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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen
Wärmeübertragers, welcher eine Mehrzahl von Fluidkanälen
umfasst, welche keramische Wände aufweisen.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager.
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Aus
der Monografie "Ceramic Heat Exchanger Concepts and Materials Technology"
von C. Bliem, Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, USA, 1985
ist ein Platten-Wärmeübertrager aus monolithischem
Cordierit bekannt.
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Solche
Platten-Wärmeübertrager können beispielsweise
bei der Verstromung von Kohle, Biomasse oder Reststoffen eingesetzt
werden. In einem solchen Wärmeübertrager findet
ein Wärmeübertrag von einem bei der Verbrennung
entstehenden Rauchgas auf ein Prozessgas wie Luft statt, wobei die
Luft einer Gasturbine zugeführt wird.
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Aus
der
EP 1 544 565 A2 ist
ein Platten-Wärmeübertrager bekannt, welcher eine
Mehrzahl von Platten umfasst, in welchen Kanäle gebildet
sind, wobei die Platten aus einem mit Kurzfasern verstärkten Faserverbundwerkstoff
hergestellt sind oder aus Siliciumcarbid hergestellt sind oder aus
Siliciumnitrid hergestellt sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art bereitzustellen, mittels welchem sich ein keramischer
Wärmeübertrager und insbesondere Hochtemperatur-Wärmeübertrager
herstellen lässt, welcher vorteilhafte Eigenschaften aufweist,
wobei das Verfahren auf einfache Weise durchführbar ist.
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Diese
Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass eine Kanal-Vorstruktur über eine
oder mehrere Grünkörperfolien hergestellt wird
und die Kanal-Vorstruktur gebrannt und/oder gesintert wird.
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Grünkörperfolien
sind kommerziell erhältlich. Sie werden beispielsweise
durch keramische Beschichtung eines organischen Folienmaterials
hergestellt. Sie sind biegeelastisch.
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Auch
Papierfolien mit keramischer Beschichtung und/oder keramischen Füllstoffen
sind als Grünkörperfolien verwendbar.
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Wenn
die Kanal-Vorstruktur über Grünkörperfolien
hergestellt wird, dann sind Pulverpressvorgänge mit den
damit verbundenen Pressproblemen (wie ungleichmäßige
Kraftausübung, Hohlräume an Ecken von Formen usw.) vermieden.
An Grünkörperfolien lassen sich aus der Metalltechnik
bekannte Formungsverfahren wie Stanzen, Biegen, Falten, Knicken,
Formpressen oder Tiefziehen verwenden. Es lassen sich auch feine
Strukturen mit einer Größe unterhalb von 2 mm
herstellen. Insbesondere lassen sich Kanäle mit einer Kanalbreite
unterhalb 1 mm herstellen.
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Eine
Kanal-Vorstruktur, welche über Grünkörperfolien
hergestellt wird, lässt sich auf einfache Weise mit Perforierungen
(mit Löchern, Schlitzen usw.) und dergleichen herstellen,
um das Strömungsverhalten positiv zu beeinflussen.
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Es
lässt sich dadurch ein Wärmeübertrager mit
hoher Kompaktheit (hoher Oberflächendichte zu Bauteilvolumen)
herstellen. Ferner lässt sich ein Wärmeübertrager
herstellen, welcher vorteilhafte Eigenschaften bezüglich
Temperatur-Wechselbeanspruchung aufweist. Aufgrund der möglichen
dünnen Materialstärken lässt sich beispielsweise
die maximale thermische Spannung bei einer Notabschaltung signifikant
reduzieren.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung lässt sich
ein Wärmeübertrager realisieren, welcher im Vergleich
zu bekannten Wärmeübertragern bei gleicher Übertragungsleistung
eine hohe Kompaktheit erreicht.
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Insbesondere
weist eine Grünkörperfolie in zwei linear unabhängigen
Richtungen eine Biegeelastizität auf, das heißt
sie weist Folieneigenschaften auf.
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Eine
Grünkörperfolie umfasst ein organisches Bindemittel
und Keramikmaterial. Beispielsweise ist das Keramikmaterial als
Schlicker auf eine erhitzte organische Folie aufgebracht.
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Insbesondere
ist das organische Bindemittel ein Polymer.
