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Regenerativ-Wärmeaustauscher Die Erfindung bezieht sich auf Regenerativ-Wärmeaustauscher,
insbesondere auf solche in Verbindung mit Gas- oder anderen Brennkraftturbinen.
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Im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf einen Wärmeaustauscher,
der aus einer Anzahl rotierender Scheiben besteht.
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Es ist bekannt, in einer Gas-, d. h. in einer Brennkraftturbinenanlage
Einscheiben-Regenerativ-Wärmeaustauscher anzuordnen, um die Luft vorzuwärmen, bevor
dieselbe in der Brennkammer auf ihre Endtemperatur erhitzt wird.
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Regenerativ-Wärmeaustauscher sowohl mit Einscheibenrotoren als auch
mit Mehrscheibenmotoren sind bekannt. Im letzteren Fall sind die einzelnen Scheiben
gewöhnlich hintereinander auf einer gemeinsamen Welle angeordnet bzw. - technisch
ausgedrückt - in Serie geschaltet.
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Wo ein großer Wärmerückgewinnungsgrad -vom Wärmeaustauscher gefordert
wird, ist eine Anzahl einzelner Scheiben auf einer Welle so angeordnet, daß sie
zusammen einen einzigen Wärmeaustauscher bilden. Ein solcher Wärmeaustauscher hat
den Nachteil, daß er ziemlich sperrig ist und daß die Verteilung und die Sammlung
der Gase, welche in den Scheiben ihre Wärme austauschen, schwierig ist und komplizierte
Kanalanordnungen erfordert.
Infolgedessen werden durch solche Anordnungen
die verbleibenden Restmengen der Gase erhöht und der Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage
verschlechtert.
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Es ist bekannt, daß mit der Einbeziehung eines Luftvorwärmers in eine
Brennkraftturbinenanlage verschiedene Unannehmlichkeiten verbunden 'sind, wie beispielsweise
zusätzliche Kanäle, zusätzlicher Platzbedarf der Brennkraftturbinenanlage u. dgl.
Wenn der Vorwärmer aus verschiedenen Elementen zusammengesetzt ist und insbesondere
dann, wenn diese letzteren selbständig sind, d. h. bezüglich ihres Antriebs unabhängig
voneinander sind, dann kann der Vorwärmer im einzelnen so ausgebildet sein, daß
er so. wenig wie möglich den Gesamtaufbau der Turbinenanlage verändert.
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Wenn Wärmeaustauscher in Scheibenbauart als Luftvorwärmer in einer
Brennkraftturbinenanlage Anwendung finden, dann ist dies bekanntermaßen mit verschiedenen
Nachteilen verbunden. Einige dieser Nachteile beziehen sich insbesondere auf die
Gasführung zwischen dem Verdichter bzw. der Turbine einerseits und dem Luftvorwärmer
andererseits. Sowohl die heißen als auch die kalten Gase verlassen die Turbine bzw.
den Verdichter jeweils in ringförmig verteilter Form. Wenn ein Einscheibenluftvorwärmer
verwendet wird, so ist sowohl die Heißgasseite als auch die Kaltgasseite in ein
und demselben Ringkörper untergebracht, und dies bedeutet, daß die Kanäle, welche
die beiden Gase führen, die ihre Wärme gegenseitig austauschen sollen, aneinander
entlang geführt werden müssen. Die Zahl der vorerwähnten Heißgasseiten und Kaltgasseiten
soll so klein wie möglich sein, damit übermäßige Spaltverluste zwischen Rotor und
Stator des Luftvorwärmers vermieden werden. Dies bedingt die Anwendung komplizierter
Kanalformen zwischen den Verdichter- bzw. Turbinenauslässen und den Einlässen der
Heiß- und Kaltgasseiten des Luftvorwärmers, um zu erreichen, daß die Gase von zwei
verschiedenen in Längsrichtung nebeneinander herlaufenden Ringquerschnitten her
übergeführt werden. Wirksame Luftvorwärmer benötigen einen großen Futterquerschnitt,
d. h. strömungstechnisch ausgedrückt, eine große Stirnfläche. Diejenigen Flächen,
welche den Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator bilden, d. h. diejenigen Flächen,
welche die Ursache für die Spaltverluste bilden, sind zum Futterquerschnitt proportional.
