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Dokumentenidentifikation DE69700698T2 21.06.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0882205
Titel LUFTVORWÄRMER MIT ROTOR VON TEILWEISE MODULAREM AUFBAU
Anmelder ABB Air Preheater, Inc., Wellsville, N.Y., US
Erfinder BROPHY, Mark, E., Wellsville, NY 14895, US;
COX, William, C., Hornell, NY 14843, US;
FINNEMORE, Harlan, E., Pocatello, ID 83204, US;
MATTISON, Glenn, D., Wellsville, NY 14895, US;
SNIDER, Rex, R., Corfu, NY 14036, US;
WONDERLING, Michael, W., Scio, NY 14880, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69700698
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 14.02.1997
EP-Aktenzeichen 979078490
WO-Anmeldetag 14.02.1997
PCT-Aktenzeichen US9702936
WO-Veröffentlichungsnummer 9731234
WO-Veröffentlichungsdatum 28.08.1997
EP-Offenlegungsdatum 09.12.1998
EP date of grant 27.10.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2000
IPC-Hauptklasse F28D 19/04

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft regenerative Drehwärmetauscher, die allgemein als Luftvorwärmer verwendet werden, und insbesondere eine verbesserte Rotorkonstruktion, die die Vorteile sowohl der modularen als auch nichtmodularen Konstruktionsweise miteinander verbindet.

Ein regenerativer Drehwärmetauscher wird zur Übertragung von Wärme von einem Heißgasstrom, wie zum Beispiel einem heißen Rauchgasstrom, auf einen anderen, kalten Gasstrom, wie zum Beispiel Verbrennungsluft, eingesetzt. Der Rotor enthält eine Masse wärmeaufnehmenden Materials, die zunächst durch einen Durchgang für den Heißgasstrom rotiert, wo Wärme von dem wärmeaufnehmenden Material aufgenommen wird. Beim Weiterdrehen des. Rotors tritt das erwärmte aufnehmende Material in den Durchgang für den Kaltgasstrom ein, wo die Wärme von dem aufnehmenden Material auf den Kaltgasstrom übertragen wird.

Bei einem typischen Drehwärmetauscher, wie zum Beispiel einem regenerativen Luftvorwärmer, ist der zylindrische Rotor an einer vertikalen, mittleren Rotorstütze angeordnet und durch mehrere, sich von der Rotorstütze zu dem Außenumfangsmantel des Rotors erstreckende, radiale Trennwände, die als Membranen bezeichnet werden, in mehrere sektorförmige Fächer unterteilt. Diese sektorförmigen Fächer sind mit modularen Wärmeaustauschkörben beladen, die die Masse wärmeaufnehmenden Materials enthalten, die gemeinhin aus gestapelten plattenartigen Elementen gebildet wird.

Die Rotoren derartiger Wärmetauscher sind entweder als nichtmodulare, werkstattmontierte Rotoren oder als modulare Rotoren hergestellt. Die nichtmodularen Rotoren umfassen eine Reihe von Membranplatten, die jeweils an der Rotorstütze befestigt sind und sich zu dem Rotormantel hinaus erstrecken, wodurch sie den Rotor in Sektoren unterteilen. Weiterhin ist jeder Sektor durch Versteifungsplatten, die sich in Abständen zwischen den Membranen erstrecken, in mehrere Fächer unterteilt. Die modularen Wärmeaustauschkörbe werden dann vom oberen Ende (Kanalende) axial in diese Fächer geladen. Die nichtmodularen Rotoren sind arbeitsaufwendig, weil der Großteil der Rotorkonstruktion zunächst in der Werkstatt montiert wird und dann zum Versand zumindest teilweise auseinandergebaut wird. Dadurch erhöht sich die Gesamtzeit zur Herstellung und Installierung vor Ort.

