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Regenerativwärmeaustauscher Beim Wärmeaustausch nach. denn Regenerativprinzip
zwischen Gasen, Dämpfen oder ähnlichen strömenden Medien, werden bekanntlich. zwei
durch eine Wechselschaltung miteinander verbundene Wärmespeicher in einen zeitlichen
Zyklus erhitzt und gekühlt, wobei die Wärmeau:fnahmeperiode des einen. Wärmespeichers
mit der Wärmeabgabeperio,de des anderen. Speichers zeitlich zusammenfällt.
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Die! Wechselschaltung erfolgt derart, daß die Strömungswege
der wärmeabgebenden und der wärmeaufnehmenden Gase, Dämpfe od. dgl. vertauscht werden,
wenn: einer der beiden Wärmespeicher ungefähr die Temperatur des durchströmenden
Gases angenommen: hat und eine weitere Wärmeaufnahme. oder Wärmeabgabe. nicht mehr
vorteilhaft erscheint. Daß beide Wärmespgicher die zur Umschaltung optimale Temperatur
gleichzeitig erlangen, ist in: der Praxis nur näherungsweise zu erreichen, und zwar
um so schwieriger, je größer die Druckdifferenz zwischen den beiden strömenden.
Medien ist. Die beid.en.Wärmespeicher werden deshalb von vornherein. zweckmäßig
mit einer gewissen Volumenreserve ausgelegt.
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Die: Betriebsdauer eines Regen.e:rativwärmea:ustauschers zwischen
zwei Umschaltungen hängt ab von deir Wärmekapazität des einzelnen. Wärmespeichers,
und dieses wieder ist eine Funktion des Volumens des wärmespeichernden Materials.
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Um zu einer kleinen Bauweise für Regenerativwärmeaustauscher zu kommen:,
welche sich beispielsweise auch zum Einbau in ortsbewegliche Wärmekraftmaschine.n,
wie mit Gasturbinen angetriebene Lokomotiven. u. dgl., eignen., ist zunächst der
Raumbedarf des. Wänneträgers zu verkleinern. Dazu ist nötig, daß ein Wärmeispeichermateria:l
geeigneter Wärmekapazität den durchströmenden Gas in: möglichst großer Oberfläche
dargeboten wird, um den Einfluß der Wärmeleitfähigkeit zu verringern. und eine schnelle
und. gleichmäßige Erhitzung bzw. Kühlung des Speichermaterials zu. ermöglichen.
Außerdem wird ein solches Regeneratorsystem zweckmäßig in kurzen Zeitabständen umgeschaltet,
um diesen, schnellen Wärmeübergang auch voll ausnutzen, zu können. Schließlich soll
ein solcher Wärmeaustauscher eine möglichst einfache, geschlossene und gedrungene:
Ba.ua.rt haben..
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Es sind Regen.erativwärmeausta:uscher beschrieben worden:, deren Wärmespeicherräume
als langgestreckte Zellen, geringen: Durchmessers, z. B. als Rohre ausgebildet sind
und in großer Zahl parallel zueinander zu einem Bündel angeordnet sind., so daß
die beiderseitigen, Öffnungen, in je einer Ebene liegen.. Durch zwei Schalte;lementei,
welche diese Ebenen. gleichlaufend überstreichen, wird ein Teil dieser Rohre jeweils
als, ein Durchgangsweg geschaltet, während. der restliche Teil der Rohre den zweiten
Durchgangsweg bildet. Bei der großen Zahl der Wä rmespeicherräume weirden deren:
Wärmekapazitäten unterschiedlich ausgenutzt, so daß der Wirkungsgrad der gesamten
Vorrichtung nicht voll ausgeschöpft werden kann. Außerdem sind Regenerativwärmea.usta:uscheir'
bekannt, in welchen. ein zylindrischer Austauschkörper durch radiale Wände in einzelne
an beiden Enden offene Sektoren unterteilt: ist. Jeweils eine Reihe auf einanderfolgender
Sektoren wird von Schaltelementen, welche deren offene Enden überdecken und von
einer Antriebsvorrichtung gemeinsam bewegt werden, in einen der beiden, Gasweges
eingeschaltet, während. die restlichen Sektoren. den zweiten Gastweg bilden. Die
von den Schaltelementen nicht überdeckten Zellenmündungen führen in ein Gehäuse,
in. welches Zuführung und Ableitung des anderen Gases münden. und in welchem die
Schaltorgane umlaufen. Im Betrieb werden, die beiden Schaltorgane gleichzeitig bewegt,
zweckmäßig durch einen für leide Schaltorgane gemeinsamen Antrieb.
