再生式換熱器和發電設備的製作方法

2023-06-30 15:52:51

本發明涉及一種再生式換熱器和具有這種換熱器的發電設備。

背景技術：

諸如再生式空氣預熱器之類的再生式換熱器使用在各個類型的蒸汽發電設備中，例如，為了利用離開鍋爐的煙氣的餘留的熱能而加熱被供應到鍋爐的燃燒空氣，並且因此以提高發電設備的效率。就這一點而言，優選地，燃燒空氣流或也可為主燃燒空氣流和次級燃燒空氣流，以及煙氣流根據容克原理被沿相反的方向引導通過旋轉的中間存儲容積(mass)。對這些也被稱為旋轉換熱器的裝置的進一步的典型應用在於作為氣體預熱器使用。另外，具有水平的或豎直的旋轉軸線的設計方案都是公知的。

當設計和運行這些再生式換熱器時，面臨的挑戰涉及發生在換熱器的熱發散側與熱吸收側之間的洩漏，該洩漏例如可能導致效率大幅降低。該洩漏的非常大的一部分可歸因於燃燒空氣和/或煙氣，該燃燒空氣從空氣部段經由轉子與固定外殼之間的圓周空間流動到煙氣部段中，該煙氣以非所期的方式流動到所述空氣部段中。以這種方式，降低了換熱器性能，並且空氣流與煙氣之間不再存在清晰的分隔，這例如還可能在空氣側和在諸如渦輪的下遊單元中造成汙染。公知的是，設置所謂的軸向密封件以避免這些洩漏影響。具體是密封隔離物(sealing barrier)的整個軸向密封件被獲得，該密封隔離物沿軸向方向或沿所述轉子的旋轉軸線的軸線方向延伸，尤其是在轉子的外周和定子的內周的區域中延伸。因此，軸向密封件的主要功能涉及減少來自空氣區域與煙氣區域的流體的傳遞/混合，或者總體來說，涉及減少熱吸收部分與熱發散部分的傳遞/混合。在這種情況下，密封件尤其是在轉子的外周沿轉子的旋轉方向發揮其作用，並且該密封件沿軸向方向延伸。此外，提供具有所謂的徑向密封件的通用型換熱器也是已知的，該徑向密封件主要涉及在流過轉子的流體的入口側或出口側上的密封件。本發明尤其涉及軸向密封。

現有技術已知的換熱器1的典型設計具有圖1和圖2所示的這種軸向密封。換熱器的被設計為中間存儲部的轉子2圍繞中心軸線沿箭頭U的方向在外殼內旋轉，該外殼也被稱為定子22，其將轉子20包圍在其外周中。徑向壁7在轉子內分別沿徑向方向從轉子22的中心向外延伸。布置在該徑向壁之間的是中間存儲元件31，該中間存儲元件的功能是例如從位於熱側H的煙氣流交替地吸熱並將熱傳遞到燃燒空氣流或傳遞到流過位於換熱器1的冷側C的轉子2的流體。例如，為了此目的使用由諸如鐵的具有良好的導熱性能的材料構成的薄板。密封間隙沿徑向方向位於轉子與定子之間。設置有用於沿轉子的旋轉方向封閉該密封間隙的軸向密封件。在每一種情況下，軸向密封件3由相對於定子22固定安裝的密封板24構成，該密封板連同具體被緊固在徑向壁7的端部處的條帶片8對空氣部段和煙氣部段形成密封。此外，密封壁D1和D2存在於轉子2的上方和下方(未示出)，該密封壁將熱側H與冷側C分隔開，並且該密封壁被固定而不相對於定子22旋轉。因此，轉子2沿著所述密封壁或密封板D1和D2沿方向U旋轉。密封壁包括未詳細示出的徑向密封件。

例如DE 69700699T2具體地公開了這種具有軸向密封件的再生式換熱器，其中，將板作為固定的密封元件使用。另外，條帶片被安裝在處於隔離片的外端部上的轉子上，該條帶片顯著地從所述轉子的圓周表面沿徑向方向突出超過密封間隙，並且該條帶片連同固定的定子側的板能夠在圓周空間中對煙氣側和空氣側進行密封，或者對相對於冷側C而言的熱側H進行密封。