Modulare Rotoren bestehen aus einer Reihe von werkstattmontierten Sektormodulen, die dann vor Ort zu einem vollständigen Rotor zusammengebaut werden. Jedes Sektormodul weist auf jeder Seite eine Membranplatte auf, wobei diese beiden Membranen durch Versteifungsplatten miteinander verbunden sind. Wenn diese Module vor Ort zu einem Rotor zusammengebaut werden, werden die Membranplatten benachbarter Module miteinander verbunden, um eine aus zwei Platten bestehende Membran zu bilden. Obgleich für die Installation der modularen Rotoren vor Ort weniger Zeit benötigt wird als für nichtmodulare Rotoren, erfordern sie doppelt so viele einzelne Membranplatten, die Gasströmungsfläche einnehmen, wodurch bei gleicher Rotorgröße und gleichem Stützendurchmesser weniger Wärmeübertragungsfläche zur Verfügung steht. Des weiteren enthalten sie aufgrund der ganzen Teile, die zum Aneinanderbefestigen der benachbarten Module an den Membranpositionen erforderlich sind, viele Komponenten.

Die meisten modularen und nichtmodularen Rotorausführungen enthalten Versteifungsplatten, wie oben beschrieben. Die Versteifungsplatten verstärken die Rotorkonstruktion und stützen die Körbe. Da die Körbe axial eingesetzt werden und in die Versteifungsplattenfächer passen müssen, sind die Körbe zum leichten Installieren und Entfernen mit Untermaß hergestellt. Dazu ist das Vorsehen eines Spalts um den Umfang jedes Korbs erforderlich. Dadurch wird die freie Fläche des Korbes, die zur Wärmeübertragungsströmung zur Verfügung steht, verkleinert und es werden Strömungsumgehungsspalte um die Körbe herum gebildet. Dies führt zu einem verminderten Wirkungsgrad des Luftvorwärmers und zu der Wahl größerer Luftvorwärmer für beliebige bestimmte Leistungsanforderungen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft die Konstruktion des Rotors für einen regenerativen Drehwärmetauscher und insbesondere die Art und Weise, wie der Rotor aus einer Kombination aus werkstattmontierten Sektormodulen und vor Ort montierten Komponenten so gefertigt wird, daß auf die aus zwei Platten bestehenden Membranen der normalen modularen Rotoren verzichtet werden kann und die hohen Kosten der vollständigen Werkstattmontage normaler nichtmodularer Rotoren verringert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die werkstattmontierten Module in erster Linie in Abhängigkeit von der Rotorgröße einen oder zwei oder vielleicht mehr Sektoren, wobei die vor Ort montierten Komponenten zwischen beabstandete werkstattmontierte Modulen passen. Weiterhin macht die Erfindung die Versteifungsplatten überflüssig und verwendet dafür Stützgitter, die sich zwischen den Membranen erstrecken und offene Stützen bilden, auf denen die Körbe gestützt werden. Die Körbe werden radial, anstatt axial, in die Sektoren geladen. Dadurch kann auf die Spalte um die Körbe herum und das Untermaß der Körbe verzichtet werden. Diese Stützgitter sind Teil der werkstattmontierten Module und sind auch Teil der vor Ort montierten Komponenten, die den Zusammenbau vor Ort erleichtern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine allgemeine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen regenerativen Drehluftvorwärmers.

Fig. 2 ist eine Draufsicht eines nichtmodularen, werkstattmontierten Rotors nach dem Stand der Technik.

Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der Linie 3 -3 von Fig. 2, der die Wärmeaustauschkörbe in Position im Rotor zeigt.

Fig. 4 ist eine Explosionsdarstellung eines Teils eines Rotors, die drei der Sektormodule für einen modularen Rotor nach dem Stand der Technik zeigt, wobei die Module in der Darstellung um die Rotorwelle herum angeordnet und zur Bewegung in Position und Befestigung an der Welle bereit sind.

Fig. 5 ist eine Explosions- oder auseinandergezogene Darstellung als Draufsicht eines Teils des teilmodularen Rotors nach der vorliegenden Erfindung, wobei die werkstattmontierten Module und die vor Ort installierten Komponenten, die zur Bewegung in Position und Befestigung aneinander und an der Rotorwelle bereit sind, gezeigt werden.

Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht eines Teils eines zusammengebauten teilmodularen Rotors nach der vorliegenden Erfindung, die die Wärmeaustauschkörbe in Position zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Fig. 1 der Zeichnungen ist eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht eines typischen Luftvorwärmers, die ein Gehäuse 12 zeigt, in dem der Rotor 14 auf der Antriebswelle oder der Stütze 16 zur Ausführung einer Drehung, wie durch den Pfeil 18 angedeutet, angebracht ist. Der Rotor besteht aus mehreren Sektoren 20, wobei jeder Sektor mehrere Korbmodule 22 enthält und durch die Membranen 34 definiert wird. Die Korbmodule enthalten die Wärmeaustauschfläche. Das Gehäuse ist mittels der strömungsundurchlässigen Sektorplatte 24 in eine Rauchgasseite und eine Luftseite unterteilt. Eine entsprechende Sektorplatte ist auch im unteren Teil der Einheit angeordnet. Die heißen Rauchgase gelangen durch den Gaseinlaßkanal 26 in den Luftvorwärmer, strömen durch den Rotor, wo Wärme auf den Rotor übertragen wird, und treten dann durch den Gasauslaßkanal 28 aus. Die Gegenströmungsluft tritt durch den Lufteinlaßkanal 30 ein, strömt durch den Rotor, wo sie Wärme aufnimmt, und tritt dann durch den Luftauslaßkanal 32 aus.

Im folgenden auf Fig. 2 Bezug nehmend, die eine Draufsicht eines Teils eines Rotors nach dem Stand der Technik der werkstattmontierten, nichtmodularen Art zeigt, erstrecken sich die Membranen 34 radial zwischen dem mittleren Teil oder der Nabe 36 des Rotors und dem Rotormantel 38. Die Versteifungsplatten 40 erstrecken sich in Abständen zwischen den Membranen 34 und sind daran befestigt, wodurch sie Versteifungsplattenfächer 42 bilden. Dann werden die Korbmodule 22 in jedes Versteifungsplattenfach gestapelt. Ein solches Korbmodul 22 wird in dieser Fig. 2 gezeigt, während die restlichen Fächer 42 leer sind. Da diese Korbmodule 22 von oben eingeladen und entfernt werden, muß um den ganzen Umfang jedes Korbs ein Spalt 44 vorgesehen werden, um dieses Laden und Entfernen zu erleichtern. Durch diese Spalte 44 ist die Größe der Körbe, die im Rotor untergebracht werden können, vermindert, wodurch die Wärmeübertragungsfläche und der Wärmewirkungsgrad verkleinert und Umgehungsspalte für die Gase gebildet werden.

Zum weiteren Verständnis dieser nichtmodularen, werkstattmontierten Rotoren nach dem Stand der Technik wird auf Fig. 3 Bezug genommen, bei der es sich um eine Ansicht entlang der Linie 3-3 von Fig. 2 handelt, außer daß sie die modularen Körbe 22 in Position zeigt. Sie zeigt weiterhin die Kaltendkörbe 46, wie erläutert werden wird. Die Versteifungsplatten 40, die zum Beispiel durch Verschweißen an der Membran 34 befestigt sind, werden im Querschnitt gezeigt. Am unteren Ende jeder Versteifungsplatte 40 ist ein Korbstützglied 48 befestigt, auf dem die gestapelten Körbe 22 gestützt werden. Die Korbstützglieder 48 sind auch in Fig. 2 zu sehen.

Im Rotor unter der Anordnung der Korbmodule 22 und am kalten Ende des Rotors ist ein anderer Satz von Körben 46 angeordnet, die oben erwähnt und als Kaltendkörbe bezeichnet wurden. Die Kaltendkörbe sind den korrosiven Auswirkungen von Komponenten des Rauchgasstroms, die bei den Kaltendtemperaturen auf den Korb aufkondensieren können, stärker ausgesetzt. Bei dem dargestellten Luftvorwärmer nach dem Stand der Technik werden die Kaltendkörbe 46 von dem Umfang des Rotors aus radial eingesetzt, anstatt von oben, und auf einer Gitter- oder Strebenkonstruktion, die allgemein mit 50 bezeichnet und auch in Fig. 2 gezeigt wird, gestützt. Aus diesem Grunde sind die Versteifungsplatten 40 kürzer als die Membranen, wie in Fig. 3 zu sehen, die auch die Spalte 44 zeigt. Da die Kaltendkörbe stärker Korrosion ausgesetzt sind und öfter ausgetauscht werden müssen, können sie radial entfernt werden, ohne daß die Heißendkörbe entfernt werden müssen.

