РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, РАДИАЛЬНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ТАКОГО ТЕПЛООБМЕННИКА И СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД В РЕГЕНЕРАТИВНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ Российский патент 2010 года по МПК F28D17/00 

Изобретение относится к регенеративному теплообменнику, соответствующему ограничительной части п.1 формулы изобретения и радиальному уплотнению для использования в регенеративном теплообменнике, соответствующему ограничительной части п.8 формулы изобретения. Изобретение также относится к способу разделения газообразных сред в регенеративном теплообменнике, соответствующему ограничительной части п.11 формулы изобретения.

В известных теплообменниках этого типа предусмотрен обычно цилиндрический теплоаккумулятор, который выполнен с возможностью протекания через него газообразных сред. Упомянутые теплоаккумуляторы подразделяются на секторы радиально простирающимися стенками, которые далее будут именоваться секторными стенками. Секторные стенки проходят, по существу, непрерывно от продольной оси теплоаккумулятора вплоть до края теплоаккумулятора и ориентированы параллельно продольной оси или лежат в одной плоскости с ней. По конструкторским и экономическим причинам секторные стенки обычно распределены в теплоаккумуляторе равномерно, вследствие чего получаются секторы одинаковой формы и одинакового объема. Поскольку теплоаккумуляторы, в частности, имеют диаметр 20 м или более, секторы по конструкторским причинам подразделяются путем введения дополнительных стенок на несколько теплоаккумулирующих камер, по которым могут течь газообразные среды. Несколько теплоаккумулирующих камер часто расположены одна за другой в пределах сектора в радиальном направлении теплоаккумулятора.

В принципе, для теплообмена между газообразными средами имеются системы рекуперативных и регенеративных теплообменников. В случае рекуперативных теплообменников поток теплоизлучающей среды подается непосредственно в один или несколько потоков теплопоглощающих сред, а тепло передается непосредственно через разделительную стенку. В случае регенераторов тепло передается посредством теплоаккумулирующей промежуточной среды. Такие промежуточные теплоаккумулирующие среды в регенеративных теплообменниках расположены в теплоаккумулирующих камерах теплоаккумулятора. Эти среды часто представляют собой слои уложенных стопой стальных листов, которые при необходимости могут быть покрыты эмалью. Они часто скомпонованы в виде корзинных систем, которые можно вводить как единое целое в теплоаккумулирующую камеру, и они будут заполнять ее. В качестве альтернативы, в частности, можно использовать керамические тела или нагревающие поверхности, выполненные из пластмассы, как промежуточные теплоаккумулирующие среды.

В случае известных теплообменников теплоаккумулятор выполнен либо неподвижным, либо с возможностью вращения относительно его продольной оси. В первом случае его называют «статором», а в последнем случае - «ротором». В теплообменнике с ротором корпус ротора, включающий в себя соединения газовых каналов, прикрепленные к нему, выполнен неподвижным, так что ротор будет вращаться, проходя через разные газовые потоки. Однако в теплообменнике со статором на обеих торцевых сторонах статора расположены вращающиеся соединения газовых каналов, которые являются так называемыми вращающимися колпаками. В обоих вариантах происходит попеременное протекание всех существующих газовых потоков через разные области теплоаккумулятора.

Теплоизлучающая газовая среда протекает через теплоаккумулятор от одной торцевой стороны к другой и таким образом нагревает нагревательные элементы, которые расположены в нем в отдельных теплоаккумулирующих камерах и которые сохраняют это тепло. Кроме того, через теплоаккумулятор протекают - также от одной его стороны к другой - несколько теплопоглощающих газовых сред. В результате вращения ротора или вращающихся колпаков через нагретые нагревательные элементы протекают потоки холодного газа, которые вследствие этого нагреваются.

В области энергоустановок через теплоаккумулятор часто направляют поток горячего теплоизлучающего отработанного газа и поток холодного теплопоглощающего воздуха. Это имеет место в случае процесса подогрева воздуха. Нагретый воздух затем загорается, после чего соответственно именуется воздухом горения. Тепло воздуха горения, увеличиваемое теплообменником, возмещает части энергии, содержащейся в топливе, тем самым уменьшая количество топлива, необходимое для горения. В результате уменьшается количество СО₂, высвобождающегося при горении.

Кроме того, описанные теплообменники можно также использовать для подогрева газов. В случае теплообменников, которые выполнены в виде так называемых установок, уменьшающих содержание SO_x, например, происходит охлаждение горячего неочищенного газа с высоким содержанием SO_x и нагревание чистого газа с низким содержанием SO_x. В случае так называемых установок, уменьшающих содержание NO_x, происходит охлаждение горячего чистого газа с низким содержанием NO_x и нагревание неочищенного газа с высоким содержанием NO_x.

Поток теплоизлучающего газа и поток теплопоглощающего газа (потоки теплопоглощающих газов) обычно направлены таким образом, что текут встречно друг другу по теплоаккумулятору в соответствии с принципом противотока. Теплопоглощающий газ направляется из теплоаккумулятора на той стороне, на которой теплоизлучающий газ вводится в аккумулятор. Эта сторона известна как горячая сторона теплообменника. На стороне, противоположной ей, охлажденный теплоизлучающий газ выпускается, а холодный теплопоглощающий газ нагнетается. Она, соответственно, является холодной стороной. В случае регенеративного теплообменника, который выполнен, например, с возможностью подогрева воздуха, он содержит газозаборное отверстие и воздуховыпускное отверстие на горячей стороне, а также газовыпускное отверстие и воздухозаборное отверстие на холодной стороне. Отработанный газ протекает через область отработанного газа, которая простирается от горячей стороны к холодной стороне теплообменника, тогда как воздух горения протекает через область воздуха горения, которая простирается от холодной стороны к горячей стороне.

