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Rekuperativer Wärmeaustauscher für gasförmige Mittel Die Erfindung
bezieht sich auf solche rekuperative Wärmeaustauscher für gasförmige Mittel, die
aus einem Gehäuse und einem in diesem auf einer Drehachse befestigten, einen oder
mehrere Durchströmkanäle für jedes der beiden gasförmigen. Mittel bildenden Rotor
bestehen, wobei der Wärmeaustausch zwischen den beiden Mitteln durch die Kanalwände
hindurch erfolgt und die Durchströmkanäle für jedes der beiden Mittel mit einer
besonderen inneren axialen Einr- und einer besonderen äußeren Auslaßkammer verbunden
sind, und die beiden Einlaßkammern durch eine an der Rotorbewegung teilnehmende
und die beiden Auslaßkammern durch eine stillstehende, radiale, einen Teil des Gehäuses
bildende oder mit ihm verbundene Scheidewand getrennt sein können. Die Erfindung
bezweckt, den Wärmeaustausch zwischen denMitteln bei Wärmeaustauscherndieser Art
wirkungsvoller als bisher zu gestalten und die Abmessungen solcher Wärmeaustauscher
wesentlich zu verringern.
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Der-spezifische Wärmeaustausch verbessert sich mit wachsender Relativgeschwindigkeit
zwischen dem Rotor und den gasförmigen Mitteln sowie mit abnehmender Dicke der Schichten
:dieser Mittel. Diese Relativgeschwindigkeit setzt sich aus einer radialen und einer
in der Rotorumfangsrichtung verlaufenden Komponente zusammen, von denen die radiale
Komponente die Zeit, in .der die Mittel den Rotor durchziehen, d. h. die für den
Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Zeit bestimmt. Eine Erhöhung der radialen
Relativgeschwindigkeit
würde die Wärmeaustauschzeit verkürzen,
wenn nicht der Rotordurchmesser entsprechend vergrößert wäre; eine solche Vergrößerung
ist aber aus baulichen: Gründen zu verwerfen. Infolgedessen fußt die Erfindung auf
der Erkenntnis, daß eine Verbesserung des spezifischen Wärmeaustausches über die
radiale Geschwindigkeitskomponente nicht durchführbar ist, sich vielmehr nur durch
Erhöhung der relativen Umfangsgeschwindigkeit erreichen läß t.
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Daß diese Erkenntnis bisher nicht vorhanden war, geht daraus hervor,
daß bei den Wärmeaustauschern der vorliegenden! Art die gasförmigen Mittel durch
Schaufeln, im Innern des Rotors oder durch mit dem Rotor verbundene Durchströmkanäle
gezwungen würden, sich mit im wesentlichen gleicher Umfangsgeschwindigkeit wie der
Rotor zu bewegen. Derartige Schaufeln oder Kanäle verwirft .die Erfindung grundsätzlich
und schlägt statt dessen vor, den Rotor aus einer oder mehreren, im wesentlichen
glatten, vorzugsweise ebenen Metallscheiben aufzubauen, die als Wärmeaustauscherwirken
und senkrecht zur Drehachse angeordnet sind sowie einen oder mehrere ringförmige,
spaltartige Durchströmkanäle abwechselnd für das eine und das andere Mittel bilden,
so daß die Förderwirkung der sich drehenden Scheiben 'auf die: gasförmigen Mittel
in der Umfangsrichtung lediglich durch .die Reihung zwischen den Scheiben und den
Mitteln ausgeübt wird, um bei einer hohen Umlaufgeschwindigkeit der Scheiben eine
hohe Relativgeschwindigkeit in der Umfangsrichtung zwischen den Scheiben und den
gasförmigen Mitteln während der in radialerRichtung erfolgenden Bewegung der gasförmigen
Mittel nach außen zu erhalten. Die Räume zwischen den Scheiben bzw. den Scheiben
und dem Gehäuse sind also von vorspringenden Teilen frei, die als Fördervorrichtung
für die Mittel wirken könnten, und die einzige Kraft, die auf die Mittel in der
Umfangsrichtung eine Wirkung ausübt, ist die Reibung zwischen den sich drehenden
Scheiben und den gasförmigen Mitteln, so :daß die relative Umfangsgeschwindigkeit
zwischen den Scheiben und den Mitteln den größten Wert erreichen kann. Durch Herabsetzung
des Abstandes zwischen den einzelnen Scheiben ist es zugleich möglich, die Mittel
in dünne Schichten aufzuteilen, die zusätzlich einen guten Wärmeaustausch begünstigen.
