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Regenerator

Ein Regenerator ist ein Wärmespeicher, der abwechselnd von einem heißen und einem kälteren Gas durchströmt wird, und der meist einer Art von Wärmerückgewinnung zwecks Erhöhung der Energieeffizienz dient. Seine Speichermasse nimmt vom heißen Gas Wärme auf und gibt diese später an das kältere Gas ab. Trotz der diskontinuierlichen Betriebsweise kann ein Regenerator als Wärmeübertrager bezeichnet werden; anders als andere Wärmeübertrager, die entscheidend auf Wärmeleitung z. B. durch eine Membran basieren, basiert er aber wesentlich auf der Zwischenspeicherung von Wärme. Als Erfinder und Entwickler der regenerativen Wärmeübertragung im Zusammenhang mit großen industriellen Anlagen gilt Edward Alfred Cowper; Robert Stirling hat andere Arten von Regeneratoren schon früher in seinen Stirlingmotoren (siehe unten) eingesetzt. Ähnlich enthält der Ericssonmotor einen Regenerator.

Wenn ein Paar von zwei Regeneratoren eingesetzt wird, kann für eine gewisse Zeit einer davon Wärme abgeben, während der andere beladen wird. Später wird die Betriebsweise umgekehrt. Dieses Prinzip wird beispielsweise bei regenerativen Brennern eingesetzt. Es gibt auch Regeneratoren als Mehrkammersysteme, wo quasi zwei oder mehr Regeneratoren als eine Baugruppe realisiert werden; damit ist ein quasi-kontinuierlicher Betrieb möglich.

Durch die zyklische Betriebsweise ist es nicht vermeidbar, dass gewisse Mengen von Gasen zwischen den Prozessen ausgetauscht werden. Wenn beispielsweise ein Regenerator mit Abgasen aufgeheizt und später für die Vorwärmung von Verbrennungsluft genutzt wird, kann die vorgewärmte Luft noch einen Anteil von Abgas enthalten. Dies spielt jedoch bei vielen Anwendungen keine große Rolle. Wenn dieses Problem vermieden werden müsste, könnte ein Wärmeübertrager eingesetzt werden, der dann auch für einen kontinuierlichen Betrieb geeignet wäre.

Je nach Anwendung können sehr unterschiedliche Wärmespeichermaterialien in Regeneratoren eingesetzt werden. Beispielsweise können lose natürliche Steine oder Ziegelsteine als ein billiges und robustes Material selbst bei relativ hohen Temperaturen genutzt werden (z. B. für die Erzeugung von Heißwind); die zwischen ihnen liegenden Hohlräume oder auch speziell angelegte Strömungskanäle erlauben den Transport des Gases ohne allzu großen Druckverlust. In anderen Fällen werden metallische Materialien verwendet, die leichter so gestaltet werden können (z. B. als Drahtgeflecht), dass sie eine sehr große Oberfläche haben und deswegen die Wärme mit den Gasen schneller austauschen können; sie sind deswegen und auch wegen ihrer viel höheren Wärmeleitfähigkeit auch für größere Strömungsgeschwindigkeiten geeignet. Auch strukturierte keramische Bauelemente kommen häufig zum Einsatz. Die Wärmeleitfähigkeit des Wärmespeichermaterials ist umso weniger wichtig, je feiner strukturiert das Material ist.

Die wesentlichsten Gesichtspunkte sind die erzielbare Wärmekapazität, der nutzbare Temperaturbereich und die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung. Hinzu können diverse andere Aspekte kommen, beispielsweise die Empfindlichkeit auf Verschmutzungen, der Aufwand für die Erneuerung von Materialien bei zu starker Verschmutzung oder bei Überhitzung im Betrieb, die Verminderung von Wärmeverlusten durch eine äußere Wärmedämmung oder die Minimierung von Gasmengen, die zwischen den beiden Prozessen ausgetauscht werden.

