Opublikowano dnia 5 pazdziernika 196d r.K *,.:*A O ^ fO^/og IBIBLIOTEK, lUrzedu Patentowego POLSKIEJ RZECZYPOSPOLITEJ LUDOWEJ OPIS PATENTOWY Ni 43511 KI. 46 f, S#? VEB Enturicklungsbau Pirna *) Pirna n/Elba, Niemiecka Republika Demokratyczna Obrotowy regeneracyjny wymiennik ciepla Patent trwa od dnia 27 sierpnia 1958 r.Wynalazek dotyczy obrotowego regeneracyj¬ nego wymiennika ciepla do turbin gazowych, w szczególnosci turbin do pojazdów.Zastosowanie takiego urzadzenia do odzyski¬ wania dosc znacznej ilosci ciepla spalin pozwa¬ la na poprawienie sprawnosci cieplnej, zwla¬ szcza turbin gazowych lub powietrznych. Wspól¬ czesna technika wysuwa ze wzgledów ekono¬ micznych na pierwszy plan rekuperacyjne wy¬ mienniki ciepla z powodu bardziej zadawala¬ jacego sposobu dzialania. Z drugiej jednak stro¬ ny szybki postep w dziedzinie turbin gazowych wymaga wykonania pracujacego bez zarzutu i równiez ekonomicznie regeneracyjnego wy¬ miennika ciepla, a to ze wzgledu na jego za¬ lety technologiczne. Wprowadzenie turbiny ga¬ zowej jako zespolu maszynowego do ekono¬ micznego napedu pojazdów, zalezy wiec w du¬ zym stopniu równiez od zastosowania regene¬ racyjnego wymiennika ciepla.*) Wlasciciel patentu oswiadczyl, ze twórca wynalazku jest Gerhard Gutter, Zalety regeneracyjnego wymiennika ciepla w porównaniu z rekuperacyjnym wymienni¬ kiem ciepla polegaja przede wszystkim na tym, ze przechodzenie ciepla z gazu do materialu gro¬ madzacego cieplo i odwrotnie odbywa sie tyl¬ ko przez przechodzenie ciepla, konwekcje i pro¬ mieniowanie ciepla. W rekuperacyjnym wymien¬ niku ciepla odbywa sie jeszcze przechodzenie ciepla przez przegrode miedzy strona powietrz¬ na i gazowa, a wiec przejscie ciepla przez scian¬ ke. Wskutek tego, regeneracyjny wymiennik ciepla wymaga znacznie mniejszej powierzchni przechodzenia ciepla, dzieki czemu przy takim samym stopniu odzyskania ciepla uzyskuje sie oszczednosc na objetosci i wadze w porównaniu z wymiennikiem rekuperacyjnym. Okolicznosc ta jest szczególnie wazna przy napedzie po¬ jazdów. * Poza tym wedlug zasad termodynamiki ogól¬ nej mozna w przypadku regeneracyjnego wy¬ miennika ciepla zalozyc wiekszy spadek ciepla resztkowego pomiedzy temperatura spalin, wy¬ chodzacych z turbiny i temperatura podgrzewa-nego gazu (np. powietrza atmosferycznego), ani¬ zeli w przypadku wymiennika rekuperacyjne- go,^||.zn. regeneracyjny wymiennik ciepla wy¬ kazuje wiekszy wspólczynnik odzysku ciepla.-Poza tym regeneracyjny wymiennik ciepla podczas pracy szybciej reaguje na zmiany, ani¬ zeli wymiennik rekuperacyjny. Dzieki temu re¬ gulacja odpowiedniego pojazdu mechanicznego jest prostsza i przede wszystkim bardziej nie¬ zawodna.Znany wymiennik ciepla jest wykonany kon¬ strukcyjnie tak, iz obrotowy pierscieniowy zes¬ pól wymiany ciepla jest wypelniony cienka, fa¬ lista tasma blaszana o szerokosci wymiennika, wlozona wraz z gladka- tasma blaszana spiral¬ nie do komory pierscieniowej. Strony czolowe zespolu pierscieniowego sa zasloniete dwiema plytkami weglowymi, pozostajacymi pod na¬ ciskiem sprezny, wskutek czego powstaja dwa wycinki, zajmujace jedna trzecia i dwie trzecie przekroju na przejscie gazu. Na wiekszy wy¬ cinek wchodza przy tym gorace spaliny turbi¬ ny, a na mniejszy wycinek — swieze powietrze idace ze sprezarki przez odpowiednio umiesz¬ czone otwory wlotowe i wylotowe.Niedogodnosci takiego znanego wymiennika ciepla wynikaja z trudnosci uszczelnienia po¬ miedzy strona spalin i strona zimnego powie¬ trza. Poniewaz takie uszczelnienie musi byc utrzymane na calej szerokosci, jest rzecza ko¬ nieczna, aby powierzchnie czolowe kadluba pierscieniowego i krawedzie spiralnej wkladki blaszanej lezaly w jednej plaszczyznie. Przy nadzwyczaj malej grubosci blachy krawedzie podczas obróbki nie stawiaja wystarczajacego oporu, wskutek czego powstaje nadmierne za¬ dzieranie, a krawedzie ulegaja wygieciu. Znie¬ ksztalcenia strumienia spowodowane przez po¬ wstajace przy tym zwezenia wielu malych ka¬ nalików, nie daja dostatecznej pewnosci ruchu i znacznie obnizaja sprawnosc, jak i celowosc wymiennika ciepla.Wszystkie pracujace na tej zasadzie regene¬ racyjne wymienniki ciepla, opaite na dzialaniu podgrzewaczy powietrza systemu Ljungstroma do kotlów parowych sa równiez wadliwe pod wzgledem ich uszczelnienia, poniewaz miedzy czynnikiem oddajacym cieplo i czynnikiem od¬ bierajacym cieplo w turbinie gazowej, zacho¬ dza róznice cisnien od 2 do 4 at.Wedlug. wynalazku unika sie wspomnianych trudnosci regeneracyjnego wymiennika ciepla w ten sposób, ze wirujacy pierscieniowy zespól wymiennika ciepla obraca sie pomiedzy glowi¬ cami wykonanymi, jako plaskie pokrywy usz¬ czelniajace, które posiadaja komory zwrotne oraz przesuniete wzgledem siebie otwory wlo¬ towe i wylotowe, które za kazdym razem od¬ slaniaja tylko jeden okreslonej wielkosci obszar przekroju wymiennika ciepla.Wymiennik ciepla wedlug wynalazku moze posiadac rózne postacie konstrukcyjne.Dogodna i przy tym w stosunku do znanych wymienników cieplnych nowa postac polega na tym, ze obrotowy zespól cieplno-wymienniczy jest podzielony na polozone obok siebie wycin¬ kowe komórki, w których sa umieszczone ele¬ menty wymiennicze o dowolnym ksztalcie i róz¬ nych wlasciwosciach.Jedna z zastosowanych postaci wykonania cieplnych elementów wymienniczych wedlug wy¬ nalazku polega na tym, ze do komórek sa wlo¬ zone jedna na druga faliste, zgiete pryzmatycz¬ nie lub w inny sposób uksztaltowane folie bla¬ szane o plaskich przekladkach.Wedlug innej odmiany wykonania wynalaz¬ ku, jako cieplne elementy wymiennicze sa za¬ stosowane liczne male wypelniacze, wykonane z tworzywa, gromadzacego cieplo i wstawione do komórek.Aby takie wypelniacze przy danej najmniej¬ szej wielkosci mialy mozliwie duza powierzch¬ nie, sa one wykonane wedlug wynalazku, jako kuliste narzady podstawowe z kulisto-czaszo- wymi wydrazeniami w ukladzie kostkowym.Dla polepszenia przewodnosci cieplnej wypel¬ niacze te najlepiej jest wykonac z masy cera¬ micznej, pokrytej cienka warstewka metalowa, np. z miedzi lub srebra, nalozona najlepiej przez odparowanie w prózni.Komórki zespolu wymiany ciepla moga rów¬ niez posiadac rózne odmiany konstrukcyjne.Jedna z nich polega wedlug wynalazku na tym, ze kazda z komórek na obu stronach czolowych jest zamknieta scianka, zaopatrzona w otwory, podobnie jak w wezie woskowej plastra mio¬ du. W tej postaci konstrukcyjnej do komórek najlepiej jest wlozyc wypelniacze, bedace ele¬ mentami do wymiany cieplnej.W innej postaci wykonania wynalazku wy¬ cinkowe komórki zespolu wymiany ciepla sa otwarte na stronach czolowych. W tym przy¬ padku elementy cieplnej wymiany, w szczegól¬ nosci ceraniiczne wypelniacze lub podobnie wy¬ konane elementy do wymiany cieplnej sa wlo¬ zone do komórek w odpowiednio uksztaltowa¬ nych klatkach z cienkiej drobnooczkowej ple¬ cionki drucianej.Inna odmiana wymiennika