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Günstig
ist es, wenn das organische Bindemittel eine Erweichungstemperatur
beispielsweise oberhalb 80°C aufweist. Vorzugsweise liegt
die Erweichungstemperatur unterhalb 300°C. Durch Erhitzung
der Grünkörperfolie auf eine Temperatur oberhalb
der Erweichungstemperatur lässt sich eine dauerhafte Verformung
erreichen (ähnlich wie die plastische Verformung eines
Metalls). Dadurch lässt sich beispielsweise eine Kanal-Vorstruktur
durch Pressen in einer Form herstellen.
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Günstig
ist es, wenn eine Grünkörperfolie eine Dicke aufweist,
welche zwischen 50 μm und 10 mm liegt und insbesondere
zwischen 100 μm und 5 mm liegt. Vorzugsweise liegt die
Dicke unterhalb 1 mm. Dadurch lassen sich feine Kanalstrukturen
herstellen mit Wanddicken, die unter 2 mm liegen und insbesondere
unterhalb 1 mm liegen. Dadurch lassen sich kompakte Wärmeübertrager
realisieren.
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Günstig
ist es, wenn eine Grünkörperfolie als Rollenware
verarbeitet wird. Dadurch lässt sich ein Wärmeübertrager
auf einfache und kostengünstige Weise herstellen. Aus der
Rollenware lassen sich entsprechende Grünkörperfolienstreifen
zuschneiden.
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Vorteilhafterweise
wird eine Grünkörperfolie durch mechanische Bearbeitung
zur Kanalbildung verformt. Durch dünne Grünkörperfolien
lassen sich dünne Wandstrukturen realisieren. Ferner lassen sich
kleine Kanalbreiten (beispielsweise unter 1 mm) realisieren.
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Insbesondere
umfasst das mechanische Bearbeiten eines oder mehrere der Bearbeitungsverfahren
Biegen, Knicken, Falten, Stanzen, Pressen in eine Form, Tiefziehen.
Solche mechanischen Bearbeitungsverfahren sind für metallische
Materialien bekannt. Sie lassen sich auch für Grünkörperfolien anwenden,
angepasst an die speziellen Materialverhältnisse.
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Günstig
ist es, wenn eine mechanische Bearbeitung oberhalb einer Erweichungstemperatur durchgeführt
wird. Beispielsweise erfolgt das Pressen in eine Form oder das Tiefziehen
oberhalb der Erweichungstemperatur.
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Es
kann vorgesehen sein, dass ein Grünkörperfolienbereich
mittels einer Keramiksuspension insbesondere mit einem anderen Grünkörperfolienbereich
verklebt wird. Über eine keramische Klebung (welche versintert
wird) lässt sich eine hohe Verbindungsfestigkeit erreichen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel ist die Keramiksuspension aus
dem gleichen Material wie eine Keramiksuspension zur Herstellung
der Grünkörperfolie.
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Günstig
ist es, wenn eine Kanal-Vorstruktur auf eine Temperatur unterhalb
800°C zum Ausbrennen eines Bindemittels aufgeheizt wird.
Es lässt sich dadurch ein Vorkörper für
einen Wärmeübertragerblock herstellen.
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Es
ist ferner günstig, wenn eine so hergestellte Struktur
auf eine Temperatur oberhalb 1000°C zur Keramiksinterung
aufgeheizt wird. Dadurch lässt sich auch eine Verdichtung
der Keramik erreichen. Es wird dann ein Keramikblock beispielsweise
eines Platten-Wärmeübertragers mit integrierten
Kanalstrukturen hergestellt.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel wird aus Grünkörperfolienstreifen
mit U-Querschnitt oder V-Querschnitt eine Kanal-Vorstruktur hergestellt.
Diese Vorstruktur lässt sich durch Biegen oder Formpressen
herstellen.
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Die
Grünkörperfolienstreifen, welche in die entsprechende
Form gebracht werden, werden mit einer oder mehreren Basisgrünkörperfolien
verklebt. Solche Untereinheiten können dann mit anderen
Untereinheiten verbunden werden. Nach Brennen und Sinterung ist
dann ein Wärmeübertragerblock, welcher keramisch
ist, bereitgestellt.
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Es
ist dabei möglich, dass die Grünkörperfolienstreifen
vor oder nach dem Brennen mit einer Basis-Grünkörperfolie
verbunden werden.
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Günstig
ist es, wenn eine Beschichtung auf Kanalwänden zum Korrosionsschutz
hergestellt wird. Beispielsweise kann das wärmeabgebende
Fluid ein aggressives Gas wie Rauchgas sein. Durch die Korrosionsschutzschicht
werden die Kanäle geschützt. Ein mögliches
Schutzschichtmaterial ist Cordierit.
