DE2512358A1

DE2512358A1 - Ringfoermiger speicher fuer axial durchstroemte drehspeicher-waermetauscher

Info

Publication number: DE2512358A1
Application number: DE19752512358
Authority: DE
Inventors: Robert Joseph Hagen
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1974-03-27
Filing date: 1975-03-18
Publication date: 1975-10-09
Also published as: JPS50130047A; CA999288A; US3910344A; GB1440748A; IT1032448B

Description

DlpWnß. K. Wetther

*%■ Βο15ν3Γ»Γ·ββ 9 *^% TeW 804 42 βδ

W/Vh-3103 18.3.75

General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.A.

Ringförmiger Speicher für axial durchströmte Drehspeicher-Wärmetauscher

Die Erfindung bezieht sich auf einen ringförmigen Speicher für axial durchströmte Drehspeicher-Wärmetauscher, bestehend aus zwei spiralig aufgewundenen Streifen, wobei jede Windung des einen Streifens zwischen zwei benachbarten Windungen des anderen Streifens liegt und die Streifen an ihren Stirnflächen verbunden eine elastische Zellenstruktur aufweisen, in der ein Strom in Umfangsrichtung unterbunden ist.

509841 /0648

Axial durchströmte Drehspeicher-Wärmetauscher verwenden zur Wärmeübertragung poröses Metall oder keramische Scheiben, die aufeinanderfolgend durch zwei Strömungswege bewegt werden und in dem einen Strömungsweg von einem heisseren Medium Wärme aufnehmen und diese Wärme in dem anderen Strömungsweg an ein kühleres Medium abgeben.

Speicherkörper aus Metall werden üblicherweise aus geriffelten oder gewellten Metallblechen hergestellt, die

spiralig zu einer Scheibe aufgewickelt werden und dann durch ! Löten o.dgl. zu einer starren Zellenstruktur verbunden werden. Bei Wärmetauschern dieser Art wird der grösste Teil des Wärmespeichers auf verhältnismässig hohe Temperaturen in der Grössenordnung von 788⁰C oder mehr erwärmt, während der radial aussenliegende Bereich mit verhältnismässig kühler Luft in Berührung steht und damit eine wesentlich geringere Temperatur ^; aufweist. Auch andere Einflüsse können Temperaturgefälle in dem Wärmespeicher bedingen, aber gleichgültig, aus welchem Grunde diese vorliegen, bedingen diese Temperaturgefälle unter- i schiedliche Dehnungen im Speicherkörper, die zu Überbeanspruchungen und demzufolge zu Brüchen führen können. So hat man ! bei Drehspeicher-Wörmetauschern mit metallischem Speicherkörper

-3-

509841 /0648

während des Betriebes beträchtliche Abstände in radialer Ebene zwischen den aufgewundenen Streifen beobachtet.

Bekannte Bauarten von axial durchströmten Drehspeicher-Wärmetauschern verwenden für den Speicherkörper sich abwechselnde ebene und gewellte Streifen oder gewellte Streifen, die spiralig zum Speicherkörper aufgewunden sind. Bei dem Drehspeicher-Wärmetauscher nach der US-PS 3 276 515 sind ebene und gewellte Streifen für den Speicherkörper verwendet. Es ergibt sich hier eine verhältnismässig starre Konstruktion, sobald die Streifen miteinander verlötet sind. Obwohl die gewillten Streifen nachgeben können, ist dies bei den ebenen Streifen im wesentlichen unmöglich. Wird der innere Teil des Speicherkörpers heisser als die äusseren Bleiche, so treten hohe Ringspannungen in den ebenen Streifen im äusseren Bereich des Speicherkörpers auf.

Bei dem Drehspeicher-Wärmetauscher nach der US-PS 3 532 157 sind gewellte Streifen verwendet, so dass die ebenen Streifen der ersterwähnten Bauart durch gewellte Streifen, die nachgiebiger sind, ersetzt werden. Auf diese Weise sollen die der vorerwähnten Bauart eigenen Nachteile beseitigt werden.

