DE1010081B

DE1010081B - Rotating regenerative heat exchanger

Info

Publication number: DE1010081B
Application number: DEP8742A
Authority: DE
Inventors: Waldemar Hryniszak
Original assignee: CA Parsons and Co Ltd
Current assignee: CA Parsons and Co Ltd
Priority date: 1952-11-20
Filing date: 1952-11-20
Publication date: 1957-06-13

Description

Rotierender Regenerativ-Wärmeaustauscher Die Erfindung bezieht sich auf rotierende Regenerativ-Wärmeaustauscher.Rotating Regenerative Heat Exchanger The invention relates to on rotating regenerative heat exchangers.

Regenerativ-Wärmeaustauscher, die beispielsweise zur Vorwärmung der Verbrennungsluft einer Gasturbine verwendet werden und welche ein umlaufendes, als Wärmeübertragungsmittel dienendes Futter aufweisen, sind an sich bekannt, ebenso wie es bekannt ist, zur Aufzwingung der Strömungsrichtung und damit Erhöhung der Wirkung des umlaufenden Futters den das Futter enthaltenden Rotor mit einer Beschaufelung zu versehen. Der Umlauf des Futters, welches in einem Rotor untergebracht ist, wird meist dadurch erzielt, daß zwischen diesem Rotor und einer Antriebsquelle ein Getriebe von großem Untersetzungsverhältnis geschaltet wird. Die Antriebsquelle kann beispielsweise die Turbine der Gasturbineneinheit oder ein elektrisches, hydraulisches oder pneumatisches Antriebsmittel sein. Die bekannten Anordnungen zum Rotorantrieb eines Regenerativ-Lufvorwärmers haben den Nachteil, daß sie ein Untersetzungsgetriebe von großem Untersetzungsverhältnis sowie eine Antriebsquelle und alle dazu notwendigen Gehäuse und Zubehörteile erfordern.Regenerative heat exchangers, which are used, for example, to preheat the Combustion air of a gas turbine are used and which is a circulating, as Have lining serving as a heat transfer medium are known per se, as well as is known, to impose the direction of flow and thus increase the Effect of the rotating fodder the rotor containing the fodder with a blading to provide. The circulation of the feed, which is housed in a rotor, is usually achieved in that a gearbox between this rotor and a drive source is switched by a large reduction ratio. The drive source can, for example the turbine of the gas turbine unit or an electric, hydraulic or pneumatic one Be propulsion means. The known arrangements for the rotor drive of a regenerative air preheater have the disadvantage that they are a reduction gear of a large reduction ratio as well as a drive source and all necessary housings and accessories.

Ein weiterer Übelstand, der bei derartigen umlaufenden Regenerativ-Luftvorwärmern leicht eintreten kann, besteht darin, daß, wenn infolge einer Störung des Antriebes die Drehbewegung des Rotors unterbrochen wird, sich der im heißen Gasstrom stehende Teil des Rotors durch die Erwärmung stärker ausdehnt im Gegensatz zu demjenigen Rotorteil, der sich im Kaltluftstrom befindet. Um diesen unter Umständen zur Zerstörung des Wärmeaustauschers führenden Nachteil zu beheben, hat man auch schon die Anbringung einer unabhängigen Reserveantriebsquelle, die bei Aussetzung des Hauptantriebes wirkt, vorgeschlagen.Another drawback with such circulating regenerative air preheaters can easily occur is that if as a result of a malfunction of the drive the rotation of the rotor is interrupted, the standing in the hot gas flow Part of the rotor expands more than that due to the heating Rotor part that is located in the cold air flow. To this possibly to destruction To remedy the disadvantage leading to the heat exchanger, one already has the attachment an independent reserve power source, which occurs when the main propulsion system fails acts, suggested.

Der Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Anordnung, insbesondere zur Vereinfachung des Rotorantriebes eines Regenerativ-Luftvorwärmers.The purpose of the invention is to provide an improved arrangement, especially to simplify the rotor drive of a regenerative air preheater.

Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion zur überwindung der obenerwähnten Nachteile wird zumindest das eine der die Wärme austauschenden gasförmigen Mittel allein zum Antrieb des Rotors benutzt. Hierzu weist der Stator eine feststehende Beschaufelung ähnlich einer in einer Turbinenstufe benutzten Schaufelung auf, während der Rotor einen Satz von Laufschaufeln aufweist, die zusammen mit dem Futter umlaufen. Ein Regenerator solcher Bauart kann einfach mit »Turbo-Regenerator« bezeichnet werden.In the construction of the invention to overcome the above At least one of the heat-exchanging gaseous agents becomes disadvantages used only to drive the rotor. For this purpose, the stator has a stationary one Blading similar to a blading used in a turbine stage, while the rotor has a set of blades which rotate with the forage. A regenerator of this type can simply be referred to as a "turbo regenerator".

Die Erfindung besteht demnach in einem Regenerativ-Wärmeaustauscher, dessen Umlauf unmittelbar durch mindestens das eine der wärmeaustauschenden gasförmigen Mittel hervorgerufen wird, welches auf denselben unmittelbar oder auf damit verbundene Schaufeln oder Flügel auftrifft. Dabei kann das Futter nur durch das heiße Gas bewegt werden, es kann aber auch sowohl vom heißen als auch vom kalten Gas in Umlauf versetzt werden.The invention therefore consists in a regenerative heat exchanger, its circulation directly through at least one of the heat-exchanging gaseous Means is evoked, which on the same directly or on associated Blades or wings. The feed can only be moved by the hot gas but it can also be put into circulation by both hot and cold gas will.

Dabei kann die Anordnung der Rotorbeschaufelung so getroffen sein, daß sie zwei Funktionen, nämlich Umdrehung und Wärmeaustausch, erfüllt; diese beiden Funktionen können aber auch ebensogut voneinander getrennt werden.The rotor blades can be arranged in such a way that that it fulfills two functions, namely rotation and heat exchange; these two However, functions can just as easily be separated from one another.

Von der Erfindung wird ferner ein Regenerativ-Wärmeaustauscher mit umfaßt, der zwei Rotoren umfaßt, zwischen denen ein flüssiges bzw. »fließbares«, d. h. pulverisiertes, kolloidales od. dgl. Wärmeübertragungsmittel umläuft, dessen Verteilung und Sammlung durch die Bewegung der beweglichen Schaufel-bzw. Flügelreihe erzielt wird.The invention also includes a regenerative heat exchanger includes, which comprises two rotors, between which a liquid or "flowable", d. H. pulverized, colloidal od. The like. Heat transfer medium circulates, whose Distribution and collection through the movement of the movable shovel or Wing row is achieved.

In den Zeichnungen bedeutet Fig.1 einen Schaufelplan einer Turbo-Regeneratorstufe, bei welcher die Laufschaufeln mit einem von Platten gebildeten Futter kombiniert sind, indem das Futter von der Schaufel- bzw. Flügelreihe selbst gebildet wird, Fig. 2 den Schaufelplan einer Turbo-Regeneratorstufe, bei welcher Laufschaufeln vorgesehen sind und das Futter getrennt von der Laufschaufel- bzw. Flügelreihe angeordnet ist, Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Turbo-Regenerator der in Fig. 2 gezeigten Bauart, wobei die Oberseite der Zeichnung die Gasseite und die Unterseite derselben die Luftseite darstellt, und Fig.4 einen Längsschnitt durch einen Turbo-Regenerator einer Bauart, bei welcher ein flüssiges oder fließbares Wärmeübertragungsmittel zwischen zwei Rotoren der dargestellten Art umläuft.In the drawings, FIG. 1 denotes a blade plan of a turbo regenerator stage, in which the blades combined with a lining formed by plates are, in that the lining is formed by the row of blades or blades itself, 2 shows the blade plan of a turbo regenerator stage, in which rotor blades are provided and the forage separated from the blade resp. Row of blades is arranged, Fig. 3 shows a longitudinal section through a turbo regenerator of the type shown in Fig. 2, the top of the drawing being the gas side and the underside of the same represents the air side, and FIG. 4 shows a longitudinal section through a turbo regenerator of a type in which a liquid or flowable Heat transfer medium circulates between two rotors of the type shown.

