaßöffnungen von bogenartiger Form für jedes
der wärmeaustauschenden Medien aufweist; 5. bogenförmige Führungsstücke, die in
den Offnungen gemäß Merkmal 4 eingepaßt und aus keramischen Stoffen od. dgl. hergestellt,
wie in Merkmal I angegeben sind, und Dichtplatten aufweisen, die an den Dichtflächen.
der Radialrippen des Rotors anliegen, um ein Durchlecken in allgemein axialer Richtung
längs der Umfangsstirnfläche des Rotors bzw. in Umfangsrichtung quer zu den Stirnflächen
des Rotors zu verhindern: 6. Federn, welche auf der Seite der Einheit, durch welche
die Kaltluft bzw. das zu heizende Gas eintritt, zwischen der betreffenden Statorhälfte
und dem in die betreffenden Öffnungen eingelassenen Führungsstück angeordnet sind
und die Dichtplatte dieses r ührungsstückes nachgiebig gegen die entsprechende Berührungsfläche
des Rotors drücken,-. -eine den Rotor tragende Welle, die mit Einrichtungen
versehen ist, welche die beiden Hälften des Rotorgehäuses zusammenhalten, und mit
Mitteln, welche einen Antrieb für den Rotor halten, wobei diese Welle in Lagern
läuft, die in eine der beiden Statorhälften eingepreßt sind;
B.
ein Speichermassenmaterial, das in zwei identische Sektoren unterteilt ist, deren
jeder in einem Rahmen gehalten wird, der in einen der Sektoren des Ro:to@rgehäuses
hineinpaßt: Bezugnehm:eud auf die Schemazeichnungen bedeutet Fig. i einen Längsschnitt
eines Regenerativ-Wärmeaustauschers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, Fig.2
einem Schnitt längs der Linie A-A der Fig. i, in Pfeilrichtung gesehen, wobei der
Schnitt sich nur über die linke Hälfte der Figur erstreckt und deren rechte Hälfte
den Aufriß zeigt, Fig. 3 einenSchnitt längs derLin.ie B-B in Fig. i, in Pfeilrichtung
gesehen.
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Die beispielsweise dargestellte Ausführungsform der Erfindung zeigt
ein Rotorgehäuse, welches aus zwei gleichen Hälften i" und ib aufgebaut ist, deren
jede bogenförmige Öffnungen für den Einlaß und den Auslaß der wärmeaustauschenden
Gase aufweist, wobei diese Öffnungen durch Dichtflächen 2Q und 2b begrenzt sind.
Diese Dichtflächen oder der ganze Rotor können aus keramischem Material bestehen
oder aus gesinterten Karbiden, gesinterten Metallen oder Mischungen dieser Stoffe.
Aus diesem Grunde ist der maximale Außendurchmesser des Rotors auf ungefähr 25o
mm begrenzt. Die Gehäusehälften sind eben durch Rippen 3 in Sektoren unterteilt,
die sich innerhalb derselben Ebene erstrecken wie die Dichtflächen 2" und 2b. Sie
bilden einen -Teil der Dichtung.
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In jedem der Sektoren des Rotorgehäuses ist eine Speichermasse q.
eingesetzt, welche beispielsweise aus einem Paket aus Drahtgewebe bestehen kann.
Das Paket ist in einem Rahmen 5 gefaßt, dessen äußere Form mit der Form des Sektors,
in welchem er eingesetzt ist, übereinstimmt. Ein Spalt 6 ist zwischen dem Speichermassenrahmen
und den Wandungen des Sektors freigelassen, um eine Ausdehnung der Speichermasse
zu gestatten.
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Kombinierte Gasführungsstücke und Druckplatten 7 und 8.von jeweils
gleicher Form bilden einen Teil des Stators. Sie sind an beiden Seiten des Rotors
angeordnet. Mit diesen kombinierten Gasführungsstücken und Druckplatten sind Dichtungsplätten
9 aus Keramikstoff verbunden. Statt dessen kann auch jedes kombinierte Gasführungsstück
und Druckplattenglied aus Keramikstoff hergestellt sein. Zwischen jeder Druckplatte
und der betreffenden stationären Dichtplatte ist, falls sie nicht aus- Keramik besteht,
eine wärmebeständige Packung io angeordnet. Die Berührungsflächen der feststehenden
Dichtplatte 9 und der umlaufenden Dichtflächen 2a, 2b sind sehr fein geschliffen,
so daß sie eine wirksame Abdichtung ergeben. Zu diesem Zweck und um die Abnutzung
niedrig zu halten, ist an der umlaufenden Dichtfläche eine Nut i i angeordnet, so
daß sie die feststehende Dichtplatte 9 nur längs des engen ringförmigen Flächenteiles
berührt.
