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Wärmeregenerator Diese Erfindung bezieht sich auf Wärmeregeneratoren,
bei denen der cyclische Wechsel der Strömung der Wärmeaustauschmittel durch das
in einer Kammer befindliche wärmespeichernde l'ackungsinaterial durch eine Relativbewegung
zwischen einem Verschluß oder Gehäuse und der KammerstirnFläche bewirkt wird. Regeneratoren
dieser Art werden im weiteren als Regeneratoren der genannten Art bezeichnet. Solche
Regeneratoren können mit einer verhältnismäßig geringen Größe und Gewicht erstellt
werden und sind von Wert bei der Verwendung in einer Gasturbinenkraftanlage, besonders
in solchen Anlagen, die in einem Flugzeug oder in einem Landfahrzeug verwendet werden.
l@.s ist jedoch schwierig, die geringe Größe des Regenerators mit einem geringen
Druckabfall, der auch erwünscht ist, in Übereinstimmung zu bringen, wiederum im
besonderen in Gasturbinenanlagen.
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Die Kammer des Regenerators der genannten Art besteht im wesentlichen
aus einem Satz von parallelen Rohren, deren Enden von einem relativ dazu beweglichen
Verschluß bestrichen werden. jedes Rohr enthält eine Füllung, die aus einem festen
Material besteht, das für die Wärmeaustauschmittel, die an dem regenerativen Kreislauf
der Erwärmung und des Kühlens teilnehmen, durchlässig ist. Um einen Verlust an strömenden
Mitteln zu verhindern, ist der Verschluß mit einer Absperrung versehen, die' bei
den Betriebs-Bedingungen so gasdicht wie nur möglich ist. Es sei darauf hingewiesen,
daß die Breite des Abschlusses
größer sein muß als die größte Dimension
eines Querschnittes eines Rohres, um ein Vermischen der heißen und kalten Ströme
zu vermeiden.
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Ein Mittel zur Verringerung der Größe des Regenerators besteht im
Komprimieren der Füllung, so daß die Zwischenräume, durch welche die strömenden
Wärmeaustauschmittel fließen, in ihrer Größe vermindert werden, aber dies ergibt
ein Anwachsen des Druckabfalls der strömenden Mittel beim Durchströmen der Kammer.
Um diesen Druckabfall ohne Anwachsen des Volumens zu verringern, hat man die Kammer
mit einer geringen Tiefe in der Strömungsrichtung der Mittel und einer großen Stirnfläche
senkrecht zu dieser Richtung ausgerüstet, da eine verhältnismäßig geringe Tiefe
der Kammer ausreichend ist, um eine hinreichende Temperaturdifferenz hervorzurufen.
Eine Kammer dieser Form hat jedoch gewisse Nachteile. Es ist schwierig, die Bauart
mit einer ausreichenden Festigkeit zu versehen, besonders wenn das Mittel, das durch
die Kammer strömt, sich unter hohem Druck befindet, wie im Fall der Gasturbine.
Ferner ist es häufig unbequem oder unmöglich, eine Kammer der in Rede stehenden
Form in das Leitungssystem der Vorrichtung einzubauen, in welcher der Regenerator
verwendet werden soll. Eine große Stirnfläche der Kammer erhöht wesentlich die Abschlußschwierigkeit,
da der Verlust für eine gegebene Art eines Verschlusses in dem Maße anwächst, wie
der Gesamtumkreis, der abgeschlossen werden soll, größer wird. Diese letzte Schwierigkeit
ist besonders wichtig, wenn die Druckdifferenz zwischen dem heißen und kalten Mittel
groß ist, wie z. B. im Fall der Gasturbinen.
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Die vorliegende Erfindung hat eine Kammer für einen Regenerator der
genannten Art zum Gegenstand, die einen Satz von parallelen Rohreh enthält, die
all beiden Enden offen und im wesentlichen ohne Beeinträchtigung des Ein- und Austritts
der wärmeaustauschenden Mittel über den ganzen Querschnitt der Rohre sind, und die
eine Länge aufweisen, gemessen in der allgemeinen Richtung der durchströmenden Mittel,
welche ein Vielfaches der hierzu senkrechten Dimension beträgt, und die jedes mindestens
ein wärmespeicherndes, gasdurchlässiges Füllglied enthalten, das die Form einer
Wand oder von Wänden aufweist, die sich über die gesamte Länge oder den größeren
Teil des Rohres erstrecken und solche Form und Lage aufweisen, daß das Füllglied
das Rohr in zwei Kammern einteilt, von denen eine ohne wesentliche Beschränkung
offen ist zu einem Rohrende und von denen die andere ohne wesentliche Beschränkung
zum anderen Rohrende hin offen ist, so daß das durchströmende Mittel das Rohr durch
die Füllung zu passieren hat, aber auf keine anderen Hemmungen trifft.