Подразделение теплоаккумулятора в теплоаккумулирующих камерах предусматривается для того, чтобы предотвратить смешивание потоков разных газов друг с другом. Теплоизлучающий и теплопоглощающий газы направляются одновременно через разные камеры, отделенные друг от друга. Чтобы гарантировать протекание через теплоаккумулирующие промежуточные среды, находящиеся в теплоаккумулирующих камерах, или обтекание таких сред, эти теплоаккумулирующие камеры открыты на торцевых сторонах теплоаккумулятора.

Чтобы отделить потоки разных газов друг от друга, на торцевых сторонах теплоаккумулятора предусматривают одно или несколько радиальных уплотнений. Радиальное уплотнение часто выполнено в виде полоски или бруска и простирается перпендикулярно оси вращения или продольной оси теплоаккумулятора по диаметру аккумулятора. Оно обычно выполнено плоским и проходит через центральную точку теплоаккумулятора. Оно зачастую изготовлено из металла или других материалов, например, подобных пластмассе, и может быть выполнено цельным или изготовленным из отдельных частей.

Радиальное уплотнение может быть выполнено с возможностью регулирования в направлении продольной оси теплоаккумулятора, то есть в направлении от теплоаккумулятора или к теплоаккумулятору. Радиальные уплотнения зачастую выполняют таким образом, чтобы компенсировать деформации теплоаккумулятора, обуславливаемые нагревом. Зазор под уплотнение, находящийся между радиальным уплотнением и торцевой стороной теплоаккумулятора, можно поддерживать как можно меньшим, чтобы уменьшить утечки между потоками различных газов. Поддержание минимального зазора под уплотнение необходимо для того, чтобы гарантировать возможность кручения теплоаккумулятора и радиального уплотнения относительно друг друга.

Радиальное уплотнение, как правило, состоит из двух или более уплотнительных ветвей, при этом одна уплотнительная ветвь простирается, по существу, от оси вращения до наружного края теплоаккумулятора. Количество уплотнительных ветвей обычно зависит от количества существующих потоков различных газов. Например, если в теплообменнике, где в качестве теплоаккумулятора используется ротор, через этот ротор протекают два потока газа, то предусматриваются две уплотнительные ветви, причем каждая такая ветвь присутствует как на холодной, так и на горячей стороне, а в случае трех потоков газа предусматриваются три уплотнительных ветви, и т.д. Поскольку радиальное уплотнение выполнено не участвующим во вращательном движении ротора, отверстия теплоаккумулирующих камер вращаются под радиальным уплотнением. В случае полного оборота ротора каждая точка торцевых поверхностей ротора один раз оказывается ниже и один раз - выше уплотнительной ветви.

Радиальные уплотнения расположены в известных регенеративных теплообменниках таким образом, что одна секторная стенка проходит ниже и выше уплотнительной ветви в любом положении при вращении, т.е. в любом случайном положении теплоаккумулятора и радиального уплотнения относительно друг друга. В результате, области разных газов, такие, как область газа горения и область выхлопного газа, всегда разделены секторной стенкой, простирающейся в радиальном направлении от оси вращения к краю теплоаккумулятора.

Чтобы дополнительно уменьшить утечку между областями разных газов, разработаны регенеративные теплообменники, в которых радиальные уплотнения расположены таким образом, что две секторные стенки расположены выше и ниже уплотнительной ветви, по меньшей мере, временно при работе теплообменника. Таким образом, каждый из секторов, а значит - и каждая из теплоаккумулирующих камер, расположенных в пределах секторов, полностью закрывается уплотнительными ветвями один раз во время оборота ротора или оборота вращающегося колпака. Это способствует уменьшению утечки и повышает эффективность теплообменника. Такой теплообменник представлен, например, в документе DE 4420131, в котором, по меньшей мере, две секторные стенки равномерно расположены под уплотнительной ветвью в каждом положении при вращении.

За счет непрерывного закрывания и открывания теплоаккумулирующих камер получаются постоянные механические колебания. Они вызываются разными условиями давления, обуславливаемыми открыванием и закрыванием теплоаккумулирующих камер, и действуют как пульсация на радиальные уплотнения. Этот процесс называют «накачкой» уплотнений. Интенсивность этой накачки, а значит - и сила воздействия на радиальное уплотнение, зависит от разностей давлений, присутствующих между потоками различных газов и областью поверхности уплотнений. Поскольку этот процесс непрерывно повторяется, средняя высота зазора под уплотнение увеличивается. Более того, будут значительно увеличиваться износ и разрыв радиальных уплотнений и торцевых поверхностей теплоаккумулятора. Эти факторы приводят к увеличению утечки. Увеличенная утечка означает повышенную потребность в мощности для привода и в вентиляторах, необходимых для транспортировки топочных газов или воздуха, а это демонстрирует снижение эффективности регенеративного теплообменника. Помимо этого снижения, повышенные утечки приводят к увеличению выбросов загрязняющих веществ, таких как СО₂, NO_x, SO₂, и золы, которые желательно сделать как можно меньшими. Более того, в поток утечки, который проходит под радиальным уплотнением между областями разных газов, могут попадать осадки выхлопного газа, а эти осадки выхлопного газа могут оказывать агрессивное воздействие на поверхности радиальных уплотнений, тем самым дополнительно снижая плотность полос радиальных уплотнений.