Bei der in Fig. 1 dargestellten besonderen Ausführungsform der Erfindung weist ein Rotor 1 in kleinem Abstand nebeneinandergesetzte Platten 2 auf, die wie die Schaufeln der Laufschaufelreihe einer Turbinenbeschaufelungsstufe gebogen sind. Statorschaufeln 3 sind am Rotoreinlaß angeordnet, wo sie dieselbe Funktion erfüllen wie ein Düsensatz in einer Turbinenstufe. In diesem Fall führt die Laufschaufelung zwei Tätigkeiten aus, nämlich a) die Umdrehung und b) den Wärmeaustausch. Diese beiden Funktionen können auch voneinander getrennt werden.In the particular embodiment of the invention shown in FIG has a rotor 1 at a small distance juxtaposed plates 2, which like the blades of the row of blades of a turbine blade stage are curved. Stator blades 3 are arranged at the rotor inlet, where they perform the same function like a set of nozzles in a turbine stage. In this case, the blades lead two activities, namely a) the rotation and b) the heat exchange. These both functions can also be separated from each other.

Diese letztere Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt, bei welcher das Futter 1 a jeweils eingebettet zwischen schaufelförmigen Flügeln gezeigt ist, welche einen Innenteil 2 a und einen Außenteil 2 b aufweisen, die beide jeweils die gewünschte Schaufelform haben, um die angestrebte Drehung hervorzubringen, und die außerdem einen Mittelteil 2 c haben. Das Futter l a, welches aus Drahtgewebe bestehen kann, ist zwischen diesen Mittelteilen 2 c eingebettet und so von den schaufelförmigen Teilen 2 a und 2 b getrennt.This latter arrangement is shown in Fig. 2, in which the chuck 1 a is shown embedded between shovel-shaped wings, which have an inner part 2 a and an outer part 2 b , both of which have the desired shovel shape in order to produce the desired rotation, and which also have a middle part 2c. The lining la , which can consist of wire mesh, is embedded between these central parts 2 c and thus separated from the shovel-shaped parts 2 a and 2 b .

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Turbo-Regenerator der in Fig. 2 gezeigten Bauart im einzelnen. Ein zylindrischer Rotor 11 besteht aus einem inneren Gehäuse 12 und einem äußeren Gehäuse 13, die beide voneinander durch eine Luftschicht 14 zur Wärmeisolation getrennt sind. Das äußere Gehäuse weist Vorsprünge 15 auf, welche auf konischen Rollen 16 gelagert sind, die ihrerseits wiederum auf Kugellagern 17 laufen. Die umlaufenden Schaufeln des Rotors bilden einen Außenteil 18, einen Mittelteil 19, in welchem das Futter untergebracht ist, und einen Innenteil 20. Das heiße Gas tritt zwischen den Schaufeln am inneren Umfang 21 über eine Stufe fester Düsenschaufeln 22 ein und gelangt von da zum inneren Teil 20 des Laufschaufelkranzes, welchem es eine Drehbewegung aufzwingt; dann strömt es durch das Futter 19 im Mittelteil des Laufschaufelkranzes und von da durch den Außenteil 18 desselben, um ihm nochmals einen Drehimpuls mitzuteilen, bevor es durch die feststehenden Schaufeln 23 des Stators zu den Heißgasauslässen 24 gelangt. Kalte Luft tritt bei 25 ein und strömt zwischen festen Statorschaufeln 26 hindurch, betritt den äußeren Teil 18 des Laufschaufelkranzes, strömt durch das Futter 19 im mittleren Teil und gelangt von da durch den inneren Teil 20 des Laufschaufelkranzes; von da strömt es zu festen Schaufeln oder Diffusoren 27 und von da weiter zum Auslaß der Luftseite 28. Die heißen Gase geben an das Futter Wärme ab, solange es an der Gasseite vorbeirotiert, und dieses gibt seine Wärme danach an die auf der anderen Seite durch den Regenerator hindurchströmende kalte Luft ab: Das Futter ist in einem Rahmen 29 gehalten.FIG. 3 shows a longitudinal section through a turbo regenerator of the type shown in FIG. 2 in detail. A cylindrical rotor 11 consists of an inner housing 12 and an outer housing 13, both of which are separated from one another by an air layer 14 for thermal insulation. The outer housing has projections 15 which are mounted on conical rollers 16, which in turn run on ball bearings 17. The rotating blades of the rotor form an outer part 18, a middle part 19, in which the feed is accommodated, and an inner part 20. The hot gas enters between the blades on the inner circumference 21 via a step of fixed nozzle blades 22 and from there to the inner Part 20 of the blade ring on which it forces a rotary movement; it then flows through the lining 19 in the middle part of the rotor blade ring and from there through the outer part 18 of the same, in order to impart to it again an angular momentum before it passes through the stationary blades 23 of the stator to the hot gas outlets 24. Cold air enters at 25 and flows between fixed stator blades 26, enters the outer portion 18 of the blade ring, flows through the liner 19 in the central portion, and from there passes through the inner portion 20 of the blade ring; from there it flows to fixed blades or diffusers 27 and from there to the outlet of the air side 28. The hot gases give off heat to the feed as long as it rotates past the gas side, and this then passes on its heat to the other side Cold air flowing through the regenerator: the feed is held in a frame 29.

