Regenerativer Wärmetauscher mit zwangsgeführter Rotordichtung

Abstract

 Regenerativer Wärmetauscher (1), mit einem als Rotor (2) ausgebildeten Wärmespeicher, der um eine zentrale Drehachse (A) drehbar gelagert ist und der Wärme von wenigstens einem durch den Rotor (2) tretenden Gasvolumenstrom (V) auf wenigstens einen anderen durch den Rotor (2) tretenden Gasvolumenstrom überträgt, und mit einem Dichtungssystem für den Rotor (2). Es ist vorgesehen, dass das Dichtungssystem wenigstens eine gegenüber dem Rotor (2) feststehende Dichtung (4, 5) aufweist, die einerseits an den Rotor (2) angedrückt wird und andererseits mittels einer Vielzahl von Laufrollen (12, 18) am drehbaren Rotor (2) abgestützt ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen regenerativen Wärmetauscher gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

[0002] Regenerative Wärmetauscher der betreffenden Art dienen der Wärmeübertragung von wenigstens einem Gasvolumenstrom auf wenigstens einen anderen Gasvolumenstrom. Hierbei wird eine drehender Wärmespeicher, der so genannte Rotor, abwechselnd durch wenigstens einen Gasvolumenstrom aufgewärmt und durch wenigstens einen anderen Gasvolumenstrom wieder abgekühlt, wobei Wärmeenergie von dem einen auf den anderen Gasvolumenstrom übertragen wird. Hierdurch kann einer der Gasvolumenströme aufgewärmt und ein anderer Gasvolumenstrom abgekühlt werden. Der Rotor weist zwei Stirnseiten, einen Außenmantel und in der Regel eine Segmentierung zur Aufnahme der Wärmespeichermassen auf. Der Rotor ist um eine zentrale Drehachse drehbar gelagert, wobei diese Drehachse vorzugsweise vertikal ausgerichtet ist.

[0003] Zur Abdichtung der durch den regenerativen Wärmetauscher geführten Gasvolumenströme ist ein Dichtungssystem mit Kern-, Radial- und/oder Umfangsdichtungen vorgesehen. Die Radialdichtungen sind an den Stirnseiten des Rotors angeordnet und sollen Kurzschluss-Volumenströme zwischen den Gasvolumenströmen verhindern. Die Umfangsdichtungen sind an den stirnseitigen Rändern des Rotors angeordnet und sollen Leckage-Volumenströme in das Rotorgehäuse hinein oder in die Umgebung verhindern. Diese Dichtungen sind bezüglich des drehenden Rotors ortsfest angeordnet. Aufgrund einer permanenten Relativbewegung zwischen dem Rotor und diesen Dichtungen, sowie einer sich ständig verändernden Wärmeausdehnung des Rotors und hiermit einhergehenden ungleichmäßigen Rotorverformungen, sind hohe Ansprüche an das Dichtungssystem zu stellen, um geringe Verluste (Leckagen) und somit einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.

[0004] Aus dem Stand der Technik sind diverse Dichtungssysteme bekannt, die im Betrieb einen relativ geringen Dichtspalt zwischen Dichtung und Rotor ermöglichen sollen. Diesbezüglich wird z. B. auf die EP 1 777 478 A1 oder auf die EP 2 177 855 A1 verwiesen. Die bekannten Dichtungssysteme sind in der Praxis jedoch häufig unverhältnismäßig aufwändig und teuer.

[0005] Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen regenerativen Wärmetauscher der betreffenden Art mit einem einfachen und effektiven Dichtungssystem anzugeben.

[0006] Diese Aufgabe wird gelöst von einem regenerativen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0007] Die Lösung der obenstehenden Aufgabe gelingt, indem das Dichtungssystem für den Rotor wenigstens eine gegenüber dem Rotor feststehende Dichtung aufweist, die einerseits an den Rotor oder an ein zum Rotor gehörendes Bauteil angedrückt wird (bspw. durch wirkende Gewichtskräfte, Federzylinder, Stellglieder und dergleichen) und die andererseits mittels einer Vielzahl von Laufrollen am drehbaren Rotor oder an einem zum Rotor gehörenden Bauteil abgestützt und somit vorrangig in axialer Richtung zwangsgeführt ist. D. h. die betreffende Dichtung unterliegt quasi einer Zwangsführung, was im Betrieb dazu führt, dass die betreffende Dichtung mit einem konstanten und durch die Laufrollen vorgegebenen Abstand der thermisch bedingten Rotorverformung fortwährend nachgeführt wird, wodurch ein geringer und konstanter Dichtspalt gewährleistet ist.

