DE1121635B

DE1121635B - Rotierender Regenerativ-Waermetauscher mit zu- bzw. abnehmenden Durchstroemquerschnitten fuer die waermetauschenden Medien

Info

Publication number: DE1121635B
Application number: DED27887A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Eberhard Tiefenbacher
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1958-04-17
Filing date: 1958-04-17
Publication date: 1962-01-11

Description

Rotierender Regenerativ-Wärmetauscher mit zu- bzw. abnehmenden Durchströmquerschnitten für die wärmetauschenden Medien Die sogenannten Regenerativ-Wärmetauscher arbeiten mit rotierenden, wärmeaustauschenden Flächen, die während ihrer Bewegung zunächst mit dem heißen und dann mit dem aufzuheizenden Medium in Berührung kommen. Regenerativ-Wärmetauscher werden insbesondere in Verbindung mit Gasturbinen benutzt. Sie übertragen einen Teil der Wärmeenergie der heißen Turbinenabgase auf die vom Verdichter kommende Verbrennungsluft.
Wärmespeichernde Regenerator-Matrizen können so ausgeführt werden, daß ein gewelltes und ein glattes Blechband entweder spiralförmig aufeinandergewickelt werden (Scheibenbauweise) oder daß aus glattem und gewelltem Blech hergestellte Kreisringe nebeneinanderliegen (Trommelbauweise). Bei der Scheibenbauweise erfolgt die Durchströmung axial, bei der Trommelbauweise radial.
Beim Durchströmen des Speicherkörpers gibt das heiße Abgas Wärme an die Bleche ab und erleidet dabei eine erhebliche Volumenverringerung. Damit verbunden ist eine starke Geschwindigkeitsabnahme, die Ablösungen und Druckverlust zur Folge hat. Diese Erscheinung wird bei den meistverwendeten Trommelregenerativ-Wärmetauschern noch dadurch gefördert, daß sich der durchströmte Querschnitt in der Richtung, in der das Gas strömt, vergrößert. Entsprechend liegen die Verhältnisse auf der Luftseite. Die Luft erwärmt sich beim Durchströmen des Speicherkörpers und erfährt damit eine erhebliche Volumenzunahme.
Es sind bereits rotierende Regenerativ-Wärmetauscher für Gasturbinen bekannt, deren Rotor ringförmig ausgebildet ist und bei denen die durchströmten Querschnitte des Speicherkörpers sich in der Richtung, in der das heiße Medium strömt, verengen und sich in der Richtung, in der das aufzuheizende Medium strömt, erweitern. Solche Regenerativ-Wärmetauscher sollen durch die Erfindung verbessert werden. Hierbei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß insbesondere die Volumenverringerung der heißen Gase während des Wärmeaustausches mit einer starken Geschwindigkeitsabnahme verbunden ist, die ihrerseits Ablösungen und Druckverluste zur Folge hat, welche den Wirkungsgrad des Wärmetauschers entscheidend beeinträchtigen.
Die Erfindung besteht darin, daß der Speicherkörper trapezförmigen Querschnitt aufweist und die dadurch erzielte Querschnittsänderung zumindest annähernd der Volumenänderung der durchströmenden Gase, welche durch den Wärmeaustausch bedingt ist, entspricht. Der trapezförmige Querschnitt kann sich dabei entweder radial nach außen oder in axialer Richtung verjüngen oder erweitern.
Um günstige Voraussetzungen für eine möglichst wirksame Abdichtung zu schaffen, werden bei dem erfindungsgemäßen Speicherkörper die Bleche vorzugsweise in an sich bekannter Weise radial angeordnet. Bei dieser Anordnung werden zweckmäßigerweise die äußeren Kanäle des Speicherkörpers, die an die Tragringe anstoßen, mit Lot, Klebemittel od. dgl. ausgefüllt, und zwar so, daß die Bleche mit den Tragringen abdichtend verbunden sind. Auf diese Weise wird eine gute Abdichtung des Speicherkörpers gegenüber den Tragringen erzielt und damit ein überströmen des Mediums, das unter einem höheren Druck steht, in den Ringsektor des zweiten Mediums, das unter einem geringeren Druck steht, weitgehend vermieden.
Die Schwierigkeiten hinsichtlich der Abdichtung der beiden Medien gegeneinander können weiter dadurch behoben werden, daß ein Grundkörper von rechteckigem oder quadratischem Querschnitt vorgesehen wird, in den der trapezförmige Speicherkörper eingesetzt wird.
Um weitere Druckverluste in dem Speicherkörper zu verhindern, wird in weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, die Bleche des Speicherkörpers in an sich bekannter Weise mit einer Krümmung zu versehen, die am Ein- bzw. Austritt des Speicherkörpers den Richtungen der Relativgeschwindigkeiten der strömenden Medien entspricht. Auf diese Weise werden Stoßverluste und Ablösungen in den Kanälen vermieden, und der Gesamtwirkungsgrad wird gehoben.
