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Reinigung von rotierenden Regenerativ-Wärmeaustauschern Die Erfindung
bezieht sich auf rotierende Regenerativ-Gegenstrom-Wärmeaustauscher der Bauart,
wie sie bei Verbrennungsturbinen verwendet wird und welche aus einer rotierenden,
eine Speichermasse aufnehmenden Trommel oder Scheibe besteht, welche abwechselnd
durch die Hochdruck- und die Niederdruckseite des Kreislaufs hindurchgeht.
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Bei einem Regenerator der Trommelbauart, wie er bei einer Gasturbine
üblicher Bauart mit offenem Kreislauf verwendet wird, tritt hochkomprimierte Druckluft
aus einem Kompressor in die Hochdruckseite des Regenerators ein, geht durch Offnungen
an der Innenseite der rotierenden Trommel hindurch, wird durch die Speichermasse
erhitzt, verläßt die Trommel durch Öffnungen an der äußeren Oberfläche derselben
und strömt dann zu dem Auslaß auf der Hochdruckseite des Regenerators. Heißes Gas
aus der Turbine tritt in den Einlaß der Niederdruckseite des Regenerators ein, strömt
im Gegenstrom durch die Trommel und die Speichermasse hindurch, wo es abgekühlt
wird, und entweicht durch den Auslaß der Niederdruckseite zur Außenluft.
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Die Speichermasse ist in Kammern angeordnet, deren radiale Wandungen
im Verein mit Abdichtungen
eine Strömung infolge von Undichtigkeiten
von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite verhindern.
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Bei der Scheibenbauart des Regenerators ist die Speichermasse so geformt,
daß sie eine Gas- oder Luftströmung senkrecht zu der Hauptluft- oder -Gasströmung
verhindert und nicht in Kammern angeordnet zu werden braucht. Gewöhnlich handelt
es sich um eine Bauart der Flammenrückschlagsicherung mit geraden Kanälen von Dreiecksquerschnitt.
Die Durchgangsquerschnitte sind normalerweise größer als diejenigen von Speichermassen
mit Drahtgewebsunterlage, neigen jedoch immer noch zum Verlegen bzw. zum Verstopfen.
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Staub oder sonstige Teilchen können in den Wärmeaustauscher sowohl
mit der kalten, vom Kompressor kommenden Luft als auch mit dem heißen, von der Turbine
kommenden Gas eintreten.
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Der erste Fall, nämlich der, daß Staub mit der kalten Luft in den
Wärmeaustauscher hineingelangt, ereignet sich dann, wenn der Kompressor im Betrieb
unempfindlich gegenüber Staubteilchen ist und die Luft daher vor Eintritt in den
Kompressor ungenügend, wenn überhaupt, gefiltert wird. Dies ist beispielsweise bei
Turbokompressoren der Fall.
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Der zweite Fall, nämlich der, daß die Teilchen mit dem von der Turbine
kommenden heißen Gas in den Wärmeaustauscher gelangen, tritt dort ein, wo die Verbrennungsprodukte
Verunreinigungen und feste Körper, wie z. B. Ruß und Flugasche, enthalten und wo
diese vor dem Eintritt des Gases in die Turbine oder den Regenerator nicht vollständig
abgeschieden wurden.
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Sowohl bei Regeneratoren der Trommelbauart als auch bei denjenigen
der Scheibenbauart gehen die Teilchen, welche klein genug sind, um durch die Luft
und das Gas, unbeschadet irgendwelcher Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit und
der Richtung der Strömung, mitgerissen zu werden, durch die Speichermasse hindurch
und verstopfen daher dieselbe nicht. Andere Teilchen wiederum kriechen entweder
langsam durch die Speichermasse in der gleichen Richtung wie die Gasströmung hindurch,
jedoch mit einer geringeren Geschwindigkeit als die des Gases, oder aber sie werden
in den ersten Schichten der Speichermasse zurückgehalten. Bei diesen, langsam durch
die Speichermasse hindurchtretenden Teilchen besteht, je länger sie in der Speichermasse
verweilen, eine um so größere Tendenz, an der Speichermasse haftenzubleiben und
dieselbe zu verlegen. Das Verlegen bzw. das Verstopfen. der Speichermasse beeinträchtigt
aber den Druckabfall und den Wärmeübergang.
