CN102449421B - 用于高温的层换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于高温的层换热器(1)，包括层块(2)和容纳该层块(2)的外壳(7)，该层块具有层板(11、12)和盖板(9、10)。根据本发明，外壳(7)具有高耐热性并伴随具有高刚度，层块(2)具有相对于外壳(7)较柔软和较坚韧的芯部。

Description

用于高温的层换热器
技术领域
本发明涉及一种用于高温的层换热器。
背景技术
公知的层换热器由层块和外壳组成；层块由金属壳的层板和盖板构成，并且层块用于两种介质之间的热交换；外壳容纳层块，外壳是密封的，而且外壳具有用于介质导入和导出的接口。这种层换热器的特征是相对于其体积具有较高的特有的传热效率。
由本申请人申请的DE 103 28 274A1公开了一种上述类型的层换热器及其制造方法。已知的换热器的层块具有隔板和盖板，隔板和盖板的整个平面、即在它们的接触部上通过钎焊相互连接在一起。由此形成相对较硬的层块，层块与外壳熔焊和/或钎焊在一起。DE 10 2007 006 615A1公开了一种类似的层换热器。由本申请人申请的DE 10 2006 011 508A1公开了一种这样的层换热器，其具有由层板构成的层块，这些层板具有以180°弯曲的边缘区域，该边缘区域与相邻的层板的类似边缘区域形成材料配合连接，特别通过采用焊条钎焊形成材料配合连接。由此，该层换热器的优势在于在机械性能方面提供了相对柔软的层块，而且还具有较高的密封性能。
由本申请人申请的DE 10 2007 008 341A1公开了一种这样的层换热器，其用作高温换热器，特别设置在高温燃料电池(固体氧化物燃料电池＝SOFC)的周围。这种高温燃料电池作为所谓的辅助动力装置(APU)用于为机动车提供电能。SOFC的层换热器例如用于对过程气体进行加热，并且承受大约950℃的温度的热燃烧气体的冲击。这种剧烈和快速变化温度冲击在换热器结构中造成热机械应力，该热机械应力使层块内部的密封以及换热器相对于外界的密封产生问题。为了解决该问题，在由DE 10 2007 008 341A1公开的层换热器中提出，使层块仅在正端面进行钎焊，从而避免层板各自的内部焊接。这样仅在外侧焊接层块的优势在于，层板可以通过弹性变形或可能产生的塑性变形使应力明显削弱。这样能够勉强降低损害。
由本申请人的DE 10 2007 056 182A1公开的层换热器提供了热机械应力问题的另一解决方案，其中，层块通过去连接装置(Entkopplungsvorrichtung)弹性支撑在外壳内部。内部坚硬的层块的热延展性通过去连接装置、例如矿物纤维垫，得到补充，并由此远离外壳。这种层块基本上悬浮设置在外壳内部，并且能够具有优势地用于温度差高达900℃的条件下。然而其缺点在于，在结构上该换热器具有较高的内部泄漏率。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种层换热器，其能够承受较高的温度，特别是能够承受循环产生的高达约950℃的温度变化载荷，在运行过程中确保实现充分的内部密封，以及特别实现换热器相对于外界的绝对密封。例如在换热器应用于SOFC系统的条件下，相对于外界的密封尤其重要。
本发明的目的通过下述技术特征来实现。具有优势的结构方案在下文中给出。