CN 101614403也描述了一種軸向的密封件，該軸向的密封件用於具有安裝在轉子上的徑向突出的條帶片的再生式換熱器，該密封件對密封刷(sealing brush)進行密封，該密封刷相應地被固定安裝在板上。WO 0190646A1涉及一種用於使再生式換熱器的徑向密封件和軸向密封件現代化的方法。在這種情況下，安裝到轉子的徑向突出的旋轉條帶片也被用在軸向密封件的區域中，該密封件對固定的板進行密封。US 2002112842 A1涉及軸向密封板的設計，與所有之前提及的文件類似地，該軸向密封板被用作為抵靠旋轉的轉子的固定密封單元。最後，US 5727617 A涉及一種用於使密封板(即，徑向的扇形板以及軸向的板)穩固的方法。這裡再次地，所描述的軸向密封件是基於固定的密封板的。

然而，這種傳統的軸向密封件設計包括若干缺點。一方面，應當提到的是密封板的極大的重量，這需要在定子上進行複雜的和耗時的裝配以及維護工作。另外，密封件不能被適當地控制，然而為了在所有的負載條件下最優的密封效果，對密封板位置進行的後續調節是必要的，以使密封板與條帶片之間跨過整個長度的由於轉子和外殼在運行期間變形產生的間隙最小化。然而，對於目前的軸向密封件設計這是不可能的，或者只有進行了相當大的努力才有可能。另外，另一個缺點是在軸向密封件的區域中的槽道(sluice)洩漏。發生槽道洩漏是由於下述事實：在轉子旋轉的期間，燃燒空氣流或煙氣流的一部分被牽引到兩個相鄰的條帶片之間的無效空間(dead space)中，例如使得煙氣被以非所期的方式「劃攪(paddle)」到冷側C。除了軸向洩漏之外還發生該槽道洩漏，該槽道洩漏是由於空氣側與煙氣側之間的壓力差而發生的。

技術實現要素：

因此，本發明的目標是提供一種具有最優的軸向密封系統的通用型再生式換熱器，該軸向密封系統要輕得多並且因此更為具有成本效益、更高效、以及更易於維護，並且在該軸向密封系統中，尤其避免了前述的缺點或者至少減少了前述的缺點。

通過獨立權利要求的主題實現了目標。在從屬權利要求中詳細說明了優選實施例。

具體地，通過一種再生式換熱器來實現該目標，在該再生式換熱器中，轉子包括圓周狀的、均勻的且封閉的密封表面。因此，包圍轉子的轉子圓周的至少一部分被構造為不具有沿徑向方向的突出部，並且形成了沿旋轉方向不具有中斷部和/或突出部和/或凹部的連續的圓周外殼表面，該圓周外殼表面尤其構成了用於密封單元的密封元件的接觸和密封表面，該密封單元起始於定子並且沿徑向方向延伸超過密封間隙。同時，密封單元沿軸向方向延伸過轉子的軸向高度的至少80％，尤其延伸過該軸向高度的至少85％，並且更尤其延伸過該軸向高度的至少90％。這確保了軸向密封件沿軸向方向延伸過足夠大的區域，以實現有效的軸向密封。本發明還包括：至少一個密封元件不直接與轉子的密封表面鄰接，而是至少儘可能靠近該密封表面(特別地，間距幾釐米，更特別地，間距幾毫米)。這能夠減小磨穿密封表面和/或密封元件的跡象(sign)。然而，根據該替代方案，尤其具有至少一個密封元件的密封裝置朝向具有上述的平滑密封表面的轉子突出到密封間隙中。因此，換言之，對於轉子的厚度或該轉子沿軸向方向的高度，該轉子至少在部分上(尤其是在整個圓周上)被均勻的、封閉的轉子殼所界定。厚度或沿軸向方向的高度是指：轉子沿其旋轉軸線的軸向方向在該轉子的相互面對的側之間的距離，即，轉子具有豎直的旋轉軸線的情況，因此該轉子沿軸向方向的高度在該轉子的頂側與下側之間，其中排除掉中心軸連接件的區域。因此，至少在密封表面的區域中，轉子的形狀被設置為圓筒形，或者具有圓筒的外圓周表面。完全包圍轉子的該均勻的區域現在被用於密封的目的。根據本發明，轉子的徑向壁的端部不再凸出到轉子與定子之間的密封間隙中。因此，幾乎完全消除了通過徑向壁端部之間的無效空間發生的槽道洩漏。因此，相比於現有技術中已知的設計方案，本發明是基於以某種方式將軸向密封件的設計方案顛倒的構思。現設置封閉的轉子殼來代替局部的、定子側的密封板，該轉子殼充當轉子側上的圓周包圍密封表面。以這種方式，可省去對密封板進行的耗時的後續調節。另外，不再必須在轉子上布置多個沿著轉子的圓周分布的密封板，例如可使得維護操作大為減少。