Поэтому в основу изобретения заложена задача разработки регенеративного теплообменника, радиального уплотнения для использования в регенеративном теплообменнике и способа разделения газообразных сред в регенеративном теплообменник, посредством которых уменьшают накачку уплотнений, а значит - и утечку между областями различных газов, а также износ и разрыв радиальных уплотнений и торцевых поверхностей теплоаккумулятора.

Эта задача решается с помощью регенеративного теплообменника, соответствующего п.1 формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления продемонстрированы в подчиненных пунктах формулы изобретения, зависимых от п.1 формулы изобретения.

Регенеративный теплообменник содержит цилиндрический теплоаккумулятор, который подразделен на сектора множеством секторных стенок, причем каждый сектор содержит, по меньшей мере, две теплоаккумулирующих камеры, которые расположены одна за другой в радиальном направлении. Теплоаккумулирующие камеры выполнены с возможностью протекания через них газообразных сред и поэтому имеют отверстия в области торцевых поверхностей теплоаккумулятора. Кроме того, на торцевой поверхности теплоаккумулятора, а предпочтительно - на обеих торцевых поверхностях, имеется, по меньшей мере, одно радиальное уплотнение, которое выполнено в качестве закрывающей поверхности для отверстий теплоаккумулирующих камер. Радиальное уплотнение расположено таким образом, что оно полностью закрывает попеременно каждое отверстие теплоаккумулирующей камеры во время вращения ротора или вращающихся колпаков. Отверстия теплоаккумулирующих камер полностью закрываются и открываются снова во время работы, причем каждое отверстие закрывается, по меньшей мере, один раз каждым радиальным уплотнением в течение полного оборота ротора или вращающегося колпака. Когда теплоаккумулирующие камеры скомпонованы так, что простираются непрерывно от одной торцевой стороны до другой, уместно сформировать и расположить радиальные уплотнения на обеих торцевых сторонах так, чтобы оба отверстия в камере закрывались и открывались, по существу, одновременно, а эта камера таким образом оказывалась бы полностью изолированной в соответствующем положении при вращении. Это преимущественно достигается таким образом, что радиальные уплотнения, которые расположены на обеих торцевых сторонах и напротив друг друга, по существу, располагаются одинаково, так что их расположения совпадают друг с другом.

В соответствии с изобретением радиальное уплотнение расположено таким образом, что оно, по меньшей мере, частично закрывает отверстие, по меньшей мере, одной теплоаккумулирующей камеры из теплоаккумулирующих камер сектора, которые расположены в радиальном направлении одна за другой, в любом положении при вращении, т.е. в любом произвольном положении теплоаккумулирующей камеры и радиального уплотнения относительно друг друга. Основная идея изобретения заключается в расположении поверхностей, имеющих отверстия, теплоаккумулирующих камер, расположенных одна за другой в пределах сектора, и закрывающей поверхности радиального направления таким образом относительно друг друга, что все теплоаккумулирующие камеры сектора, расположенные одна за другой, никогда - иначе говоря, ни в каком угловом положении при вращении ротора или вращающегося колпака - не будут закрыты радиальным уплотнением одновременно. В принципе, этого относительного расположения можно достичь как за счет соответствующего расположения радиального уплотнения, так и за счет соответствующей компоновки геометрий теплоаккумулирующих камер. Такие геометрии стенок секторов и теплоаккумулирующих камер поддерживаются по конструкторским и экономическим причинам, а радиальное уплотнение регулируется. В принципе, для радиального уплотнения можно использовать все геометрии, которые вызывают вышеописанный эффект.

Тот факт, что, по меньшей мере, в одной теплоаккумулирующей камере из теплоаккумулирующих камер сектора, расположенных в радиальном направлении одна за другой, происходит, по большей мере, частичное закрытие, иными словами означает, что упомянутая теплоаккумулирующая камера не полностью закрыта радиальным уплотнением или не закрыта вообще. В отличие от известных теплообменников не все теплоаккумулирующие камеры сектора, расположенные одна за другой, полностью закрыты одновременно. Следовательно, в изобретении закрытие этой, по меньшей мере, одной камеры отделено во времени от закрытия других камер, расположенных друг за другом, тогда как в определенных положениях ротора или вращающихся колпаков в регенеративных теплообменниках, известных из состояния уровня техники, все эти камеры закрываются одновременно. В результате этого «временного оттягивания» процессов закрытия возникающие колебания, - которые возникают из-за разных условий давления во время открывания и закрывания теплоаккумулирующих камер, - значительно уменьшаются. В результате уменьшается взаимодействие колебаний на радиальных уплотнениях. Предотвращается или значительно уменьшается «накачка» уплотнений. Это приводит к меньшему износу и разрыву, а значит - и меньшим утечкам и увеличенным срокам службы радиальных уплотнений. Более того, повышается эффективность всей энергоустановки.

В соответствии с состоянием уровня техники одновременное закрытие всех теплоаккумулирующих камер сектора, которые расположены друг за другом, получается, с одной стороны, из-за того, что сектора образованы прямыми радиальными секторными стенками, а теплоаккумулирующие камеры и секторы между этими стенками расположены так, что равномерно распределены в теплоаккумуляторе. Эта компоновка неизбежно получается исходя из конструкторских аспектов и эффективности затрат. С другой стороны, отдельные уплотнительные ветви радиального уплотнения всегда располагались по тем же причинам линейно, в частности, с расширениями типа ласточкиного хвоста в области края теплоаккумулятора. Теперь же в настоящем изобретении признано, что лишь изменение геометрии радиального уплотнения, осуществляемое в связи с геометрией теплоаккумулирующих камер и скоростью вращения ротора или вращающихся колпаков, вызывает желаемый эффект, которым является уменьшение колебаний.

