CH643349A5

CH643349A5 - Waermetauscher aus keramischem material und verfahren zu seiner herstellung.

Info

Publication number: CH643349A5
Application number: CH853579A
Authority: CH
Inventors: Axel Krauth; Horst R Maier; Hans-Juergen Pohlmann; Siegfried Foerster; Manfred Kleemann
Original assignee: Rosenthal Technik Ag; Kernforschungsanlage Juelich
Priority date: 1978-09-23
Filing date: 1979-09-21
Publication date: 1984-05-30
Also published as: ATA623179A; AT366494B; NO147224C; SE444072B; DE2841571C2; FR2436956A1; NO147224B; DE2841571A1; SE7906715L; GB2033570B; NO793039L; FR2436956B1; GB2033570A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher aus keramischem Material, mit einem Block, in dem nebeneinander angeordnete und parallel verlaufende Strömungskanäle der Hochdruck- und der Niederdruckseite ausgeführt sind, die Zu- und Abströmöffnungen für im Wärmeaustausch stehende Medien aufweisen, wobei die jeweils benachbarten Strömungskanäle, in welchen die im Wärmeaustausch stehenden Medien strömen können, eine gemeinsame Trennwand aufweisen, und wobei die Strömungskanäle abwechselnd gegeneinander in Richtung der Zuströmöffnung versetzt sind.

Solche rekuperativen Wärmeübertrager sind besonders für Gasturbinen geeignet, wobei keramische Werkstoffe wie SiC, Siliziumnitrid und Cordierit eingesetzt werden. Auch wird ein solcher Wärmetauscher bereits in der DE-OS 2707290 vorgeschlagen ; er weist eine U-förmige Medienführung auf. Des weiteren wird in der DE-OS 2453961 ein rekuperativer Wärmetauscher insbesondere für Gasturbinen mit einer vorzugsweise kreuz- oder Z-förmigen Medienführung aus Metall oder Keramik beschrieben. Ebenfalls ist ein röhrenförmiger Plattenwärmetauscher aus Metall mit L-förmiger Medienführung aus der US-PS 2,430,270 bekannt geworden. Letzterer Wärmetauscher wird insbesondere zum Erhitzen von Luft oder Flüssigkeiten eingesetzt, wobei man heisse Verbrennungsgase als Heizmedium benutzt. Der Wärmetauscher ist von einfacher Konstruktion und kann für Reinigungszwecke leicht zerlegt werden. Für eine Hochtemperaturanwendung ist ein solcher Wärmetauscher aber nicht geeignet.

Insbesondere in der Automobilbranche zur Entwicklung von wirtschaftlichen Fahrzeuggasturbinen braucht man aber Wärmetauscher, die Gastemperaturen von etwa 1300° Cvertragen. Deshalb kommen als Wärmeübertragungsmaterialien hierfür nur keramische Werkstoffe in Frage. Auch konnte man bei Regenerator-Wärmetauschern mit seinen drehenden, keramischen Scheiben die Probleme nicht vollständig lösen, so dass man nun auf den Rekuperatortyp zurückgreift. Für solche oder für andere Verwendungszwecke geeignete Wärmetauscher sollen dabei einen hohen Ausnutzungsgrad, kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht aufweisen. Ferner wird verlangt, dass solche keramischen rekuperativen Wärmetauscher zuverlässig arbeiten und billig herzustellen sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen keramischen rekuperativen Wärmetauscher zu schaffen, der in einfacher Weise mit Anschlüssen für die im Wärmetausch stehenden Medien versehen werden kann. Darüber hinaus soll ein solcher keramischer Wärmetauscher mit möglichst geringem Fertigungsaufwand herstellbar sein.

Diese Aufgabe wird beim Wärmetauscher der eingangs genannten Art erfindungsgemäss so gelöst, wie dies im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definiert ist.

Varianten hinsichtlich der Öffnungen auf den Deckwandungen sind in den abhängigen Ansprüchen näher beschrieben. Des weiteren können zumindest die unter Niederdruck stehenden Strömungskanäle Abstützungen aufweisen. Für die Herstellung solcher keramischer Wärmeübertrager mit L-förmiger Medienführung eignet sich die Säge-, Strangpress- und Folientechnik.

Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 bis 3 ein erstes Ausführungsbeispiel in perspektivischer Darstellung und mit den Schnitten II und III,

Fig. 4 bis 6 Aufsicht und Längsschnitte V und VI eines in der Säge- bzw. Frästechnik hergestellten Wärmetauschers,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines in der Strangpresstechnik gefertigten Wärmeübertragers und

Fig. 8 bis 10 ein in der Folientechnik hergestellter Wärmeübertrager mit den Schnitten IX - IX und X - X.

In Fig. 1 bis 3 ist die L-förmige Medienführung in einem Wärmeübertragerblock 1 dargestellt. Aufbaumässig zeigt der rekuperative Wärmeübertrager nebeneinander angeordnete parallel verlaufende Strömungskanäle 2,3, wobei die jeweils

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benachbarten Strömungskanäle eine gemeinsame Trennwand 7 aufweisen. Hinsichtlich der Abmessungen der Strömungskanäle hat sich für die Hochdruckseite 2 die Schlitzbreite mit 0,8 mm und für die Niederdruckseite 3 mit 1,6 mm als günstig erwiesen. Zusätzlich können die Strömungskanäle 3 der Niederdruckseite mit Abstützungen 18 verstärkt werden. Dadurch treten auch infolge der mehrfachen Querschnittsverengung höhere Strömungsgeschwindigkeiten und Wirbelbindungen auf, die eine wirksame Steigerung des Wärmeübergangs mit sich bringen. Weitere Teile sind die Deckwandungen 8,9 sowie die kammartigen Endstücke 10, die zusammen die eigentlichen Bauelemente des Wärmeübertragers bilden. Des weiteren werden die offenen Stirnseiten 4,5 mit kammartigen Endstücken 10 so verschlossen, dass die Strömungskanäle 2,3 eine L-förmige Medienführung bilden. Durch Anschlüsse an den Öffnungen 11 und 12 erfolgt der Zustrom von Gasen oder Flüssigkeiten in der Pfeilrichtung gekennzeichneten Art und Weise, womit der Wärmeaustausch im Gegenstromprinzip erfolgt. Dabei können sich die Zuströmöffnungen 11 und 12 sowohl nur auf der einen oder jeweils auf den entgegengesetzten Seiten der Deckwandungen 8,9 befinden.

Grundsätzlich lässt sich noch anführen, dass sich die einzelnen Teile für den einflutigen Wärmeübertrager vorteilhaft aus den keramischen Massen Siliciumnitrid, Siliziumcarbid und Cordierit herstellen lassen, die im gebrannten Zustand eine hohe Temperaturbeständigkeit bis 1300° C und mehr aufweisen als auch durch eine gute Temperaturschockbeständigkeit gekennzeichnet sind. Insbesondere werden durch die höhere Temperaturbelastbarkeit Anwendungsmöglichkeiten eröffnet, die mit metallischen Wärmeübertragern nicht möglich sind. Dagegen lässt sich mit Keramik ein feingliedriger Aufbau von Rekuperatoren wie es von den Metallen bekannt ist, nicht ohne weiteres durchführen. Deshalb müssen einzelne Herstellungsschritte und Abmessungen so aufeinander abgestimmt werden, dass man sowohl eine optimale technische als auch wirtschaftliche Fertigung erhält.

Der Wärmeübertrager nach Fig. 4 bis 6 ist mit Hilfe der Fräsbzw. Sägetechnik gefertigt, wobei Siliziumnitrid als Werkstoff besonders geeignet ist. Ausgegangen wird von einem isostatisch gepressten und vornitrierten Block, in den von der Seite mit der späteren Deckwandung 8 die Strömungskanäle 2 mittels Diamantenschleifscheiben eingefräst werden, so dass die erste Stirnseite 5 vorerst verschlossen bleibt. Um möglichst gleichbleibende Schlitzbreiten zu erhalten und ein Ausbrechen der Trennwandungen 7 zu vermeiden, wird der Schleifstaub mit einer Druckluftdüse nahe an der Schnittstelle sofort ausgeblasen. Damit tritt auch eine zusätzliche Kühlung ein, wodurch die Wärmespannung in der Scheibe vermindert wird. Sowohl die einzelnen Deckwandungen 8,9 als auch der Block 1 sind vorher planparallel geschliffen worden. In die Deckwandung 8 wird zusätzlich eine Ausnehmung eingearbeitet, die als Eintrittsöffnung 11 in Form eines Fensters 6 für das Hochdruck-Medium dient. Anschliessend wird die Deckwandung 8 so behandelt, dass sich das Fenster 6 an der noch geschlossenen Stirnseite 5 befindet. Der Körper wird dann mit der Deckseite 8 nach unten auf die Fräse gelegt und die Gegenseite wird durchgehend mit Strömungskanälen 3 der Niederdruckseite versehen, wobei die Sägeblätter am Ende der Stirnseite 4 so abgesenkt werden, dass die Schlitze 17 für die Niederdruckseite in der Deckwandung 8 entstehen. Falls notwendig, werden auch von dieser Seite in die Strömungskanäle 3 die Abstützungen 18 eingebracht. Danach werden die Strömungskanäle 3 auf der Stirnseite 4 mit einem Endstück 10 verschlossen, so dass an dieser Seite nur noch die Strömungskanäle 2 geöffnet sind. Als letzter Formgebungsschritt erfolgt das