[0008] Hierdurch können mit einem verhältnismäßig geringen baulichen Aufwand minimale Dichtspalte realisiert werden, wodurch Kurzschluss- und/oder Leckage-Volumenströme äußerst gering ausfallen. Bei regenerativen Wärmetauschern mit Absaugung reduziert sich die abzusaugende Gasmenge. Ebenso reduziert sich bei Einsatz von Sperrgas die Sperrgasmenge. Zudem erweist sich das erfindungsgemäße Konzept als sehr montagefreundlich und einfach in der Handhabung und Wartung. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass auf die aus dem Stand der Technik bekannten elektromechanischen und meist sensorgesteuerten Verstelleinrichtungen für die Dichtungen verzichtet werden kann.

[0009] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Laufrollen in der feststehenden Dichtung angeordnet und/oder an der feststehenden Dichtung befestigt sind. Bspw. können die Laufrollen mit einer Achse an der Dichtung oder einem zur Dichtung gehörenden Bauteil gehaltert sein. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Laufrollen auf wenigstens einer korrespondierenden Lauf- bzw. Rollfläche am Rotor oder einem zum Rotor gehörenden Bauteil abrollen oder zwischen zwei korrespondierenden und axial zueinander beabstandeten Rollflächen geführt sind. Diese Rollflächen sind insbesondere an austauschbaren Verschleißplatten ausgebildet, die am Rotor (Rotorkörper oder einem zum Rotor gehörenden Bauteil) befestigt sind. Ebenso kann auch eine umgekehrte Anordnung von Laufrollen und Laufflächen vorgesehen sein.

[0010] Um insbesondere in den kritischen Bereichen in denen die Dichtung an den Rotor angedrückt wird (Stellpunkte) einen minimalen Dichtspalt zu gewährleisten, ist bevorzugt vorgesehen, dass die einzelnen Laufrollen zumindest im Bereich und insbesondere nur im Bereich der Stellpunkte bzw. Andrückpunkte der Dichtung gegen den Rotor angeordnet sind.

[0011] Bei der mittels Laufrollen abgestützten Dichtung handelt es sich bevorzugt um eine Radialdichtung. Bei der mittels Laufrollen abgestützten Dichtung handelt es sich insbesondere um eine Umfangsdichtung. Ebenso ist möglich, zugleich sowohl die Radialdichtungen als auch die Umfangsdichtungen zumindest an einer Rotorseite mittels Laufrollen am sich drehenden Rotor abzustützen.

[0012] Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass wenigstens eine mittels Laufrollen am Rotor abgestützte Umfangsdichtung mit einer Radialdichtung an derselben Rotorseite gekoppelt ist, derart, dass die betreffende Radialdichtung beim axialen Bewegen der Umfangsdichtung in axialer Richtung mitbewegt wird. Hierzu ist die betreffende Radialdichtung in axialer Richtung beweglich angeordnet. Die Kopplung zwischen der Umfangsdichtung und der Radialdichtung erfolgt insbesondere durch einen mechanischen Stellmechanismus, der die axialen Bewegungen der Umfangsdichtung mittels wenigstens eines Stellbalkens oder dergleichen auf die betreffende Radialdichtung überträgt. Das Dichtsystem an einer Rotorseite kann somit Bewegungen ausführen, die den Rotorbewegungen in axialer Richtung folgen. Dieser vorzugsweise radial verlaufende Stellbalken ist idealerweise im Rotorgehäuse des regenerativen Wärmetauschers angeordnet und zwar zwischen der betreffenden Radialdichtung und der Gehäusewandung, wobei in diesem Bereich auch eine Dichtmanschette angeordnet sein kann.