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Die die Füllung enthaltenden Rohre können von quadratischem Querschnitt
sein, wobei das Füllglied die Form eines Streifens aufweist, dessen eines Ende an
oder nahe dem einen Ende des Rohres befestigt ist und sich diagonal durch das Rohr
erstreckt zu einemPunkt an oder nahe dem anderen Ende des Rohres. Gegebenenfalls
können die Rohre im Querschnitt kreisförmig oder elliptisch sein, und das Füllglied
kann die Form eines kreisförmigen oder elliptischen Kegels besitzen, dessen Grundfläche
in das Rohr paßt und mit diesem an oder nahe dem einen Ende verbunden ist, während
die Spitze an oder nahe dein anderen Ende des Rohres in seiner Längsachse liegt.
Falls erforderlich, können sich ein oder mehrere Stützglieder von dem Rohr zu der
Spitze des Kegels oder gegen seine Grundfläche erstrecken. Diese Stützglieder sind
jedoch so, daß sie nicht den F luß durch das Rohr wesentlich beeinträchtigen. Gleicherweise
kann in einem Rohr von quadratischem Querschnitt das Füllglied aus zwei Streifen
bestehen die beide an ihrem einen Ende an zwei entgegengesetzten Kanteit des einen
Rohrendes befestigt sind, während die anderen Enden der Streifen fest miteinander
verbunden sind unter Bildung einer Spitze, die am anderen Ende des Rohres in dessen
Längsachse liegt. In den Fällen, wu eine hohe Temperaturdifteretiz zwischen beiden
Seiten vier Füllung aufrecht erhalten «-erden inuß, kann es zweckmäßig sein, die
Füllung aus zwei parallelen Streifen oder Kegeln zusammenzusetzen, all Stelle eines
einzigen dicken Streifens oder Kegels. Zum Beispiel kann es schwierig sein, einen
hohen Kegel zu konstruieren, wenn die \\@iitide unmäßig dick sind.
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Falls gewünscht, kann ein Rohr verwendet werden, dessen Längsachse
die Forin einer Kurve besitzt oder gebogen ist, wobei die Kammer dann von einer
solchen Form ist, die der Längsform des Rohres entspricht, aber iiil übrigeil gleichartig
angeordnet ist, entsprechend einer der vorstehend beschriebenen Modifikationen.
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Wenn die äußere Hülle der Kammer zylindrisch sein soll, wird die Kammer
zweckmäßig aus einer Reihe von Blechen hergestellt, die radial von einer Längsachse
ausgehen und ü1 eine Trommel passen, so daß jedes Rohr voll einem Trommelbogen,
zwei radialen Blechen und einem Bogenstück der Längsachse gebildet wird. Das Füllglied
in den verschiedenen Rohren kann zweckmäßig aus einem einzelnen Streifen bestellen,
der über die Blechkanten in Zickzackform gewunden ist.
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Wie oben angegeben, ist die Erfindung besonders wertvoll bei Anwendung
für Regeileratoren für Gasturbinen, bei welchen es notwendig ist, für eine hohe
Wirksamkeit des Wärmeaustausches in einem kleinen Raum und bei einem minimalen Druckabfall
des Gases oder der Luft, die durch den Regenerator streichen, zu sorgen.