根據本發明，至少部分是平滑的並且不具有凸起的轉子圓周原則上能夠通過各種類型和方式來實現。在最簡單的情況下，沿徑向方向在外部布設的轉子的格室(cell)的外壁各自設有彎曲的外壁，該彎曲的外壁整體構成了圓形的、圓周狀的外壁。然而，優選地存在無效空間環圈，該無效空間環圈被布置在轉子的實際換熱區域與該轉子的外殼表面之間。出於換熱的目的，該區域被設計為不具有流過其的流體，而是主要用作提供密封表面和另外的密封功能，例如，在外部區域中的徑向密封。然而，無效空間環圈優選地由多個沿旋轉方向布置在轉子的外部區域中的間隔部個體構成，該多個間隔部個體尤其在徑向的壁的延伸部中將轉子分割為多個部段。在這種情況下，例如可設置匣格(cassette)，該匣格被附接到徑向壁的端部，並且與該徑向壁的外壁共同構成了根據本發明要求的圓周狀的密封殼壁。在這種情況下，在裝配的狀態下於這些匣格的遠離定子的內側上，該匣格尤其被額外地使用橫撐(strut)進行加強。以這種方式，匣格可更好地承受再生式換熱器中有時發生的極端溫度波動。

無效空間環圈優選地被設計為朝向頂部和/或底部封閉，或者，當沿軸向方向觀察時，該無效空間環圈例如在一側的外側或者在兩側的外側穿過尤其出於該目的設計的橫撐，或者穿過替代性的外壁/外密封件。這額外地確保了匣格的內空間也不能作為流體在熱側與冷側之間傳遞並因此導致槽道洩漏的媒介。

當在轉子與定子之間的密封間隙的定子側存在封閉的轉子圓周的配對物時，可實現軸向密封件的尤其良好的密封效果，該配對物充當密封件。因此，再生式換熱器包括安裝在定子上的密封單元，該密封單元尤其被布置為基本固定在定子的面對轉子的一側上，並且該密封單元與封閉的轉子殼共同構成了軸向密封件。基本固定至定子在上下文中應被理解為：也包括密封單元尤其沿徑向方向的可能的調節移動，例如，用以抵消尤其是密封元件上的熱變形和/或磨損效應。在這裡，重要的方面是，從定子凸出到密封間隙中的密封單元不隨轉子旋轉。

因此，該密封單元優選地被構造為可調節的密封元件，至少該密封單元能夠相對於密封表面進行後續的調節。在運行中，可調節的密封單元在運行期間優選地通過基於彈簧加載的調節系統來進行調節，該彈簧加載例如包括彈簧，該彈簧以恆定的方式將可調節的密封單元輕微地壓到封閉的轉子圓周上。替代地，可通過氣動、電動的方式對調節單元進行致動，並且/或者液壓的方式在這種情況下也是可行的並且也被本發明所涵蓋。

再生式換熱器的轉子藉助於包括多個接合元件(例如，鏈輪螺栓或齒輪結構的側翼面)的鏈輪被頻繁地驅動。優選地，鏈輪被布置在轉子的面對定子的表面或側面上。於是提供了起始於定子側的對應的驅動部，例如，具有接合元件的驅動輪。優選地，鏈輪被布置為偏離轉子殼的中心(與該轉子殼的沿旋轉軸的方向的軸向延伸部有關)，該鏈輪尤其在該轉子殼的下三分之一或上三分之一處，優選地，在面對冷側的三分之一處。對該實施例尤其優選的是，如上文所述的圓周狀的、封閉的密封表面分別存在於鏈輪的上方和下方。對存在的密封表面進行倍增而不對鏈輪進行前述的特定布置當然也是可行的，並且被本發明所涵蓋。以這種方式，軸向密封可以既在鏈輪上方也在鏈輪下方，使得得到了特別良好的密封結果。