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Es sind deshalb schon Verfahren'vorgeschlagen worden, bei denen die
Wege und Öffnungen der Regeneratoren mittels Dampfdüsen gereinigt werden können
oder bei denen die die Verunreinigungen bildenden Rückstände durch die heißen Gase
selbst ausgebrannt werden.
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Man hat ferner vorgeschlagen, rotierende Generatoren, die z. B. für
Gasturbinenanlagen Verwen dung finden, in gewisser Weise dadurch selbstreinigend
zu machen, daß man hierzu den Druckunterschied ausnutzte, der auftritt, wenn die
Speichermasse durch die Abdichtungen hindurchtritt, die die Hochdruckseite von der
Niederdruckseite trennen.
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Die zuletzt beschriebene Methode ist einfach, jedoch mit den normalen
an solchen Regeneratoren vorhandenen Abdichtvorrichtungen sehr schlecht auszuführen,
da die Druckunterschiede nicht konzentriert genug angewendet werden können, um eine
vollkommene Reinigung der Speichermasse sicherzustellen.
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Die Selbstreinigungswirkung in der Speichermasse, die eintritt, wenn
diese von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite überwechselt, ist gering im Vergleich
mit der, wenn sie von der Niederdruckseite zur Hochdruckseite Übergeht, und bei
den bisher üblichen Dichtungsvorrichtungen an solchen die Speichermasse enthaltenden
Trommeln oder Scheiben war in der Regel der :Nachteil vorhanden, daß der größte
Teil des Staubes oder anderer Verunreinigungen wieder in den Gas- oder Luftstrom
zurückging, also nicht aus dem Regenerator entfernt werden konnte.
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Bekannt ist es auch, bei einem rotierenden Gegenstrom-Wärmeaustauscher,
beispielsweise als Vorwärmer für Luft, den Übertritt von Schleusluft und Lecklüft
in den Rauchgasstrom dadurch zu unterbinden, daß der eine der beiden Dichtschuhe,
die dort liegen, wo die rotierende Kammer aus dem Gebiet der Druckluft in das Gebiet
der Rauchgase übertritt, mit einem Schlitz versehen wird, durch den die Schleusluft
und Leckluft abgezogen werden können, und dabei der eine Dichtschuh um einen diesem
Schlitz entsprechenden Betrag breiter als der gegenüberliegende Dichtschuh gemacht
wird. Bei dieser bekannten Anordnung ist jedoch vorgesehen, den überragenden Rand
des einzigen verbreiterten Dichtschuhs auf der Auslaßfläche des Gases auf seinem
Weg durch den Niederdruckteil vorzusehen. Es findet somit eine Staubaustragung aus
der Speichermasse nur an einer Stelle statt, und um diese wirkungsvoller zu gestalten,
müßte der verbreiterte Teil an der Innenfläche des durch den N iederdruckteil hindurchgehenden
Gasstromes angeordnet sein.
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Der Regenerativ-Wärmeaustauscher nach der vorliegenden Erfindung überwindet
die beschriebenen Nachteile unter Ausnutzung des zwischen dem zu erhitzenden Gas
und dem abzukühlenden Gas herrschenden Unterdruckes, der dazu benutzt wird, um Staub
und andere in der Speichermasse suspendierte oder anhaftende Teilchen in einer bestimmten
Richtung zu bewegen. Es werden dabei an sich bekannte Dichtschuhe verwendet, welche
die unter verschiedenen Gasdrücken stehenden Abteilungen trennen, auf der Oberfläche
des Rotors gleiten und erfindungsgemäß derart beschaffen sind, daß der Dichtschuh
des Paares gegenüberliegender Schuhe, das Undichtigkeiten beim Übergang des Rotors
vom Niederdruckteil zum Hochdruckteil einschränkt, der auf der Fläche des Rotors>
welche
die Auslaßfläche des durch den Hochdruckteil strömenden Gases
bildet, gleitet, den gegenüberliegenden Schuh mittels einer in den Hochdruckteil
hineinreichenden Verbreiterung überragt, welche Verbreiterung eine Ableitung aufweist,
die mit einer bei niedrigerem Druck als das Hochdruckgas gehaltenen Quelle verbunden
ist. Ebenso überragt der Dichtschuh des Paares gegenüberliegende: Schuhe, das auf
dem Rotor gleitet, wo er vom Hochdruck- in den Niederdruckteil übergeht, der auf
der Einlaßfläche des Gases auf seinem Weg durch den N iederdruckteil gleitet, den
gegenüberliegenden Schuh mittels einer in den Niederdruckteil hineinreichenden Verbreiterung.