[0013] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben. Es zeigen in schematischen Schnitt-Teildarstellungen:

Fig. 1

ein erstes Ausführungsbeispiel eines regenerativen Wärmetauschers;

Fig. 2

ein zweites Ausführungsbeispiel eines regenerativen Wärmetauschers;

Fig. 3

ein drittes Ausführungsbeispiel eines regenerativen Wärmetauschers; und

Fig. 4

ein viertes Ausführungsbeispiel eines regenerativen Wärmetauschers.

[0014] Fig. 1 zeigt einen insgesamt mit 1 bezeichneten regenerativen Wärmetauscher, von dem jedoch nur eine Symmetriehälfte dargestellt ist. Der regenerative Wärmetauscher 1 umfasst einen Rotor 2, der um eine vertikale Drehachse A drehbar gelagert und in einem Rotorgehäuse 3 angeordnet ist. Der Rotor 2 wird von mehreren Gasvolumenströmen V durchströmt, wobei Wärme von wenigstens einem Gasvolumenstrom auf wenigstens einen anderen Gasvolumenstrom übertragen wird. Zur Abdichtung der durch den regenerativen Wärmetauscher 1 geführten Gasvolumenströme V ist ein Dichtungssystem mit Radialdichtungen 4 und Umfangsdichtungen 5 vorgesehen. Die Radialdichtungen 4 sind an den Stirnseiten des Rotors 2 angeordnet und sollen Kurzschluss-Volumenströme zwischen den Gasvolumenströmen V verhindern. Die Umfangsdichtungen 5 sind an den stirnseitigen Rändern des Rotors 2 angeordnet und sollen Leckage-Volumenströme in das Rotorgehäuse 3 hinein verhindern. Die Radialdichtungen 4 und die Umfangsdichtungen 5 sind bezüglich des drehenden Rotors 2 ortsfest angeordnet. Die Radialdichtungen 4 und die Umfangsdichtungen 5 bilden bevorzugt, zusammen mit etwaigen Kerndichtungen (nicht dargestellt), einen in sich geschlossenen Dichtrahmen aus. Die an der oberen Stirnseite und an der unteren Stirnseite des Rotors 2 angeordneten Dichtungen sind im Wesentlichen identisch ausgebildet. Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich, falls nicht anders angegeben, beispielhaft nur auf die oberen Dichtungen und gelten analog für die unteren Dichtungen.

[0015] Die obere Radialdichtung 4 ist als Dichtplatte ausgeführt und in axialer Richtung mittels mehrerer gleichmäßig beabstandeter Stellglieder oder Federzylinder 7, 8 und 9 am Rotorgehäuse 3 befestigt bzw. abgehangen. (Die untere Radialdichtung 4 ist entsprechend mit Federzylindern oder dergleichen abgestützt.) Jeder Federzylinder 7, 8 oder 9 repräsentiert einen Stellpunkt für die Radialdichtung 4. Anstelle der Federzylinder 7, 8 und 9 kann auch mit Gegengewichten gearbeitet werden. Die Radialdichtung 4 ist in radialer Richtung mit Gelenken 41 und 42 ausgebildet, die die Radialdichtung 4 in mehrere Abschnitte unterteilen. Die Radialdichtung 4 kann sich damit thermisch bedingten Rotorverformungen anpassen. Alternativ ist es möglich, die Radialdichtung 4 gelenklos und flexibel auszuführen. Zwischen der Radialdichtung 4 und der oberen Stirnseite des Rotors 2 besteht ein Dichtspalt S mit einem möglichst geringen Spaltmaß. Zwischen der Radialdichtung 4 und der Gehäusewandung des Rotorgehäuses 3 kann eine Dicht- bzw. Dehnungsmanschette (siehe Bezugszeichen 10 im unteren Wärmetauscherbereich) angeordnet sein, die Relativbewegungen der Radialdichtung 4 gegenüber der Gehäusewandung ausgleicht.