Der Aufbau eines geeigneten Speicherkörpers wird durch zwei Umstände erschwert. Beim Aufwinden müssen die benach-

-4-

509841/0648

barten Streifen so zusammenwirken, dass ein Strömungsweg in Umfangsrichtung des Speicherkörpers verhindert ist, da hierdurch eine Leckage von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite des Drehspeicher-Wärmetauschers eintreten würde. Der andere erschwerende Umstand besteht darin, dass durch das spiralige Aufwinden der Streifen jede Wicklung eine unterschiedliche Länge zu der vorhergehenden aufweist. Bei einer Verwendung von flacheiistreifen und gewellten Streifen bedingt die Vergrösserung des Umfanges bei jeder Wicklung keine Schwierigkeiten. Werden jedoch zwei gewellte Streifen verwendet, so befinden sich in jeder Wicklung mehr Wellen als in der unmittelbar benachbarten, so dass die Lage der Wellen zueinander nicht einheitlich sein wird und die nachfolgenden Schichten des Speicherkörpers nicht genau spiralig verlaufen. An einigen Stellen werden die Spitzen der Wellen der beiden Streifen ausgerichtet zueinander liegen und einen grösseren Abstand der Wicklungen voneinander bedingen, während an anderen Stellen die Spitzen des einen Streifens in die Täler des anderen fallen, so dass der Abstand ungenügend wird. Der Verlauf der Wicklung weicht daher stark von der spiraligen Form ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu überwinden.

-5-

509841 /0648

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der erste Streifen an der einen Fläche mit Abstand voneinander aufweisenden Wellen, die zur Achse des Speichers in einer Richtung geneigt sind, versehen ist, und der zweite Streifen an der einen Seite mit Abstand voneinander aufweisenden Wellen, die in entgegengesetzter Richtung zur Achse des Speichers geneigt sind, versehen ist, und die Wellen der Streifen eine radiale Ausdehnung haben, die die Windungen der Streifen in radialem Abstand halten und sich mit ihren Spitzen an der im wesentlichen ebenen Fläche des benachbarten Streifens abstützen und Strömungskanäle begrenzen, deren Länge in Umfangsrichtung des Speichers durch den Abstand der Wellen voneinander bestimmt ist. Durch die einander entgegengesetzte Neigung der Wellen der beiden Streifen werden die den bekannten Bauarten eigenen Nachteile vermieden, wodurch das Aufwickeln der Streifen zum Speicherkörper mit geringer Abweichung von der spiraligen Form ermöglicht ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich auf den Unteransprüchen.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In den Zeichnungen zeigen

-6-

509841/0648

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch die Drehachse eines Drehspeicher-Wärmetauschers mit einem Speicher nach der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrösserte Abwicklung der den Speicher bildenden Streifen,

Fig. 3 eine Stirnansicht auf den Drehspeicher-Wärmetauscher während der Herstellung

und Fig. 4, 4a und 4b verschiedene Formen, die die

Wellen in den Streifen annehmen können, wobei in Fig. 4 die Welle in unbelastetem Zustand, in Fig. 4a unter Druckbelastung und in Fig. 4b unter Zugbelastung dargestellt ist.

Der in Fig. 1 dargestellte Drehspeicher-Wärmetauscher hat ein -trommelförmiges Gehäuse 10 zur Aufnahme eines axial durchströmten Speichers 12, der zahlreiche Strömungskanäle 14 enthält, die in Fig. 1 übertrieben gross dargestellt sind und die sich von der einen Stirnfläche zur anderen Stirnfläche im wesentlichen parallel zur Drehachse des Speichers erstrecken, die durch eine Antriebswelle 16 gegeben ist. Die Antriebswelle 16 ist in einer Nabe 18 des Gehäuses 10 gelagert und endet in einer Spinne 20, die mit dem Speicher

—V—

509841 /0648

in nicht dargestellter Weise verbunden ist. Die Verbindung kann beispielsweise in der in der US-PS 3 476 173 beschriebenen Weise erfolgen. Durch die Antriebswelle 16 wird der Speicher 12 langsam gedreht. In bekannter Weise könnte der Antrieb des Speichers auch am Kranz erfolgen.

Der Speicher besteht aus einer nicht porösen Nabe 22 und einem ausseren, nicht porösen zylindrischen Kranz 24, zwieehen denen ein Körper aus wärmetauschendem Werkstoff 26 angeordnet ist, der aus Metallstreifen besteht. Diese Metallstreifen sind zu einer Scheibe aufgewickelt, die zueinander parallele Stirnflächen aufweist. Ein im wesentlichen zylindrischer Raum 28 in der Nabe dient der Aufnahme der Spinne 20, während der Kranz 24 durch einen Ringraum 30 von dem Gehäuse 10 getrennt ist.