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Da .der Wärmeaustauscher nach der Erfindung mit großer Geschwindigkeit
umlaufen kann., lassen sich seine Abmessungen im Vergleich zu den bisher bekannten
Wärmeaustauschern vorliegender Art erheblich herabsetzen.
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Die Zeichnung stellt den Erfindungsgegenstand in drei Ausführungsbeispielen
dar.
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Fig. i zeigt einen Längsschnitt durch einen aus mehreren Scheiben
bestehenden Rotor nach der Linie I-I der Fig. 2; Fig.2 ist ein Querschnitt nach
Linie II-II der Fig. i ; Fig. 3 und 4 stellen in eine Ebene aufgewickelte Grundrisse
des zylindrischen Rotorumfanges dar, gesehen längs den Schnittlinien III-III und
IV-IV ,der Fig. i ; Fig. 5 ist ein Schnitt längs der Linie V-V der Fig. 2 und 4;
Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch einen aus einer einzigen Scheibe bestehenden
Rotor; Fig. 7 stellt einen Teil der Fig. 6 in größerem Maßstab dar; Fig.8 zeigt
einen Längsschnitt durch einen aus zwei Rotoreni -zusammengesetzten Wärmeaustauscher,
von denen jeder aus mehreren Scheiben besteht, nach der Linie VIII= VIII der Fig.
9, und Fig. g ist ein Querschnitt nach der Linie IX-IX der Fig. B.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. i bis 5 besteht der Rotor aus mehreren
glatten, vorzugsweise ebenen, ringförmigen Metallscheiben 2, die senkrecht zur Antriebs-,velle
i i des Rotors angeordnet sind. Zwischen den Scheiben 2 befinden sich ringförmige,
spaltartige Durchströmkanäle 3, .4. Die Stirnscheiben 5 und 6 des Rotors i sind
mittels Speichen 7, 8 und Naben 9, 1 o auf .der Welle i i befestigt. Der Raum zwischen
den Scheiben 2 ist Mittels einer diagonalen Wand i 2, ,die mit dem Rotor i verbunden
ist und an dessen Drehung teilnimmt, in zwei voneinander getrennte Einlaßkammern
13, 14 aufgeteilt. Der Rotor i ist von einem stillstehenden Gehäuse 15 umschlossen,
.das mit einem axialen Eimaß 16 für das eine gasförmige Mittel, beispielsweise Luft,
und einem axialen, mit einer nicht dargestellten Anschlußleitung verbundenen Einlaß
17 für das zweite gasförmige :Mittel, beispielsweise heiße Rauchgase, versehen ist.
Die Einlaßkammer 13 ist an den Lufteinlaß 16 und die Einlaßkammer 14 an denRauchgaseinlaß
17 angeschlossen.
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Die Einlaßkammer 13 ist mit jedem der Kanäle 3 und die Einlaßkammer
14 mit jedem der Kanäle 4 verbunden, während zwischen der Einlaßkammer 13 und den
Kanälen 4 sowie zwischen der Einlaßkammer 14 und den Kanälen 3 keine Verbindung
besteht.
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Die Kanäle 3 und 4 enden in einer zylindrischen Wand 18, die in Fig.
3 und 4 im Grundriß gezeigt ist, und zwar in einer Anzahl längs des Rotorumfanges
verteilter, in der Rotorumfangsrichtung länglicher, in axialen Reihen angeordneter
Auslaßöffnungen ig bzw. 2o, wobei die von den Öffnungen ig gebildeten Reihen gegenüber
den von den Öffnungen 2o gebildeten Reihen in Richtung des Rotorumfanges versetzt
sind.
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Das Gehäuse 15 ist um den Rotor i herum mittels einer radialen, stillstehenden
Scheidewand 21 in zwei Auslaßkammern 22, 23 geteilt, von. denen die Kammer 22 mit
den Luftauslaßöffnurngen 19 und die Kammer 23 mit den Rauchgasauslaßöffnungen 2o
verbunden sind, während keine Verbindung zwischen der Kammer 22 und den Öffnungen
2o sowie zwischen -der Kammer 23 und den Öffnungen ig besteht. Zu diesem Zweck sind
von der zylindrischen Wand 18 vorspringende Hauben a4 bzw. 25, von denen jede einen
Kanal umschließt, außerhalb derjenigen Öffnungen ig bzw. 2o angeordnet, die entgegengesetzt
zu denKammern 23 bzw. 22 liegen. Dadurch schirmen .die Wand 21 und die Hauben
24 zusammen die Öffnungen ig gegen die Kammer 23
ab, während, die
Wand 21 und die Hauben 25 die Öffnungen 2o gegen die Kammer 2.2 abschirmen.