Je größer dieser Querschnitt ist, um so größer ist der Grad des Verzuges, der an
den Flächen auftritt, die diese Spalte bilden, und um so größer müssen die Abmessungen
der zwischen diesen Flächen erforderlichen Spiele sein. Dadurch wird der Spaltverlust
größer. Je größer also der Futterquerschnitt ist, um so weniger günstig ist es mit
Rücksicht auf den eben erwähnten Verzug und den Umstand, daß eine Vergrößerung des
Futterquerschnittes eine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit der Scheibe mit sich
bringt, Schleifdichtungen anzuwenden. Wenn also Schleifdichtungen benutzt werden,
so ergibt sich eine Erhöhung der Abnutzung der Dichtmittel. Es wurden bereits Versuche
gemacht, diese Schwierigkeiten zu überwinden, indem mehr als eine Scheibe angewandt
wurde, so daß der Stirnquerschnitt jeder -Scheibe vermindert werden konnte.
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Luftvorwärmer der Mehrscheibenbauart haben einen von einer Anzahl
gleicher Scheiben gebildeten Rotor, die räumlich hintereinander auf einer gemeinsamen
Welle angeordnet sind, und sie weisen die gleichen Nachteile wie die oben geschilderten,
bisher bekannten Wärmeaustauscher nach Mehrscheibenbauart auf.
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Obwohl der Verzug in den Scheiben selbst mit Rücksicht ihrer kleineren
Abmessungen an sich geringer ist, ist infolge des komplizierten Aufbaus des Stators
und des Rotors das Abdichtungsproblem bei dieser Bauart immer noch äußerst schwierig.
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Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten
Regenerativ-Wärmeaustauschers, insbesondere diejenige einer Anordnung von zwei oder
mehr Regenerativ-Wärmeaustauscherelementen, die beispielsweise einen scheibenförmigen
Rotor besitzen, der aus einem die Speichermasse enthaltenden und rechtwinklig zur
Drehachse unterteilten Gehäuse besteht, welches mit bogenförmigen Ein- und Auslaßöffnungen
versehen ist, während der Stator aus zwei gleichen aus Blech gepreßten Hälften besteht
und die Welle des Rotors trägt. Die Anordnung dieser Elemente soll in einer Weise
erfolgen, daß sie einen zusammengesetzten Regenerativ-Wärmeaustauscher bilden, insbesondere
einen solchen, der sich hauptsächlich seines Aufbaus, seines Wirkungsgrads, seiner
Betriebseigenschaften und seiner Einfachheit wegen als Luftvorwärmer für Brennkraftturbinenanlagen
eignet.
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Es ist deshalb ein Gegenstand der Erfindung, einen Regenerativ-Wärmeaustauscher
mit einer Mehrzahl von den Wärmeaustausch bewirkenden rotierenden Scheiben insbesondere
zur Vorwärmung der Verbrennungsluft von Gasturbinen zu schaffen, bei welchem die
Scheiben ringförmig um eine zentrale Achse angeordnet sind und die Ein-und Auslässe
zu und von jeder Scheibe für das zu erhitzende Medium einerseits und die Ein- und
Auslässe für das abzukühlende Medium andererseits in getrennten Ringbereichen zusammengefaßt
sind.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Regenerativ-Wärmeaustauscher
obiger Bauart, bei welchem sämtliche Scheiben in einer Ebene liegen.
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Ferner ist ein Gegenstand der Erfindung ein Regenerativ-Wärmeaustauscher
obiger Bauart, bei welchem die Scheiben derart angeordnet sind, daß die Ein- und
Auslässe zu und von jeder Scheibe für das zu erhitzende Medium in einem äußeren,
die Ein- und Auslässe zu und von jeder Scheibe für das abzukühlende Medium dagegen
in einem inneren Ringbereich zusamrnengefaßt sind.