Для дополнительного уменьшения амплитуды колебаний предпочтительно, чтобы в каждом положении при вращении оказывались частично открытыми более одной теплоаккумулирующей камеры из теплоаккумулирующих камер сектора, которые расположены одна за другой. В предпочтительном варианте осуществления радиальное уплотнение выполнено таким образом, что оно будет полностью закрывать не более одной теплоаккумулирующей камеры из теплоаккумулирующих камер сектора, которые расположены одна за другой, в любой заданный момент времени, что означает - в любом угловом положении при вращении ротора или вращающихся колпаков. В результате предотвращается взаимодействие колебаний, которое является следствием открывания и закрывания нескольких теплоаккумулирующих камер, а также уменьшается накачка уплотнений.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления каждое радиальное уплотнение содержит, по меньшей мере, две уплотнительные ветви. По меньшей мере, одна уплотнительная ветвь их этих, по меньшей мере, двух уплотнительных ветвей радиального уплотнения, которые проходят, по существу, от продольной оси в радиальном направлении наружу к краю теплоаккумулятора, выполнена асимметричной. Это означает, что геометрия, по меньшей мере, одной уплотнительной ветви такова, что площадь поверхности уплотнительной ветви не симметрична, если рассматривать ее на виде в плане. Это исключает как осевую симметрию, так и центральную (точечную) симметрию. Оказывается невозможным найти какую-либо ось или точку, относительно которой можно было бы зеркально отразить поверхность уплотнительной ветви. Такая компоновка обеспечивает достижение чередующегося во времени закрытия отдельных теплоаккумулирующих камер.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления отдельные уплотнительные ветви каждого радиального уплотнения разделены на сегменты уплотнительных ветвей. Отдельные сегменты расположены один за другим в радиальном направлении и непосредственно соседствуют друг с другом, так что они соединены, образуя уплотнительную ветвь. Оба противоположных края сегмента расположены, по существу, линейно. Более того, наружные края соседних сегментов уплотнительных ветвей взаимно смещены или дополнительно проходят под некоторым углом относительно соседних с ними наружных краев. Однако в этом случае рассматриваются наружные края одной и той же стороны уплотнительной ветви. В результате смещения наружных краев друг к другу или расположения наружных краев под углом предотвращается ситуация, в которой все теплоаккумулирующие камеры, расположенные одна за другой в пределах сектора, окажутся одновременно закрытыми уплотнительной ветвью.

Теплоаккумуляторы часто скомпонованы таким образом, что они имеют несколько коаксиальных кольцевых стенок. Эти кольцевые стенки часто выполнены в форме цилиндра и имеют продольную ось теплоаккумулятора в качестве общей оси. Следовательно, кольцевые стенки пересекают отдельные секторы и делят их на подсекторы в радиальном направлении. Упомянутые подсекторы могут соответствовать размерам теплоаккумулирующей камеры. В принципе, возможно также дальнейшее подразделение подсекторов на отдельные теплоаккумулирующие камеры. Когда теплоаккумулятор подразделяется такими кольцевыми стенками на подсекторы, отдельные сегменты уплотнительных ветвей, имеющиеся в уплотнительных ветвях, предпочтительно располагаются таким образом, что они простираются в радиальном направлении, по существу, по подсектору или нескольким соседним подсекторам. Если подсектор соответствует теплоаккумулирующей камере, целесообразно, чтобы сегмент уплотнительной ветви, простирающийся по этому подсектору, был выполнен с возможностью закрытия этой камеры. Это гарантирует, что край, смещенный между двумя сегментами уплотнительной ветви, или точка пересечения между двумя взаимно наклоненными под углом наружными краями двух соседних уплотнительных элементов располагается, по существу в области, где будут стыковаться две теплоаккумулирующие камеры или два подсектора. Этот вариант осуществления гарантирует, что можно будет лучше корректировать расположение отдельных сегментов уплотнительных ветвей для отдельных подсекторов, вследствие чего последовательность закрытия отдельных подсекторов или теплоаккумулирующих камер можно будет оптимизировать во время работы, что в свою очередь дополнительно снижает в целом вероятность появления колебаний.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления, по меньшей мере, одна уплотнительная ветвь разделена на три сегмента уплотнительной ветви, при этом внутренний сегмент, ближайший к оси сращения, выполнен коническим. Конический внутренний сегмент ориентирован таким образом, что он расширяется, по существу, в радиальном направлении. Соседний средний сегмент сужается в радиальном направлении, а, по меньшей мере, один край среднего сегмента предпочтительно расположен со смещением относительно соседнего края внутреннего сегмента в окружном направлении теплоаккумулятора. В результате сужения среднего сегмента в радиальном направлении края среднего сегмента ориентированы по направлению к внутреннему сегменту, который расширяется конусом наружу. Область поверхности поперечного сечения наружного сегмента дополнительно расширяется в радиальном направлении, а его края таким образом оказываются расположенными с ориентацией по направлению к краям среднего сегмента. Проведенные Заявителем расчеты и испытания показали, что такая геометрическая компоновка уплотнительной ветви выгодна при использовании стандартных теплоаккумуляторов, а также минимизирует появление колебаний.

Чтобы упростить производство радиальных уплотнений и гарантировать их более экономичное изготовление и установку, выгодно располагать все уплотнительные ветви одинаково. Это уместно и по той причине, что теплоаккумулирующие камеры обычно располагаются так, что они равномерно распределены в теплоаккумуляторе, и поэтому можно воспользоваться оптимальным расположением уплотнительной ветви для всех уплотнительных ветвей.