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Es
ist dabei möglich, dass die Beschichtung vor dem Sintern
oder nach dem Sintern hergestellt wird. Beispielsweise wird nach
dem Brennen eine Kanal-Vorstruktur über CVD beschichtet.
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Es
ist auch möglich, dass die Beschichtung über Plasmaspritzen
hergestellt wird.
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Es
ist dann günstig, wenn Verbindungsbereiche für
die Beschichtungsherstellung abgedeckt werden. An solchen Verbindungsbereichen
erfolgt beispielsweise die Einspannung an eine Beschichtungslage
oder sie werden beispielsweise durch ein metallisches Material abgedeckt.
Es ist dann eine keramische Verklebung über solche Verbindungsbereiche mit
anderen Bauteilen möglich.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Kanalbreite/Kanaltiefe von
hergestellten Kanälen kleiner/gleich 2 mm und insbesondere
kleiner/gleich 1 mm ist. Dadurch erhält man einen Wärmeübertrager
mit hoher Kompaktheit bei gleichzeitig hoher Wärmeübertragungsleistung.
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Insbesondere
wird der Wärmeübertrager als Platten-Wärmeübertrager
hergestellt, welcher einen Lagenaufbau hat. Es lässt sich
dadurch eine hohe Wärmeübertragungsleistung erzielen.
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Beispielsweise
werden alternierend Lagen zur Durchführung eines ersten
Fluids und zur Durchströmung eines zweiten Fluids hergestellt.
Dadurch erhält man eine effektive Wärmeübertragung
von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kompaktheit bei mehr als
1000 mm2/mm3 liegt
und insbesondere mehr als 1500 mm2/mm3 liegt. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren lassen sich Wärmeübertrager solcher
hohen Kompaktheit herstellen.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren lässt
sich ein keramischer Hochtemperatur-Wärmeübertrager
herstellen, welcher die oben geschilderten Eigenschaften aufweist.
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Insbesondere
weist der erfindungsgemäße keramische Hochtemperatur-Wärmeübertrager
einen Lagenaufbau mit alternierenden Durchströmungslagen
eines ersten Lagentyps für ein erstes Fluid und eines zweiten
Lagentyps für ein zweites Fluid auf.
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Die
Durchströmungslagen sind dabei mittels gebrannter und/oder
gesinterter Grünkörperfolien hergestellt.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine
schematische Blockbilddarstellung eines Kraftwerkteils mit Gasturbine
und Beförderungseinrichtung als Einsatzbeispiel für
einen keramischen Hochtemperatur-Wärmeübertrager;
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2 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Platten-Wärmeübertragers;
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3 schematisch
Schritte bei der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Wärmeübertragers;
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4 eine
Teildarstellung einer Kanalstruktur eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers;
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5 eine
Vorderansicht auf die Kanalstruktur gemäß 4;
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6 eine
Teildarstellung eines weiteren Beispiels einer Kanalstruktur; und
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7 verschiedene
Ausführungsbeispiele von Kanalstrukturen, welche mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind.
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Bei
dem EFGT-Konzept (EFGT – Externally Fired Gas Turbine)
ist eine Gasturbine 10 an einen Wärmeübertrager 12 gekoppelt
(1). In einer Brennkammer 14, welche mit
Brennstoffen wie Kohle oder Biomasse oder Reststoffen versorgt wird
(angedeutet durch den Pfeil 16), entsteht als Verbrennungsprodukt
heißes Rauchgas. Dieses durchströmt den Wärmeübertrager 12.
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An
einen Ausgang 18 des Wärmeübertragers 12 kann
ein Wärmetauscher 20 gekoppelt sein, um die Restwärme
des Rauchgases zu nutzen. Dem Wärmetauscher 20 folgt
eine Einrichtung 22 zur Gasaufbereitung.
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Die
Gasturbine ist von angesaugter Luft (angedeutet durch den Pfeil 24)
durchströmt, wobei die Luft in dem Wärmeübertrager 12 über
Rauchgas aufgeheizt wird. Die Luft wurde zuvor in einer Verdichterstufe 26 verdichtet.
Der Gasturbine 10 wird somit über den Wärmeübertrager 12 heiße
verdichtete Luft zugeführt.