Die Erfindung schließt «-eiter Mittel zur Abführung und Sammlung der Verunreinigungspartikel
ein, die derart beschaffen sind, daß die Partikel leicht nach außen zu entfernen
sind.
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In den Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung: Fig. i eine
Anordnung für einen Regenerator der Trommelbauart; Fig. 2 a, 2 b und 2 c veranschaulichen
die Reinigungswirkung in verschiedenen Zeitabschnitten, wobei dieAbdichtungen schematisch-als
zueinander versetzt dargestellt sind, während sie in Wirklichkeit nicht auf diese
Weise, sondern in Übereinstimmung mit der Fig. i angeordnet sind; Fig. 3 a und 3
b veranschaulichen die Anweiidung der vorliegenden Erfindung auf einen Regenerator
des Scheibentyps.
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Nach Fig. i tritt die Außenluft i in einen Kompressor2 ein, in welchem
sie komprimiert wird. Bei Verlassen des Kompressors tritt die Druckluft ir. den
Einlaß I auf der mit den Buchstaben H.P. hezeichneten Hochdruckseite eines Regenerators
3 ein, geht durch die Öffnungen :I an. der inneren Oberfläche der Trommel 5 hindurch,
@;7ird durch eire Speichermasse 6, welche in ü.nerhalb .Jer Trommel gebildeten Kammer:i
enthalten ist, erhitzt und verläßt die Trommel durch Öffnungen 7 an der äußeren
Oberfläche der Tronimel, um dann in den Auslaß 1I der Hochdruckseite einzutreten.
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Die vorgewärmte, den Auslaß Il verlassende Luft wird weiterhin in
einer Brennkammer 8 erhitzt und expandiert in einer Turbine 9, deren Auspuff an
die mit den Buchstaben L.P. bezeichnete Niederdruckseite des Regenerators angeschlossen
ist. Die Abgase treten in den Einlaß III des Regenerators ein, strömen im Gegenstrom
durch die Trommel und die Speichermasse, in welcher sie abgekühlt werden, hindurch
und entweichen durch den Auslaß der Niederdruckseite IV zur Atmosphäre.
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Die Trommel dreht sich im Uhrzeigersinn. Abdichtungsvorrichtungen
io und i i sowie 12 und 13 verhindern das Abströmen infolge von Undichtigkeiten
von der Hochdruck- zur Niederdruckseite des Regenerators.
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Staub und sonstige Teilchen, welche mit der vom Kompressor kommenden
Luft in den Wärmeaustauscher eintreten, sind durch die strichpunktierten Linien
14 dargestellt, wobei die Verwendung der strichpunktierten Linie das Vorhandensein
von Staubteilchen im Luftstrom anzeigen soll. Die Staubteilchen treten mit der Luft
durch den Einlaß I ein, gehen dann durch die Öffnungen q. der Trommel hindurch,
und einige von ihnen neigen dazu, am Innenteil der Speichermasse haftenzubleiben,
während andere langsam hindurchsickern. Bei Hindurchtreten jeder Kammer zwischen
den Abdichtungen 12 und 13 wird zunächst deren Innenseite mit der Niederdruckseite
des Regenerators verbunden, und zwar durch die Verbreiterung des Dichtschuhs
13 mit Bezug auf den gegenüberliegenden Dichtschuh 12. Die in der besagten
Kammer eingeschlossene hochkomprimierte Luft erzeugt einen starken Luftstrom, welcher
radial einwärts auf den Auslaß IV zuströmt und dabei alle in der Speichennasse suspendierten
Teilchen mit sich reißt.
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Aus dem Turbinenauspuff abströmendes Gas, welches Staub und sonstige
Teilchen, wie z. B. Ruß oder Flugasche, enthält-durch gestrichelte Linien angedeutet
-, tritt. bei III in den Regenerator ein und geht durch die Öffnungen 7 in die Trommel,
,vöbei die besagten Teilchen dazu neigen, an der Außenseite der Trommel haftenzubleiben.
