SE440824B - Rekuperator samt anvendning av rekuperatorn - Google Patents

Description

Y$13â2fia0 Rekuperatorn enligt uppfinningen kräver endast en tätning för rör och omlänkningselement i motsats till vad som är fallet vid den kända anordningen, som kräver en tätning för varje element och en tätning för varje rör. Genom att enligt upp- finningen rören och elementen är helt anordnade inom höljet kommer det genom rören strömmande mediet att kontinuerligt stå i värmeutbytande kontakt med det genom höljet strömmande mediet. En ytterligare fördel är att vid eventuellt uppkommande otätheter i tätningarna vätskan inte kan strömma ut i omgiv- ningen utan att blott och bart en blandning inom höljet kan ske.

Enligt en utföringsform av uppfinningen befinner sig mellan en första vägg hos höljet och de vid den ena änden av rören an- ordnade elementen en med fjäderkraft eller med ett tryckmedium arbetande expansionsmekaniam för alstring av trycket på de rör- ändarna frånvända ytorna på elementen, vilken expansionsmeka- nism under drift stöder mot den ena höljesvëggen och verkar på de vid den ena änden av rören anordnade elementen för att pres- sa dessa mot rörens ena ände, varigenom rören pressas mot de vid de andra rörändarna anordnade elementen, som i sin tur stöder mot en andra, motsatt vägg hos höljet.

Såsom expansionsmekanism kan användas antingen fjäderbelastade bultar eller tryckluftcylindrar, som likaså består av högtem- peraturbeständig keramik.

I stället för en expansionsmekanism kan enligt uppfinningen mellan elementen vid den ena änden av rören och den närbeläg- na höljesväggen vara anordnad en tryckkammare, i vilken under drift uppbygges ett tryck, som verkar på den från den ena än- den av rören vända ytan på elementen för att pressa elementen mot rörändarna.

Härvid kan tryckkammaren begränsas antingen av elementen själ- va och höljesväggen eller av en elastisk folie av högtempera- turhållfast material och höljesväggen, varvid folien anligger mot de mot höljesväggen vända ytorna på elementen och mot 7813020-0 höljesväggen. När ingen folie användes, måste elementen,som belastas med tryck, vara avtätade mot varandra.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen har varje element ett antal ringspår, motsvarande det antal rör som skall förbindas med detta element, i vilka rinespår är inför- da de närbelägna rörändar, som skall förbindas med detta ele- mênt a Företrädesvis befinner sië i varje ringspår mellan den i det- ta ringspår införda röränden och ringspårets botten en tät- ning av högtemperaturbeständigt material, varvid tätningen kan utgöras av högtemperaturbeständig filt, som kan bestå av ett keramikmaterial eller av en metall.

En annan möjlighet att förbinda rörändarna med elementen be- står däri, att varje element med avseende på formen anligger komplementärt mot de med detta element förbundna rörändarna, varvid varje element och de med detta element förbundna rör- ändarna företrädesvis är välvda eller kalottformiga på sina med avseende på formen till varandra passande beröríngsvtor.

Därigenom erhålles den fördelen, att man kan avstå från en extra tätning mellan elementens och rörens beröringsytor, att rekuperatorn kan monteras snabbare och att till och med smär- re vridningar av rören omkring rörändarna ej äventvrar tät- ningen mellan elementen och rörändarna.

Rören är enligt en ytterligare,utföringsform av uppfinningen anordnade i skikt och staplade, och elementen anlipger med av- seende på formen komplementärt mot varandra, varvid avstånd finns mellan rören, så att det första strömningsmediet kan strömma mellan rören. Företrädesvis är den ena änden av minst två rör i det översta resp. det understa rörskiktet förbundna med varandra medelst ett anslutningsstycke, in i vilket det andra strömningsmediet inströmmar resp. ut ur vilket det andra strömningsmediet utströmmar, varvid elementen för de däröver resp. därunder liggande rörskíkten med avseende på formen kom- plementärt anligger mot anslutninnsstvckena och varvid närbe- " vinsterna: h lägna anslutningsstycken medelst en av expansionsmekanismerna parvis pressas mot den ena änden av de med dessa båda anslut- ningsstycken förbundna rören.