ciepla, znana z dziedziny budowy stalych turbin gazowych! — 2 —polega na tym, ze wirujacy zespól wymiany ciepla jest zaopatrzony w rurki o ustalonej z gó¬ ry srednicy i grubosci scianek.Inna cecha wymiennika cieplnego wedlug wy¬ nalazku polega na tym, ze dla polepszenia spraw¬ nosci termodynamicznej równiez i wirujacy zes¬ pól wymiennika ciepla oraz glowice sa wyko¬ nane najkorzystniej z ceramiki o samouszczel- niajacych sie powierzchniach stykowych, rów¬ niez zaopatrzonych w cienka warstewke meta¬ lowa, np. z miedzi lub srebra.Jest rzecza oczywista, ze glowice wykonane jako plaskie suwaki albo z powierzchniami uszczelniajacymi, nie musza byc sporzadzone wylacznie z tworzyw ceramicznych. Zespoly te moga byc wykonane równiez z zaroodpornej stali lub z tworzywa kompozycyjnego, które w obszarze oddzialywania ciepla jest pokryte grafitowana ceramika, a na zewnatrz obszaru cieplnego przechodzi w stalowy narzad nosny.W celu uwzglednienia oddzialywania tempe¬ ratury lub spadku temperatur i wynikajacych stad naprezen, glowice i ewentualnie czesci przylaczeniowe moga byc umieszczone wedlug wynalazku przesuwnie i przechylnie wzgledem wymiennika ciepla oraz nalezycie umocowane.Azeby przy takich ruchach, wynikajacych z na¬ prezen cieplnych, zachowac wymagana szczel¬ nosc do wyciec w powierzchniach uszczelnia¬ jacych glowic i czesci przylaczeniowej, sa wsta¬ wione dodatkowe scisniete uszczelki elastyczne.Na rysunku uwidoczniono schematycznie kil¬ ka przykladów wykonania urzadzenia wedlug wynalazku, przy czym fig. 1 przedstawia wi¬ rujacy wymiennik ciepla w widoku perspek¬ tywicznym z komórkami zamknietymi czolowa scianka dziurkowana w ukladzie plastrowym, fig. 2 — wymiennik ciepla wedlug fig. 1 w prze¬ kroju podluznym z komórkami otwartymi od strony czolowej, fig. 2a — widok otworu wlo¬ towego wymiennika ciepla wedlug fig. 2 w prze¬ kroju wzdluz linii A—A, tuz za powierzchnia uszczelniajaca, fig. 2b — widok wymiennika ciepla w obszarze komórek wedlug fig. 2 w prze¬ kroju wzdluz linii B—B, fig. 2c — widok otwo¬ ru wylotowego wymiennika ciepla wedlug fig. 2 w przekroju wzdluz linii C—C, tuz przed po¬ wierzchnia uszczelniajaca, fig. 2d — elementy wymiennika ciepla wedlug fig. 2b w powieksze¬ niu, fig. 2e przedstawia w zwiekszonej podzial- ce plecionke druciana dla odpowiednio uksztal¬ towanych klatek do podtrzymywania elemen¬ tów wymiennika ciepla, fig. 3 — przekrój po¬ dluzny wirujacego wymiennika ciepla z wlóc¬ zonymi rurkami, jako elementami do wymiany cieplnej, a fig. 4 przedstawia wypelniacz w wi¬ doku perspektywicznym w zwiekszonej podzial- ce.Wymiennik ciepla 1 w ksztalcie pierscienia kolowego wedlug fig. 1, napedzany przez np. przekladnie kól zebatych 4, 5, 6, obraca sie miedzy glowicami 2, 3, wykonanymi w postaci plaskich pokryw uszczelniajacych. Wymiennik ciepla 1 jest wykonany w postaci wydrazonej i podzielony jest na pewna liczbe rozmieszczo¬ nych obok siebie promieniowo komórek 7, a je¬ go powierzchnie czolowe posiadaja pewna liczbe otworów 8 podobnie, jak w wezie woskowej plastra miodu pszczelego. Gorace spaliny, wy¬ chodzace z turbiny gazowej, przeplywaja przez wymiennik ciepla przez umieszczony po srod¬ ku kanal 9 i sa prowadzone w glowicy 2 przez komore zwrotna w kierunku strzalek 10, przez otwory 8 do komórek 7, na które w danej chwili jest kierowany czynnik przez komore zwrotna. Oczywiscie moga byc zastosowane równiez inne podobne komory zwrotne. Po od¬ daniu