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Noch ein Gegenstand der Erfindung ist ein Regenerativ-Wärmeaustauscher
obiger Bauart, bei welchem die Scheiben derart angeordnet sind, daß
ihre
Achsen radial zur Hauptachse des Wärmeaustauschers angeordnet sind, und zwar in
einer Ebene rechtwinklig zur Hauptachsenebene.
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Gleichzeitig umfaßt die vorliegende Erfindung Regenerativ-Wärmeaustauscher
in Gasturbinenanlagen, in welchen ein oder mehrere zusammengefaßte Wärmeaustauscher
obiger Bauart ihre Heißgaseinlässe von einem gemeinsamen Ringkanal oder Verteilerkanal
und ebenso ihre Kaltgaseinlässe abzweigen, wobei die Heißgaseinlässe unmittelbar
mit einem Ringkanal des Turbinenauslasses verbunden oder gekuppelt und die Kaltgaseinlässe
unmittelbar mit einem Ringkanal des Verdichterauslasses oder des Diffusorauslasses
verbunden oder gekuppelt sind.
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An Hand der Zeichnungen soll die Erfindung. noch näher beschrieben
werden.
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In den Zeichnungen bedeutet Fig. i eine teilweise geschnittene Vorderansicht
und Fig. 2 einen Querschnitt einer Ausführungsform der Erfindung, welche mit »Frontalform«
bezeichnet sei.
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Fig. i ist aus einer Anzahl einzelner Schnitte zusammengesetzt, wobei
das linke obere Viertel ein Schnitt längs der Linie A-A der Fig. 2, das rechte obere
Viertel ein Schnitt längs der Linie C-C der Fig.2, das linke untere Viertel ein
Schnitt längs der Linie B-B der Fig. 2 und das rechte untere Viertel ein Schnitt
längs der Linie X-X der Fig. 2 ist und wobei alle diese Schnitte jeweils die Ansicht
in der jeweils angegebenen Pfeilrichtung zeigen.
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Fig. 3 ist eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher die Scheiben polygonal angeordnet sind.
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Fig. 4 ist ein Schnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 3.
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Die in Fig. i und 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung weist
vier gleiche scheibenförmige Rotoren i auf, welche in einer gemeinsamen Ebene eines
Stators 2 angeordnet sind, der ebenfalls dem Einscheibentyp angehört. Die Rotoren
sind so angeordnet, daß die Kaltgasseiten 3 und die Heißgasseiten 4 jeweils in einem
außen bzw. innen gelegenen Ringraum liegen. Der äußere Ringraum 5 kann die Kaltgasseite
enthalten, während der innere Ringraum 6 die Heißgasseite des Luftvorwärmers enthalten
kann. Die Anordnung der beiden Ringkörper kann jedoch auch umgekehrt sein, wenn
dies die Bauart anderer Teile der Turbinenanlage erfordert.
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Das kalte Gas wird von einem (nicht dargestellten, jedoch in Fig.2
links angeordneten) Verdichter der Gasturbine über Kanäle 7 in den Stator zum Einlaß
der Kaltgasseite geleitet. Diese Kanäle sind in den freien Räumen zwischen den Rotoren
so angeordnet, daß die zylindrische Anordnung des Stators nicht gestört wird. Die
die Kanäle so verlassende Luft wird in einer Ringkammer 8 gesammelt und über die
Einlässe der Kaltgasseiten verteilt.