I stället för element för förbindning av rören parvis kan enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen användas väsentligen triangulära element för att förbinda rören i grupper om vardera tre rör, varvid strömningen omlänkas från ett rör in i de båda andra rören eller från två rör in i det återstående röret. Härigenom vinnes den fördelen, att elemen- ten blir statiskt bestämda med avseende på sitt läge.

Rekuperatorn enligt uppfinningen lämpar sig speciellt för an- vändning i en för en farkost avsedd gasturbin, som är försedd med en regenerativ värmeväxlare av keramik. Rekuperatorn en- ligt uppfinningen anordnas därvid i turbinens kretsprocess på sådant sätt, att den heta avgasströmmen efter utträdet ur tur- binen först genomströmmar rekuperatorn och därefter den rege- nerativa värmeväxlaren.

Uppfinningen beskrives i det följande närmare med hänvisning till bifogade ritningar.

Fig. l visar schematiskt ett snitt genom rekuperatorn enligt uppfinningen.

Fig. 2 visar schematiskt en ändvy av rörpaketet vid den i fig. l visade rekuperatorn, varvid den översta och understa rörraden utelämnats.

Fig. 3 visar ett snitt genom ett anslutningsstycke för två rör i den översta eller understa rörraden och en expansionsmeka- nism för anpressning av detta anslutningsstycke mot rören.

Fig. h visar schematiskt en ändvy av ett rörpaket med modi- fierade komponenter för förbindning av tre rör vardera.

Fig. 5 visar i snitt ett alternativutförande av ett i fig. 1 7813920-0 visat element och en expansionsmekanism.

Fig. 6 visar ett ytterligare alternativutförande av ett i fig. 1 visat element och i motsvarighet till detta utformade rörändar.

Fig. 7 visar i snitt en rekuperator enligt uppfinningen med ett alternativt arrangemang av anslutningsstyckena för ström- ningsinloppet och -utloppet.

Den i fig. l, 2 och 3 visade rekuperatorn enligt uppfinningen består av ett hölje l, som vid drift av rekuperatorn genom- strömmas i pilarnas 2 riktning av ett första strömningsmedium, och ett paket av parallella keramikrör 3, som är förskjutbart anordnade tvärs det första strömningsmediets strömningsrikt- ning i höljet 1 och som vid drift av rekuperatorn genomström- mas i pilarnas A riktning av ett för värmeväxling med det första strömníngsmediet avsett andra strömningsmedium. Rören 3 är anordnade på avstånd från varandra, så att det första strömningsmediet kan passera mellan rören. Företrädesvis ut- gör det första strömningsmediet, som strömmar genom höljet l, det hetare av de båda strömningsmedierna.

Vid användning av rekuperatorn enligt uppfinningen i en gas- turbin för en farkost ledes den ur turbinen avgående hetgas- strömmen genom höljet, innan den passerar in i den regenera- tiva värmeväxlaren, medan den genom den regenerativa värmeväx- laren ledda och där upphettade kompressorluften strömmar genom rören 3.

Höljets vägg är flerskiktig och består, räknat inifrån och utåt, av en keramikplatta 5, en isolerfilt 6 och en plåtvägg 7. Rörpaketet ligger på en inuti höljet l anordnad rektangulär del 8 av keramik, genom vilken det första strömningsmediet strömmar under drift av rekuperatorn.

Närbelägna rör 3 i den översta rörraden 9 resp. den understa ~$ï$13i2ß~0 rörraden lO är vid sina till höger 1 fig. l belägna ändar parvis förbundna med ett anslutningsstycke ll, som närmare visas i fig. 3. Varje anslutningsstycke ll har två bredvid varandra belägna ringspâr l2a, i vilka ändarna av de båda med anslutningsstycket ll förbundna rören 3 inskjuter. För tätning mellan rören 3 och det tillhörande anslutningsstyc- ket ll är i varje ringspår l2a anordnad en filtring l2b, som inlagts i ringspåret l2a före införingen av röränden och som består av högtemperaturbeständig keramik eller högtemperatur- beständig metall.