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Bei solchen. Regenerativwärmea:usta:uschern bewirkt die; Herstellung
einer einwandfreien druckfesten Dichtung zwischen den: Schaltelementen: und den
Öffnungen der Zellen. beträchtliche Schwierigkeiten und erfordert einen hohen, konstruktiven
Aufwand. Bei höheren Druckdifferenzen, zwischen den Gasen, zwischen denen der Wärmeaustausch
vorgenommen werden soll, werden entweder die Dichtungen unzuverlässig, oder der
Antrieb der Schaltelemente versagt wegen, der ange@-wendeten unsymmetrischen. Bauweise
und der großen Oberfläche der Dichtungskörper.
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Die Erfindung hat zum Ziel, derartige Wärmeaustauscher dadurch. zuverlässiger
und. zweckmäßiger zu gestalten, daß die Gleitflächen, in welche die Öffnungen der
Austauscherzellen münden und auf welchen diel Schaltelemente umlaufen:, als zum
Zellenkörper koaxiale Kegelmäntel oder Kegelstumpfmän:tel ausgebildet werden und
daß die Schaltelemente zweit zu
einer durch die Zellenachse gelegenen:
Ebene symme= trische Anschlußkanäle erhalten, welche zwei im Zellenkörper um 180°
versetzte Zellengruppen mit den in der Achse des Zellenkörpers liegenden Gasanschlußstutzen
verbinden..
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" Da der mittlere Durchmesser der konischen Gleitebene wesentlich
kleiner gehalten werden kann als der Durchmesser des Zellenkörpers, wird die Größe
der erforderlichen Dichtungsflächen und damit die zwischen ihnen, bestehende Reibung
verringert.
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Durch die konische Geistalt der Gleitebene und die entsprechende Form
der -Dichtungsflächen an den Schaltorganen, wird der zur Dichtung erforderliche
Druck vermindert; weil die erforderliche Kraft nicht für die Flächen der Dichtungsflansche
selbst, sondern nur für eine Fläche, die deren senkrechter Projektion gleich ist,
aufzubringen ist.
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Außerdem können die Durchtrittsquerschn.itte der Schaltorgane mit
diesen. senkrechten Proj ektionsflächen der Dichtungsflansche so -abgestimmt werden,,
daß das bewegliche Schaltorggn bis auf einen geringen, nur wenig über dem zur Dichtung
erforderlichen. Mindestdruck entlastet wird.
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Von der Höhe dieses Druckes hängen der für die Umschaltung erforderliches
Kraftaufwand und der dabei durch die Reibung eintretende Verschleiß ab.
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Erfindungsgemäß wird diese Reibung dadurch noch weiter vermindert,
daß .während der Dauer des Umschaltvorganges mittels zweier in der beiden Schalteletne.nten
gemeinsamen Antriebswelle angeordneter Klauenkupplungen ein. dem Dichtungsdruck
entgegenwirkender Schub ausgeübt wird, der die Schaltorgane beim Einleiten der lockert.
Die- Randüberdeckung an des, Schiebern wird auf beiden. Seiten größer gehalten als
die Breite der Zellenöffnungen, da sonst während des Umstäueivorganges eine Verbindung
der beiden Räume verschiedenen. Druckes kurzzeitig eintritt.
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Die Gestalt der beiden Schalto.rgan.e hängt davon ah in welchem Verhältnis
die Zahl der Zellen auf beide Gaswege verteilt werden soll. Beispielsweise können
beiden. Gaswegen. die gleichen. Anzahlen vom Zellen zugeordnet werden. Da jedoch
die Vorrichtung vorzugsweise zum Wärmeaustausch zwischen Stoffen, die unter verschiedenem
Druck stehe-,, bestimmt ist, wird in, an sich, bekannter Weise dem unter höherem
Druck stehenden Gasweg zweckmäßig eine kleinere-Zellenzahl zugeordnet als dem unter
normalem Druck stehendem.