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Die Rotoren können aus einem zylindrischen Mittelteil 9 bestehen,
welcher einen äußeren Ring9" und .einen inneren Ring 9b aufweist. Diese Ringe sind
durch Rippen io so miteinander verbunden, daß sie eine Anzahl von Abteilungen i
i bilden, die in gleichen Winkelabständen voneinander liegen und in welchen. jeweils
ein Futter i2 eingebettet ist. Die Einlaß- und Auslaßquerschnitte der einzelnen
Abteilungen sind kleiner als der Futterquerschnitt. Der Querschnitt 13 der dem größeren
Volumen zugeordneten Seite ist größer als der -Querschnitt 14 der dem kleineren
Volumen zugeordneten Seite. Eine Abdichtung ist in Form zweier Platten auf beiden
Seiten vorgesehen. Je eine, 15, dieser Platten ist an dem Rotor befestigt,
und die andere, 16, derselben ist am Stator befestigt. Um schleifende Berührung
zu erzielen, wird die auf der der niedrigeren Temperatur zugeordneten Seite befindliche,
mit einer Muffe 17 versehene Platte 16b unter der Wirkung einer Feder 18 an den
Rotor angepreßt. Die Muffe wird durch einen Dichtring i9 gegen den Stator abgedichtet.
Die Platten 15 und 16 sind vorzugsweise aus einem Werkstoff niedriger Wärmeleitfähigkeit,
beispielsweise aus keramischem Material, hergestellt.
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Die Rotoren laufen mittels Lager 21 auf Achszapfen 2o. An der kalten
Stirnseite der Rotoren sind Zahnräder 22 angeordnet, die im Eingriff mit der Verzahnung
eines in der Mitte angeordneten Ritzels 23 stehen, welches durch eine Welle 24 in
Umdrehung versetzt wird, die ihrerseits in Lagern 25 und 26 gelagert ist, während
ein weiterer Satz von Zahnrädern. 27 durch ein beispielsweise hydraulisches, elektrisches
oder pneumatisches Antriebsmittel angerieben wird.
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Die heißen Gase werden in einer Ringkammer 28 gesammelt, die sich
an der Öffnung der Heißgasseite des Luftvorwärmers befindet.
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Fig. 3 zeigt die Scheiben in polygonaler. Anordnung; die Scheiben
haben dabei die gleiche Konstruktion wie die in Verbindung mit -Fig. i und 2 dargestellten
Scheiben. Die Figur zeigt eine Anordnung von sechs solchen Scheiben, jedoch ist
die Kanalführung nicht gezeigt. In der Darstellung sind die Scheiben in einem ein
einziges starres Gehäuse bildenden Gußteil 30 untergebracht, während andererseits
natürlich auch jedes Rotorgehäuse für sich gefertigt sein kann.
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Fig.4 zeigt einen Querschnitt längs derLinie4-4 der Fig.3, während
die Einzelheiten der beiden dazu im Winkel geneigten Scheibengehäuse 3-1 und 32
nicht dargestellt sind. Die heißen Auspuffgase der Turbine können durch eine Öffnung
33 eintreten, strömen durch die Scheibe und verlassen sie durch eine Austrittsöffnung
34 zum Auspuff. Kaltes Gas oder Luft vom Verdichter her kann durch eine. Öffnung
35 eintreten, strömt durch die Scheibe und verläßt die Anordnung durch den Auslaß
36 zur Brennkammer hin. Bei einer solchen Anordnung sind die Heißgaskanäle auf dem
inneren Ringbereich und die Kaltgaskanäle auf dem äußeren Ringbereich angeordnet.
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Es muß stets beachtet werden, und zwar gleichgültig ob eine Frontalanordnung
oder eine polygonale Anordnung zur Wahl steht, daß gewöhnlich
der
größte Kreis, in welchem der Luftvorwärmer, d. h. dessen Elemente, untergebracht
sind, jeweils durch dieselben Grenzen festgelegt wird wie die Turbineneinheit. Es
ergibt sich dann die Frage, wie in einem gegebenen Durchmesser der größtmögliche
Futterquerschnitt untergebracht werden kann, d. h. welche Anzahl von Einzelelementen
einer bestimmten Abmessung untergebracht werden kann.
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Wenn man bei einer Frontalanordnung den durch jeweils eine verschiedene
Anzahl von Elementen innerhalb eines gegebenen Kreises aufgenommenen Futterquerschnitt
vergleicht und den jeweiligen Futterquerschnitt mit der Fläche des betreffenden
Kreises vergleicht, dann ist der Gesamtfutterquerschnitt stets kleiner als die Kreisfläche;
das Verhältnis dieser beiden Flächen zueinander erreicht bei etwa vier Elementen
seinen Größtwert. Der obenerwähnte Kreis kann jedoch auch eine Fläche gleich der
Gesamtfläche des Futters einnehmen.