I det inre av varje anslutningsstycke ll är anordnad en U- formig kanal 13, vars skänklar mynnar i de med detta anslut- ningsstycke förbundna rören 3. I den rörändarna motsatta väg- gen hos det ifrågavarande anslutningsstycket ll finns en ge- nomgång lh, som förbinder den U-formiga kanalen 13 med en stuts 15, vilken är anbragt på den rörändarna frånvända sidan av det ifrågavarande anslutningsstyckets ll vägg. Över den fria änden av varje stuts 15 är trädd den ena änden av en me- tallbälg 16, vars andra ände är trädd över ett krökt rör l7.

De med rören 3 i den översta rörraden 9 och den understa rör- raden lO förbundna krökta rören 17 är anslutna till var sitt av två stela, över varandra anordnade rör l8, av vilka blott det undre visas i fíg. l. Vid drift av rekuperatorn tillföras det första strömningsmediet till rörpaketet genom det övre stela röret och utledes det åter genom det undre stela röret.

Rörens 3 värmeutvidgning kompenseras av metallbälgarna 16, så att värmespänningar mellan rören 3 och de stela rören 18 i det närmaste undvikes.

Varje mellan den översta raden 9 och den understa raden lO an- ordnat rör 3 är vid en av sina ändar förbundet med den närbe- lägna änden av det däröver belägna röret 3 och vid sin andra ände förbundet med den närbelägna änden av det därunder be- lägna röret 3 med hjälp av ett element 19 för omlänkning av strömningen från ett rör 3 till det andra röret 3, så att det vid drift av rekuperatorn erhålles ett meanderformígt förlopp 7813020-0 för strömningen genom rörpaketet mot strömningsríktningen för det genom höljet strömmande första strömningsmediet. Elemen- ten 19 är framställda av ett högtemperaturbeständigt mate- rial, t.ex. keramik. Varje element 19 har två över varandra belägna ringspår 20, i vilka de närbelägna ändarna av de med varandra förbundna rören 3 upptages. Liksom vid anslut- ningsstyckena ll användes vid elementen 19 filtringar l2b, som inlagts i ringspåren 20 före införingen av rörändarna i ringspåren 20. Liksom anslutningsstyckena ll har elementen 19 i det inre en U-formig kanal, vars skänklar mynnar i de med varandra förbundna rören 3. Elementen 19 har vågformiga sidoväggar och anligger komplementärt mot varandra, så att de- ras bakre väggar bildar en obruten yta, såsom framgår i fíg. 2.

Mellan anslutningsstyckena ll, de mellan anslutningsstyckena ll vid den högra sidan av rörpaketet anordnade elementen 19 och den högra höljesplattan 5 befinner sig ett utrymme 21, i vilket är anordnat ett antal expansionsmekanismer 22, som tjänar till att pressa anslutningsstyckena ll och de på denna sida anordnade elementen 19 mot rörändarna. Varje expansions- mekanism 22 uppvisar ett keramikstift 23, av vilket en del är glidbart styrd i en borrning i höljets högra platta 5 och av vilket en annan del sträcker sig in i utrymmet 21. På den i utrymmet 21 inskjutande delen har varje keramikstift 23 en fläns 24, som på sin mot den högra plattan 5 vända sida har en anliggningsyta för den ena änden av en skruvspiralfjäder 25, vilken är trädd på keramikstiftet 23 och vars andra ände stö- der mot den högra höljesplattan 5 för att pressa keramikstif- tet 23 i riktning mot rörpaketet. Av varje keramikstift 23 pressas antingen ett element 19 eller två anslutningsstycken ll mot rörändarna. Den ena änden av keramikstiften 23, som tjänar till att pressa mot elementen 19, är radiellt fixerade i stutsar 26, som är utformade på elementens 19 baksida, samt är avrundade och anligger direkt mot elementens 19 yta. Den ena änden av varje keramikstift 23, som användes för att pres- sa mot två anslutningsstycken ll, är avrundad och inskjuter i en hålighet i en keramikplatta 27, vars från keramikstiftet 23 $8í-1'3Û72fl*=0 vända yta är välvd och anligger mot den bakre ytan på de bå- da närbelägna anslutningsstyckena ll. Vid två mitt emot var- andra belägna sidor är varje keramikplatta 27 ursparad och anligger komplementärt med avseende pâ.formen mot de båda an- slutningsstyckenas ll stutsar 15, så att de är säkrade mot vridning omkring stiftets 23 axel.