Fig. 4 der Zeichnungen zeigt den anderen Grundtyp eines Luftvorwärmerrotors nach dem Stand der Technik, bei dem es sich um den modularen, vor Ort montierten Rotor handelt. Dieser Rotor wird, wie der Name schon sagt, aus den Sektormodulen 52 vor Ort zusammengebaut. Jedes Sektormodul 52 ist zum großen Teil genauso wie die Sektoren des in Fig. 2 gezeigten werkstattmontierten Rotors hergestellt. Der Hauptunterschied besteht darin, daß der sich ergebende Rotor zweischichtige Membranen aufweist, die durch aneinanderstoßende Membranen 34 benachbarter Module gebildet werden. Anders ausgedrückt, es sind doppelt soviele Membranen vorhanden wie beim nichtmodularen Rotor. Dies ist teuer und außerdem ist durch die zusätzliche Frontfläche der doppelten Membranen die Wärmeübertragungsfläche für eine gegebene Rotorgröße kleiner. Die modularen Wärmeaustauschkörbe 22 sowie die Kaltendkörbe 46 sind in diesen Sektormodulen 52 genauso positioniert und gestützt wie bei dem in Fig. 3 gezeigten nichtmodularen Rotor. Die Module 52 enthalten Ansätze oder Ohren 54 an den inneren Enden, die zur Einführung in die Rotornabe 36 und Verstiftung ausgeführt sind.

Nunmehr auf die vorliegende Erfindung und die Fig. 5 und 6 Bezug nehmend, wird der Rotor aus einer Reihe werkstattmontierter Module 56 und einer Reihe vor Ort montierter Komponenten, die zwischen den werkstattmontierten Modulen angeordnet sind und die Rotorkonstruktion ohne jegliche doppelte Membranen vervollständigen, zusammengebaut. Die werkstattmontierten Module 56 umfassen in der Darstellung von Fig. 5 drei Membranen 34 und enthalten deshalb zwei Sektoren, die allgemein mit 58 und 60 bezeichnet werden. Diese werkstattmontierten Module 56 nach der vorliegenden Erfindung könnten jedoch auch in Abhängigkeit von der Größe des Rotors und anderen Faktoren, die die gewünschte Mischung von werkstattmontierten und vor Ort montierten Komponenten bestimmen, mit einem Sektor oder mit drei oder mehr Sektoren hergestellt werden. Es ist unter manchen Umständen möglich und sogar wünschenswert, daß vor Ort montierte Teile des Rotors nur aus dem Einsetzen der Stützgitterkonstruktionen 66 zwischen jedem zweiten werkstattmontierten Modul zur Fertigstellung des Rotors bestehen könnten. Jedes werkstattmontierte Modul 56 umfaßt die Membranen 34 und das nach innen gerichtete Ohr 55, das dem Ohr 54 in Fig. 4 ähnelt, aber größer ist, weil es den beiden Sektoren 58 und 60 zugeordnet ist. Ebenso wird die Modulgröße beeinflußt, wenn die werkstattmontierten Teile keine Modulohren enthalten.

Die werkstattmontierten Module 56 enthalten keine Versteifungsplatten. Stattdessen sind die Membranen 34 durch die allgemein mit 62 bezeichneten Stützgitter aneinander befestigt. Wie in Fig. 6 zu sehen, bilden diese Gitter 62 Stützen für die Korbmodule 22 sowie die Kaltendkorbmodule 46. Die Gitter können eine beliebige gewünschte Konstruktion und Konfiguration aufweisen, solange sie in der Lage sind, einen starren Rotor bereitzustellen und die Körbe zu stützen. Wie zuvor erläutert, ist der Rotor nach der vorliegenden Erfindung ein radialgeladener Rotor anstatt ein axial- oder kanalgeladener Rotor wie in den Fig. 2 und 4.

