Ein regenerativer Wärmetauscher , oder kurz Regenerator , ist ein Wärmetauschertyp, bei dem die Wärme des heißen Fluids intermittierend in einem Wärmespeichermedium gespeichert wird, bevor sie an das kalte Fluid abgegeben wird. Dazu wird das heiße Fluid mit dem Wärmespeichermedium in Kontakt gebracht und anschließend durch das kalte Fluid verdrängt, welches die Wärme aufnimmt. [ 1 ]

Bei regenerativen Wärmetauschern kann es sich bei dem Fluid auf beiden Seiten des Wärmetauschers um dasselbe Fluid handeln. Das Fluid durchläuft einen externen Aufbereitungsschritt und fließt dann in umgekehrter Richtung zurück durch den Wärmetauscher zur weiteren Aufbereitung. Üblicherweise wird dieser Prozess zyklisch oder wiederholt angewendet.

Die regenerative Erwärmung war eine der wichtigsten Technologien, die während der industriellen Revolution entwickelt wurden , als sie im Heißwindverfahren an Hochöfen eingesetzt wurde . [ 2 ] Später fand sie Anwendung in Glasschmelzöfen und der Stahlerzeugung, zur Steigerung der Effizienz von Siemens-Martin-Öfen sowie in Hochdruckkesseln und in der chemischen Industrie und anderen Bereichen, wo sie auch heute noch von Bedeutung ist.

Geschichte

Hochofen (links) und drei Cowper-Öfen (rechts), die zur Vorwärmung der in den Ofen geblasenen Luft verwendet wurden

Der erste Regenerator wurde 1816 von Pfarrer Robert Stirling erfunden und findet sich auch in einigen seiner Stirlingmotoren wieder . Die einfachsten Stirlingmotoren, darunter die meisten Modelle, nutzen die Zylinderwände und den Verdränger als rudimentären Regenerator. Diese Bauweise ist einfacher und kostengünstiger, aber deutlich weniger effizient.

Siemens Regenerativofen

Spätere Anwendungen umfassten das als Heißwindverfahren bekannte Hochofenverfahren und den Siemens- Regenerativofen (der zur Glasherstellung verwendet wurde), bei dem die heißen Abgase der Verbrennung durch feuerfeste Regenerationskammern geleitet und dadurch erhitzt werden. Anschließend wird die Strömungsrichtung umgekehrt, sodass die erhitzten Steine ​​den Brennstoff vorwärmen.

Edward Alfred Cowper übertrug das Regenerationsprinzip auf Hochöfen in Form des „Cowper-Ofens“, der 1857 patentiert wurde. [ 3 ] Dieser wird bis heute fast ausnahmslos bei Hochöfen eingesetzt.

Fünf regenerative Wärmetauscher von Cowper

Arten von Regeneratoren

Regeneratoren übertragen Wärme von einem Prozessfluid auf ein festes Zwischenspeichermedium, welches anschließend Wärme mit einem zweiten Prozessfluidstrom austauscht. Die beiden Ströme sind entweder zeitlich getrennt und zirkulieren abwechselnd durch das Speichermedium, oder räumlich getrennt, wobei das Wärmespeichermedium zwischen den beiden Strömen bewegt wird.

In Rotationsregeneratoren , auch Wärmeräder genannt , rotiert die Wärmespeichermatrix in Form eines Rades oder einer Trommel kontinuierlich durch zwei gegenläufige Fluidströme. Dadurch sind die beiden Ströme weitgehend voneinander getrennt. Jeweils nur ein Strom durchströmt einen Abschnitt der Matrix; im Laufe einer Umdrehung durchlaufen jedoch beide Ströme nacheinander alle Abschnitte. Als Wärmespeichermedium kann ein relativ feinkörniges Geflecht aus Metallplatten oder Drahtgewebe aus einer beständigen Legierung oder beschichtet sein, um chemischen Angriffen durch die Prozessflüssigkeiten zu widerstehen. Bei Hochtemperaturanwendungen kommt auch Keramik zum Einsatz. Im Vergleich zu einem Rohrbündelwärmetauscher bietet der Rotationsregenerator pro Volumeneinheit eine deutlich größere Wärmeübertragungsfläche – bis zu 1000 Quadratfuß Oberfläche pro Kubikfuß Regeneratormatrix, verglichen mit etwa 30 Quadratfuß pro Kubikfuß eines Rohrbündelwärmetauschers. [ 4 ]