Genom expansionsmekanismernas 21 tryck mot anslutningsstycke- na ll och de högra elementen 19 pressas anslutningsstyckena ll och de högra elementen 19 mot rörändarna, så att rören 3 pressas mot de vänstra elementen 19, vilka stöder mot den vänstra höljesplattan 5.

I fig. h visas ett alternativt utförande av elementet l9.

Den alternativa utföringsformen består av ett väsentligen triangulärt element 28, med vilket de närbelägna ändarna av tre rör är förbundna med varandra. Elementen 28 anligger lik- som elementen 19 komplementärt mot varandra, och deras bakre väggar bildar en hel eller sluten yta. Elementen 28 har i jämförelse med elementen 19 den fördelen, att de med avseende på sitt läge är statiskt bestämda, ehuru det vid sammanfatt- ning av närbelägna rörändar i grupper om tre stycken uppstår den nackdelen, att man erhåller olika strömningshastigheter och olika genomsättningar från en rörrad till nästa.

Ett alternativt utförande av expansionsmekanismerna 21 visas i fig. 5. Vid den alternativa utföringsformen av expansions- mekanismerna är det fråga om tryckluftcylindrar 29, vilka var- dera med den ena av sina ändar är fästa vid den högra höljes- plattan 5. I varje tryckluftcylinder 29 finns en kolv 30,vars ena ände sträcker sig ut genom den öppna, från den högra höljesplattan 5 vända änden av cylindern 29. Det i fig. 5 vi- sade elementet för strömningsomlänkníng uppbär i stället för stutsen 26 ett utsprång 31, mot vilket den ur cylindern ut- skjutande änden av kolven 30 anligger. Det inre av cylindern 29 är förbundet med ett tryckluftsförråd via ett rör 32, som passerar genom plattan 5. Genom belastning av kolven 30 med 7813020-0 9 tryckluft pressas kolven 30 mot utsprånget 31 på det till strömningsomlänkning tjänande elementet, vilket därigenom pressas mot rörändarna. Såväl cylindrarna 29 som kolvarna 30 kan bestå av högtemperaturbeständig keramik. Vid användning av rekuperatorn enligt uppfinningen med den i fig. 5 visade alternativa utformningen av expansionsmekanismen i en för en farkost avsedd gasturbin kan kolvarna 30 och cylindrarna 29 vara kylda med läckluft. I stället för tryckluftcylindrarna 29 och de fjäderbelastade stiften 23 kan i utrymmet 21 vara anordnad en tryckkammare, som begränsas av höljesplattan 5 och de bakre ytorna på de vid de högra rörändarna anordnade ele- menten 19 och anslutningsstyckena ll. Trycket, som uppbygges i tryckkammaren, verkar därvid direkt på de bakre ytorna på , de vid de högra rörändarna anordnade elementen 19 och anslut- ningsstyckena ll, så att dessa pressas mot rörändarna. För att läckluftmängden skall hållas ringa, är mellan de vid de högra rörändarna anordnade elementen 19 och anslutningsstyckena ll inbäddade tätningar.

Det är tänkbart att lägga en folie över de bakre ytorna på de vid de högra rörändarna anordnade elementen 19 och anslut- ningsstyckena ll, vilken folie anligger mot höljesplattan 5.

Folien är elastisk, så att den vid tryckbelastning anpassar sig till elementens 19 och anslutningsstyckenas ll olika lä- gen. Folier av högtemperaturbeständiga material med en tjock- lek av O,l mm är tillgängliga på marknaden.