Также предпочтительно располагать радиальное уплотнение таким образом, чтобы поверхности притока и оттока соответствующих газообразных сред имели, по существу, одинаковые размеры. Поверхности притока и оттока различных газообразных сред могут быть разными по своим размерам, и их можно корректировать для удовлетворения соответствующих конкретных требований, предъявляемых в настоящее время, таких как максимальные допустимые потери давления.

Задача в соответствии с изобретением решается также с помощью радиального уплотнения по п.8 формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления продемонстрированы в подчиненных пунктах формулы изобретения, зависящих от п.8 формулы изобретения.

Радиальное уплотнение, состоящее, по меньшей мере, из двух уплотнительных ветвей, содержит, по меньшей мере, одну уплотнительную ветвь, которая выполнена асимметричной. Такая компоновка гарантирует, что степень накачки, действующей на уплотнения, уменьшается.

Решение задачи в соответствии с изобретением достигается также с помощью способа разделения газообразных сред в регенеративном теплообменнике по п.11 формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления продемонстрированы в подчиненных пунктах формулы изобретения, зависящих от п.11 формулы изобретения.

Способ заключается в том, что для разделения потоков различных газов отверстия различных теплоаккумулирующих камер попеременно полностью закрывают во время работы теплообменника в уже описанном теплоаккумуляторе регенеративного теплообменника с секторами и теплоаккумулирующими камерами, через которые возможно протекание и которые расположены одна за другой в радиальном направлении. Это означает, что теплоаккумулирующие камеры постоянно закрываются и открываются снова. Это позволяет достичь разделения между отдельными потоками газов. Чтобы уменьшить возникновение колебаний, которые оказывают негативное влияние на колебания, возникающие в радиальном направлении и обуславливаемые разностями давлений внутри теплоаккумулятора, теплоаккумулирующие камеру закрывают так, что в случае теплоаккумулирующих камер, которые расположены одна за другой в радиальном направлении в пределах сектора, отверстие, по меньшей мере, одной теплоаккумулирующей камеры оказывается закрытым, по большей мере, частично в каждом рабочем состоянии теплообменника. В предпочтительном варианте отверстие, по меньшей мере, одной из этих теплоаккумулирующих камер закрывают полностью в каждом рабочем состоянии.

Далее представлено подробное описание изобретения со ссылками на конкретные варианты осуществления, проиллюстрированные на чертежах, где схематически показано следующее:

на фиг.1 показан вид сверху теплоаккумулятора регенеративного теплообменника, выполненного в виде ротора, содержащего радиальное уплотнение с двумя уплотнительными ветвями, причем одна ветвь выполнена в соответствии с состоянием известного уровня техники, а другая ветвь соответствует настоящему изобретению;

на фиг.2 показан вид в перспективе с боку ротора согласно фиг.1; и

на фиг.3 показан вид сверху секции теплоаккумулятора регенеративного теплообменника с радиальным уплотнением, который выполнен в виде статора.

Одинаковые элементы обозначены на чертежах одинаковыми позициями в разных вариантах осуществления, описываемых ниже.

На фиг.1 показан вид сверху ротора 10 регенеративного теплообменника. Вал 11 расположен в центре 14 ротора 10, вокруг которого этот ротор 10 вращается. В принципе можно выполнить ротор так, что он сможет вращаться и по часовой стрелке, и против часовой стрелки. Вращение ротора 10 осуществляется посредством движущего привода (здесь не показано). Внутри себя, ротор 10 содержит разнесенные в окружном направлении секторные стенки 12, которые расположены в радиальном направлении от вала 11 до наружного края 13 ротора 10. Секторные стенки 12 расположены по прямой линии от одной торцевой стороны ротора 10 до другой. Все секторные стенки 12 распределены в роторе 10 равномерно в окружном направлении, так что две соседние секторные стенки 12 образуют секторы 15 одинаковых размеров. Ротор 10 подразделяется в общей сложности на двенадцать секторов 15 одинаковых размеров. Один сектор 15 ограничен на каждой из двух своих сторон секторной стенкой 12, на внутренней своей стороне - валом 11, а снаружи - краем 13 ротора 10, который выполнен в виде цилиндрической наружной оболочки.

Кроме того, внутри ротора расположены несколько кольцевых стенок 16, которые расположены в окружном направлении и, по сути, замкнуты. Кольцевые стенки 16 расположены коаксиально относительно друг друга, имея общей осью ось вращения, проходящую через центр 14. Кольцевые стенки 16 расположены приблизительно по окружности, причем каждая секция кольцевой стенки 16 между двумя секторными стенками 12 располагается по прямой линии и немного под углом относительно соседних секций кольцевой стенки. Кольцевые стенки 16 также проходят по всему ротору 10 от одной торцевой стороны до другой. Кольцевые стенки 16 дополнительно подразделяют сектора 15 на подсектора 17. Каждый из четырех наружных подсекторов 17 каждого сектора 15 подразделяется на две теплоаккумулирующие камеры 19 радиально проходящей промежуточной стенкой 18, при этом в четырех наружных подсекторах 17 с помощью промежуточной стенки 18 получаются две теплоаккумулирующие камеры 19 приблизительно одинаковых размеров на каждый подсектор 17, а каждая промежуточная стенка проходит приблизительно в его середине. Использование промежуточных стенок 18 не является обязательным и предусматривается в данном примере по конструкторским причинам. Внутренние два подсектора 17 не имеют дополнительного подразделения, так что каждый из этих двух подсекторов образует теплоаккумулирующую камеру 19. Следовательно, на сектор 15 приходится в общей сложности десять теплоаккумулирующих камер 19. В принципе количество теплоаккумулирующих камер, приходящееся на сектор, можно изменять, и оно обычно получается исходя из размеров соответствующего теплоаккумулятора.

