CH643349A5

CH643349A5 - HEAT EXCHANGER MADE OF CERAMIC MATERIAL AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF.

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: FR2436956A1; NO793039L; DE2841571A1; NO147224C; ATA623179A; DE2841571C2; GB2033570B; SE7906715L; SE444072B; AT366494B; FR2436956B1; NO147224B; 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. The invention relates to a heat exchanger made of ceramic material, with a block in which side-by-side and parallel flow channels of the high-pressure and low-pressure sides are made, which have inlet and outlet openings for media in heat exchange, the adjacent flow channels, in which the media in heat exchange can flow, have a common partition, and the flow channels are alternately offset from one another in the direction of the inflow opening.

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. Such recuperative heat exchangers are particularly suitable for gas turbines, with ceramic materials such as SiC, silicon nitride and cordierite being used. Such a heat exchanger is already proposed in DE-OS 2707290; it has a U-shaped media guide. Furthermore, DE-OS 2453961 describes a recuperative heat exchanger, in particular for gas turbines, with a preferably cross-shaped or Z-shaped media guide made of metal or ceramic. A tubular metal plate heat exchanger with an L-shaped media guide has also become known from US Pat. No. 2,430,270. The latter heat exchanger is used in particular to heat air or liquids, using hot combustion gases as the heating medium. The heat exchanger is of simple construction and can be easily dismantled for cleaning purposes. Such a heat exchanger is not suitable for a high temperature application.

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. Especially in the automotive industry for the development of economical vehicle gas turbines, however, heat exchangers are required that can withstand gas temperatures of around 1300 ° C. Therefore, only ceramic materials can be used as heat transfer materials. It was also not possible to fully solve the problems with regenerative heat exchangers with their rotating, ceramic disks, so that the recuperator type is now used. Heat exchangers suitable for such or for other purposes should have a high degree of utilization, small dimensions and a low weight. Furthermore, it is required that such ceramic recuperative heat exchangers work reliably and are inexpensive to manufacture.

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. The object of the present invention is to provide a ceramic recuperative heat exchanger which can be provided in a simple manner with connections for the media in the heat exchange. In addition, it should be possible to produce such a ceramic heat exchanger with the least possible manufacturing outlay.

Diese Aufgabe wird beim Wärmetauscher der eingangs genannten Art erfindungsgemäss so gelöst, wie dies im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definiert ist. This object is achieved according to the invention in the heat exchanger of the type mentioned at the outset as defined in the characterizing part of claim 1.

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. Variants with regard to the openings on the top walls are described in more detail in the dependent claims. Furthermore, at least the flow channels under low pressure can have supports. Sawing, extrusion and foil technology are suitable for the production of such ceramic heat exchangers with L-shaped media guidance.

Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:

Fig. 1 bis 3 ein erstes Ausführungsbeispiel in perspektivischer Darstellung und mit den Schnitten II und III, 1 to 3 a first embodiment in perspective and with the sections II and III,

Fig. 4 bis 6 Aufsicht und Längsschnitte V und VI eines in der Säge- bzw. Frästechnik hergestellten Wärmetauschers, 4 to 6 plan view and longitudinal sections V and VI of a heat exchanger manufactured in the sawing or milling technology,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines in der Strangpresstechnik gefertigten Wärmeübertragers und 7 is a perspective view of a heat exchanger manufactured in extrusion technology and

Fig. 8 bis 10 ein in der Folientechnik hergestellter Wärmeübertrager mit den Schnitten IX - IX und X - X. 8 to 10 a heat exchanger manufactured in film technology with the sections IX - IX and 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 1 to 3, the L-shaped media guide in a heat exchanger block 1 is shown. The recuperative heat exchanger has parallel flow channels 2, 3 arranged next to one another, the respective