An der einen Stirnfläche des Gehäuses ist ein Einlass 32 für kalte Luft hohen Druckes vorgesehen, während an der gegenüberliegenden Stirnseite ausgerichtet hierzu ein Auslass 34 angeordnet ist, durch den die verdichtete Luft nach dem Aufwärmen beim Durchtritt den Speicher austritt. Auf der gleichen Stirnseite des Gehäuses ist ferner ein Einlass 36 für niedrigen Druck aufweisende Abgase angeordnet, aus dem die Abgase durch den Speicher tretend zu einem Auslass auf der anderen Stirnfläche treten, um ins Freie abgeleitet zu

-8-

5098A1/0648

werden, nachdem sie ihre Wärme an den Speicherkörper abgegeben haben. Der Drehspeicher-Wärmetauscher arbeitet also im Gegenstromverfahren. Wie dargestellt, ist der die Abgase führende Strömungsweg mit einem grösseren Querschnitt versehen als der die kalte Luft führende Strömungsweg, da die beiden Gase unterschiedliche Dichte aufweisen. Da die Abgase die in der Zeichnung obere Stirnfläche des Speichers zuerst treffen, wird diese als die heisse Seite, während die untere Stirnfläche als die kalte Seite des Drehspeicher-Wärmetauschers bezeichnete

Eine Dichtung 40 ist zwischen jeder Stirnfläche des Speichers und dem Gehäuse vorgesehen, um die beiden Strömungswege mit geringstmöglicher Leckage voneinander zu trennen.

Der Körper 26 des Speichers ist erfindungsgemäss aus gewellten Streifen 50 und 60 gebildet, die xxsfe abwechselnd spiralig auf die Nabe 22 aufgewickelt sind, wie dies Fig. 3 veranschaulicht, wobei die Wellen der beiden Streifen in einander entgegengesetzter Richtung geneigt zum Streifen verlaufen. Die Wellen sind nur an der einen Seite der Streifen gebildet, so dass die gegenüberliegende Fläche im wesentlichen eben ist. Beim Aufwickeln kommen die Spitzen der Wellen des einen Streifens gegen die ebenen Flächen des anderen Streifens zur Anlage, wodurch die Strömungskanäle 14 des Speichers gebildet werden.

-9-5098A1/0648

Wie Fig. 2 zeigt, ist der Streifen 50 mit

Abstand voneinander aufweisenden schmalen, aber tieren Wellen versehen, zwischen denen ebene Teile 54 verbleiben. Die Wellen 52 haben im wesentlichen dreieckige Form mit einem offenen Spalt S im Bereich des Streifens und jede der Wellen ist in der gleichen Richtung zu den Kanten des Streifens geneigt und damit auch zu den Stirnflächen des endgültigen Speichers. Der Streifen 50 hat linksgeneigte Wellen 52.

Auch der andere Streifen 60 ist mit Abstand voneinander aufweisenden Wellen 62 versehen, zwischen denen ebene Zwischenteile 64 verbleiben. Auch diese Wellen 62 haben im wesentlichen S-förmige Form mit einem Spalt S im Bereich des Streifens, sind jedoch in entgegengesetzter Richtung zu den Wellen 52 des Streifens 50 geneigt. Die Wellen 52 und 62 sind in dem fertigen Speicher also um einen spitzen Winkel zur Achse des Speichers geneigt.

Die Neigung der Wellen 52 und 62 der Streifen 50 bzw. 60 kann in jedem beliebigen spitzen Winkel gewählt werden, er sollte jedoch keine zu grosse Drosselung der Strömungskanäle in zur Drehachse paralleler Richtung bewirken. Andererseits muss die Neigung genügend gross sein, um zu sichern, dass die Spitzen einer Welle des einen Streifens nicht in das Tal einer Welle des benachbarten Streifens eintreten können, wenn die Wellen radial ausgerichtet zueinander zu liegen kommen₀

-10-5 09841/0648

Die Möglichkeit hierzu wird allerdings wesentlich geringer' , wenn der Spalt S der einzelnen Wellen möglichst klein gewählt wird. Durch die erfindungsgemässe Ausbildung ist die Möglichkeit eines Ineinandergreifens der Wellen benachbarter Streifen gegenüber einer Ausbildung mit nicht geneigten Wellen wesentlich verringert. Ein möglichst geringer Spalt S der Wellen ist anzustreben, da hierdurch der Strömungsquerschnitt des Speichers verhältnismässig gross gehalten bleibt.