Wie in Fig. 5 gezeigt, sind die werkstattmontierten Module 56 in beabstandeten Positionen an der Rotorwelle oder -nabe 36 befestigt, wobei zwischen ihnen ein offener Raum verbleibt. Die verbleibenden Komponenten des Rotors, die dann vor Ort montiert werden, werden in diesen Räumen angeordnet. Die vor Ort montierten Komponenten umfassen die Modulohr- und -membrananordnung 64 und die Gitteranordnungen 66. Die Modulohr- und -membrananordnung 64 enthält eine Membran 68, die im wesentlichen ist wie jede der Membranen 34, und das Ohr 70, das im wesentlichen das gleiche ist wie die Ohren 55. Die Gitteranordnungen 66 sind im wesentlichen die gleichen wie die Gitter 62, die einen Teil der werkstattmontierten Module 56 bilden. Diese Gitter 66 sind mit den Gittern 62 der werkstattmontierten Module 56 vergleichbar. Diese Gitter 66 werden zur Fertigstellung der Rotorkonstruktion vorzugsweise durch Verschweißen an und zwischen den werkstattmontierten Modulen 56 und der Membran 68 befestigt. Ein Gitter 66 wird - genauso wie die Gitter 62 bei den werkstattmontierten Modulen nach Fig. 6 - in dem Rotor auf Höhe jedes Korbs angeordnet. Natürlich verläuft die Anordnung aus werkstattmontierten Modulen 56 und vor Ort montierten Komponenten 64 und 66 um den ganzen Umfang der Nabe 36, um eine vollständige Rotorkonstruktion zu bilden. Nur als Beispiel könnte ein Rotor mit 24 Sektoren sechs werkstattmontierte Module mit 12 Sektoren (angenommen es gibt zwei Sektoren pro Modul, wie dargestellt) und sechs Sätze von vor Ort montierten Komponenten auch mit 12 Sektoren für insgesamt 24 Sektoren aufweisen.

Die vorliegende Erfindung verbindet die Vorteile von sowohl modularen als auch nichtmodularen Rotorkonstruktionen miteinander und beseitigt einige der Nachteile, die sie jeweils aufweisen. Durch Beseitigung der doppelten Membranen der modularen Ausführung in Verbindung mit der Verwendung von Stützgittern und den Verzicht auf Versteifungsplatten wird der zulässige Raum, der zur Wärmeübertragung zur Verfügung steht, vergrößert. Des weiteren bedeutet die Verwendung der Stützgitter mit der Installation der Körbe durch den Umfang, daß die Körbe in Kontakt miteinander und mit den Membranen in die Sektoren verkeilt werden können. Dadurch kann auf Spalte um die Körbe herum verzichtet werden, und die Rotorkonstruktion wird versteift und die zur Verfügung stehende freie Wärmeübertragungsfläche und der Wärmewirkungsgrad werden vergrößert.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Herstellung eines Rotors für regenerative Drehluftvorwärmer mit einer Rotornabe und mehreren Membranplatten, die sich radial von der Nabe nach außen erstrecken und den Rotor in mehrere Sektoren zum Stützen modularer Wärmeübertragungskörbe darin unterteilen, mit den folgenden Schritten:

a. Zusammenbauen mehrerer Rotormodule, die jeweils mindestens einen Sektor enthalten und folgendes umfassen:

i. sich radial erstreckende Membranplatten, die sich entlang der Seite jedes Sektors erstrecken,

ii. mindestens ein Stützgitter, das zwischen den Membranplatten in jedem Sektor angebracht und zum Stützen der modularen Wärmeübertragungskörbe darauf ausgeführt ist,

iii. ein an den Membranplatten befestigtes Mittel, das zur Befestigung des Rotormoduls an der Rotornabe ausgeführt ist;

b. Bilden mehrerer Membrananordnungen, die jeweils eine unabhängige, sich radial erstreckende Membranplatte und ein Mittel, das zur Befestigung der unabhängigen Membranplatte an der Rotornabe befestigt ist, enthalten;

c. Bilden mehrerer separater Stützgitter, die zur Befestigung in den Rotorsektoren und zum Stützen der modularen Wärmeübertragungskörbe darauf ausgeführt sind;

d. Befestigen der mehreren Rotormodule an der Rotornabe mit Zwischenräumen;

e. Befestigen einer der mehreren Membrananordnungen an der Rotornabe in jedem der Zwischenräume zwischen den beabstandeten Rotormodulen und dadurch Bilden von Sektorräumen auf jeder Seite jeder der Membrananordnungen und zwischen den Membrananordnungen und dem benachbarten Rotormodul;

f. Befestigen mindestens eines der mehreren separaten Stützgitter in jedem der Sektorräume zwischen den Membrananordnungen und dem benachbarten Rotormodul.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem jedes Rotormodul mindestens zwei Sektoren enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem jeder Sektor mehrere Stützgitter enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Membrananordnungen in den Zwischenräumen in der Mitte zwischen den beabstandeten Rotormodulen angebracht werden.







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