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An die zvlindrisclie Wand 1S ist eine radiale Sclieid,ewand 26 angeschweißt,
die in der Ebene der Scheidewand 2 1 liegt, und an .die ein Ring 28 mit einer kreisförmigen
Nttt 27 angeschweißt ist. Die innere Kante der Wand 21 greift in die Tut 27 ein
und ist gegen den Ring 28 abgedichtet, so daß die Auslaßkaminern 22, 23 voneinander
dicht getrennt sind. Die Hauben 24,25 erstrecken sich abwechselnd von der Wand 5
bzw. 6 nach .der Wand 26, in der dein Ouerschnitt des Haubenkanals entsprechende
Öffnungen vorgesehen sind.
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Die Auslaßkammern 22 und 23 besitzen in der Umfangsrichtung nach den
Auslässen 29 ztt einen spiralförmig zunehmenden Ouerschnitt und gehen in an getrennte
Auslässe29 angeschlosseneDiffusorkanäle 3o über.
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Werden die ebenen Scheiben ,2 mit großer Geschwindigkeit gedreht,
so rufen sie zwar eine ,,<1etvisse Gebläse@virl:ung auf die gasförmigen Mittel
hervor, wirken auf sie unmittelbar aber nur durch l\'.eibung ein, so daß die von
ihnen ausgeübte Geblüsewirkung allein nicht imstande wäre, die Mittel durch den
Wärmeaustauscher zu treiben. Diese Arboit übernehmen die vorspringenden Hauben 24.
2;, die gleichzeitig als Gebläseschaufeln wirken. Sollten die Hauben 24,
25 für diesen Zweck nicht ausreichen, so kann man besondere Gebläseschaufeln
am Rotor außerhalb der Rotorkanäle vorsehen. Außerdem ist es möglich, die Speichen
7 und 8 scliraulienartig zu formen, so :daß sie die Förderung cler gasförmigen Mittel
durch die Rotorkanäle unterstützen. Der größere Teil der kinetischen I?nergi; der
gasförmigen Mittel wird, wenn sie den sich drehenden Rotor verlassen, in den spiralförmig
en. Auslaßlcammern 22, 23 und den Diffusorkanälen.3o in Druckenergie umgesetzt,
so daß sich clie Gebläseenergie des Wärmeaustauschers für die Weiterbeförderung
.der Mittel ausnutzen läßt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 und 7 besteht der Rotor aus
einer glatten, zweckmäßig ebenen Scheibe 31, die senkrecht zur Antriebswelle 32
steht und an dieser befestigt ist. Ein stillstehendes Gehäuse 33, das zwei ebene,
senkrecht zur Antriebswelle 32 angeordnete Stirnwände 34,3- besitzt, umgibt die
Scheibe 31 so, daß verhältnisinäßig enge, spaltartige, ringförmige Durchströmkanäle
36.37 zu beiden Seiten der Scheibe 3 i gebildet werden. In den Wänden 34. und 35
ist in, der Mitte eine Einlaßöffnung 3$ bzw. 39 vorgesehen. Das heiße Mittel kann
.aus einem nicht dargestellten Zuflußkanal durch die Öffnung 38 zuströmen, während
das kalte Mittel, beispielsweise Luft, durch die Öffnung 39 eintritt.
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Eine radiale, ringförmige Wand 40 ist der Scheibe 3 1 gegenüber
so am Umfang des Gehäuses 33 angeordnet, daß die Wand ¢o und die Scheibe
31
nur durch einen engen, ringförmigen Spalt 41 voneinander getrennt sind.
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Bei hoher Umlaufgeschwindigl@eit der Scheibe 31 werden die beiden
Mittel unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft durch die Kanäle36,37 nach außen
in an entgegengesetzten Seiten der Wand d.o vorgesehene Kanäle 42, 43 gesaugt, .die
sich nach außen zu allmählich spiralförmig erweitern und in an Abzugleitun.gen angeschlossene
Diffusorkanäle übergehen.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wirkt also die Scheibe
31 nur durch Reibung auf die gasförmigen Mittel ein, und: bei hoher Umlaufgeschwindigkeit
der Scheibe 3 i genügt die von ihr hervorgerufene Gebläsewirkung, um die Mittel
durch den Rotor zu fördern.