Die geneigte Anordnung der Wellen 52 und 62 verringert auch den unabgestützten Teil benachbarter Streifen, i wodurch sich eine gewisse radiale Steifigkeit ergibt, die ; das Aufwickeln weiterer Wicklungen erleichtert.

Der Abstand P zwischen aufeinanderfolgenden Wellen

I der Streifen kann beliebig gewählt werden, jedoch ist darauf zu achten, dass beim Aufwinden der Streifen eine gewisse radiale Nachgiebigkeit aufrechterhalten bleibt. Bei gleichem Abstand der Wellen wird die radiale Nachgiebigkeit dadurch unterstützt, dass die Relativlage der Wellen der beiden Streife^ zueinander in den folgenden Wicklungen willkürlich erfolgt. <

Theoretisch sollten die Spitzen der Wellen des einen Streifens gegen die ebenen Flächen des anderen Streifens anliegen. Jedoch ist bei den gegebenen Abmessungen eine Verbindung zwischen den Strömungs kanal en in Umfangsrichtung nicht

-11-5098A1/0648

immer zu vermeiden. Bei einer praktischen Ausführung hat der Speicherkörper einen Durchmesser von 610 mm und eine axiale Breite von 76,2 mm und die einzelnen Streifen bestehen aus rostfreiem Stahl einer Dicke von 0,058 mm mit Wellen, die beispielsweise 3,3 mm tief sind. Ein Verringern des Spaltes S am Fuss jeder Welle verringert die Möglichkeit derartiger Leckagen, insbesondere wenn der Speicher nicht durch Lötung zusammengehalten wird. Diese Leckwege können jedoch abgedichtet werden, wenn eine Lötung vorgenommen wird, die sich leichter durchführen lässt, wenn der Spalt S klein gewählt wird.

Jedoch ist das Aufrechterhalten eines Spaltes S notwendig, wenn ein Verlöten vorgenommen wird, um die spiralig aufgewundenen Streifen miteinander zu verbinden, damit die Nachgiebigkeit in Umfangsrichtung, die durch die Wellen bedingt ist, aufrechterhalten bleibt. Eine Verbindung ohne Löten gestattet eine Verringerung des Spaltes S in weitem Umfange. Ein Mindestspalt ist jedoch erforderlich, wie die Fig. 4, 4a und 4b zeigen, da die ursprünglich hergestellte Welle gemäss Fig. 4 sich unter Druckbelastung unter Verringerung des Spaltes auf den Wert S¹ zusammendrückt (Fig. 4a) oder unter Zugbelastung unter Vergrösserung des Spaltes auf den Wert S" erweitert (Fig. 4b). Derartige Verformungen treten während des

-12-

509841 /0648

Betriebes des Drehspeicher-Wärmetauschers auf. Kommt eine Spitze einer Welle des einen Streifens in den Bereich des Spaltes, wenn dieser verlötet ist, so tritt die erwähnte Wirkung nicht ein, zu mindestens nicht im Bereich der Berührungs^inie.

Unterliegt der Speicherkörper radialen Druckkräften, so werden sich die ebenen Teile der Streifen 50 und 60 etwas durchbiegen, wobei sie sich an den Spitzen der Wellen abstützen,, Die ebenen Teile 54 und 64 sind natürlich im fertigen Speicher etwas gewölbt, wobei die Krümmung von der radialen Lage des jeweiligen Zwischenteils innerhalb des Speichers abhängt. Obwohl im Ausführungsbeispiel die Streifen 50 und mit gleichen Abstand voneinander aufweisenden Wellen ausgebildet sind, könnten auch unterschiedliche Abstände gewählt werden, um den Abstand der Welle vom Umfang des Speicherkörpers zu berücksichtigen, der sich von Wicklung zu Wicklung ändert. Zusätzlich könnte auch die Tiefe der Wellen in den letzten Wicklungen oder dem Teil des Streifens neben dem Kranz 24 allmählich verringert werden, um eine zylindrische Aussenfläche des Speichers zu erhalten, der satt gegen den Kranz 24 anliegt.