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Es sei darauf hingewiesen, daß beim Betrieb das eine Kammerende auf
einer höheren mittleren Temperatur gehalten wird als das andere. Wenn, wie beim
Beispiel der Gasturbinenanlage, die höheren Temperaturen, die all jenem Kammerende
herrschen, die Schmierung derGleitfläche zwischen dem Verschluß und der Kammer schwierig
gestalten, ist es vorteilhaft, Füllglieder in Form von hohlen Kegeln oder Pyramiden
zu verwenden, die ihre Grundfläche am heißen Kammerende haben, d. h. dort, wo die
Wände der hiill"lieder die Rohrwände berühren
und sich in gutem
thermischen Kontakt mit der Gleitfläche der Kammer befinden. Auf diese Weise sind
die Rohre praktisch auf ihrer ganzen Länge von dein relativ kalten Mittel umgeben,
das in die Rohre eintritt oder durch Mittel, welche durch den Durchgang durch die
Füllglieder gekühlt wurden, wobei die Temperatur der Kammerstirnfläche, die in thermischerBerührung
mit diesen Rohren steht, erniedrigt wird. Im Gegensatz hierzu ordnet man, wenn die
Temperaturen am kalten Kammerende so tief sind, daß die Schmierung erschwert wird,
wie in Maschinen mit flüssiger Luft, die konischen oder pyramidenförmigen Packungsglieder
mit ihren Grundflächen am kalten Kammerende an, wodurch die Temperatur an der Gleitfläche
dieser Seite erhöht wird.
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Das Alaterial für die Füllglieder kann ein fein unterteiltes Material
sein, das eine große Oberfläclie je Gewichtseinheit aufweist, und solches Material
kann, falls erforderlich, in einem Stützglied enthalten sein, vorausgesetzt, daß
das letztere keinen merklichen Widerstand gegen das Strömen der Wärmeaustauschmittel
durch die Kammer bietet. Das bevorzugte Material, besonders für Regeneratoren für
Gasturbinen und ähnliche Vorrichtungen, ist ein wärmebeständiges Metall, welches
die Form einer Anhäufung von Übereinandergelegten Schichten von Drahtnetzen haben
kann oder eine geeignet geformte Masse von Drahtwolle oder Drahtnetzen oder ein
poröses Blech sein kann.
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Die Erfindung wird in Form vdn Beispielen durch die Zeichnungen erläutert.
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Fig. 1 stellt einen Längsschnitt eines rotierenden l-,'egeilerators
dar mit einer Kammer gemäß der Erfindung; Fig.2 und 3 sind Teilschnitte in vergrößertem
Maßstab der Fig. i entsprechend den Linien II-II und 111-III; Fig. 4 und 5 stellen
Längs- und Querschnitte einer anderen Form der Kammer dar.
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Der Regenerator, der in Fig. 1 bis 3 wiedergegeben ist, enthält eine
Kammer 1, welche im ganzen auf Fig. 1 und im einzelnen auf den Fig. 2 und 3 wiedergegeben
ist. Die Kammer 1 hat einen kreisförmigen Querschnitt und ist an einem Rohr 2 befestigt,
durch welches ein heißes Mittel, z. B. die Abgase einer Gasturbinenanlage, in Richtung
des Pfeiles H strömen. Innerhalb des Rohres 2 befindet sich ein Rohr 3, das aus
den Teilen 3a, 3b, 3c und 3d aufgebaut ist, und durch welches ein relativ kaltes
Gas, z. B. die vom Kompressor der genannten Gasturbinenanlage kommende Luft in Richtung
des Pfeiles C strömt. Das Rohr 3 hat auf seiner ganzen 1_älige einen kreisförmigen
Querschnitt.
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Die Teile 3c und 3d des Rohres 3 sind an dem Rohr 2 befestigt,
während jedes der Teile 3a und 3b von einem der Ringe 4 getragen wird, wobei sie
auf der einen Seite fest mit dem Ring verbunden sind und auf der anderen Seite durch
eines der Gewebe 5 gehalten werden. Jeder der Ringe 4 ist mit Getriebezähnen 6 ausgerüstet,
die in ein Getrieberad 7 eingreifen, das auf der Welle 8 befestigt ist. Die äußeren
Enden der Teile 3a und 3b passen in die inneren Endender Teile 3c und 3d in der
Weise, daß sie darin drehbar sind, während die Ringe 4 drehbar durch die Rollen
9 gehalten sind.