Der Stator besteht aus Seitenwandungen 30, einem inneren Ring 31 und einem Außenring 32. Zwischenräume 33 und 34, welche Luft für Wärmeisolationszwecke enthalten, sind zwischen dem Stator und dem Rotor frei gelassen. In den Seitenwandungen des-Stators sind die festen Achszapfen 35 der Lager 17 befestigt. Die inneren und äußeren Ringe 31 und 32 tragen die festen Schaufeln 23 und 26 des Stators.The stator consists of side walls 30, an inner ring 31 and an outer ring 32. Interstices 33 and 34, which air for thermal insulation purposes are left free between the stator and the rotor. In the side walls of the stator, the fixed journals 35 of the bearings 17 are attached. The inner and outer rings 31 and 32 support the fixed blades 23 and 26 of the stator.

Um ein Durchlecken zwischen der Heißgas- und der Kaltgasseite zu verhindern, sind Dichtungen vorgesehen, wobei die Dichtungen 36 die Leckage längs des Umfanges des Rotors und die Dichtungen 37 die Leckage an den Stirnflächen desselben verhindern.To prevent leakage between the hot gas and the cold gas side, Seals are provided, the seals 36 preventing leakage along the circumference of the rotor and the seals 37 prevent leakage at the end faces of the same.

Die Umfangsdichtung 36 kann der Schleifdichtungsbauart angehören, wobei in an sich bekannter Weise ein verfügbarer Energieüberschuß dazu verwendet werden kann, den Dichtkontakt dieser Dichtungen mittels Druck zu verbessern.The circumferential seal 36 can be of the sliding seal type, using an available excess of energy in a manner known per se can be to improve the sealing contact of these seals by means of pressure.

Die Stirndichtungen 37 bestehen aus Asbestpackungen 38, welche zwischen keilförmigen Druckringen 39 und U-förmigen biegsamen Ringen 40 gehalten werden. An diesen Ringen liegen Graphitringe 41 an, die mit dem Rotor umlaufen. Der Luftspalt 14 wird durch U-förmige Dichtstücke 42 abgedichtet. Federn 43 zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuseteil des Rotors drücken das Innengehäuse gegen die äußere Dichtung 37, welche die kühlere Dichtung ist, während sie zwischen der inneren Dichtung 37, welche die heißere Dichtung ist, und dem Rotor einen Spalt frei lassen.The end seals 37 consist of asbestos packs 38, which between wedge-shaped pressure rings 39 and U-shaped flexible rings 40 are held. Graphite rings 41, which rotate with the rotor, are in contact with these rings. The air gap 14 is sealed by U-shaped sealing pieces 42. Springs 43 between the inner and the outer housing part of the rotor press the inner housing against the outer Seal 37, which is the cooler seal while being between the inner seal 37, which is the hotter seal, and leave a gap free for the rotor.

Zum Anschluß eines Startantriebes und eines Reglers sind eine Kupplung und ein Getriebe 44 vorgesehen.A coupling is required to connect a starter drive and a controller and a transmission 44 is provided.