Die Streifen 50 und 60 können aus jedem geeigneten Werkstoff gemacht werden, beispielsweise aus ferritischem oder

-13-509841 /0648

austenitischem rostfreien Stahl einer Dicke zwischen 0,025 bis 0,152 mm, wobei eine Dicke von 0,058 mm zu bevorzugen ist. Die Tiefe der Wellen beträgt vorzugsweise zwischen 0,325 und 0,635 mm und zweckmässig o,457 mm, während der Abstand P der Wellen voneinander 1,27 mm bis 3,81 mm und vorzugsweise 3,30 mm beträgt. Die Neigung der Wellen beträgt zweckmässig 0,5 bis 4° und vorteilhaft 1 . Die obigen Werte zeigen, dass die zeichnerische Darstellung übertriebene Werte zur besseren Verdeutlichung aufweist.

Zur Herstellung der Wellen in den Streifen 50

und 60 können übliche Verfahren verwendet werden. Bestehen die Streifen beispielsweise aus rostfreiem Stahl, so kann ein ebener Metallstreifen zwischen zwei Formwalzen eingeführt werden, von denen-die eine mit Abstand voneinander radial gerichtete Formzähne aufweist, wähnend die andere Walze aus einem nachgiebigen Werkstoff besteht, der die von der ersten Walze geprägten Wellen in dem Metallstreifen aufnimmt. Zur Bildung der Neigung der Wellen zum Streifen erfolgt die Einführung des Metallstreifens zwischen die Formwalzen in einem Winkel. In abgewandelter Weise können die Wellen auch durch eine hin- und hergehende Formpresse in üblicher Weise gebildet werden.

-14-

509841 /0648

Durch die Erfindung wird eine verbesserter

Speicher geschaffen, der mit ausgerichteten Strömungskanälen eine verbesserte Wärmeübertragung gewährleistet und in wirtschaftlicher Weise herstellbar ist.

Der Speicher hat eine gewisse radiale Nachgiebigkeit und eine Nachgiebigkeit in Umfangsrichtung, die ausreicht, um Wärmegefälle und vorübergehende Temperaturspitzen aufzunehmen, ohne übermässige Beanspruchungen des Werkstoffes in Kauf nehmen zu müssen, wobei eine ausreichende radiale Steifigkeit des Speichers gewährleistet ist.

Ein Speicher der erfindungsgemässen Bauart weist ausserdem geringere Spannungen in den Wandungen der Strömungskanäle auf, die durch die Druckdifferenz in den Strömungswegen und die Drücke in den Dichtungen bedingt sind.

509841 /0648

Claims

Patentansprüche

( 1 .J Ringförmiger Speicher für axial durchströmte Drehspeicher-Wärmetauscher, bestehend aus zwei spiralig aufgewundenen Streifen, wobei jede Windung des einen Streifens zwischen zwei benachbarten Windungen des anderen Streifens liegt und die Streifen an ihren Stirnflächen verbunden eine elastische Zellenstruktur aufweisen, in der ein Strom in Umfangsrichtung unter-bunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Streifen (50) an der einen Fläche mit Abstand voneinander aufweisenden : Wellen (52), die zur Achse des Speichers (12) in einer Richtung geneigt sind, versehen ist, und der zweite Streifen (60) an der einen Seite mit Abstand voneinander aufweisenden Wellen (62), die in entgegengesetzter Richtung zur Achse des Speichers geneigt sind, versehen ist, und die Wellen der Streifen eine radiale Ausdehnung haben, die die Windungen der Streifen in radialem Abstand halten und sich mit ihren Spitzen an der im wesentlichen ebenen Fläche (54,64) des benachbarten Streifens abstützen und Strömungskanäle (14) begrenzen, deren Länge in Umfangsrichtung des Speichers durch den Abstand (P) der Wellen voneinander bestimmt ist.

-16-509841/0648
2. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Achse des Speichers in entgegengesetzter Richtung geneigten Wellen (52,62) der beiden Streifen (50,60) im gleichen Winkel zur Achse des Speichers (12) geneigt sind.
3. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der Wellen (52,62) der Streifen (50,60) zur Achse des Speichers (12) o,5 bis 4 beträgt.
4. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Wellen (52,62) der beiden Streifen zwischen 0,325 und 0,635 mm beträgt.
5. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (P) der Wellen (52,62) der beiden Streifen voneinander zwischen 1,27 und 3,81 mm beträgt.

/0648

Leerseite