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Anbringen der geschlossenen Abdeckung 9. Der so gefertigte Wärmetauscher wird dann zwischen 1350 und 1500° C fertig nitriert.

In Fig 7 ist der einflutige keramische Wärmeübertrager nach der Strangpresstechnik dargestellt. Die besondere Ausbildung der Strömungskanäle erzielt man durch entsprechende Kerne im Mundstück der Vakuumpresse. Beispielsweise kann das Mundstück so ausgebildet sein, dass breite Strömungskanäle 3 und etwas längere dünne Strömungskanäle 2 geformt werden. Der Pressstrang wird dann auf die entsprechende Länge des Wärmeübertragerblockes 1 geschnitten. Die Zuströmöffnung 11 für die Hochdruckseite erhält man, indem man die Strömungskanäle 2 durch die Deckwandung 8 in Form eines Fensters 6 freilegt. Die Öffnung der Strömungskanäle 3 für die Niederdruckseite auf der Deckwandung 8 erfolgt durch Einfräsen von Schlitzen 17 in Richtung der Strömungskanäle 3 in der Nähe der Stirnseite 4. Schliesslich werden die kammartigen Endstücke 10 auf den beiden Stirnseiten 4,5 angebracht, die so ausgebildet sind, dass eine L-förmige Medienführung vorliegt. Anschliessend wird der so hergestellte Wärmeübertrager dem Sinterprozess unterworfen.

Der blockförmige Wärmeübertrager 1 kann auch aus einzelnen rechteckigen oder quadratichen Folien bzw. Blättern hergestellt werden, wie aus Fig. 8 bis 10 hervorgeht. Den Wärmeübertragerblock erhält man, indem man beispielsweise wechselweise auf dünnere 15 und dickere 16 Abstandshalter ausgestanzte Folien 19 legt und den Stapel durch die beiden Grundplatten 13 und 14 seitlich begrenzt. Durch die äusseren Ränder der Abstandshalter 15,16 und der Folien 19 entstehen die Deckwandungen 8 und 9. Die Abstandshalter 15 und 16 sind entweder stranggezogen oder isostatisch gepresst. Fertigungstechnisch ist es dabei günstiger, das Fenster 6 einzufräsen als die Abstandshalter 15 und 16 in diesem Bereich zu unterbrechen. Die Eintrittsöffnung 12 für die Niederdruckseite mit den breiten Schlitzen 17 wird durch Unterbrechung der Deckwand 8 in den Abstandshaltern 16 erreicht. Die Rohfestigkeit des Wärmeübertragerblockes wird erhalten, indem man ihn entweder einem Kalt- oder einem Heisslamellierungsprozess unterwirft. Beim Heisslamellieren werden Temperaturen zwischen 80 und 150° C erreicht und ein mässiger Druck von ca. 20 kg/cm2 angewendet, um ein Zusammenkleben der einzelnen Teile zu erreichen. Beim Kaltlamellie-ren dagegen muss der Druck erheblich gesteigert werden; er liegt zwischen 40 und 200 kp/cm2, wobei die einzelnen Schichten noch vorher mit einer Kunststoffschicht versehen werden müssen, damit der Klebe-Effekt eintritt. Anschliessend wird der Körper dem üblichen Sinterprozess ausgesetzt. Obwohl hier etwas höhere Herstellungskosten als beim Strangziehen vorliegen, ergibt sich der Vorteil, dass die gebildeten Abstützungen 18 in Gasführungsrichtung eingebracht werden können, wie aus dem Schnitt B-B der Fig. 10 hervorgeht.