2 2nd

s s

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

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50 50

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65 65

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. neighboring flow channels have a common partition 7. With regard to the dimensions of the flow channels, the slot width of 0.8 mm for the high-pressure side 2 and 1.6 mm for the low-pressure side 3 has proven to be favorable. In addition, the flow channels 3 on the low-pressure side can be reinforced with supports 18. As a result, due to the multiple cross-sectional narrowing, higher flow velocities and vortex bonds occur, which bring about an effective increase in heat transfer. Other parts are the top walls 8, 9 and the comb-like end pieces 10, which together form the actual components of the heat exchanger. Furthermore, the open end faces 4, 5 are closed with comb-like end pieces 10 such that the flow channels 2, 3 form an L-shaped media guide. Connections to the openings 11 and 12 provide the inflow of gases or liquids in the manner indicated in the direction of the arrow, so that the heat exchange takes place in the counterflow principle. The inflow openings 11 and 12 can be located only on one side or on the opposite sides of the cover walls 8, 9.

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. Basically, it can still be said that the individual parts for the single-flow heat exchanger can advantageously be produced from the ceramic materials silicon nitride, silicon carbide and cordierite, which in the fired state have a high temperature resistance up to 1300 ° C and more and are also characterized by good temperature shock resistance . In particular, the higher temperature load capacity opens up application possibilities that are not possible with metallic heat exchangers. On the other hand, with ceramics, it is not easy to build a fine structure of recuperators, as is known from metals. For this reason, individual manufacturing steps and dimensions must be coordinated with one another in such a way that optimal technical as well as economical production is obtained.

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 The heat exchanger according to FIGS. 4 to 6 is by means of the milling or. Saw technology manufactured, silicon nitride is particularly suitable as a material. The starting point is an isostatically pressed and pre-nitrided block, into which the flow channels 2 are milled from the side with the later cover wall 8 by means of diamond grinding wheels, so that the first end face 5 remains closed for the time being. In order to maintain the slot widths as constant as possible and to prevent the partition walls 7 from breaking out, the grinding dust is blown out immediately with a compressed air nozzle close to the interface. This also results in additional cooling, which reduces the thermal stress in the pane. Both the individual top walls 8, 9 and the block 1 have previously been ground plane-parallel. A recess is additionally machined into the top wall 8 and serves as an inlet opening 11 in the form of a window 6 for the high-pressure medium. The top wall 8 is then treated in such a way that the window 6 is located on the end face 5 which is still closed. The body is then placed with the cover side 8 down on the milling machine and the opposite side is continuously provided with flow channels 3 on the low-pressure side, the saw blades at the end of the end face 4 being lowered such that the slots 17 for the low-pressure side are formed in the cover wall 8 . If necessary, the supports 18 are also introduced into the flow channels 3 from this side. The flow channels 3 are then closed on the end face 4 with an end piece 10, so that only the flow channels 2 are still open on this side. This is the last shaping step

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Anbringen der geschlossenen Abdeckung 9. Der so gefertigte Wärmetauscher wird dann zwischen 1350 und 1500° C fertig nitriert. Attach the closed cover 9. The heat exchanger thus manufactured is then nitrided between 1350 and 1500 ° C.

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. 7 shows the single-flow ceramic heat exchanger according to the extrusion technique. The special design of the flow channels is achieved by appropriate cores in the mouthpiece of the vacuum press. For example, the mouthpiece can be designed in such a way that wide flow channels 3 and somewhat longer thin flow channels 2 are formed. The press strand is then cut to the appropriate length of the heat exchanger block 1. The inflow opening 11 for the high pressure side is obtained by exposing the flow channels 2 through the top wall 8 in the form of a window 6. The flow channels 3 for the low-pressure side are opened on the top wall 8 by milling slots 17 in the direction of the flow channels 3 near the end face 4. Finally, the comb-like end pieces 10 are attached on the two end faces 4, 5, which are designed in such a way that that there is an L-shaped media guide. The heat exchanger produced in this way is then subjected to the sintering process.