przez spaliny ciepla do komórek 7 wy-* miennika ciepla, spaliny te wychodza z otworu* wylotowego lub z kilku otworów wylotowych w glowicy 3 wymiennika ciepla w kierunku strzalek 11. Dla zastosowania wynalazku jest rzecza calkowicie obojetna, czy odprowadzanie i doprowadzanie spalin odbywa sie w kierunku osiowym, czy tez promieniowym. Dla lepsze¬ go uwidocznienia odchylania goracych spalin turbinowych w glowicy 2 do komórek 7 zespo¬ lu wymiennika ciepla, glowica 2 Jest przedsta¬ wiona na fig. 1 w stanie wykrojonym. W glo¬ wicy 2 od strony zimnego powietrza znajduja sie w obszarze brzegowym powierzchni czolo¬ wej, w ukladzie wspólsrodkowym wzgledem ka¬ nalu 9 dwa lub kilka otworów 12, przez które doplywa czynnik, podlegajacy ogrzaniu, w da* nym. przypadku swieze powietrze, przechodza¬ ce ze sprezarki w kierunku strzalek 13 do wy¬ miennika ciepla i przeprowadzane przez pod¬ grzane goracymi spalinami turbinowe komór¬ ki 7 wymiennika ciepla. Podgrzane swieze po¬ wietrze jest nastepnie wyprowadzone z wymien¬ nika ciepla w kierunku strzalek 14 przez kanal 9 do komory spalania. W celu zwiekszenia sprawnosci termodynamicznej do komórek 7 wymiennika ciepla sa wlozone wypelniacze we¬ dlug fig. 2e lub fig. 4. Do kazdej z glowic 2, 3, jest^ przylaczony króciec 15, 15' (fig. 3), w celu umozliwienia wmontowania wymiennika ciepla do calego urzadzenia turbiny. Przylaczenie wy¬ miennika ciepla do urzadzenia jest oczywiscie niezwiazane z ta konstrukcyjna odmiana i ukla- — 3dein. Wypelniacze gromadzace cieplo sa wpro¬ wadzane do komórek 7 wymiennika ciepla 1 przez zamykane otwory 16 (fig. 1). Uklad oraz liczba otworów wlotowych, komór zwrotnych i otworów wylotowych oraz wielkosc predkosci obrotowej wymiennika ciepla sa tak dobrane, iz przy danej wielkosci cisnienia, temperatury, przekroju itd. jest zapewnione odbieranie cie¬ pla elementów wymiennika z goracych spalin turbinowych i oddawanie ciepla do podgrze¬ wanego swiezego powietrza, w pozadanym cy¬ klu i przy najwiekszej mozliwej sprawnosci termodynamicznej.W wymienniku ciepla (fig. 2) uwidocznione sa równiez komórki, które jednak od strony czolowej nie sa zamkniete i z tego wzgledu na¬ rzucaja inna postac wykonania wymiennika cie¬ pla, który jest tutaj bardziej prosty i bardziej ekonomiczny w produkcji, zwlaszcza z materia¬ lów ceramicznych. Wirujacy zespól wymiennika ciepla posiada przy tym cylindryczna czesc 17 do komórek 18, do których sa wlozone elemen¬ ty wymiennika ciepla 19 z folii blaszanej. Te elementy wymiennicze sa wykonane w znany skadinad sposób z nierdzewnych cieploodpor- nych falistych i gladkich folii z blachy stalo¬ wej, które na przemian leza jedna na drugiej.Mozna oczywiscie zamiast folii arkuszowej 19 zastosowac ceramiczne wypelniacze 19* wedlug fig. 2e lub fig. 4 albo podobnie uksztaltowane elementy wymiany ciepla. Aby wypelniacze 19' mozna bylo w tym przypadku wlozyc szybko i latwo wszystkie naraz do komórek 18 wymien¬ nika ciepla, sa one wlozone do klatki 20 z cien¬ kiej plecionki drucianej, która jest wówczas umocowana w poszczególnych komórkach. Wy¬ konanie konstrukcyjne wymiennika ciepla we¬ dlug fig. 2 rózni sie nastepnie od wymiennika wedlug fig. 1 tym, ze na cylindrycznym zespo¬ le wymiennika ciepla 17 sa umieszczone króc- cowe nasadki 21, 22, obracajace sie wraz z ze¬ spolem 17. Przegrody komórkowe 24, znajdu¬ jace sie w króccach wlotowych 21, w przypad¬ ku wykonania zespolu wymiennika ciepla i