Die Herstellung des erfindungsgemässen keramischen Wärmeübertragers beschränkt sich nicht nur auf die beschriebenen Herstellungsmethoden, sondern es kann auch eine kombinierte Säge- und Strangpresstechnik angewandt werden. Solche Herstellungsmethoden ermöglichen eine billige und zuverlässige Produktion solcher Wärmeübertrager in Keramik. Durch spezifische Ausbildungen der Ein- und Austrittsöffnung kann der Wärmeübertrager ohne Anordnung eines federnden, dehnungs-aufnehmenden Mittels, z. B. direkt an die Leitung einer Gasturbine, angeschlossen werden. Als weiteres ist er wegen des relativ billigen Ausgangsmaterials kostengünstig herzustellen.

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4 Blatt Zeichnungen

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1. Wärmetauscher aus keramischem Material, mit einem Block, in dem nebeneinander angeordneten und parallel verlaufende Strömungskanäle der Hochdruck- und der Niederdruckseite ausgeführt sind, die Zu- und Abströmöffnungen für im Wärmeaustausch stehende Medien aufweisen, wobei die jeweils benachbarten Strömungskanäle, in welchen die im Wärmeaustausch stehenden Medien strömen können, eine gemeinsame Trennwand aufweisen, und wobei die Strömungskanäle abwechselnd gegeneinander in Richtung der Zuströmöffnung versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuströmöffnungen (11, 12) an der Längsseite der Strömungskanäle (2,3) im Bereich entgegengesetzter Stirnseiten (4,5) des Blockes (1) liegen und dass die anderen Enden der Strömungskanäle (2,3) stirnseiteig münden.

2. Wärmetauschernach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zuströmöffnungen (11,12) auf derselben Deckwandung (8) befinden.

3. Wärmetauschernach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in je einer der Deckwandungen (8 bzw. 9) des Blockes (1) je eine der Zuströmöffnungen (11,12) ausgeführt ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in den Strömungskanälen (3) der Niederdruckseite Abstützungen (18) zwischen den Trennwänden (7) vorgesehen sind.

5. Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von der einen Seite des Blocks (1) die Strömungskanäle (2) für die Hochdruckseite so eingefräst werden, dass die erste Stirnseite (5) des Blocks (1) vorerst verschlossen bleibt, dass in die erste Deckwandung (8) ein Fenster (6) bei der ersten Stirnseite (5) ausgeführt wird, dass der Block (1) gewendet und mit durchgehenden Strömungskanälen (3) der Niederdruckseite versehen wird, wobei im Bereich der zweiten Zuströmöffnungen (12) die Fräse so abgesenkt wird,

dass am Ende der ersten Deckwandung (8) Schlitze (17) eintste-hen, dass anschliessend die Strömungskanäle (3) der Niederdruckseite auf der gegenüberliegenden Stirnseite (4) des Blockes (1) mit einen kammartigen Endstück (10) verschlossen werden und dass die zweite Deckwandung (9) auf dem Block (1) angebracht wird.

6. Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildungs der Strömungskanäle (2,3) im Block (1) mittels Kerne im Mundstück einer Vakuumpresse herbeigeführt wird, wobei die breiteren Niederdruckkanäle (3) kürzer und die schmäleren Hochdruckkanäle (2) länger sind, dass der blockartige Strang auf Mass geschnitten wird, dass die Zuströmöffnung (11) für die Hochdruckkanäle (2) in Form eines Fensters (6) in der ersten Deckwandung (8) eingefräst wird, dass das Öffnen der Strömungskanäle (3) der Niederdruckseite in der ersten Deckwandung (8) durch Einfräsen von Schlitzen (17) erfolgt, dass danach kammartige Endstücke (10) auf die Stirnseiten (4,5) des Blockes (1) angebracht werden, und zwar in der Weise, dass jeweils L-förmige Medienführung entsteht.

7. Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Grundplatten (13,14) ausgestanzte Blätter (19) mit Abstandshaltern (15,16) aufeinandergestapelt werden, und zwar derart, dass die Strömungskanäle (3) der Niederdruckseite durch die ersten Abstandshalter (15) und die Strömungskanäle (2) der Hochdruckseite durch die zweiten Abstandhalter (16) definiert werden, dass ein Fenster (6) sowie Schlitze (17) bei der zweiten Zuströmung (12) eingefräst werden und dass dieses Gebilde derart behandelt wird, dass es zusammenhält.