根据本发明，层换热器的特征在于，外壳具有高耐热性和高刚度，而层块具有相对于外壳较柔软和较坚韧的芯部。因此，外壳相对于层块形成相对较硬的支座，基于本发明的技术方案，该外壳特别在高温条件下能够将由层块产生的热延展力吸收。由于该固定的支座使层块柔软且坚韧的芯部在控制范围内产生弹性变形或者还有局部的塑性变形。令人惊奇地发现，本发明层换热器的内部不密封性显著低于前述公知的层换热器。内部的不密封性是由于运行过程中、例如将换热器设置在高温燃料电池的周围的条件下、于冷起动时、在冷的层块上受到900至950℃的热气冲击的情况下而产生的。薄的层板比较厚的外壳材料更快被加热，因此，根据胡克定律，由于板材的热延展性ε而在外壳上产生作用力F～E·ε(E＝弹性模量)。当本发明的外壳相对于由板材产生的作用力具有足够高的耐热性时，层板在(层块的)内部容易产生弹性变形或塑性变形，并由此削弱上述作用力。在此还应该了解到，层板在内部在多次重复冷起动的情况下也可能被损坏，也就是说，根据本发明可能会产生相应的内部不密封性。本发明的优势在于，使损坏局部受到制约，而且仅限制在最高温的区域上。由此限制住内部的不密封性。运行过程中形成的内部不密封性的程度取决于材料的选择，特别是对层板材料的选择。而且迫使确保实现相对于外界的密封，也就是说，在任何情况下都能够防止950℃的、还可能含有氢气的热气向外界溢出。
接下来，对符合上述要求的外壳和层板以及盖板的材料和结构方案进行列举说明。
根据一个优选的实施方案，外壳由高耐热性材料制成。高耐热性理解为高的热屈服极限σ0.2。优选外壳的材料是镍合金，特别是根据DIN EN10095是材料编号为Nr.2.4856以及材料符号为NiCr22Mo9Nb的良好使用性的高耐热性材料。这种材料的特征是在温度超过500℃的条件下具有良好的机械性能。而且该材料的屈服极限在900℃的条件下高达200N/mm2。
根据另一个优选的实施方案，外壳的材料还可以采用材料编号为Nr.1.4876以及材料符号为X10NiCrAlTi 32-20的奥氏体高温不锈钢，或者是材料编号为Nr.1.4835的奥氏体高温不锈钢。这种材料比前述的镍合金更经济，当然该材料的耐热性没有材料编号为Nr.2.4856的材料耐热性那么高。
根据又一个优选的实施方案，盖板和层板由耐热性低于外壳材料的材料制成，特别是具有较低的热屈服极限σ0.2。通过一方面的外壳和另一方面的层块的耐热性不同的材料的配对，在较高的温度载荷的情况下实现上述的层块的延展性能，也就是说，确保实现了充分的内部密封以及相对于外界的完全密封。
根据再一个优选的实施方案，盖板和层板的材料选择材料编号为Nr.1.4876以及材料符号为X10NiCrAlTi 32-20的高温不锈钢，这样的材料特别适合于上文提到的材料编号为Nr.2.4856的外壳材料。如果层板材料1.4876导致不能接受的较严重的内部损坏，那么还可以采用相对较经济的诸如2.4851(NiCr23Fe)的Ni基材料作为层板材料。2.4851相对于1.4876具有更高的耐热性，但是低于2.4856的耐热性。
根据再一个优选的实施方案，层板和盖板的材料可以选择铁素体材料。在层换热器设置在SOFC的周围时，作为铁素体材料特别选择含Al的材料，这是因为这样的材料具有较高的高温防腐性以及较少的Cr蒸发。例如根据DIN 17470适宜采用材料编号为Nr.1.4725以及材料符号为CrAl14 4的材料。
可替换地，根据DIN 17470可以选择另一种材料编号为Nr.1.4767以及材料符号为CrAl20 5的铁素体材料。当与上述的材料编号为Nr.1.4876(材料符号为X10NiCrAlTi 32-20)或1.4835的奥氏体外壳材料组成对时，这种铁素体材料特别具有优势。对于层板和盖板采用铁素体不锈钢的优势在于具有较高的断裂延伸率，也就是说，尽管层板产生塑性变形，但是由于其较高的热延展性却具有极小的不密封可能，诸如裂纹演化。应该要强调的是，在铁素体和奥氏体的焊接过程中对于不同热延展系数的其它条件这里可以不用考虑，这是因为这里选择的铁素体FeCrAl合金以及奥氏体Ni合金的延展系数仅具有极小的差别。