Fig. 4 zeigt, wie bereits bemerkt, einen Turbo-Regenerator mit flüssigem Wärmeübertragungsmittel. Zwei solche Turbo-Regeneratoren bilden zusammen einen vollständigen Wärmeaustauscher, d. h., ein Turbo-Regenerator stellt jeweils nur eine Seite dar, nämlich entweder die Kaltseite oder die Heißseite des Wärmeaustauschers.As already noted, FIG. 4 shows a liquid turbo-regenerator Heat transfer medium. Two such turbo regenerators together form a complete one Heat exchanger, d. i.e., a turbo regenerator only represents one side at a time, namely either the cold side or the hot side of the heat exchanger.

Die wärmeaustauschenden Gase drehen einen trommelartigen Rotor 52 innerhalb eines Stators 51. Zu diesem Zweck tritt das Gas in den Stator zwischen einer Düsenschaufelung 53 ein, worauf es die Einlaßseite 54 der Trommel erreicht. In dieser Trommel sind Schaufeln 55a im wesentlichen radial mit gleichen Abständen über den Umfang verteilt. Kleinere Schaufeln 55 b sind zwischen den Schaufeln 55 a angeordnet, um die Verteilung des Gases über den Umfang der Trommel zu erleichtern. Die Schaufeln sind so geformt, daß die Trommel durch das auf sie auftreffende Gas in Umlauf versetzt wird. Das Gas verläßt den Auslaß 56 der Trommel und strömt zwischen Schaufeln 57 hindurch, welche seine Strömung geraderichten und, falls erforderlich, seine Geschwindigkeit erhöhen. Die Trommel ist auf einer Hohlwelle 58 aufgeschraubt, die in Lagern 59 und 60 gehalten wird. Eine innere konische Wandung 62 der Trommel wird durch radial gerichtete Röhren 61 durchdrungen, die in je einer Düse 63 enden. Das flüssige Wärmeübertragungsmittel tritt bei 64 in die Hohlwelle ein, strömt infolge der Zentrifugalkraft durch die Radialrohre 61 und wird in Form feiner Tröpfchen durch die Düsen 63 verteilt. Infolge der Zentrifugalkraft wandern diese Tröpfchen in mehr oder weniger radialer Richtung durch das Gas, welches ungefähr in entgegengesetzter Richtung strömt, so daß der Wärmeaustausch zwischen dem flüssigen Wärmeübertragungsmittel und dem Gas mehr oder weniger im Gegenstrom stattfindet. Nachdem so die Wärme aus dem Gas entnommen ist, werden die Tröpfchen wiederum infolge der Zentrifugalkraft von der äußeren konischen Wandung 65 aufgefangen, wie dies aus der Zeichnung ohne weiteres zu ersehen ist. Infolge der Neigung der Wandung und Wirkung der Zentrifugalkraft wandert das flüssige Wärmeübertragungsmittel zum Auslaß der Trommel 66 und von da durch den Auslaß 67 des Stators.The heat exchanging gases rotate a drum-like rotor 52 inside a stator 51. To this end, the gas enters the stator between a nozzle vane 53 whereupon it reaches the inlet side 54 of the drum. In this drum, blades 55a are substantially radially equidistant distributed over the circumference. Smaller blades 55 b are between the blades 55 a arranged to facilitate the distribution of the gas over the circumference of the drum. The blades are shaped so that the drum is affected by the gas impinging on them is put into circulation. The gas leaves the outlet 56 of the drum and flows between Blades 57 through which straighten its flow and, if necessary, increase its speed. The drum is screwed onto a hollow shaft 58, which is held in bearings 59 and 60. An inner conical wall 62 of the drum is penetrated by radially directed tubes 61, each ending in a nozzle 63. The liquid heat transfer medium enters the hollow shaft at 64, flows as a result the centrifugal force through the radial tubes 61 and is in the form of fine droplets distributed through the nozzles 63. As a result of centrifugal force, these droplets migrate in a more or less radial direction through the gas, which is approximately in the opposite direction Direction flows so that the heat exchange between the liquid heat transfer medium and the gas takes place more or less in countercurrent. After so the heat out is removed from the gas, the droplets are again due to centrifugal force caught by the outer conical wall 65, as shown in the drawing without further can be seen. As a result of the inclination of the wall and the effect of centrifugal force wanders that liquid heat transfer medium to the outlet of the drum 66 and thence through the outlet 67 of the stator.