В результате наличия промежуточной стенки 18 теплоаккумулирующие камеры 19 оказываются расположенными не только одна за другой в радиальном направлении ротора, но и, в частности, также рядом одна с другой. Отдельные теплоаккумулирующие камеры 19 заполнены нагревательными элементами (не показаны), такими как стальной лист.

Выше ротора 10 расположено радиальное уплотнение 20, которое расположено в радиальном направлении ротора от одной стороны до другой. Радиальное уплотнение 20 заключено в окружном уплотнении 21, которое также расположено на торцевой стороне ротора и расположено по контуру края 13 ротора 10. Радиальное уплотнение 20 состоит из верхней уплотнительной ветви 201 и нижней уплотнительной ветви 202, которые упираются друг в друга в области горизонтальной центральной линии 23, проходящей через центральную точку 14 ротора 10. Радиальное уплотнение 20, которое состоит из двух уплотнительных ветвей 201 и 202, подразделяет ротор 10 на две области газа, одна из которых находится справа от радиального уплотнения 20, а другая - слева от него. Таким образом, оказывается возможной передача тепла от одной газообразной среды к другой с помощью представленного здесь ротора 10. Радиальное уплотнение 20 и охватывающее его окружное уплотнение 21 выполнены не вращающимися, так что ротор 10 вращается под радиальным уплотнением 20.

Верхняя уплотнительная ветвь 201 выполнена в соответствии с известными из уровня техники радиальными уплотнениями, тогда как нижняя уплотнительная ветвь 202 выполнена в соответствии с настоящим изобретением. Уплотнительная ветвь 201 показана в соответствии с вариантами осуществления, известными из состояния уровня техники, чтобы ясно продемонстрировать различия между радиальным уплотнением в соответствии с изобретением и состоянием уровня техники. В регенеративном теплообменнике, соответствующем изобретению, все уплотнительные ветви, очевидно, выполнены как уплотнительная ветвь 202.

Обе уплотнительные ветви 201, 202 имеют каждая внутреннюю полукруглую часть 2011, 2021, которые лежат друг на друге и поэтому образуют составное кольцо с круглой базовой поверхностью. В середине кольца предусмотрена выемка для вала 11. Рядом с полукольцом 2011 уплотнительной ветви 201 имеется уплотнительная перемычка 2012, которая направлена линейно в радиальном направлении наружу от полукольца 2011 к краю 13 ротора. Уплотнительная перемычка 2012 имеет постоянную ширину на всем своем протяжении. Уплотнительная ветвь 201 выполнена симметричной, при этом ее центральная линия 22 проходит вертикально через центр 14 ротора 10, образуя при этом ось зеркального отражения.

В положении ротора, показанном на фиг.1, уплотнительная ветвь 201 закрывает правые теплоаккумулирующие камеры 19, расположенные одна за другой, наружных четырех подсекторов 17 сектора 15, и две внутренние теплоаккумулирующие камеры 19. В результате, все теплоаккумулирующие камеры 19 этого сектора, которые расположены одна за другой в радиальном направлении ротора, закрыты уплотнительной ветвью 201. Колебания, которые обуславливаются открыванием и закрыванием отдельных теплоаккумулирующих камер 19, усиливаются посредством разностей давлений, превалирующих на обеих предназначенных для газов сторонах ротора 10.

Для настоящего изобретения существенно располагать уплотнительные ветви так, чтобы они в заданный момент времени не закрывали все теплоаккумулирующие камеры 19 сектора 15, которые расположены одна за другой в радиальном направлении ротора. Независимо от того, соединены они или нет, как показано в этом варианте осуществления, некоторое количество теплоаккумулирующих камер 19 в пределах сектора 15 также располагаются рядом друг с другом в дополнение к расположению теплоаккумулирующих камер 19, которые расположены одна за другой в радиальном направлении ротора. В иллюстрируемом примере правые теплоаккумулирующие камеры 19 наружных четырех подсекторов 17 сектора 15 располагаются одна за другой, как и две внутренние теплоаккумулирующие камеры 19 подсекторов 17 того же сектора 15, а также - дополнительно - левые теплоаккумулирующие камеры 19 четырех наружных подсекторов 17 вместе с двумя внутренними теплоаккумулирующими камерами 19.

В отличие от уплотнительной ветви 201 в нижней уплотнительной ветви 202 в соответствии с изобретением внутренний сегмент 2022 ветви находятся рядом с полукольцом 2021. Он выполнен коническим, причем его узкая сторона находится на полукольце 2021, так что внутренний сегмент 2021 расширяется в радиальном направлении. В этом радиальном направлении сегмент 2022 уплотнительной ветви доходит до второй - если смотреть изнутри наружу - кольцевой стенки 16. Следовательно, внутренний сегмент 2022 уплотнительной ветви выполнен с возможностью закрытия участка, не закрытого полукольцом 2021 первого подсектора 17 и второго подсектора 17 (если смотреть изнутри наружу) каждого кольцевого сектора 15 в соответствующем положении ротора.

Средний сегмент 2023 уплотнительной ветви находится рядом с внутренним сегментом 2022 уплотнительной ветви в радиальном направлении. Он немного сужается в радиальном направлении и расположен практически в радиальном направлении между второй и третьей кольцевой стенками 16. Каждый из его наружных краев располагается линейно. Левый наружный край примыкает непосредственно к наружному краю внутреннего уплотнительного сегмента 2022 и проходит немного под углом к нему. Правый наружный край среднего уплотнительного сегмента 2023, с другой стороны, располагается с небольшим смещением относительно правого наружного края внутреннего сегмента 2022 уплотнительной ветви.