Jeder Abschnitt der Matrix ist nahezu isotherm , da die Rotation senkrecht zum Temperaturgradienten und zur Strömungsrichtung und nicht parallel dazu erfolgt. Die beiden Fluidströme fließen im Gegenstrom. Die Fluidtemperaturen variieren über die Strömungsfläche; die lokalen Temperaturen der Ströme sind jedoch zeitunabhängig. Die Abdichtung zwischen den beiden Strömen ist nicht perfekt, sodass es zu einer gewissen Vermischung der Fluide kommt. Der zulässige Druck eines Rotationsregenerators ist im Vergleich zu Wärmetauschern relativ niedrig.

Patentzeichnungen für einen Rotationsregenerator, die die trommelförmige Matrix und die Dichtungen zur Verhinderung der Vermischung der Ströme veranschaulichen.
Ljungström-Rotationsregenerator

In einem Regenerator mit fester Matrix strömt ein einzelner Fluidstrom zyklisch und reversibel; man spricht von Gegenstromströmung. Dieser Regenerator kann Teil eines ventillosen Systems, wie beispielsweise eines Stirlingmotors, sein . In einer anderen Konfiguration wird das Fluid über Ventile in abwechselnden Betriebsperioden zu verschiedenen Matrizen geleitet, wodurch sich die Austrittstemperaturen mit der Zeit ändern. Beispielsweise kann ein Hochofen mehrere mit feuerfesten Steinen gefüllte Vorwärmer oder Kammern besitzen . Das heiße Gas aus dem Ofen wird für ein bestimmtes Zeitintervall, beispielsweise eine Stunde, durch das Mauerwerk geleitet, bis die Steine ​​eine hohe Temperatur erreichen. Anschließend öffnen sich Ventile und leiten die kalte Zuluft durch die Steine, wodurch die Wärme für die Nutzung im Ofen zurückgewonnen wird. In der Praxis verfügen Anlagen über mehrere Vorwärmer und Ventilanordnungen, die den Durchfluss zwischen einem heißen und einem benachbarten kalten Vorwärmer schrittweise umschalten, um die Schwankungen der Austrittslufttemperatur zu reduzieren. [ 5 ]

Ein weiterer Regeneratortyp ist der mikroskalige regenerative Wärmetauscher . Er besitzt eine mehrlagige Gitterstruktur, bei der jede Lage gegenüber der benachbarten Lage um eine halbe Zelle versetzt ist. Jede Zelle weist Öffnungen entlang beider Achsen senkrecht zur Strömungsachse auf. Jede Lage besteht aus zwei Teilschichten: einer Schicht mit hoher und einer mit niedriger Wärmeleitfähigkeit. Strömt ein heißes Fluid durch die Zelle, wird Wärme vom Fluid an die Zellwände abgegeben und dort gespeichert. Kehrt die Strömungsrichtung um, wird Wärme von den Zellwänden wieder an das Fluid abgegeben.

Ein dritter Regeneratortyp ist der sogenannte Rothemühle -Regenerator. Dieser Typ verfügt über eine feste, scheibenförmige Matrix, durch die Fluidströme mittels rotierender Hauben geleitet werden. Der Rothemühle- Regenerator dient als Luftvorwärmer in Kraftwerken. Seine thermische Auslegung entspricht der anderer Regeneratortypen.

Biologie

Nase und Rachen fungieren beim Atmen als regenerative Wärmetauscher. Die einströmende, kühlere Luft wird erwärmt, sodass sie als warme Luft die Lunge erreicht. Auf dem Weg nach draußen gibt diese erwärmte Luft einen Großteil ihrer Wärme an die Nasenwände ab, damit diese die nächste einströmende Luftmenge wieder erwärmen können. Einige Tiere, darunter auch der Mensch, besitzen in der Nase gekrümmte Knochenplatten, die Nasenmuscheln , um die Oberfläche für den Wärmeaustausch zu vergrößern.