對於最廣泛的密封而言，鏈輪的區域代表涉及對軸向密封件的密封效果的關鍵區域，因為出於功能性的原因，在該位置處密封元件不是恆定地接觸在轉子上。因此，對於該區域優選的是，採取用於密封的替代特徵。就這一點而言，尤為優選的是，設計了存在特殊的密封板或者設置有定子側密封裝置的密封物/條帶片，以使得該密封板或該密封條帶片包括沿徑向方向延伸到鏈輪的凸出部。以這種方式，密封板的密封邊緣和鏈輪的外側之間的自由空間可保持較小。凸出部的尺寸被設置成：使得該凸出部凸出到鏈輪凹部中。

此外，當沿徑向方向觀察時，如果在鏈輪的接合元件的外部區域之間在轉子側上存在密封裝置則是最優的，該密封裝置沿轉子的旋轉方向對多個接合元件個體之間的自由空間進行密封。為此，例如可存在凹的隔離壁/片，其將相鄰定位的接合元件沿旋轉方向朝向定子牢固地彼此連接。就這一點而言，必須考慮的是，轉子的驅動部仍需要能夠以無阻礙的方式與鏈輪螺栓接合。因此，這種隔離壁例如可包括：基本沿旋轉方向延伸的後壁部分和以一定角度朝向接合元件延伸的兩個側壁部分。替代地，該隔離壁還可被設計為朝向轉子中心彎曲或彎折。

再生式換熱器大體按照逆流原理來工作，並且該再生式換熱器相對於轉子的互相面對的側包括潔淨側和冷側。因此，旋轉的轉子具有同時流過其的待冷卻的熱的流體和待加熱的冷的流體。在該過程中，轉子圍繞其旋轉軸線旋轉(在後續使用的表述「沿軸向方向」與旋轉軸線的方向有關)。因此，在旋轉期間，轉子的大概一半被加熱(在這裡，流體將熱耗散至轉子)並且大概另一半被冷卻(在這裡，流體從轉子吸收熱)。軸向密封件對轉子的外圓周區域中的兩個半部彼此密封，以防止或至少減少該區域中的洩漏。就這一點而言，軸向密封件可被設計為單區域密封件，單區域密封件在熱側與冷側之間具有單個密封單元。然而優選地，軸向密封件被形成為多區域的，優選地為至少兩個區域的密封件，在該軸向密封件中，兩個密封單元被布置為在潔淨側與廢氣側之間彼此間隔開。因此，區域如沿轉子的旋轉方向觀察的那樣確定。

特別地，密封單元優選地包括至少一個密封頭，在該至少一個密封頭上安裝有至少一個密封物或條帶片，優選地安裝有多個密封物或條帶片，優選地，密封物/條帶片至少近似垂直地從密封頭的面對轉子的側凸出。優選地，通過力的加載，條帶片對封閉的密封表面進行密封並且與該密封表面鄰接。密封板從定子側凸出到密封間隙中並且儘可能近地延伸到密封表面但不摩擦該密封表面。對軸向密封件使用條帶片提供了下述優點：該條帶片具有成本效益並且在必要時能夠快速並簡單地進行更換，以及，由於該條帶片的最低限度的重量，還能夠調節其位置而無需花費大量的精力。典型地，條帶片被設計為封閉的、板狀的片並且具有0.5mm到2.5mm的厚度，該厚度優選地為0.75mm到2mm，並且尤其優選地為1mm到1.5mm。此外，優選地，這些條帶片分別被設計為一個一體件，並且作為一體件沿軸向方向延伸過轉子的軸向高度的至少80％，優選地延伸過軸向高度的至少85％，以及更為優選地延伸過軸向高度的至少90％。

如果密封物/條帶片具有基本為矩形的幾何形狀並且在鏈輪的區域中具有額外的矩形凸出，部則是優選的。然而，特別地，密封物/條帶片在其處於外邊緣與側邊緣之間的過渡區域中可以為圓形的或有角度的。這能夠有助於減少對條帶片的磨損。