根据又一个优选的实施方案，当层板和盖板采用上述铁素体材料时，具有优势地还可以使外壳选择特别具有相对高耐热性的铁素体材料，例如1.4750。
可替换地或对上述材料对进行补充地，一方面对外壳、另一方面对层板和盖板可以选择不同的壁厚，也就是说，使外壳材料具有较大的壁厚，而使板材具有显著较小的壁厚。通过对壁厚的尺寸设计实现了具有上述内外密封优势的刚性外壳和柔软且能发生弹性形变的层块的芯部。
根据又一个优选的实施方案，外壳的壁厚约为1.5mm，层板的壁厚约为0.3mm。另一方面，当外壳材料的耐热性相对于层板材料的耐热性较高时，还可以使外壳材料的壁厚相对于层板或盖板材料的壁厚较小。特别适宜优选，外壳材料由厚度较小的高耐热性材料构成，例如2.4856、1.0mm或0.5mm的壁厚；层板和/或盖板材料由柔软的材料构成，诸如前述的FeCrAl合金。一方面的外壳和另一方面的层板和盖板之间的特别小的质量差会产生特别小的热应力。在此，特别适用的是：材料含有≥2％、特别优选≥3％的Al。
根据又一个优选的实施方案，可替换或可补充地，层板和盖板仅在正端面上于其密封边上彼此形成材料配合连接，优选采用钎焊或熔焊。由此，使存在于换热器内部的、或由外界进入到换热器内部的跳板或疙瘩应该不发生、或尽可能小范围地形成材料配合连接。由此具有的优势在于，层块相对于外界实现可靠的密封，并且在内部于芯部中可以保持柔软且可发生弹性变形。
在一个可替换的结构方案中，外壳和盖板由相同的高耐热性材料制成，并且仅使层板由柔软的材料制成。
最后根据又一个优选的实施方案，外壳以及层板和盖板都由相同的材料制成。在此，可以使层板的柔软芯部通过相对于外壳壁厚而较小的板壁厚、和/或通过对层板的正端面的钎焊或熔焊来实现。
可以证实，本发明的层换热器在应用到优选用于机动车的高温燃料电池的外围时特别具有优势，以在换热器的内外密封方向实现强有力的支持。
附图说明
附图中示出了本发明的实施例，并在下文对此进行详细说明。图中示出了：
图1为本发明层换热器的分解图；
图1a为层块的分解图。
具体实施方式
图1示出了一种层换热器1的分解示意图。该层换热器1在构造方面已经被现有技术公开。在层换热器1的内部设有局部示出的层块2，两种介质可以以交叉流的形式流经该层块。层块2容纳在四个外壳箱3、4、5、6中，这四个外壳箱在各自的侧壁上具有连接柱3a、4a、5a、6a，这些连接柱用于流经层块2的介质的导入和导出。分别包括连接柱3a、4a、5a、6a的四个外壳箱3、4、5、6在下文中还被统一称为外壳7。层块2和外壳7通过12条焊缝相互连接在一起，其中例如用焊缝8a、8b、8c来表示。
在图1a中示意性示出了图1的层块2，该层块包括下盖板9和上盖板10以及两块层板11、12。层板11、12也称为层板材11、12，形成这样的结构，即，层板具有(未指出相关数量的)以90°相切地流体通道和密封边11a、11b、12a、12b。所有的结构彼此形成材料配合连接，优选采用钎焊和/或熔焊，与开始所述的现有技术的方案一样，在此可以作为参考。
根据本发明，外壳7相对于层块2具有较高的耐热性，也就是说，盖板9、10和层板(或层板材)11、12具有较低的耐热性。由此，对于层块2实现了一个柔软和坚韧的芯部，该芯部能够在根据温度进行大幅膨胀的条件下于内部区域产生弹性或塑性变形，例如拱起。与此相对，外壳7由于其增高的耐热性和刚性而尽可能不产生变形，而是吸收由层板产生的反作用力。