Det tryck, som med eller utan folie skall uppbyggas, kan alstras medelst kompressorluft, när rekuperatorn enligt @pp- finningen användes i exempelvis en fartygsgasturbin.

Genom den axiella belastningen av rören 3 med hjälp av ex- pansionsmekanismerna eller tryckkammaren kan kompenseras för dragspänningar och delvis för termospänningar i rören.

I fig. 6 visas ett ytterligare, alternativt utförande av ele- menten 19. I stället för ringspâr har det i fig. 6 visade :asiatiska-t 10 elementet 33 sfäriskt formade anliggninrsytor för rörändarna, vilka är motsvarande kalottartat slipade och pressas mot des- sa ytor. Någon ytterligare tätning erfordras ej vid detta ut- förande. Vid denna utföringsform uppnås den fördelen, att re- kuperatorn kan monteras snabbare och att små vridningar av rören kring rörändarna ej ger upphov till några otätheter mellan rören och elementen 33. Anslutningsstyckena och de där- med förbundna rörändarna kan vara utformade på motsvarande sât som vid utföringsformen enligt fíg. 6.

I fíg. 7 visas ett alternativt arrangemang med modifierade an- slutningsstycken. Härvid är anslutningsstyckena 3A för den översta rörraden anordnade vid den vänstra sidan av rörpaketet.

Vartdena av de vid den vänstra sidan anordnade anslutninysstvc- kena 3A har på sin rören frånvända sida en stuts 35, som är föd genom höljesväggenr Utanför höljet är stutsen 35 förbunden med en metallbälg 16, som är ansluten till ett ytterligare rör 36, b vilket leder till det övre av de båda stela rören 18.

Vartdera av de med rören 3 i den understa rörraden förbundna anslutninrsstyckena 37 har vid undersidan en stuts 31, som är riktad nedåt och är förbunden med metallbälgen 16. Till metall- ett kort rörstycke 39, som leder till det På baksidan har varje anslutningsstycke keramíkstiftet 23 ingriper. Vid denna ut- de till höger nedtill anordnade anslut- bälgen l6 är anslutet undre stela röret 18. en stuts 40, i vilken föringsform anpressas ningsstyckena 37 på samma sätt som elementen 19 medelst expan- sionsmekanismen 22 mot rörändarna.

Claims (15)

78¶3020-0 P A T E N T K R A V

1. Rekuperator för värmeväxling mellan tvâ strömmande medier med olika temperatur, vid vilken i ett hölje (1), inrättat att genomströmmas av ett första av de båda medierna, finnes ett flertal, väsentligen parallella, förskjutbart lagrade rör (3) av högtemperaturbeständig keramik, riktade tvärs ström- ningsriktningen för det första, omkring rören (3) strömmande mediet, vilka rör är inrättade att genomströmmas av det andra mediet, varvid för meanderformig ledning av det andra mediet genom rören (3) dessa i grupper om vardera minst tvâ rör är vid sina varandra närbelägna ändar förbundna med varandra medelst ett av högtemperaturbeständigt material bestående element (l9,28,33) för omlänkning av strömningen från det ena röret till det andra röret, k ä n n e t e c k n a d därav, att elementen (l9,28,33) tillsammans med rören (3) är anordnade inom höljet och att elementen är inrättade att under inverkan av en fjädrande kraft tryckas mot rörens ändar och är avtätade mot rören (3).

2. Rekuperator enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att för alstring av trycket på de från rörändarna vända ytorna på elementen (l9,28,33) är anordnad en fjäder- eller med tryckmedium arbetande expansionsmekanism (22,29,30) mellan en första vägg (5) hos höljet och de vid den ena änden av rören (3) anordnade elementen (l9,28,23), vilken expansionsmekanism stöder mot den nämnda första väggen (5) och verkar mot de vid den ena änden av rören (3) anordnade elementen (l9,28,33), varigenom rören pressas mot de vid de motsatta rörändarna anordnade elementen (l9,28,33), som stöder mot en andra, mot- satt vägg (5) hos höljet (l).