Weitere wesentliche Vorteile ergeben sich, wenn man die vorgeschlagene neue Bauweise kombiniert mit der Verwendung von nur ebenen Blechen als wärmeaustauschende Flächen, wobei diese Bleche in an sich bekannter Weise mit Sicken oder Warzen versehen sind, um sie gegenseitig auf Distanz zu halten und abzustützen.
Bei gleichem hydraulischem Durchmesser ist die Wärmeübergangszahl größer als bei jeder anderen Kanalform. Weiterhin können mit der vorgeschlagenen neuen Bauweise ohne Schwierigkeiten außerordentlich kleine hydraulische Durchmesser verwirklicht werden, wodurch sich die Wärmeübergangszahl weiter erhöht. Mit kleinerem hydraulischem Durchmesser ist zwar ein erhöhter Druckverlust verbunden, doch läßt sich dieser dadurch vermeiden, daß infolge der erhöhten Wärmeübergangszahl die wärmeaustauschende Fläche verringert werden kann. Zweckmäßigerweise wird dabei die in Strömungsrichtung sich erstreckende Länge des Speicherkörpers verringert. Auf diese Weise erhält man Speicherkörper, die bei gleichem Wämeaustauschgrad und gleichem Druckverlust wesentlich weniger wärmeaustauschende Bleche und damit wesentlich geringeres Bauvolumen und Baugewicht ergeben. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da das für die Bleche des Speicherkörpers verwendete Material hochlegierter, warmfester Stahl von entsprechend hohem Preis ist. Die Anwendung von nur ebenen Blechen in der vorgeschlagenen Form bringt eine beträchtliche Vereinfachung in der Fertigung der Bleche mit sich. Während bei einer anderen Form der Bleche komplizierte Werkzeuge und Vorrichtungen erforderlich waren, die die Wellungen und die kreisringförmige Ausbildung der Bleche erzeugten, genügt jetzt ein einfaches Stanzwerkzeug, das in einem Arbeitsgang die Bleche zuschneidet und die erforderlichen Sicken bzw. Warzen einprägt.
Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Bauform ist der, daß der Speicherkörper als selbsttragende Einheit ausgebildet werden kann, die nur aus den Ringen und den mit diesen durch Lötung oder Schweißung verbundenen Blechen besteht. Dies bedeutet gegenüber den seither üblichen Ausführungsformen, bei denen noch weitere, ein Gerippe oder ein Skelett bildende Glieder notwendig sind, eine Gewichtsersparnis und Fertigungsvereinfachung. Die Ausführungen als selbsttragende Einheit sind nicht auf die Verwendung von nur ebenen Blechen beschränkt, sondern können auch bei Verwendung der gewellten Bleche durchgeführt werden, sofern diese nach dem eingangs gemachten Vorschlag radial angeordnet sind.
Schließlich läßt sich die oben beschriebene Verjüngung bzw. Erweiterung bei Anwendung von nur ebenen Blechen besonders leicht verwirklichen.
Um eine Verringerung des Austauschgrades infolge Wärmelängsleitung innerhalb der Bleche des Speicherkörpers zu vermeiden, wird vorgeschlagen, die Bleche quer zur Strömungsrichtung der Medien mit Verjüngungen zu versehen, welche die Wärmeleitung innerhalb der Bleche hemmen.
Der Speicherkörper kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als an sich bekannter Drahtspeicherkörper ausgebildet sein, aus keramischen Werkstoffen bestehen oder mit Füllkörpern, beispielsweise mit Kugeln, ausgefüllt sein, die gegebenenfalls unterschiedliche Größe aufweisen können.
In für die Erfindung vorteilhafter Weise wird ein solcher aus Draht bestehender Speicherkörper aus Drahtgewebe verschiedener Drahtstäke und Maschenweite hergestellt, die so gebildet sind, daß die erwünschte Querschnittsveränderung erreicht wird. Der Speicherkörper kann auch aus zwei oder mehreren Drahtgewebepaketen bestehen, wobei in jedem Paket jeweils ein gleiches Gewebe enthalten ist und die Drahtstärken und die Maschenweiten in den einzelnen Paketen verschieden sein können.
Für die Lebensdauer des Wärmetauschers ist es besonders vorteilhaft, wenn für den Aufbau des Speicherkörpers Materialien verwendet werden, die auf der Seite des Speicherkörpers eine höhere Warmfestigkeit aufweisen als auf der kalten Seite. Bei der Verwendung von Drahtgewebepaketen ist es in diesem Sinne besonders zweckmäßig, wenn das Drahtgewebepaket auf der heißen Seite eine höhere Warmfestigkeit aufweist als das Drahtgewebepaket auf der kalten Seite.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind zwei Ausführungsbeispielen zu entnehmen, die in schematischer Darstellung in den Zeichnungen wiedergegeben sind.