根据一个优选的实施方案，层换热器1用于设置在未示出的高温燃料电池(SOFC)的周围，如用于为机动车提供电能的、作为所谓的辅助动力装置(APU)的高温燃料电池。在此，层换热器1特别用于回收燃料电池的废气热量并且对SOFC的过程气体进行加热。这种燃料电池设备在US 2003/0031904A1中被公开。SOFC的废气以大约950℃的温度冲击到层换热器1的结构上，在该层换热器中还应该将用于SOFC阴极的过程气体加热到大约750℃。这一点特别是在冷起动的情况下于换热器结构中会产生较强的热机械应力。然而由于本发明的层换热器1的坚韧和柔软的芯部可以使该应力通过芯部的弹性或塑性变形而削弱。在此，层块2支撑在高耐热性的外壳7上，该外壳吸收反作用力而并不会由此产生显著变形。在此，层换热器1在任何情况下都相对于外界密封，从而使热废气不会从系统中溢出。使层板超出其屈服极限、即产生剩余变形。而且可以采取该技术方案，因为这种损伤局部在达到最高温的区域受到限制。由此使层换热器1的内部不密封性受到限制。
根据一个优选的实施方案，外壳7以及层板和盖板9、10、11、12选用耐热值不同的材料，其中，特别消除高温屈服极限σ0.2。优选对于外壳7、即外壳箱3、4、5、6的材料，根据DIN EN 10095选择材料编号为Nr.2.4856以及材料符号为NiCr22Mo9Nb的镍合金。与此相对，盖板和层板9、10、11、12的材料可以采用耐热性较低的材料，例如耐热的高温不锈钢，诸如材料编号为1.4876。材料编号为Nr.2.4856的外壳材料在760℃条件下的屈服极限为σ0.2＝345MPa，而对应的高温屈服极限在材料编号为Nr.1.4876的板材中仅为90MPa(1MPa＝1N/mm2)。当板材中于运行过程中产生的热机械应力超过屈服极限时，该应力在板材中通过塑性变形而削弱，而外壳最多仅产生轻微弹性变形，也就是说外壳没有产生剩余损伤，层换热器保持相对于外界的可靠密封。如果对于层板材的热机械性能要求较高，那么可以采用2.4851的Ni基材料。
根据另一优选的实施方案，对于层块2的盖板和层板9、10、11、12还可以优选采用铁素体材料，特别是含Al的铁素体材料，例如材料号为1.4725或1.4767，根据DIN 17470分别对应于材料符号CrAl14 4以及CrAl 20 5。对于这些板材料、也就是层块的铁素体芯部，采用经济的外壳材料也是具有优势的，类似奥氏体的高温不锈钢、例如材料号为1.4876或1.4835，或者铁素体不锈钢、诸如1.4750。
根据本发明的又一优选的实施方案，上述关于外壳和板材的不同材料的方案受到结构形式的支持，特别是关于壁厚的选择。在一个可替换的方案中，外壳7以及外壳箱3、4、5、6的壁厚选择尽可能大，而盖板和层板9、10、11、12的壁厚选择尽可能小。在一个优选的实施例中，外壳7的壁厚约为1.5mm，而板材的壁厚约为0.3mm。这种对不同壁厚的选择要支持上述的对于不同材料的选择，并且使本发明的效果加强。
在另一个特别优选的实施方案中，外壳的壁厚、也就是箱体材料和盖板材料的厚度选择尽可能小，例如直至1.0mm，或甚至仅为0.5mm，相对的层板材料仅达到0.3mm或0.4mm厚。在此，其优势在于，在快速加热由层板构成的层块时，使相对于外壳的温度差较小，并由此使热机械应力较小。因此，外壳的相关刚性必须经由外壳材料的耐热性来实现。对于外壳(箱体和盖板)，例如选择的复合材料为高耐热性的Ni基材料，诸如2.4856或2.4851；而对于层块的层板(薄板)选择较低耐热性的但具有延展性的铁素体不锈钢。在此特别优选含Al的铁素体不锈钢，因为该材料具有良好的高温耐腐蚀性以及较低的Cr蒸发。