3. Rekuperator enligt krav 2, k ä nan e t e c k n a d därav, att varje element (l9,28,33) uppvisar ett antal ring- spår (l2a), motsvarande det antal rör (3) som skall förbindas 3%! ëfirâlßßí) med elementet (l9,28,33), i vilka ringspår är införda de nar- belägna ändarna av rören (3), som skall förbindas med detta element (l9,28,33). H.

4. Rekuperator enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d därav, att i varje ringspâr (l2a) befinner sig mellan den i detta ringspår (l2a) införda röränden och ringspårets (l2a) botten en tätning (l2b) av ett högtemperaturbeständigt material.

5. Rekuperator enligt krav U, k ä n n e t e c k n a d därav, att tätningen (l2b) består av högtemperaturbeständig filt.

6. Rekuperator enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att varje element (l9,28,33) anligger med avseende på formen komplementärt mot de med detta element (l9,28,33) förbundna rörändarna.

7. Rekuperator enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d därav, att varje element (l9,28,33) och de med detta ele- ment (lQ,28,33) förbundna rörändarna har konkavt respektive konvextformade beröringsytor.

8. Rekuperator enligt något av kraven l-7, k ä n n e - t e c k n a d därav, att rören (3) är anordnade i parallella skikt samt att elementen (l9,28,33) anligger mot varandra och att rören (3) ligger på avstånd från varandra.

9. Rekuperator enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d därav, att den ena änden av minst två rör (3) i det översta resp. understa rörskiktet (9,l0) är förbundna med varandra medelst ett anslutningsstycke (ll,3N,37), in i vilket det andra strömningsmediet inströmmar resp. ur vilket det andra strömningsmediet utströmmar, varvid elementen för de däröver resp. därunder liggande rörskikten anligger mot anslutninga- styckena (ll,3H,37). 78130-20-0

10. Rekuperator enligt krav 8 eller 9, k ä n n e t e c k ~ n a d därav, att de närbelägna ändarna av grupper om vardera tre rör (3) är förbundna med varandra medelst ett väsentligen triangulärt element (28) för omlänkning av strömningen från ett rör till de båda andra rören eller från två rör till det återstående röret.

11. ll. Rekuperator enligt något av krav 1 och 3-10, k ä n n e - t e c k n a d därav, att mellan en första vägg (5) hos höljet (1) och de vid den ena änden av rören (3) anordnade elementen (l9,28,33) befinner sig en tryckkammare, i vilken under drift råder ett tryck, som verkar på de vid den ena änden av rören (3) anordnade elementen (l9,28,33) för att pressa dessa mot nämnda rörändar, varigenom rören (3) pressas mot de vid de andra rörändarna anordnade elementen (l9,28,33), som stöder mot en andra, motsatt vägg (5) hos höljet (1).

12. Rekuperator enligt krav ll, k ä n n e t e c k n a d därav, att tryckkammaren begränsas av den från den ena änden av rören vända ytan på elementen (l9,28,33) och höljets (l) förstnämnda vägg (5), varvid de vid rörens ena ände be- lägna elementen (l9,28,33) är avtätade mot varandra.

13. Rekuperator enligt krav ll, k ä n_n e t e c k n a d därav, att tryckkammaren begränsas av den förstnämnda väggen (5) och/eller en elastisk folie av ett högtemperaturbeständígt material, som anligger mot den första väggen och mot de mot denna första vägg (5) vända ytorna på de vid den ena änden av rören anordnade elementen (l9,28,33). lu.

14. Rekuperator enligt något av krav 9-13, k ä n n e - t e c k n a d därav, att närbelägna anslutningsstycken (ll, 3H,37) medelst en av expansionsmekanismerna (22,29,30) parvis pressas mot den ena änden av de med de båda anslutningsstyckena (1l,34,37) förbundna rören (3). --._ .. » æmzffieeff: .,

15. Användning av rekuperatorn enligt krav 1-lä i en för en farkost avsedd gasturbín med en regeneratív värmeväxlare av keramik, varvid den heta avgasströmmen efter utträdet ur tur- bínen fbrst genomströmmar rekuperatorn och därefter den regenerativa värmeväxlaren av keramik.