Der Zyklus der zu behandelnden Gase, der nachfolgend beispielsweise in Anwendung auf eine Gasturbinenanlage beschrieben wird, geht also wie folgt vor sich: Aus dem Kompressor kommende Luft dringt durch die Einlaß-Schaufeln 53 in den Rotor ein und wird in diesem durch Kontakt mit den das Wärmeübertragungsmittel bildenden Tröpfchen erwärmt und verläBt den Rotor durch die Auslässe 57. Diese erwärmte Luft wird dann weiter in einer Brennkammer erhitzt, ehe sie in einer Turbine expandiert wird. Die die Turbine verlassenden Gase gehen dann durch die Einlässe 53 des zweiten nicht dargestellten, aber gleich Fig. 4 ausgebildeten Rotors, geben dort ihre Hitze an die Flüssigkeitströpfchen ab und verlassen den Rotor durch Auslässe 57. Das flüssige Wärmeübertragungsmittel wird dabei kontinuierlich von einem Rotor zum anderen und zurück in Umlauf versetzt.The cycle of gases to be treated, which follows, for example is described in application to a gas turbine system, so proceeds as follows : Air coming from the compressor penetrates through the inlet blades 53 into the A rotor and is in this by contact with the heat transfer medium forming Droplets heat and leave the rotor through the outlets 57. This heated air is then further heated in a combustion chamber before expanding in a turbine will. The gases leaving the turbine then pass through the inlets 53 of the second Not shown, but designed like Fig. 4 rotor, give their heat there to the liquid droplets and leave the rotor through outlets 57. The liquid Heat transfer medium is doing this continuously from one rotor to another and put back into circulation.

Zwischen den beiden Seiten des Wärmeaustauschers kann das Wärmeübertragungsmittel erwärmt, gekühlt oder gereinigt werden, es kann außerdem gezwungen werden, eine Pumpe zu durchlaufen, die als ein System zur Regelung sowohl der Geschwindigkeit als auch der Menge der Flüssigkeit, die von einer Seite des Wärmeaustauschers zur anderen Seite desselben übergeführt wird, wirken kann.The heat transfer medium can be between the two sides of the heat exchanger heated, cooled or cleaned, it can also be forced to use a Pump to go through as a system for regulating both the speed as well as the amount of liquid flowing from one side of the heat exchanger to the other side of the same is convicted, can act.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Circulating regenerative heat exchanger with a or two bladed rotors for gaseous heat exchange media and one solid or flowable circulating heat transfer medium, characterized in that the rotor or rotors directly through at least one of the heat exchange means are driven.

2. Circulating heat exchanger according to claim 1, characterized in that that only the hot or cold gas is used to drive the rotor or rotors will.

3. Circulating heat exchanger according to claim 1 or 2 with a rotor and solid heat transfer medium, characterized in that the blades of the rotor form the storage mass.

4. Circulating heat exchanger according to claim 1 or 2 with a rotor and fixed heat transfer medium, characterized in that the storage mass is arranged between the blades of the rotor.

5. Circular Heat exchanger with two rotors and a heat transfer medium that can flow between the rotors according to claim 1, characterized in that the heat transfer medium is liquid or powdered or colloidal form, and that its distribution and collection is achieved by the rotation of the rotors.

6. Circulating heat exchanger according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that in a stator (30, 31, 32) one of an inner housing (12) and an outer housing (13) on a roller bearing (16, 17 ) a running cylindrical rotor (11) is provided, the rotating blades of which have an outer part (18), a central part (19) containing the feed and an inner part (20) .

7. Circulating heat exchanger according to claim 5, characterized in that in a stator (51) provided with inlet blading (53) and outlet blading (57), a rotor (52) is rotatably arranged, which has an axial blading (55z, 55b), as well as of the hollow rotor shaft (58) emanating radially directed tubes (61) each ending in a nozzle (63) opening between the rotor blades, the outer wall of the rotor being conical (65) so that the flowable heat transfer medium as a result of the action of the Centrifugal force flows towards the outlet (66) of the drum. Considered publications: German Patent Nos. 416 332, 595 956, 841 617, 842 948, 881 046; Swiss patent specification No. 268 287.