Fig. 1 zeigt einen axialen Schnitt durch den Ringkörper des Wärmetauschers nach dem ersten Ausführungsbeispiel; Fig. 2 zeigt in etwas kleinerem Maßstab eine Ansich nach Pfeil 11 der Fig. 1; Fig.3 zeigt in etwas kleinerem Maßstab einen Schnitt nach 111-111 der Fig. 1 und 2; Fig. 4 zeigt einen axialen Schnitt durch den Ringkörper des Wärmetauschers nach dem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 5 zeigt in etwas kleinerem Maßstab eine Ansicht in Richtung des Pfeiles V nach Fig. 4; Fig.6 zeigt einen in die Zeichenebene gelegten Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 4 und 5.
Ein Regenerativ-Wärmetauscher mit einem ringförmigen Körper, der trapezförmigen Querschnitt aufweist und bei dem der Querschnitt sich radial nach außen verjüngt, ist in Fig. 1 dargestellt. Der Speicherkörper nach Fig. 1 wird von den beiden Medien radial durchströmt. Der Pfeil G gibt die Strömung der heißen Abgase wieder, der Pfeil L die der Luft, wobei die Luft den ringförmigen Körper des Regenerativ-Wärmetauschers an einer anderen Stelle durchströmt als die Abgase. Wie ohne weiteres zu ersehen ist, verringert sich der Durchtrittsquerschnitt für das Gas in Strömungsrichtung, während sich der für die Luft erweitert. Die Erweiterung bzw. die Verringerung des Querschnittes wird zweckmäßigerweise der thermischen Expansion bzw. Kontraktion des Gases angepaßt. Die Veränderung des Querschnittes kann eventuell auch so weit getrieben werden, daß auf der Heißgasseite eine leichte Beschleunigung der Strömung eintritt. Wie rein schematisch angedeutet, besteht der Speicherkörper aus glatten Blechen 1 und gewellten Blechen 2, die abwechselnd aufeinanderfolgen und vorzugsweise außerdem gewölbt sind. Auf diese Weise werden zahlreiche Kanäle 3 gebildet. Die äußeren Kanäle, d. h. die Kanäle, die an die Tragringe 4 und 5 angrenzen, sind zum Zwecke der Abdichtung der übrigen, weiter innen liegenden Kanäle mit Lot gefüllt. Die Bleche des Speicherkörpers sind zwischen die Tragringe 4 und 5 eingefügt. In Fig. 1 liegt vorn ein glattes Blech 1 des Speicherkörpers, dessen Wölbung durch Schattenangabe dargestellt ist. Der rechtwinklig zur Drehachse 6 des Wärmetauschers gelegte Schnitt 111-111, der in Fig. 3 dargestellt ist, gibt die Krümmung der radial angeordneten Bleche wieder. In den Fig. 1, 3 und 6 sind der übersichtlichkeit halber nur die Bleche 1 dargestellt. Die gewellten Bleche 2 sind in gleicher Weise gekrümmt. Nach Fig. 3 besteht in dem Ausführungsbeispiel die Krümmung der Bleche 1 aus einem Kreisbogen mit konstantem Radius R.
Fig. 4 gibt einen axialen Schnitt durch den Ringkörper des Wärmetauschers wieder, der gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, der sich in axialer Richtung verjüngt bzw. erweitert. Die Strömungsverhältnisse sind bei dem Querschnitt nach Fig.4 entsprechend den bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1. Der Pfeil G bezeichnet die Strömungsrichtung des Gases an einer Stelle und L die der Luft an einer anderen Stelle des Wärmetauschers. Die Fig. 1 bis 6 weisen die gleichen Bezugsziffern für die entsprechenden Einzelteile des Ringkörpers auf. Zum besseren Erkennen der Lage der Bleche ist der an sich bogenförmige Schnitt VI-VI in Fig. 6 eben dargestellt worden.
Zur besseren Abdichtung der beiden Medien gegeneinander können die in den Fig. 1 und 4 dargestellten, mit trapezförmigem Querschnitt versehenen Ringkörper in nicht dargestellte Grundkörper von rechteckigem oder quadratischem Querschnitt angeordnet werden. Der aktive, trapezförmige Teil kann in diesen Grundkörper eingesetzt und darin dichtend verschweißt werden.