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Die Polygonalanordnung zeigt ein anderes Ergebnis. Hier ist der Gesamtfutterquerschnitt
bis zu etwa neun Elementen größer als die Fläche des umschriebenen Kreises. Das
Flächenverhältnis erreicht bei drei Elementen ein Maximum. Wenn die Zahl der Elemente
innerhalb eines gegebenen Kreises zunimmt, dann kann die Gesamtlänge des zusammengesetzten
Vorwärmers durch dadurch bedingten besseren Wärmeaustausch abnehmen:. Wenn im Falle
der Polygonalanordnung vier Elemente verwendet werden, dann ist der Futterquerschnitt
zweimal so groß wie die Kreisfläche. Bei der Frontalanordnung beträgt der Futterquerschnitt
ungefähr nur 70% des Kreisquerschnittes.
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Von den Vorteilen eines zusammengesetzten Vorwärmers der beschriebenen
Art seien folgende erwähnt i. Anordnung. Ein wesentlicher Vorteil ist, daß man den
Regenerativ-Vorwärmer in verschiedene selbständige Elemente unterteilt, die, da
sie klein sind, so angeordnet werden können, daß sie zu der jeweiligen besonderen
Anordnung der Turbinenkomponenten passen. Sie können beispielsweise so angeordnet
werden, daß die Vorteile der Trommelbauart mit denjenigen der Scheibenbauart eines
Luftvorwärmers verbunden werden, indem eine Polygonalanordnung gewählt wird. Weiterhin
können sämtliche Kaltgasseiten und sämtliche Heißgasseiten jeweils innerhalb eines
Ringbereiches angeordnet werden., wodurch es möglich ist, diesen ohne Schwierigkeiten
mit dem Auslaßringbereich der Turbomaschinen und dem Einlaßringbereich der Brennkammer
bzw. dem Auspuffkanalsystem zu verbinden.
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a. Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad des Vorwärmers kann durch Veränderung
der Anzahl seiner Einzelelemente geändert werden. Die üblichen Vorwärmerbauarten
können normalerweise jeweils immer nur für eine bestimmte Turbinenanlage Verwendung
finden, während die zusammengesetzte Bauart unabhängig von der Form und der Anordnung
der Komponenten einer Brennkraftturbine in jede beliebige solche Anlage eingefügt
werden kann. Weiterhin kann ein und dieselbe Turbinenanlage jeweils mit einem bestimmten
zusammengesetzten Vorwärmer ausgerüstet werden, der je nach dem besonderen Zweck,
für welchen die Turbine verwendet werden soll, aus einer bestimmten Anzahl von Elementen
zusammengebaut sein kann. Es ist infolgedessen verhältnismäßig leicht und ohne große
Kosten möglich, eine Einheit mit niedrigem Brennstoffverbrauch und folglich mit
größerem Wirkungsgrad zu entwickeln.
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3. Betriebseigenschaften. Da in einem zusammengesetzten Luftvorwärmer
eine Mehrzahl einzelner Elemente vorgesehen ist, wird der Ausfall eines Elements
die Wirksamkeit der gesamten Turbinenanlage nur zeitweise in geringem Maß beeinträchtigen,
da die übrigen Elemente weiterhin einwandfrei funktionieren. Die Elemente eines
solchen Luftvorwärmers sind leicht zu ersetzen und können im Massenproduktionsverfahren
hergestellt werden.
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q.. Vereinfachung der Entwicklungsarbeit. Die Entwicklungskosten können
vermindert werden, da jeweils nur ein Element gebaut und erprobt zu werden braucht,
wobei das Einzelelement niedrigere Herstellungskosten verursacht und somit die Erprobung
des Versuchsvorwärmers mit verminderten Kosten für Brennstoffverbrauch und Luftzuführung
sowie geringerem Platzbedarf u. dgl. verbunden ist.