[0016] Die Umfangsdichtung 5 ist als kreisringförmiger Dichtrahmen ausgeführt und mit mehreren in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilten Stellgliedern oder Federzylindern 11 am Rotorgehäuse 3 befestigt bzw. abgehangen. Die Umfangsdichtung 5 kann segmentiert, mit Gelenken oder gelenklos und flexibel ausgeführt sein. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel dichtet die Umfangsdichtung 5 bzw. der Dichtrahmen gegen einen vom Rotorkörper radial nach außen vorstehenden Rotorflansch 6 ab. Zwischen der Umfangsdichtung 5 und dem Rotorflansch 6 des Rotors 2 besteht ebenfalls ein Dichtspalt mit einem möglichst geringen Spaltmaß. Jeder Federzylinder 11 repräsentiert einen Stellpunkt für die Umfangsdichtung 5, wobei die Umfangsdichtung 5 bspw. infolge eines Gewichtsüberschusses (Gewichtskraft abzgl. Stellkraft in den Federzylindern 11) an den Rotorflansch 6 angedrückt wird.

[0017] Um unabhängig von thermisch bedingten Rotorverformungen einen definierten Dichtspalt zwischen der Umfangsdichtung 5 und dem Rotorflansch 6 zu gewährleisten, ist die Umfangsdichtung 5 mittels einer Vielzahl von Laufrollen 12 am zum Rotor 2 gehörenden Rotorflansch 6 abgestützt. Bevorzugt ist zumindest im Bereich eines jeden Stellpunktes eine Laufrolle 12 vorgesehen. Hierdurch behält im Betrieb die Umfangsdichtung 5 einen konstanten Abstand zum Rotorflansch 6 und wird gleichzeitig zumindest den axialen Rotorverformungen nachgeführt.

[0018] In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Laufrollen 12 in einer Ausnehmung in der Umfangsdichtung 5 angeordnet und bevorzugt darin auch drehbar gelagert (bspw. mittels einer Achse). Beim Drehen des Rotors 2 rollen die Laufrollen 12 auf einer am Rotorflansch 6 befestigten Verschleißplatte 14 ab. Bevorzugt ist die Verschleißplatte 14 in Umfangsrichtung segmentiert ausgebildet. Eine solche Verschleißplatte kann auch an einer korrespondierenden Rollfläche in der Umfangsdichtung 5 vorgesehen sein. Ebenso ist denkbar, dass die Laufrollen 12 sandwichartig zwischen zwei in axialer Richtung a zueinander beabstandeten Verschleißplatten geführt sind. Bei der Auslegung und/oder Einstellung (Justage) der Federzylinder 11 (evt. auch der Gegengewichte, falls mit solchen gearbeitet wird) sollte allgemein darauf geachtet werden, dass der Andruck zwischen den Laufrollen 12 und den korrespondierenden Rollflächen gering gehalten wird. Dies gelingt z. B. dadurch, dass die oberen Federzylinder 11 die Gewichtslast der Umfangsdichtung 5 im Wesentlichen aufnehmen oder zumindest reduzieren.

[0019] Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels ist sowohl an der oberen Stirnseite als auch an der unteren Stirnseite des Rotors 2 eine mechanische Kopplung der Radialdichtungen 4 mit den Umfangsdichtungen 5 vorgesehen, wozu die Umfangsdichtungen 5 und die Radialdichtungen 4 kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Dies führt dazu, dass die Radialdichtungen 4 der zwangsgeführten Bewegung der Umfangsdichtungen 5 in axialer Richtung a folgen, wozu die Radialdichtungen 4 in Axialrichtung a beweglich gelagert sind. Hierdurch wird die Abdichtung des Rotors 2 deutlich verbessert und Leckagen werden erheblich reduziert.

[0020] Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem abweichend zum ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die an der Umfangsdichtung 5 befestigten Laufrollen 12 zwischen zwei axial beabstandeten Rotorflanschen 61 und 62 mit entsprechenden Rollflächen geführt sind. Hierdurch wird eine "direkte" Zwangsführung für die Umfangsdichtung 5 ermöglicht. Im Übrigen gelten die Erläuterungen zum ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1.