Kryotechnik

Regenerative Wärmetauscher bestehen aus Materialien mit hoher volumetrischer Wärmekapazität und geringer Wärmeleitfähigkeit in Längsrichtung (Strömungsrichtung). Bei kryogenen (sehr niedrigen) Temperaturen um 20 K ist die spezifische Wärmekapazität von Metallen gering, weshalb ein Regenerator für eine gegebene Wärmelast größer dimensioniert sein muss.

Vorteile von Regeneratoren

Der Vorteil eines Regenerators gegenüber einem rekuperativen (Gegenstrom-)Wärmetauscher liegt in seiner deutlich größeren Oberfläche bei gleichem Volumen. Dadurch kann das Wärmetauschervolumen bei gleicher Energiedichte , gleichem Wirkungsgrad und gleichem Druckverlust reduziert werden. Dies macht einen Regenerator im Vergleich zu einem gleichwertigen Rekuperator hinsichtlich Material und Herstellung wirtschaftlicher.

Die Auslegung der Ein- und Auslassverteiler zur Verteilung heißer und kalter Fluide in der Matrix ist bei Gegenstromregeneratoren deutlich einfacher als bei Rekuperatoren. Dies liegt daran, dass bei einem Rotationsregenerator beide Ströme in unterschiedlichen Abschnitten fließen, während bei einem Festkörperregenerator jeweils nur ein Fluid in die Matrix eintritt und sie verlässt. Darüber hinaus lassen sich die Strömungssektoren für heiße und kalte Fluide in Rotationsregeneratoren so gestalten, dass der Druckverlust in den Fluiden optimiert wird. Die Matrixoberflächen von Regeneratoren weisen zudem selbstreinigende Eigenschaften auf, wodurch Ablagerungen und Korrosion auf der Fluidseite reduziert werden. Eigenschaften wie die geringe Oberflächendichte und die Gegenstromanordnung machen Regeneratoren ideal für Gas-Gas-Wärmetauscheranwendungen, die einen Wirkungsgrad von über 85 % erfordern. Da der Wärmeübergangskoeffizient für Gase deutlich niedriger ist als für Flüssigkeiten, erhöht die enorme Oberfläche eines Regenerators den Wärmeübergang erheblich.

Nachteile von Regeneratoren

Der größte Nachteil von Rotations- und Festmatrix-Regeneratoren besteht darin, dass sich die Fluidströme stets vermischen und nicht vollständig trennen lassen. Es kommt unweigerlich zu einem geringen Übertrag eines Fluidstroms in den anderen. Im Rotationsregenerator wird das übertragene Fluid in der Radialdichtung und der Matrix eingeschlossen, im Festmatrix-Regenerator verbleibt es im Hohlraum der Matrix. Dieser geringe Anteil vermischt sich im folgenden Halbzyklus mit dem anderen Strom. Daher werden Rotations- und Festmatrix-Regeneratoren nur eingesetzt, wenn eine Vermischung der beiden Fluidströme akzeptabel ist. Mischströmungen sind typisch für Gas-Gas-Wärme- und/oder Energieübertragungsanwendungen und weniger verbreitet bei Flüssigkeiten oder Phasenwechselmedien, da eine Verunreinigung der Flüssigkeiten oft unzulässig ist.

Der ständige Wechsel von Erwärmung und Abkühlung, der in regenerativen Wärmetauschern stattfindet, setzt die Komponenten des Wärmetauschers stark unter Druck, was zu Rissen oder Materialzerstörung führen kann.

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ Regenerative Wärmetauscher
  2. ^ Landes, David S. (1969). Der entfesselte Prometheus: Technologischer Wandel und industrielle Entwicklung in Westeuropa von 1750 bis zur Gegenwart . Cambridge, New York: Press Syndicate of the University of Cambridge. S. 92. ISBN 0-521-09418-6Die
  3. ^ Patentamt, Großbritannien (1858). Chronologisches und beschreibendes Register der angemeldeten und erteilten Patente, enthaltend die Auszüge aus den vorläufigen und vollständigen Patentschriften .
  4. ^ John J. McKetta Jr. (Hrsg.), Heat Transfer Design Methods , CRC Press, 1991, ISBN 0849306655, Seiten 101-103
  5. ^ Ramesh K. Shah, Dusan P. Sekulic: Grundlagen der Wärmetauscherkonstruktion , John Wiley & Sons, 2003, ISBN 0471321710Seite 55

Bibliographie