krócców ze stali sa wygiete dla lepszego wy¬ równania róznic temperatury, natomiast scian¬ ki komórkowe 23 w czesci cylindrycznej 17 sa / proste. Glowice 25, 26 (fig. 2) wykonane jako pokrywy uszczelniajace, pomiedzy którymi obra¬ ca sie zespól wymiennika ciepla 17 z krócca¬ mi wlotowymi 21, 22, podtrzymywane na nim i mianowicie w kierunku osiowym za pomoca sprezyn 27 oraz elementów elastycznych 28, a w kierunku promieniowym — za pomoca ele¬ mentów elastycznych 29, 30. W kolnierzowych powierzchniach glowic 25, 26 sa wykonane row¬ ki, do których jest wlozona odpowiednio profi¬ lowana uszczelka 31 z niepalnego grafitowane¬ go tworzywa, która pozostaje pod dzialaniem sprezyn naciskowych z tworzywa zaroodporne¬ go, np. z betylu. Do glowic uszczelniajacych 25 sa doprowadzane lub przylozone krócce 33, 34, a do glowic 26 — krócce 35, 36 w ten sposób, ze sa mozliwe nieznaczne ruchy elastycznie podtrzymywanych glowic 25, 26 dla wyrówna¬ nia wahan temperatury. Glowice 25, 26 sa wy¬ konane tak, iz ich powierzchnie uszczelniajace zaslaniaja tylko wycinki 37, 38 pierscienia ko¬ lowego przekroju wymiennika ciepla (fig. 2c), których szerokosc jest nieco wieksza, niz sze¬ rokosc komórki 18. Gorace spaliny turbinowe plyna w kierunku strzalek 41, 42 przez wiekszy wycinek przekroju 39, a zimne powietrze ply¬ nace ze sprezarki, przeplywa w kierunku strza¬ lek 43 i 44 przez mniejszy wycinek przekro¬ ju 40. Na skutek umieszczenia krócców 21, 22, obrotowy zespól wymiennika ciepla 17 slizga sie tylko powierzchniami uszczelniajacymi tych krócców i powierzchniami czolowymi przegród 24, stanowiacych przedluzenie przegród ko¬ mórek 23, po glowicach uszczelniajacych 25 i 26.Dzieki temu unika sie koniecznosci pózniejsze¬ go obrabiania krawedzi czolowych elementów wymiennika ciepla 19, wlozonych do komórek 18 tak, aby tworzyly czesc powierzchni uszczel¬ niajacej. Naped zespolu wymiennika ciepla 17 z króccami wlotowymi 21, 22 odpowiada nape¬ dowi wymiennika, przedstawionemu na fig. 1, z ta jedynie róznica, ze napedzane kolo zebate 45 nie jest polaczone na stale z obrotowym zespolem 17, lecz sa zastosowane zabierala 46, pozwalajace na rozszerzanie sie cieplne zespo¬ lu 17 z króccami wlotowymi 21, 22 w obu kie¬ runkach.Wymiennik ciepla wedlug fig. 3 stanowi wy¬ miennik rurowy, którego dzialanie jest takie same, jak wymiennika wedlug fig. 1 i 2. Go¬ race spaliny turbinowe plyna promieniowo w kierunku strzalek 47, 48 przez rury 19*' dzia¬ lajace jako elementy do wymiany ciepla, nato¬ miast podlegajace ogrzaniu swieze powietrze, dostarczane ze sprezarki, przeplywa w kierun¬ ku osiowym, jak to wskazuja strzalki 49, 50.Uklad, zwlaszcza w zastosowaniu do wymien¬ ników rurowych jest tego rodzaju, ze gorace spaliny turbinowe przeplywaja przez wymieii- nik tylko jeden raz, czynniki zas podlegajace ogrzaniu, np. swieze powietrze atmosferyczne, wobec mniejszej objetosci wlasciwej wymien¬ nika przeplywa wielokrotnie i mianowicie przez — 4 —komory zwrotne w kierunku strzalek 51 i 52.Dzialanie napedowe walu 53 zostaje przeno¬ szone na uszczelnienie 2, 3 za pomoca uzebienia sprzegajacego 54.Przeplyw odbywa sie zasadniczo wedlug za¬ sady równopradowej, przyjetej dla wymienni¬ ka rurowego, która to zasada moze byc rów¬ niez zalecona i dla pozostalych konstrukcji.Wymiennik ciepla wedlug wynalazku nada¬ je sie w zasadzie do mniejszych i srednich mo¬ cy do okolo 1000 KM, przy przyplywie po¬ wietrza 1—4 kg/sek. PL