Typische Anwendungen von Regeneratoren

Große Regeneratoren werden seit langer Zeit für industrielle Prozesse eingesetzt, beispielsweise als Winderhitzer bei Hochöfen für die Gewinnung von Eisen und anderen Metallen sowie in der Glasindustrie. Hier ist es besonders wichtig, dass die eingesetzten großen Anlagen robust und zuverlässig arbeiten – trotz der großen Beanspruchungen durch den enormen Temperaturhub und Verschmutzungen der Gase.

Bei manchen Lüftungsanlagen wird ein Regenerator anstelle eines Wärmeübertragers mit Wärmeleitung durch eine Membran verwendet. Häufig wird dabei die Speichermasse als Rotationswärmeübertrager ausgeführt, d. h. sie befindet sich auf einem langsam rotierenden Rad, bei dem die eine Hälfte im Frischluftstrom liegt und die andere Hälfte im Abluftstrom. Zusätzlich zum Austausch von Wärme kann auch Luftfeuchtigkeit übertragen werden, wenn Wasserdampf an dem Material reversibel abgelagert (adsorbiert) werden kann.

Es gibt auch dezentrale Lüftungsgeräte, die z. B. mit jeweils einem Paar von Ventilatoren und dort angebrachten Regeneratoren arbeiten. (Die beiden Geräte können in möglichst großer Entfernung zueinander in Außenwänden eingebaut werden.) Die Drehrichtung der Ventilatoren wird periodisch umgekehrt. Dadurch wird zu jedem Zeitpunkt Frischluft von einem der Regeneratoren vorgewärmt, bevor sie in den Wohnraum gelangt, während die Abluft den anderen Regenerator wieder aufwärmt. Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass keine Lüftungsleitungen verlegt werden müssen; deswegen eignet sich diese Technik besonders für die Nachrüstung ohne wesentliche Umbauten.

Ein Stirlingmotor enthält einen beweglichen Regenerator in seinem Arbeitsraum. Er besteht häufig aus einem gasdurchlässigen Kupferdrahtgeflecht, welches Wärme mit dem Arbeitsgas austauschen kann, und dient gleichzeitig als Verdrängerkolben. Ein solcher Regenerator kann und muss nur geringe Wärmemengen austauschen, jedoch sollte der Wärmeübergang sehr schnell erfolgen, um den Betrieb mit hohen Drehzahlen und somit hohe Leistungen zu ermöglichen.

Vergleich mit Rekuperatoren

Von Rekuperatoren, also Wärmeübertragern, die auf der Wärmeleitung durch eine die Medien trennende Membran beruhen, unterscheiden sich Regeneratoren in verschiedener Hinsicht:

• Sie können naturgemäß nicht kontinuierlich betrieben werden – höchstens quasi-kontinuierlich bei Verwendung mehrerer Regeneratoren.
• Der diskontinuierliche Betrieb hat auch zur Folge, dass das Wärmespeichermaterial periodischen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Diese können vor allem wegen der entstehenden mechanischen Spannungen unter Umständen zur Alterung des Materials führen.
• Die Wärmeleitung spielt bei Ihnen eine deutlich geringere Rolle. Zwar muss auch hier die Wärme von der Oberfläche des Speichermaterials rasch genug in das Innere fließen können, jedoch ist dieser Aspekt zumindest bei stark strukturierten Speichermedien von geringerer Bedeutung. Deswegen sind Regeneratoren tendenziell auch weniger anfällig für die Effekte von Verschmutzungen, die den Wärmeübergang vermindern können.
• Es ist einfacher, eine große Oberfläche des Speichermediums eines Regenerators zu realisieren als eine große Wärmeübertrager-Oberfläche bei einem Rekuperator; deswegen können Regeneratoren tendenziell kompakter gebaut werden. Außerdem kann der Druckverlust bei gleicher Baugröße tendenziell geringer ausfallen.
• Wie oben bereits erwähnt, ist bei Regeneratoren ein gewisser Gasaustausch schwer vermeidbar, was aber oft nicht von wesentlicher Bedeutung ist. Beim Einsatz für Flüssigkeiten statt mit Gasen dürfte dies oft ein größeres Problem sein.

Siehe auch: regenerativer Brenner, Wärmerückgewinnung, Wärmeübertrager