Наружный и последний сегмент 2024 уплотнительной ветви находится рядом со средним сегментом 2023 уплотнительной ветви, причем наружный сегмент уплотнительной ветви доходит до края 13 ротора. Наружные края и в этом случае тоже располагаются линейно, как в других сегментах 2022, 2023 уплотнительной ветви. Они непосредственно примыкают к наружным краям среднего сегмента 2023 уплотнительной ветви и проходят немного под углом влево относительно него. Область поперечного сечения наружного сегмента 2024 уплотнительной ветви немного расширяется, как можно заметить, в радиальном направлении ротора, так что ее наибольшая ширина находится в области края 13 ротора. Наружный уплотнительный сегмент 2024 расположен практически от третьей кольцевой стенки 16 до края 13 ротора и таким образом проходит в радиальном направлении приблизительно по трем подсекторам 17.

Уплотнительная ветвь 202 выполнена асимметричной. Геометрическая форма уплотнительной ветви 202 обеспечивает то, что в каждом положении ротора 10, по меньшей мере, одна из теплоаккумулирующих камер 19 сектора 15, расположенных одна за другой, не закрыта уплотнительной ветвью 202 или закрыта лишь частично. Например, в положении, показанном на фиг.1, две наружные теплоаккумулирующие камеры 19, которые расположены одна за другой и находятся под уплотнительной ветвью 202, закрыты лишь частично. С другой стороны, остальные четыре теплоаккумулирующие камеры, которые также находятся под уплотнительной ветвью 202, закрыты полностью. Если бы ротор 10 вращался, например, по часовой стрелке, то средние две из закрытых теплоаккумулирующих камер 19 открывались бы раньше, чем оказались бы полностью закрытыми две наружные, частично закрытые камеры 19. Как бы то ни было, каждая теплоаккумулирующая камера оказывается полностью закрытой уплотнительной ветвью 202 один раз за один оборот ротора, так что отделение областей двух газов друг от друга гарантируется всегда.

На фиг.2 показан вид в перспективе сбоку ротора согласно фиг.1. Все стенки, то есть секторные стенки 12, кольцевые стенки 16 и промежуточные стенки 18, проходят через весь ротор в осевом направлении от одной торцевой стороны до другой.

На фиг.3 показан вид сверху секции теплоаккумулятора 10 регенеративного теплообменника. Теплоаккумулятор 10, показанный на этом чертеже, выполнен в виде статора - в отличие от теплоаккумулятора, показанного на фиг.1 и 2. Это означает, что он стационарен, то есть - неподвижен. Компоновка статора 10, т.е. его подразделение на секторы, подсекторы и теплоаккумулирующие камеры, по существу аналогична компоновке ротора согласно фиг.1 и 2. Кроме того, предусмотрены две радиальные уплотнительные ветви 202, которые выполнены в соответствии с изобретением и которые находятся над или под статором и расположены на нем. Уплотнительные ветви 202 также имеют внутренний сегмент 2022 ветви, средний сегмент 2023 ветви и наружный сегмент 2024 ветви подобно уплотнительной ветви в соответствии с изобретением, показанной на фиг.1 и 2. В отличие от уплотнительной ветви, показанной на фиг.1 и 2, в варианте осуществления, показанном на фиг.3, наружные края сегментов ветви находятся рядом с наружным краем соответствующих соседних сегментов и не располагаются со смещением относительно него. Уплотнительные ветви 202 прикреплены к нижней стороне наружного края вращающегося колпака (не показан) и вращаются вместе с ним вокруг центральной точки 14. На каждой торцевой стороне статора 10 располагается, по меньшей мере, один вращающийся колпак. Центральные оси 2025 двух уплотнительных ветвей 202 пересекаются в центре 14 статора 10 под углом приблизительно 90°. Область, охватываемая этим углом, закрыта вращающимся колпаком. Поскольку каждая из уплотнительных ветвей 202 располагается на наружном краю вращающегося колпака, области, расположенные снаружи вращающегося колпака, изолированы от области, закрытой вращающимся колпаком. Ориентация уплотнительных ветвей 202 под углом 90° относительно друг друга является предпочтительной для вариантов осуществления со статором в качестве теплоаккумулятора 10, потому что эта конфигурация соответствует размерам обычно используемых вращающихся колпаков. В известных вариантах осуществления два вращающихся колпака расположены симметрично относительно друг друга на каждой торцевой стороне, так что в этих вариантах осуществления на каждой торцевой стороне в соответствии с изобретением расположены в общей сложности четыре уплотнительные ветви.