Zur Erhöhung der Wärmeübergangszahl wird weiter vorgeschlagen, an Stelle der wellen- oder zickzackförmigen Bleche 2 nur ebene Bleche 1 zu verwenden und diese mit Sicken oder Warzen zu versehen, welche die Bleche 1 auf Distanz halten. Auf diese Weise kann die Wärmeübergangszahl bei gleichem hydraulischem Durchmesser wesentlich gesteigert werden. Die Anbringung von Sicken und Warzen geeigneter Größe ermöglicht weiterhin, die Bleche möglichst eng aneinanderzulegen. Selbstverständlich ist hiermit ein Druckverlust verbunden. Der Druckverlust kann jedoch wieder aufgehoben oder sogar verringert werden, wenn die Länge der Kanäle, d. h. der wärmeaustauschende Querschnitt und damit die Bleche selbst verkürzt werden, was ohne weiteres bei dem verbesserten Wärmeübergang durchgeführt werden kann, ohne daß die Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers verringert wird.
Die heißen Abgase der Turbinen, die ihre Wärme an die aufzuheizende Verbrennungsluft abgeben sollen, werden naturgemäß am Eintritt in den Wärmetauscher die Bleche des Speicherkörpers stärker erhitzen als am Austritt. Hierdurch ist die Tendenz gegeben, daß innerhalb der Bleche eine Wärmeleitung vom heißeren zum kühleren Ende erfolgt und daß dadurch eine Verringerung des Austauschgrades eintritt. Es wird deshalb weiter vorgeschlagen, diese Wärmeverluste durch die Anbringung die Wärmeleitung hemmender Mittel innerhalb der Bleche zu verhindern. Insbesondere sollen in den Blechen in der Zeichnung nicht näher dargestellte Verjüngungen angebracht werden, die sich quer zur Strömungsrichtung erstrecken.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Rotierender Regenerativ-Wärmetauscher für Gasturbinen, dessen Rotor ringförmig ausgebildet ist und bei dem die durchströmten Querschnitte des Speicherkörpers sich in der Richtung, in der daß heiße Medium strömt, verengen und sich in der Richtung, in der das aufzuheizende Medium strömt, erweitern, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkörper trapezförmigen Querschnitt aufweist und die dadurch erzielte Querschnittsänderung zumindest annähernd der Volumenänderung der durchströmenden Gase, welche durch den Wärmeaustausch bedingt ist, entspricht.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 in Trommelbauweise, dadurch gekennzeichnet, daß sich der trapezförmige Querschnitt radial nach außen verjüngt oder erweitert.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 in Scheibenbauweise, dadurch gekennzeichnet, daß sich der trapezförmige Querschnitt in axialer Richtung verjüngt oder erweitert.
4. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkörper aus Blechen (1, 2) besteht, die in an sich bekannter Weise radial angeordnet sind.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Kanäle des Speicherkörpers mit Lot, Klebemittel od. dgl. gefüllt sind, so daß die Bleche (1, 2) des Speicherkörpers mit den Tragringen (4, 5) abdichtend verbunden sind.
6. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der trapezförmige Speicherkörper in einem Gundkörper von rechteckigem oder quadratischem Querschnitt liegt.
7. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (1, 2) des Speicherkörpers in an sich bekannter Weise eine Krümmung aufweisen, die am Ein- bzw. Austritt des Speicherkörpers den Richtungen der Relativgeschwindigkeiten der strömenden Medien entspricht. B. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle von wellen- oder zickzackförmigen Blechen nur ebene Bleche als wärmeaustauschende Flächen Verwendung finden, die in an sich bekannter Weise Sicken oder Warzen aufweisen, durch die sie auf die nötige Distanz gehalten werden. 9. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (1, 2) quer zur Strömungsrichtung der Medien Verjüngungen aufweisen, die die Wärmeleitung innerhalb der Bleche hemmen. 10. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkörper als selbsttragende Einheit ausgebildet ist. 11. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkörper als an sich bekannter Drahtspeicherkörper ausgebildet ist. 12. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkörper in an sich bekannter Weise aus keramischen Werkstoffen besteht oder mit Füllkörpern, beispielsweise mit Kugeln, ausgefüllt ist. 13. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Speicherkörper Drahtgewebe von verschiedener Drahtstärke und Maschenweite verwendet werden, die so gebildet sind, daß die erwünschte Querschnittsveränderung erreicht wird. 14. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 3, 11 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkörper aus zwei oder mehreren Drahtgewebepaketen besteht, wobei in jedem Paket jeweils ein gleiches Gewebe enthalten ist, und daß die Drahtstärken und die Maschenweiten in den einzelnen Paketen verschieden sind. 15. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß für den Aufbau des Speicherkörpers Materialien verwendet werden, die auf der Seite des Speicherkörpers eine höhere Warmfestigkeit aufweisen als auf der kalten Seite, und daß insbesondere das Drahtgewebepaket auf der heißen Seite eine höhere Warmfestigkeit aufweist als das Drahtgewebepaket auf der kalten Seite. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 914 049, 824 212, 818960, 575365, 492449, 477757, 415391, 402 314; schweizerische Patentschrift Nr. 313 656.