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Zentral befestigt .an die inneren Enden der Rohrteile 3a und 3b über
radiale Rippen loa und lob sind Stumpfwellen IIa und 1,b. Verschlußringe 12a und
I2b sind mittels Speichen 130 und 136 an den Stumpfwellen ila und IIb gehalten,
so daß sie unabhängig von den Rohrteilen 3a und 3b rotieren können. Die Kammer 1
und die VerschluBringe 12a und 12b sind im einzelnen in Fig. 2 wiedergegeben, die
einen vergrößerten Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1 des Teiles der Kammer
nahe den obersten Punkten der Ringe 12a und 12b darstellt (Fig.l ist als Horizontalschnitt
gesehen). Die Kammer besteht aus einer Anzahl von parallelen zylindrischen Rohren
15, die durch Schweißen an den Stirnplatten 16a, 16b befestigt sind, welche durch
ein Gehäuse 17 getragen werden. Befestigt an jedem Rohr ist mittels der Stangen
25 und 27, der Eisenbänder 26 und 28 und der Buchsen 26a und 28a ein konisches Füllglied
18, das die Grundfläche des Kegels dem ankommenden heißen Gasstrom entgegengerichtet
hat. Jeder Kegel teilt das Rohr in zwei Kammern, eine innen und eine außen vom Kegel.
Jede Kammer steht entsprechend den Öffnungen in den Stirnplatten 16a und 16b entweder
mit dem Rohr 2 oder 3 in Verbindung.
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Die Verschlußringe 12a und 12b sind mit Dichtungsringen 19a und 19b
ausgerüstet. Der Ring I9b, der am heißen Ende der Kammer liegt, besteht aus einem
Material, das ausgewählt wurde, um den im Betrieb auftretenden Temperaturen zu widerstehen,
und kann durch nicht gezeigte Federn, die rund um seine Peripherie angeordnet sind,
gegen die Stirnplatte 16b gedrückt werden, umReibung zu erzielen. Labyrinthdichtungen
20a und tob sind zwischen den Ringen 12a und I2b und den Rohrteilen 3a und 3b vorgesehen.
Im Betriebe rotieren die Rohrteile 3a .und 3b mit Hilfe des Getrieberades 14, das
auf der Welle 8 befestigt ist, so daß die Verschlußringe 12a und I2b über die Stirnflächen
der Kammern streichen und sich die kreisförmigen Gebiete dieser Stirnflächen, die
von den Ringen bedeckt sind, ständig verschieben. Der Zweck der Ringe 12a und 12b
ist, unabhängig von den rotierenden Rohrteilen zu rotieren und dadurch für Aufrechterhaltung
eines guten Abschlusses zwischen den Dichtungsringen 19a, 19b und den Stirnplatten
1611 und 16b zu sorgen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Stirnplatte 16b Gasen
ausgesetzt ist, die sich auf höherer Temperatur befinden als diejenige, denen die
Stirnplatte 16a ausgesetzt ist, wobei diese Temperaturen derjenigen des heißen Gases,
das durch das Rohr 2 eintritt, angenähert sind. Dank der Anordnung der Kegel 18
jedoch werden die Rohre 15 praktisch über. ihre ganze Länge von relativ kühlem Gas
umgeben, und zwar stehen diej.enigen,welche sich geradeinnerhalb der Ringe 12" und
12b befinden, in Kontakt mit dem kühlen Gas, welches durch das Rohr 3 eintritt,
und diejenigen, welche außerhalb der Ringe sind, stehen mit dem Gas in Berührung,
das durch
den Durchgang durch die Kegel 18 gekühlt wurde und durch
das Rohr 2 abströmt. Da die Rohre 15 an die Stirnplatte 16b angeschweißt sind und
daher mit dieser in gutem thermischen Kontakt stehen, wird die Stirnplatte 16b wesentlich
unter die mittlere Temperatur der Gase gekühlt, denen sie ausgesetzt ist.
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Die Kammer, die auf den Fig.4 und 5 schematisch wiedergegeben ist,
enthält ein Netz von quadratischen Rohren 21. Eines dieser Rohre Zia ist auf Fig.:4
gezeigt, wie es durch ein diagonales Füllglied 22a in zwei Hälften geteilt ist.
Das anschließende Rohr gib ist gleicherweise durch ein diagonales Füllglied 22b
geteilt, die Diagonalen verlaufen aber vorzugsweise von entgegengesetzten Ecken
des einen Endes und treffen sich an der gemeinsamen Kante 23 am anderen Ende. Ein
anderes Rohr, bezeichnet als 21c, ist mit einem Füllglied versehen, das aus zwei
flachen Streifen 24a und 24b besteht, die sich am entgegengesetzten Ende des Rohres
in der Mitte 24c treffen.
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In jeder dieser gezeigten Kammern schafft die konische oder diagonale
Anordnung der Füllglieder eine große Wärmeaustauschoberfläche mit einer kleinen
Stirnfläche und einem geringen Druckabfall der Gase, die durch die Kammer strömen.