[0021] Bei dem in Fig. 3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiels ist ebenfalls eine mechanische Kopplung der Umfangsdichtungen 5 mit den Radialdichtungen 4 vorgesehen. Hierzu sind die Umfangsdichtungen 5 jeweils mit einem radial verlaufenden Stellbalken 16 verbunden, der über mehrere Stellglieder 17 eine Verstellung der betreffenden Radialdichtung 4 (an der selben Rotorseite) in Axialrichtung a herbeiführt. D. h., die zwangsgeführte Bewegung einer Umfangsdichtung 5 wird entsprechend den Hebelverhältnissen auf die betreffende Radialdichtung 4 bzw. auf deren einzelnen Abschnitte übertragen, wozu die Radialdichtungen 4 in Axialrichtung a beweglich gelagert oder z. B. auch flexibel ausgebildet sind. Die radial verlaufenden Stellbalken 16 sind im Inneren des Rotorgehäuses 3 angeordnet. Ebenso könnten die Stellbalken 16 auch außerhalb des Rotorgehäuses 3 angeordnet sein.

[0022] Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, bei dem auch die Radialdichtungen 4 mittels Laufrollen 18 auf den Stirnseiten des Rotors 2 abgestützt sind. Auf diese Weise können die Radialdichtungen 4 im Betrieb mit konstantem Abstand zu den Stirnseiten des Rotors 2 zwangsgeführt und den axialen Rotorverformungen fortwährend nachgeführt werden. Die Laufrollen 18 sind im Bereich der Stellpunkte bzw. Federzylinder 7, 8 und 9 angeordnet. An den Stirnseiten des Rotors 2 sind korrespondierende Rollflächen ausgebildet. Diese Rollflächen können an Verschleißplatten 19 ausgebildet sein, wie beispielhaft für die untere, radial innere Laufrolle 18 dargestellt.

[0023] Es soll ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass die Merkmale der zuvor im Zusammenhang mit den Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern sich hieraus kein technischer Widerspruch ergibt.

Ansprüche

1. Regenerativer Wärmetauscher (1), mit einem als Rotor (2) ausgebildeten Wärmespeicher, der um eine zentrale Drehachse (A) drehbar gelagert ist und der Wärme von wenigstens einem durch den Rotor (2) tretenden Gasvolumenstrom (V) auf wenigstens einen anderen durch den Rotor (2) tretenden Gasvolumenstrom überträgt, und mit einem Dichtungssystem für den Rotor (2),
dadurch gekennzeichnet,
dass das Dichtungssystem wenigstens eine gegenüber dem Rotor (2) feststehende Dichtung (4, 5) aufweist, die einerseits an den Rotor (2) angedrückt wird und andererseits mittels einer Vielzahl von Laufrollen (12) am drehbaren Rotor (2) abgestützt ist.

2. Regenerativer Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Laufrollen (12) in der Dichtung (4, 5) angeordnet und/oder an der Dichtung (4, 5) befestigt sind.

3. Regenerativer Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Laufrollen (12) auf wenigstens einer korrespondierenden Rollfläche am Rotor (2) abrollen oder zwischen zwei korrespondierenden und axial zueinander beabstandeten Rollflächen geführt sind.

4. Regenerativer Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens eine der Rollflächen an einer austauschbaren Verschleißplatte (14, 19) ausgebildet ist.

5. Regenerativer Wärmetauscher (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die einzelnen Laufrollen (12) zumindest im Bereich der Stellpunkte der Dichtung (4, 5) angeordnet sind.

6. Regenerativer Wärmetauscher (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei der mittels Laufrollen (12) abgestützten Dichtung um eine Umfangsdichtung (5) und/oder um eine Radialdichtung (4) handelt.

7. Regenerativer Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die abgestützte Umfangsdichtung (5) mit einer Radialdichtung (4) gekoppelt ist, wodurch diese Radialdichtung (4) beim axialen Bewegen der Umfangsdichtung (5) in axialer Richtung (a) mitbewegt wird.

8. Regenerativer Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kopplung zwischen der Umfangsdichtung (5) und der Radialdichtung (4) durch einen mechanischen Stellmechanismus erfolgt, der die axialen Bewegungen der Umfangsdichtung (5) mittels eines Stellbalkens (16) auf die Radialdichtung (4) überträgt.

9. Regenerativer Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Stellbalken (16) innerhalb eines den Rotor (2) umgebenden Rotorgehäuses (3) angeordnet ist.

10. Regenerativer Wärmetauscher (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen der Dichtung (4, 5) und dem Rotorgehäuse (3) wenigstens eine Dichtmanschette (10) angeordnet ist.

Zeichnung