根据本发明的又一优选的实施方案，上述本发明的技术方案可以通过用于层块2的适宜的连接技术得到补充和支持。那么由第一实施例可知，层块2仅在正端面上进行钎焊，这种方案已经被公开，并且还可以由本申请人提出的DE 10 2007 008 341A1中获悉。本申请完全包括在先申请的公开内容。在正端面上钎焊、也就是说省去了对层板的整个平面的钎焊的优势是提供了柔软的、即可运动的芯部，这是因为各个层板在芯部区域能够相对滑动。由此不再需要密集的流体通道，如图1a所示。据此，相对于在运行中产生的热应力的弹性偏移也会得到支持。作为钎焊的替代，还可以对层块2仅在密封边11a、11b、12a、12b(参见图1a)上进行熔焊，而完全不用钎焊。由此仍然可以实现层块2以及层板11、12的增强的可运动性能。
根据本发明的另一方面，外壳7和盖板以及层板9、10、11、12选择相同的材料，这样同时确保实现外壳7相对于层块2、也就是相对于盖板以及层板9、10、11、12具有充分更大的耐热性。如上文所述，该技术方案可以通过适宜地选择壁厚和/或适宜的焊接技术来实现。

Claims (10)

1.一种用于高温的层换热器，包括：
层块和容纳该层块的外壳，所述层块具有层板和盖板，所述层块的盖板和层板在正端面上于层板的密封边上彼此形成材料配合连接，
其特征在于，所述外壳具有高耐热性并伴随具有高刚度，所述层块具有相对于所述外壳较柔软和较坚韧的芯部，所述盖板和层板由耐热性低于外壳材料的材料制成，所述外壳由四个外壳箱组成，所述外壳箱在各自的侧壁上具有用于流经所述层块的介质的导入和导出的连接柱，所述层块和所述外壳通过12条焊缝相互连接在一起，所述层块支撑在所述外壳上，所述外壳的壁厚相对于所述盖板和层板的壁厚要小。
2.根据权利要求1所述的层换热器，其特征在于，所述外壳由高耐热性材料制成。
3.根据权利要求2所述的层换热器，其特征在于，所述外壳的材料根据DIN EN 10095是材料编号为Nr.2.4856以及材料符号为NiCr22Mo9Nb的镍合金，或者是材料编号为Nr.1.4750的铁素体高温不锈钢。
4.根据权利要求2所述的层换热器，其特征在于，所述外壳的材料是材料编号为Nr.1.4876以及材料符号为X10NiCrAlTi 32-20的奥氏体高温不锈钢，或者是材料编号为Nr.1.4835以及材料符号为X9CrNiSiNCe21-11-2的奥氏体高温不锈钢。
5.根据权利要求1所述的层换热器，其特征在于，所述盖板和层板的材料是材料编号为Nr.1.4876以及材料符号为X10NiCrAlTi32-20的高温不锈钢，或者是材料编号为Nr.2.4851以及材料符号为NiCr23Fe的Ni基材料。
6.根据权利要求1所述的层换热器，其特征在于，所述盖板和层板的材料根据DIN 17470是材料编号为Nr.1.4725以及材料符号为CrAl144的铁素体材料，或者根据DIN 17470是材料编号为Nr.1.4767以及材料符号为CrAl205的铁素体材料。
7.根据权利要求6所述的层换热器，其特征在于，所述盖板和层板的材料含有≥2％的Al。
8.根据权利要求7所述的层换热器，其特征在于，所述盖板和层板的材料含有≥3％的Al。
9.根据权利要求1所述的层换热器，其特征在于，所述盖板和层板在正端面上于层板的密封边上通过钎焊连接在一起。
10.根据权利要求1所述的层换热器，其特征在于，所述层板具有密封边，所述层板在其密封边的区域上相互熔焊在一起。
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