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. The block-shaped heat exchanger 1 can also be produced from individual rectangular or square foils or sheets, as can be seen from FIGS. 8 to 10. The heat exchanger block is obtained by, for example, alternately placing punched-out foils 19 on thinner 15 and thicker 16 spacers and laterally delimiting the stack by the two base plates 13 and 14. The outer walls of the spacers 15, 16 and the foils 19 give rise to the top walls 8 and 9. The spacers 15 and 16 are either extruded or isostatically pressed. In terms of production technology, it is more economical to mill the window 6 than to interrupt the spacers 15 and 16 in this area. The inlet opening 12 for the low-pressure side with the wide slots 17 is reached by interrupting the top wall 8 in the spacers 16. The raw strength of the heat exchanger block is obtained by subjecting it to either a cold or a hot lamination process. With hot laminating, temperatures between 80 and 150 ° C are reached and a moderate pressure of approx. 20 kg / cm2 is used to ensure that the individual parts stick together. With cold lamination, on the other hand, the pressure must be increased considerably; it lies between 40 and 200 kp / cm2, whereby the individual layers must be provided with a plastic layer beforehand so that the adhesive effect occurs. The body is then exposed to the usual sintering process. Although there are somewhat higher production costs here than for the continuous drawing, there is the advantage that the supports 18 formed can be introduced in the gas routing direction, as can be seen from the section B-B in FIG. 10.

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. The production of the ceramic heat exchanger according to the invention is not only limited to the production methods described, but a combined sawing and extrusion technique can also be used. Such manufacturing methods enable cheap and reliable production of such heat exchangers in ceramics. Through specific designs of the inlet and outlet opening, the heat exchanger can be arranged without a resilient, strain-absorbing means, for. B. directly to the line of a gas turbine. Furthermore, it is inexpensive to manufacture because of the relatively cheap starting material.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

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50 50

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M M

4 Blatt Zeichnungen 4 sheets of drawings

Claims

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1. Heat exchanger made of ceramic material, with a block in which side-by-side and parallel flow channels of the high-pressure and low-pressure side are designed, which have inlet and outlet openings for heat-exchanging media, the adjacent flow channels, in which the in Heat exchange media can flow, have a common partition, and the flow channels are alternately offset from one another in the direction of the inflow opening, characterized in that the inflow openings (11, 12) on the long side of the flow channels (2, 3) in the region of opposite end faces ( 4,5) of the block (1) and that the other ends of the flow channels (2,3) open at the end.

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the inflow openings (11, 12) are located on the same top wall (8).

3. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that in each of the top walls (8 or 9) of the block (1) one of the inflow openings (11, 12) is executed.

4. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that at least in the flow channels (3) of the low pressure side supports (18) between the partition walls (7) are provided.

5. The method for producing the heat exchanger according to claim 1, characterized in that from one side of the block (1) the flow channels (2) for the high pressure side are milled in such a way that the first end face (5) of the block (1) is initially closed remains that in the first cover wall (8) a window (6) is made at the first end face (5), that the block (1) is turned over and provided with continuous flow channels (3) on the low pressure side, in the area of the second inflow openings (12) the router is lowered so

that at the end of the first cover wall (8) there are slots (17), that the flow channels (3) on the low-pressure side on the opposite end face (4) of the block (1) are then closed with a comb-like end piece (10) and that the second top wall (9) is attached to the block (1).

6. The method for producing the heat exchanger according to claim 1, characterized in that the formation of the flow channels (2, 3) in the block (1) is brought about by means of cores in the mouthpiece of a vacuum press, the wider low-pressure channels (3) being shorter and the narrower high-pressure channels (2) are longer, the block-like strand is cut to size, the inflow opening (11) for the high-pressure ducts (2) is milled in the form of a window (6) in the first top wall (8), that the opening of the flow ducts ( 3) the low-pressure side in the first top wall (8) by milling slots (17) that comb-like end pieces (10) are then attached to the end faces (4, 5) of the block (1), in such a way that L-shaped media guidance is created.

7. A method for producing the heat exchanger according to claim 1, characterized in that between two base plates (13, 14) punched sheets (19) with spacers (15, 16) are stacked on top of one another, in such a way that the flow channels (3) on the low-pressure side the first spacers (15) and the flow channels (2) on the high-pressure side define through the second spacers (16) that a window (6) and slots (17) are milled in the second inflow (12) and that this structure is such treated that it holds together.