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Zur Umschaltung von: der Wärmeaufnahme zur Wärmeabgabe werden erfindungsgemäß
nur Teile der beiden Wärmespeicher vertauscht, indem die beiden gleichlaufenden
Schaltorgane nur um einen. Zellenabstand verschoben werden,. Dadurch gelingt es
nicht nur, die Voraussetzungen für den Bau kleiner Wärmeaustauscher, kleine Wärmespeicheryolumen
und kurzfristige Speicherwechsel, zu erfüllen; sondern es wird auch ein besonderer
VorEail für den Wärmeaustausch zwischen Gasen unter verschiedenem Druck erreicht.
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Bei der Umschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch, Verschiebung
der beiden Schaltorgane um nur einen Zellenabstand werden nur Bruchteile der Speichervolumina
gleichi#entig ausgetauscht, während die beiden, größeren Restvolumina unter dem
jeweiligen Betriebsdruck bleiben. Das hat zur Folge, daß die beim Umschalten auftretenden
Druckschwankungen nur Bruchteile der zwischen den Gasen. bestehenden Druckdifferenz
betragen -können. Ein weiterer Ausgleich dieser Druckschwankungen erfolgt dadurch,
daß dem Wege des unter niederem Druck stehenden Gases durch den Wärmeaustauscher
das größere Volumen, das ist die größere Zahl von Speicherzellen, zugeteilt ist.
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Als wärmespeicherndes Material zur Ausfüllung der Zellen kommen besonders
formbeständige Stoffe in Betracht, weil der Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung
vorzugsweise zur Verwendung in ortsbeweglichen Anlagen bestimmt ist. Außerdem soll
d.ap Material dem durchströmenden. Gas einen geringem. Strömungswiderstand und eine
große Oberfläche bieten,. In, geeignete-, Formen z. B. Ringen oder Rohr, können
die üblichen keramischen Wärmespeichers.toffe angewandt werden. Besonders geeilt
sind jedoch Metalle in Form von Rollen leicht'"Il;IKI-wellten Bleche, gerollter
Drahtnetze oder eine Füllung aus Drahtspiralen. oder in einer anderen geeignete.
Form.
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Die: Umschaltung des Wärmespeichers wird der diskontinuierliches,
periodisches Weiterbewegen der
beiden gekoppelten Schaltorgane; durch an sich
I:lv@lii kannte mechanische Mittel ausgeführt, etwa eine Ratsche, ein. Malteserkreuzgetriebe,
durch,' rüder od. dgl. Antriebsvorrichtungen,, die auf eü4@,. beiden Schiebern gemeinsame
drehbare Achse wirke Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen, die Zeichnungen,
in denen eine Ausführungsform beüspielsweise und schematisch dargestellt ist.
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Abb. 1 ist ein radialer Längsschnitt durch einen Wärmea,ustauscher
gemäß der Erfindung; Abb, 2 ist ein Querschnitt in Höhe A-A der Abb. 1; Abb. 3 ist
ein Querschnitt in Höhe B-B der Abb. 1. 1 ist das Gehäuse des Wärmeaustauschers,
in welchem die Zellen 2 zur Aufnahme des wärmespeichern,-en Materials angeordnet
sind. Die Öffnungen dieser Zellen münden in die Gleitflächen 3, die konzentrisch
um die Achse des Gehäuses angeordnet sind. Auf jeder dieser Gleitflächen 3 läuft
ein Schalterganz 4 hier ein Drehschieber, mit den beiden denn Neigungswinkel und
der Krümmung der Gleitebene angepaßten Flanschen 5. Dieses Drehschieber verbinden
einen Teil der Zellen mit den Stutzen. 7 und 8, durch welche einer der beiden Gas-
oder Dampfströme in den Wärmeau'srtauschen ein- bzw. austritt. Durch die Stutzen.
9 bzwa 10 tritt der andere Gasstrom ein bzw. aus. Die Drehung der beiden
Drehschieber erfolgt durch die W@'g 11, die über die Zahnradkupplung 12 und die
Welle tä' von, außen her angetrieben wird, und durch die Klauenkupplungen 6, durch
welche die Verbindung der Drehschieber mit der Welle 11 axial nachgiel>xg gestaltet
wird. 14 und 15 sind Dichtungen, durch welche die Drehschieber in den. Rohrstutzen
.7 und 8 gasdicht, aber drehbar eingepaßt sind, z. B. Labyrinth-oder Stopfbuchsendichtungen.