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Wird Luft .durch heiße Rauchgase aufgewärmt, so ist der Druck der
Gase gewöhnlich etwas geringer als der der Luft, so daß etwas Luft durch den Spalt
41 zu den Gasen überströmen wird. Ein derartiges Überfließen ist zwar einem Überfließen
von Rauchgasen in Luft vorzuziehen, trotzdem soll auch dieses weitgehend verhindert
Herden. Zu diesem Zweck wird dem Spalt 41 die in Fig. 4. dargestellte Form gegeben,
bei welcher der .der kalten Luft benachbarte Spaltteil 44 auf einem größeren Durchmesser
als,der den heißen Rauchgasen benachbarte Spaltteil 45 liegt. Dadurch wirkt die
Zentrifugalkraft einem Durchströmen von Luft durch den Spalt .4r entgegen und unterstützt
den Widerstand der heißen Rauchgase gegen ein Überströmen von Luft. :Dieser Widerstand
läßt sich noch dadurch vergrößern, daß die Spaltteile 44, 4.5 in den mittleren Spaltteil
scharf abgewinkelt sind.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 und 9 sind zwei Rotoren 46,
.I7, von denen jeder entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel aus mehreren ebenen,
Scheiben.48 bzw. 49 besteht, an einer gemeinsamen Antriebswelle 5o vorgesehen und
in. einem genfeinsamen Gehäuse 5 1 angeordnet, das in zwei gleiche Teile
durch eine radiale Scheidewand 52 .aufgeteilt ist, .die in eine Nut 53 eines an
der zylindrischen Wand 55 der beiden Rotoren 46-47 angebrachten Ringes 54 eingreift.
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Hier wird die Luft in zwei Schritten erwärmt, und es werden die heißen
Rauchgase in zwei Schritten gekühlt. Im ersten Schritt tritt Luft in die axiale
Einlaßkammer 56 des Rotors 4.6 ein und gelangt durch die ringförmigen, spaltartigen
Kanäle 57 des Rotors 46 und. die Kanäle 58 in eine axiale Kammer 59 des Rotors .47,
aus der sie in vorgewärmtem Zustand durch die ringförmigen, spaltartigen Kanäle
6o des Rotors .47 in den spiralförmig erweiterten Auslaßkan.al 6t und den Diffusor
62 abströmt.
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Die heißen Rauchgase treten zunächst in die axiale Einlaßkammer 63
des Rotors 47 ein, die von der .Kammer 59 durch eine .diagonale, an der Bewegung
des Rotors 4.7 teilnehmende Scheidewand 64. getrennt ist. Aus .der Einlaßkammer
63 gelangen die Gase durch die Kanäle 65 des Rotors .I7 und die Kanäle 66 in eine
axiale Kammer 67 des Rotors 4.6, die von .der Kammer 56 .durch eine diagonale, an
der Drehung -des Rotors 4.6 teilnehmende Scheidewand 68 getrennt ist, und aus dieser
durch die Kanäle 69 .des. Rotors .I6 in den spiralförmig erweiterten Auslaßkanal
70 zu einem von- dem ersten Diffusor 62 getrennten Diffusor 62.
Auf
diese Weise wird die Luft in zwei Schritten im Gegenstromverfahren erwärmt, indem
sie zuerst im Rotor 46 durch die heißen, aber bereits im Rotor 47 etwas abgekühlten
Rauchgase vorgewärmt wird, um dann im Rotor 47 durch die heißesten Rauchgaseauf
.den endgültigen Erwärmungszustand gebracht zu werden,. Dadurch kann man .der Luft
eine Endtemperatur geben., -die höher als die Temperatur ist, mit der die heißen
Rauchgase den Wärmeaustauscher verlassen.
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Die Rotoren 46, 47 sind als Einheit durch die Speichen 71, 72 und
die Naben 73, 74 auf der Antriebswelle 5o befestigt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel
können die Speichen 71, 72 schraubenförmig gestaltet sein, um die Förderung der
gasförmigen Mittel durch die Rotoren zu unterstützen.