Sobald die Kammern die Dichtschuhe io und i.i erreichen, werden sie zunächst mit
der Innenseite der Trommel verbunden, und infolge des Umstandes, daß der äußere
Schuh ii breiter als der innere Schuh io ist, werden die Teilchen nach außen und
in den Kanal 16 des Schuhs i i geblasen und von dort durch einen durch die gestrichelte
Linie 17 angedeuteten Luftstrom mitgerissen, wobei die gestrichelte Linie 17 andeuten
soll, daß Staubteilchen in dem Luftstrom enthalten sind. Der Staub wird durch diesen
Luftstrom in einen Abscheider 18 geblasen. 'Die reine Luft verläßt diesen Abscheider
,ind wird mit dem Hauptluftstrom in oder nach der Brennkammer wieder vereinigt.
Die aus dem Abscheiden austretende gestrichelte Linie 15 soll einen Strom von den
Abscheiden verlassenden Staubteilchen andeuten.
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Die Fig. 2a, 2 b und 2 c stellen die Trommelkammern dar, wie sie sich
von der Niederdruckseite zur Hochdruckseite bewegen. Fig. 2 a verazischaulicht die
Blasperiode. Der innere Dichtschuh io stellt eine plötzliche Verbindung mit dem
Hochdruckeinlaß I her, und .der sich dabei ergebende Luftstrom bläst die in der
Speichermasse schwebenden oder ihr anhaftenden Teilchen in den Raum 2o zwischen
der Speichermasse und dem äußeren Dichtschuh i i.
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Bald nachher wird dieser Raum 20, wie es die Fig.2b zeigt, welche
den Beginn der Reinigungsperiode darstellt, mit dem Kanal 16 und damit mit dem Abscheiden
18 verbunden. Die Druckdifferenz zwischen dem Hochdrucklufteinlaß I und dem Kanal
16 erzeugt eine geringe Luftströmung 17 :n der dargestellten Richtung. Die Fig.
?,c stellt das Ende der Reinigungsperiode dar. 'Um zu verhindern, daß irgendwelche
Teilchen in den Auslaß II. entweichen, wird die Kammer während der Reinigungsperiode
durch die Verbreiterung 21 des Dichtschuhs i i überdeckt.
Die Fig.
3 a zeigt ein Beispiel für Dichtschuhe zur Verwendung mit dem Regenerator der Scheibenbauart.
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Das allgemeine Prinzip der Arbeitsweise ist ähnlich demjenigen, wie
es unter Bezugnahme auf die Fig. 2a, 2 b und 2,c erklärt wurde.
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Die Fig. 3 b zeigt eine abgeänderte Bauart eines Dichtschuhs zur Entfernung
von Staubteilchen u. dgl., welche an der Kaltgasseite der Scheibe haften. Der Dichtschuh
13 ist hierbei breiter und enthält eine Nut 22 gegenüber der Hinterkante des D?chtschühs
12. Diese Nut ist mit der Hochdruckseite durch die Bohrungen 23 verbunden, welch
letztere gestatten, daß die Luft von der"Hochdruckseite abströmt und die Teilchen
und Verunreinigungen in den Auspuff IV bläst.
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In den meisten Fällen ist das Verfahren bzw. sind die Mittel, welche
oben beschrieben wurden, für eine wirkungsvolle Arbeitsweise ausreichend. Sollten
jedoch Fälle eintreten, wo beispielsweise die Anlage lange Zeit hindurch mit geringer
Belastung in Betrieb gehalten werden muß, und sollte dann Druckluft von außerhalb
her zur Verfügung stehen, dann kann diese von außerhalb der Anlage kommende Druckluft
dazu benutzt werden, die Liefermenge an Reinigungsluft zu ergänzen. Zu diesem Zweck
kann eine Anordnung, wie sie in Fig. 3 b dargestellt ist, bei einem Regenerator
nach der Fig. 1 zur Anwendung gelangen. Hierbei werden die Dichtschuhe lo und 13
mit Nuten 22 derart versehen, daß die Nut im ersten Fall gegenüber dem Kanal 16
liegt und im zweiten Fall gegenüber der Hinterkante des Schuhs 12. Die Druckluftzuleitung
wird dann an die Nuten 22 angeschlossen.
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Der Prozentsatz der in den ersten Schichten der Speichermasse festgehaltenen
Teilchen kann dadurch erhöht werden, daß ein Drahtgewebe od. dgl. auf einer oder
auf beiden Seiten der Speichermasse angeordnet wird.