Изобретение относится к регенеративному теплообменнику для теплообмена газообразных сред с, по существу, цилиндрическим теплоаккумулятором. Изобретение также относится к радиальному уплотнению для использования в регенеративном теплообменнике и способу разделения газообразных сред в регенеративном теплообменнике. Теплоаккумулятор регенеративного теплообменника содержит множество радиально простирающихся секторных стенок, которые подразделяют теплоаккумулятор на секторы. В пределах сектора предусмотрены, по меньшей мере, две теплоаккумулирующие камеры, которые расположены одна за другой в радиальном направлении. На торцевой поверхности теплоаккумулятора расположены радиальные уплотнения, содержащие, по меньшей мере, две уплотнительные ветви и, по меньшей мере, одна уплотнительная ветвь выполнена асимметричной, обеспечивающей закрытие отверстий не всех теплоаккумулирующих камер сектора, расположенных друг за другом в радиальном направлении полностью одновременно. Технический результат - уменьшение накачки уплотнений и утечки между областями различных газов, а также износа и разрыва радиальных уплотнений и торцевых поверхностей теплоаккумулятора. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Регенеративный теплообменник для теплообмена газообразных сред с практически цилиндрическим теплоаккумулятором (10), который содержит множество радиально расположенных секторных стенок (12), причем две соседние секторные стенки (12) ограничивают сектор (15), а в каждом секторе (15) выполнены, по меньшей мере, две теплоаккумулирующие камеры (19), расположенные одна за другой в радиальном направлении с возможностью протекания через них газообразных сред, снабженные отверстиями для притока и оттока газообразных текучих сред в области торцевых поверхностей теплоаккумулятора (10), и, по меньшей мере, одно радиальное уплотнение (20), расположенное на торцевой поверхности теплоаккумулятора (10) и выполненное с возможностью разделения потоков газообразных сред с образованием закрывающей поверхности для отверстий теплоаккумулирующих камер (19), причем радиальное уплотнение (20) и теплоаккумулятор (10) выполнены с возможностью относительного вращения, при этом радиальное уплотнение (20) выполнено с возможностью попеременного полного закрытия отверстий всех теплоаккумулирующих камер на одной торцевой стороне во время работы, отличающийся тем, что радиальное уплотнение (20) выполнено таким образом, что отверстия не всех теплоаккумулирующих камер (19) сектора (15), расположенных друг за другом в радиальном направлении, закрыты радиальным уплотнением полностью одновременно.

2. Регенеративный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что радиальное уплотнение (20) выполнено так, что при любом относительном положении оно полностью закрывает не более одной теплоаккумулирующей камеры из расположенных друг за другом теплоаккумулирующих камер (19) сектора (15).

3. Регенеративный теплообменник по п.1 или 2, отличающийся тем, что радиальное уплотнение (20), содержит, по меньшей мере, две уплотнительные ветви (202), каждая из которых расположена практически радиально наружу от продольной оси теплоаккумулятора до края (13) теплоаккумулятора, и при этом, по меньшей мере, одна уплотнительная ветвь (202) выполнена асимметричной.

4. Регенеративный теплообменник по п.3, отличающийся тем, что уплотнительные ветви (202) подразделяются в радиальном направлении на соседние сегменты (2022, 2023, 2024) уплотнительной ветви, при этом каждый наружный край сегмента (2022, 2023, 2024) уплотнительной ветви проходит по прямой линии и под углом и/или со смещением к соседним наружным краям соседних сегментов (2022, 2023, 2024) уплотнительных ветвей.

5. Регенеративный теплообменник по п.4 с теплоаккумулятором (10), содержащим несколько коаксиальных кольцевых стенок (16), которые подразделяют секторы (15) на подсекторы (17), отличающийся тем, что сегменты (2022, 2023, 2024) уплотнительной ветви расположены в радиальном направлении теплоаккумулятора по одному или нескольким подсекторам (17).

6. Регенеративный теплообменник по п.5, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна уплотнительная ветвь (202) содержит три сегмента (2022, 2023, 2024) уплотнительной ветви, включая внутренний сегмент (2022) уплотнительной ветви, который расположен ближе всего к продольной оси теплоаккумулятора, будучи выполнен коническим и расширяющимся в радиальном направлении, средний сегмент (2023), сужающийся в радиальном направлении, и наружный сегмент (2024), расширяющийся в радиальном направлении и расположенный под углом относительно среднего сегмента (2023).

7. Регенеративный теплообменник по п.6, отличающийся тем, что уплотнительные ветви (202) имеют одинаковую форму.

8. Радиальное уплотнение для использования в регенеративном теплообменнике, предназначенном для теплообмена газообразных сред по п.1, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, две уплотнительные ветви (202) и, по меньшей мере, одна уплотнительная ветвь (202) выполнена асимметричной, обеспечивающей закрытие отверстий не всех теплоаккумулирующих камер (19) сектора (15), расположенных друг за другом в радиальном направлении полностью одновременно.

9. Радиальное уплотнение по п.8, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна уплотнительная ветвь (202) содержит три сегмента (2022, 2023, 2024), которые являются соседними и расположены один за другим в радиальном направлении, при этом средний сегмент (2023) сужается в направлении к оси, а дополнительный наружный сегмент (2024) расширяется в направлении от оси и расположен под углом относительно среднего сегмента (2023).

10. Радиальное уплотнение по п.8 или 9, отличающееся тем, что уплотнительные ветви (202) имеют одинаковую форму.

11. Способ разделения газообразных сред в регенеративном теплообменнике, содержащем, по существу, цилиндрический теплоаккумулятор (10), имеющий множество практически радиально расположенных секторных стенок (12), причем каждые две соседние секторные стенки (12) ограничивают сектор (15), а в каждом секторе (15) выполнены, по меньшей мере, две теплоаккумулирующие камеры (19), которые расположены одна за другой в радиальном направлении с возможностью протекания через них газообразных сред и содержат отверстия для притока и оттока газообразных текучих сред в области торцевых поверхностей теплоаккумулятора (10), при этом отверстия теплоаккумулирующих камер (19) попеременно полностью закрывают во время работы для разделения потоков газообразных сред, отличающийся тем, что отверстия не всех теплоаккумулирующих камер (19) сектора (15), расположенных друг за другом в радиальном направлении, закрывают радиальным уплотнением полностью одновременно.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что отверстие не более чем одной теплоаккумулирующей камеры (19) из теплоаккумулирующих камер (19) сектора (15), которые расположены одна за другой, закрывают полностью в каждом рабочем положении.