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Zwei im wesentlichen gleiche Statorgehäusehälften 12, 13 in Dosen-
und Deckelbauart werden vorzugsweise aus Blech gepreßt und, um dien Rotor unterzubringen,
miteinander verschweißt. Die Gaskanäle der Druckplattem ragen durch gleiche Öffnungen
in diesen Gehäusehäuten hindurch.
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Diese Statorgmehäusehälften bilden, außerdem Lager 14 für eine Welle
15, die in dem Rotor beispielsweise vermittels einer Mutter 16 befestigt ist.
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Auf der Seite des Wärmeaus.tauschers, durch welche die kalte Luft
oder das zu erwärmende Gas eintritt, sind wellenförmige Federn 17 angeordnet, welche
die Druckplatten 7, 8 und die Dichtplatten 9 gegen die Dichtflächen 2, und 26 pressen,
um die erforderliche hohe Gasdichtheit sicherzustellen.
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Die Welle 15 treibt den Rotor i über eine Paßfeder 18 an. Der Antrieb
kann an jedem Wellenende angebaut werden. Der Antrieb kann hydraulisch erfolgen
oder vermittels eines Elektromotors oder vermittels mechanischer Einrichtungen,
z. B. über Getriebe von der Arbeitsturbinenwelle her.
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Die bogenförmigen Öffnungen jeder Rotorgehäusehälfte, durch welche
die Gase eintreten und austreten, haben einen Querschnitt, der kleiner ist als die
Ouerschnittsfläche der Speichermasse und der Rippen. Die Einlaß- und Auslaßöffnungen,
welche von den umlaufenden Dichtflächen 2" und 2b in Verbindung mit den Kanten der
Radialrippen 3 gebildet werden, berühren die feststehende Dichtplatte 9 und bilden
so eine Schleifdichtung für die umlaufende Speichermasse und ihr ebenfalls umlaufendes
Gehäuse.
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Die in radialer Richtung sich erstreckenden Rippen sind so ausgebildet,
daß sie auf jeder Seite der Speichermasse in axialer Richtung mit Bezug auf die
Ebene, welche die. den Einlaß zum und den Auslaß vom Rotor umgebenden. Dichtflächen
enthält, v orstehem, derart, daß sie wägend des Umlaufes der Speichermasse in Berührung
mit den Dichtplatten g der Führungsstücke stehen, die mit den bogenförmigen Öffnungen
des Stators verbunden sind. Das bedeutet, daß derjenige Teil des Rotors, welcher
von der Kaltgasseite zur Heißgasseite bzw., wenn derselbe in Verbindung- mit einer
Gasturbinenanlage benutzt wird, von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite hin
läuft, mittels der Dichtflächen 2a in Berührung mit der Dichtplatte 9 des Stators
kommt, wodurch verhindert wird, daß in radialer Richtung über die äußere Stirnfläche
des Rotorgehäuses ein Durchlecken stattfindet, während vermittels der Radialrippen
ein Durchlecken von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite in Umfangsrichtung quer
zur Rotorstiinseite verhindert wird.
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Die vollständige Einheit besteht aus sehr wenigen, einfach geformten
Teilen. Die Rotorgehäusehälftep, die kombinierten Gaskanäle und Druckplatten und
die feststehenden Dichtungen: sind jeweils paarweise vorgesehen. Die Statorgehäusehälften
sind sich hinsichtlich ihrer Form sehr ähnlich und haben gleiche Öffnungen.
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Die Massenfertigung der Einheiten ist nicht schwierig. Mit Ausnahme
der Dichtflächen ist keine genaue Bearbeitung der Teile erforderlich.