Sie lassen außerdem eine begrenzte Bewegung der Drehschieber in Axialrichteng zu.
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Wie aus Abb. 2 zu ersehen ist, überdeckt jeder dieses Flansche 5 z.
B. zwei benachbarte Zellenöffnungen. Da, wie in Ab.b. 1 dargestellt, beide Schieber
auf äue gleichen Zellen. eingestellt sind, entsteht der Gasdurc4-gang von 7 nach
B. Der zweite Gasdurchgang von. 9 nach 10 führt durch die nicht von den Schiebern
abgedeckten. Zellen.
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Es ist zweckmäßig, die Flanschbreite an den Drzhr schiobern größer
zu wählen. als die Breite, der Zellenöffnungen, damit während des Schaltvorganges
eine kurzzeitige direkte Verbindung zwischen, den beide Gaswegen vermieden wird.
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Diel Umschaltung des Systems erfolgt dadurch, 40 die beiden Schieber
gemeinsam um den Absta#Pd zweier Zellenöffnungen weitergedreht werden. 'Zur
Ausführung
dieser gemeinsamen Drehung sind sie durch eine Welle 11 miteinander verbunden, auf
welche die erforderliche Dreihbewegung durch an sich bekannte Mittel, beispielsweise
das Zahn .räderpaar 12, von der Welle 13 übertragen wird. In. der Ausführungsform
nach Abb. 1 ist diese Antriebswelle 13 seitlich: durch den: Zellenkörper
2 geführt wie besonders aus Abb. 3 ersichtlich ist. Der Antrieb der Welle 13 kann
durch eine periodisch wirkende Vorrichtung in bekannter Weise erfolgen.
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Die Verbindung dar beider Drehschieber durch die Welle 11 wird zweckmäßig
nicht starr ausgeführt, damit sie sich den auftretenden Wärmespannungen anpassen
kann und für verschiedene Druckdifferenzen zwischien den beiden, Gaswegen eine gleichbleibende
gute Abdichtung sichert.
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Der für einen gasdichten Sitz der Drehschieber auf den kegelig'en
Gleitflächen erforderliche Anpreßdruck ist durch den im Gasweg 7, 8 herrschenden
Druck gegeben. Wird indessen die Drehung beim Umschalten unter erhöhtem Druck ausgeführt,
dann ist mit einem großen Verschleiß an den Flanschen und Gleitflächen zu rechnen,
und außerdem ist für die Drehbewegung selbst ein beträchtlicher Kraftaufwand erforderlich.
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Erfindungsgemäß werden die Durchtrittsquerschntte in, den Drehschiebern
bei 7 bzw. 8 und die senkrechten Projektionsflächen der Flansche 4 so aufeinander'
abgestimmt, daß der ganze Schieber so, weit druckentlastet ist, daß als Restdruck
nur ein etwas höherer als zur Dichtung eben erforderlicher Druck bestehenbleibt.
Um den Energieaufwand und die immer noch gegebene Verschleißgefahr während der Umschaltung
noch weiter einzuschränken, wird erfindungsgemäß eine zusätzliche Verringerung dieses
Restdruckes durch: Anwendung der beiden Klauen- ; kupplungen 6 erreicht. Wie aus
der Abb. 1 ersichtlich ist, sind, diese Klauenkupplungen mit schrägen Übertragungsflächen
versehen, die während. einer Drehung der Achse: 11 einen axialen Schub auf
die. Drehschieber erzeugen, welcher den auf den Schiebern lastenden Anpreßdruck
nur für die Dauer der Drehbewegung entgegenwirkt und in dieser Zeit die Reibung
des Schiebers auf der Gleitebene so weit vermindert., daß die Drehung bei geringem
Kraftaufwand und minimalem Verschleiß erfolgt.
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Daraus ergibt sich eine einfache Schaltvorrichtung, welche ans einem
einzigen. Drehimpuls betätigt wird und innerhalb, des Wärrneaus.tauscheirs so angeordnet
ist, daß sie als zusätzliche Einrichtung nicht in Erscheinung tritt.