密封物/條帶片的數量在原則上是可變的。然而，優選地，密封單元包括介於2到20個之間的密封物/條帶片，尤其包括介於5個到10個之間的密封物/條帶片，並且更尤其包括8個密封物/條帶片。根據替代實施例，密封物/條帶片未被設計為封閉的、板狀的片，而是被設計為密封刷。

原則上可用各種適合的力源來實現經由調節裝置將密封單元壓靠在封閉的轉子圓周上。然而，作為尤其簡易和健壯的方法，對彈簧的使用已被驗證，用該彈簧來對密封單元加以荷載。例如，在這種情況下可使用壓力彈簧/螺旋彈簧。

出於調節的目的，優選地，密封單元在導軌上移動，該導軌被沿徑向方向布置到轉子並且因此使得密封單元能夠具有到轉子的不同的調節距離。

還可想到的是，多個密封單元被彼此連接或被機械地聯接，以例如用共同的調節裝置來對這多個密封單元進行調節。於是密封單元可被沿軸向方向或沿轉子的圓周方向彼此間隔地布置。

為了簡化根據本發明的再生式換熱器的維護過程，根據優選的實施例，軸向密封件包括用於密封單元的維護裝置，當條帶片上可能出現磨損的跡象時，使用該維護裝置可對密封單元進行更換。特別地，維護裝置可包括導軌系統，通過該導軌系統可將密封單元從密封位置移除並且進行更換。更優選地，這涉及上文所述的同一條導軌，在該導軌上密封單元還被螺旋彈簧推動抵靠轉子殼的外表面。

根據本發明的類型的再生式換熱器可被用在將被加熱的廢氣釋放到環境中的任何設備中。就這一點而言，這些類型的換熱器能夠回收熱能並且還能夠被用作過濾器的入口點，以使得除了經濟效益之外，該換熱器還能夠有助於保護環境。特別地，根據本發明的再生式換熱器被用在發電設備中。因此，此外使用包括上述類型的再生式換熱器的發電設備來實現所述目標。

附圖說明

在下文中參照在附圖中示出的示例性實施例，本發明將被更詳細地說明。在示意圖中：

圖1示出了現有技術的再生式換熱器的平面圖；

圖2示出了圖1的軸向密封件區域的放大細節視圖；

圖3示出了根據本發明的再生式換熱器的平面圖；

圖4示出了根據本發明的再生式換熱器的軸向密封件的平面圖；

圖5示出了根據本發明的再生式換熱器的轉子圓周的透視側視圖；

圖6示出了用於根據本發明的再生式換熱器的匣格的透視側視圖；

圖7示出了根據本發明的再生式換熱器的軸向密封件的透視平面圖；

圖8示出了根據本發明的再生式換熱器的鏈輪區域的側視圖；

圖9示出了根據本發明的再生式換熱器的鏈輪區域的透視平面圖；

圖10示出了根據本發明的再生式換熱器的密封單元區域的平面圖。

具體實施方式

在附圖中通過相同的附圖標記來指代相同的部件，在某些情況下省略了對附圖中重複出現的部件的重複性指代。

圖3和圖4以平面圖的形式示出了根據本發明的再生式換熱器1，圖4尤其以細節視圖的形式示出了軸向密封件3的區域。對於基本結構，請參照根據圖1和圖2的前述的現有技術。在運行中，轉子2圍繞旋轉軸線R旋轉。

與現有技術相反，圖3和圖4的視圖特別地示出了圓周狀的、圓形的、封閉的密封表面25，所述密封表面沿圓周方向不具有突出部或中斷部。另外，設置了安裝在定子22上的可調節的密封單元5。

被布置在轉子的外圓周區域中的匣格(cassette)6形成了環形的無效空間區域10或無效空間環圈，該無效空間區域或無效空間環圈被徑向的壁7的外端部11分割或分隔，並且因此構成了封閉的密封表面25。圓周狀的無效空間區域10不具有流過其的流體，並且因此主要不是起換熱的作用。無效空間環圈沿旋轉方向形成了基本為圓形的無障礙的密封表面25，並且另外，可使得能夠改善轉子的外邊緣區域中(也是沿徑向方向)的密封效果。