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Die die umlaufenden Dichtflächen aufweisenden Rotorgehäusehälften
und die feststehenden- Dichtringe
sind, um die Gefahr des Verziehens
auf Grund von Temperaturunterschieden zu verringern, aus entsprechend ausgewählten
Keramikstoffen hergestellt. Die Ebenheit der Dichtflächen kann in .diesem Fall durch
Feinstschleifen erzielt worden, welches in Verbindung mit diesen, Werkstoffen auch
für andere Zwecke Anwendung findet.
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Die kombinierten Gaskanäle und Druckplatten können im Präzisionsgießverfahren
hergestellt werden, beispielsweise nach dem Verfahren mit verlorenem Wachs, und
zwar entweder aus hochwärmebeständigem Eisen. oder hochwärmebeständigere. Stahl.
Wenn eine keramische Verkleidung für die von den heißen Gasen. durchflossenen Kanäle
angewandt wird, was mit Rücksicht auf die geringen mechanischen Beanspruchungen
möglich ist, dann brauchen bei keinem der Teile des Elementes hitzebeständige Stähle
Anwendung finden.
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Das dünne äußere Gehäuse wird aus weichem Stahlblech gepreßt, wobei
die Öffnungen, ausge#-stanzt und die Wellenlagerbuchsen eingepreßt werden. Die Welle
kann. auf einem Automaten bearbeitet werden.
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Da die dargestellte vollständige Einheit jeweils 16 Speichermassenab@teil.ungen
enthält, ist es wichtig, daß die Herstellung der einzelnen Abteilungen und der Zusammenbau
der Abteilungen im Gehäuse so einfach wie möglich ist.
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Die henden Rotorhälften sind erfindungsgemäß identisch. Die beiden
Statorhälften sind im wesentlichen identisch und gehören der sogenannten Dosen-
und Deckelbauart an, wie in der Zeichnung gezeigt. Sie können aber auch aus zwei
identischen Hälften bestehen und beispielsweise durch Schweißeng miteinander verbunden
sein. Die Rotorhälften können mit denselben Werkzeugen hergestellt werden, ebenso
wie die Statorhälften mit denselben Werkzeugen gefertigt werden können, wobei jeweils
nur ein Teil nachbearbeitet zu werden braucht, um das. zu erreichen, was im allgemeinen
mit Dosen-und Deckelpassung bekannter Art bezeichnet wird.
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Wenn im Rahmen dieser Anmeldung von keramischen Stoffen gesprochen
wird, ohne diese näher zu bezeichnen, dann sind keramische Stoffe allgemein bekannter
Art oder andere gesinterte Körper, beispielsweise gesinterte Oxyde, gesinterte Silikate,
gesinterte Karbide, gesinterte Metalle oder Mischungen dieser Stoffe, gemeint.
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Die Vorteile eins Regenerativ-Wärmeaustauschere der erfindungsgemäß
verbesserten Bauart sind folgende: i. Die Verwendung einer dichten Schleifdichtung.
Wie bereits vorher erwähnt, wird angenommen, da.ß eine wirksame Abdichtung nur da
möglich ist, wo die Abmessungen der Dichtflächen klein sind. Infolge ihrer Kleinheit
sind die Dichtflächen in diesem Element begrenzt.
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2. Niedrige schädliche Druckverluste. Das beschriebene Wä,rmeaustauschelement
hat den Vorteil guter Strömungsbedingungen und demzufolge niedriger schädlicher
Druckverluste.
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3. Massenherstellung. Die kleinen Regenerativ-Wärmeaustauscherelemente
eignen sich für Massenherstellungsverfahren, da die Wandstärken des Siators klein
gehalten werden können und derselbe aus Blechtafeln gepreßt werden kann. Eine genaue
Maschinenbearbeitung ist mit Ausnahme der Dicht= flächen nicht erforderlich, und
die Teile des Elementes sind hinsichtlich ihrer Konstruktion, ihrer Auswechselbarkeit
und ihres Ersatzes einfach.
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4. Betriebseigenschaften. Die kleinen Abmeissungen haben niedrige
Geschwindigkeiten der Schleifdichtungen zur Folge, was einer verminderten Abnutzung
und einer höheren Lebensdauer gleichkommt.
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5. Austausch der Speichermasse. Die Speichermasse kann leicht ausgewechselt
werden und jede geeignete Speichermassenart kann Anwendung finden.