密封單元5被安裝在定子22的側部上，並且從所述定子22延伸，使得條帶片超過轉子2與定子22之間的密封間隙23，直至密封表面25並且與該密封表面鄰接。密封單元5能夠沿徑向方向調節並且在其面對轉子2的側上各自包括多個條帶片8，該多個條帶片密封封閉的密封表面25。

圖5和圖6進一步示出了密封表面25的封閉結構。在圖5中可根據透視圖辨識出，轉子2具有兩個封閉的密封表面25，這兩個密封表面以一個在另一個的頂部的方式布置，這兩個密封表面被用於驅動轉子2的鏈輪15彼此分隔開。如沿軸向方向A或沿轉子2的旋轉軸線R的方向所見的，鏈輪15因此被布置在兩個密封表面25之間。同樣地，環形的無效空間區域10在這裡是可見的，其構成了轉子2的外圓周。因此，軸向方向A以垂直於旋轉方向U的方式延伸。轉子2沿軸向方向A具有高度h。密封單元5的條帶片8延伸過轉子的高度h的至少80％，尤其延伸過至少高度h的85％，以及更尤其延伸過高度h的至少90％，以實現有效的軸向密封。

在圖6中，更為詳細地再次示出了匣格6，尤其是在安裝狀態下示出了匣格6的遠離定子的內側12。匣格6在內側12上被橫撐13加強，儘管在再生式換熱器1中有時發生極端的溫度波動，但是該橫撐仍提供了匣格6的足夠的穩定性。

圖3到圖6尤其示出了：匣格6因此能夠提供轉子的基本為圓形的外圓周表面，根據本發明，該外圓周表面被用作作為軸向密封件的一部分的密封表面。所述匣格沿徑向方向向外地將沿徑向方向的布設在外部的換熱器間隔部的直的、非圓形的設計補償為圓形的外壁，該外壁的形狀被設置為圓形部段。因此，對於再生式換熱器的這種轉子的傳統的間隔部設計不需要進行耗時的修改，即可提供轉子的基本為圓形的外殼表面。

為了對無效空間環圈的每個間隔部進行密封，沿軸向方向A在上部外壁端部和下部外壁端部上觀察，朝向匣格6沿徑向方向布設在外部的換熱器間隔部的外壁片各自包括一個彎曲的片K，該彎曲的片沿徑向方向朝向轉子的外殼區域突出。彎曲的板K還可為單獨的壁元件，並且附加地或替代性地，該彎曲的片為匣格6的一部分。彎曲的片K沿軸向方向向外地封閉相應的間隔部的無效空間。

替代地，也可想到的以及被本發明所涵蓋的是，免除匣格元件，並且使轉子的沿徑向方向向外布設的間隔部的外壁直接設置有：成形為圓形部段的外壁。

圖7以透視平面圖的形式示出了根據本發明的再生式換熱器1的軸向密封件3的雙區域實施例的密封區域。除了在之前的附圖中示出的再生式換熱器1的元件之外，在這裡還描繪了密封單元5的調節裝置14。這些調節裝置被構造成：使得密封單元5的條帶片8一直壓靠封閉的密封表面25。

如圖8和圖9所示，對軸向密封件3的密封而言的關鍵區域為鏈輪15的區域。為了改善密封的效果，條帶片8在該位置處具有突出部16，該突出部延伸到鏈輪15的被設計為具有鏈輪螺栓17的凹部的區域中。同時，在該鏈輪螺栓的遠離定子的側上，通過隔離片18對鏈輪螺栓17進行密封。兩個特徵在該位置處大幅減小了轉子2與定子22之間的密封間隙23的橫截面，並且因此有助於軸向密封件3的尤其有效的工作。隔離片18各自被應用到鏈輪螺栓17的後側，並且用由兩個傾斜的、向內延伸的縮進表面30構成的向內彎曲的表面將這些鏈輪螺栓與連接表面29連接。

圖10示出了調節裝置14的運行方式，該調節裝置通過由螺旋彈簧19施加的彈簧負載使軸向密封件3(並且尤其是條帶片8)壓靠封閉的密封表面25。此外，在這裡還示出了具有導軌21的維護裝置20，當在運行中由於條帶片8的磨損而變得有必要進行更換時，則具有條帶片8的整個密封單元5可在該維護裝置上更換而無需花費大量的精力。