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Bei
der direkten Verströmung von Kohle oder bei der Verströmung
von nicht konventionellen Brennstoffen wie Biomasse oder Reststoffe
kann die Wärme über das Rauchgas nicht direkt
durch die Gasturbine 10 genutzt werden, da in dem Rauchgas Partikel
vorhanden sind und auch chemisch aggressive Stoffe vorhanden sind.
Bei den entsprechend herrschenden hohen Temperaturen würde
das Rauchgas zu einer Beschädigung der Gasturbine führen.
Es ist auch zu berücksichtigen, dass Endschaufeln einer
Gasturbine in Betriebsmoden mit Überschallgeschwindigkeit
rotieren können; bei diesen Geschwindigkeiten können
Partikel zu einer Zerstörung der Endschaufeln führen.
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Die
Eintrittstemperatur der heißen Luft in die Gasturbine kann
in der Größenordnung von 1000°C liegen;
die notwendige Temperatur des Rauchgases sollte dann bei 1100°C
oder höher liegen. Bei diesen Temperaturen sind metallische
Werkstoffe nicht mehr verwendbar. Es wurde vorgeschlagen, keramische Werkstoffe
für den Wärmeübertrager 12 einzusetzen, wobei
die Werkstoffe hochtemperaturbeständig sein müssen
und rauchgasbeständig.
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Es
ist grundsätzlich möglich, dass der Wärmeübertrager 12 mehrteilig
ausgebildet ist und insbesondere einen "Niedertemperaturteil" 28 und
einen Hochtemperaturteil 30 aufweist. Der Niedertemperaturteil 28 kann,
wenn an diesem genügend niedrige Temperaturen herrschen,
metallisch ausgebildet sein. Insbesondere ist er dem Hochtemperaturteil 30 vorgeschaltet
bezüglich der Luftdurchführung und dem Hochtemperaturteil 30 nachgeschaltet
bezüglich der Rauchgasdurchführung.
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Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele für Wärmeübertrager 12 beschrieben,
welche Hochtemperatur-Wärmeübertrager sind bzw.
Hochtemperaturteile 30 eines Wärmeübertragers.
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Als
Wärmeübertrager wird insbesondere ein Platten-Wärmeübertrager 31 eingesetzt.
Ein solcher Platten-Wärmeübertrager weist einen
Lagenaufbau mit alternierend aufeinander folgenden Lagen 32, 34 auf.
Die Lage 32 ist dabei eine Lage eines ersten Lagentyps
und die Lage 34 ist eine Lage des zweiten Lagentyps. Die
Lagen 32 werden von dem wärmeabgebenden Fluid
(in dem oben beschriebenen Beispiel Rauchgas) durchströmt
und die Lagen 34 des zweiten Lagentyps 34 werden
von dem wärmeaufnehmenden Fluid (in dem oben beschriebenen
Beispiel Luft) durchströmt. Der alternierende Aufbau ist
derart, dass auf eine Lage des ersten Lagentyps eine Lage des zweiten
Lagentyps folgt, dann eine Lage des ersten Lagentyps usw.
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Der
Platten-Wärmeübertrager 31 weist eine Zuführungs-/Abführungseinrichtung 36 auf,
in welche über einen oder mehrere Eingangsanschlüsse 38 das
wärmeabgebende Fluid zur Verteilung auf die Lagen des ersten
Lagentyps 32 einkoppelbar ist. Ferner weist sie einen oder
mehrere Ausgangsanschlüsse 40 auf, über
welche das wärmeabgebende Fluid nach Durchströmung
der Lagen des ersten Lagentyps 32 auskoppelbar ist.
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Jede
Lage des Lagentyps 32 weist einen Eingang 42 zur
Einkopplung des wärmeabgebenden Fluids und einen Ausgang 44 zur
Auskopplung des wärmeabgebenden Fluids auf. Die Eingänge 42 der Lagen 32 des
ersten Lagentyps stehen dabei in fluidwirksamer Verbindung mit dem
Eingangsanschluss 38 und die Ausgänge 44 der
Lagen 32 des ersten Lagentyps 32 stehen dabei
in fluidwirksamer Verbindung mit dem Ausgangsanschluss 40.
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Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Hauptströmungsrichtung 46 des
wärmeabgebenden Fluids in einer Lage 32 quer und
insbesondere senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung 48 des
wärmeaufnehmenden Fluids durch eine Lage 34 des
zweiten Lagentyps.
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Um
eine effektive Wärmeübertragung von dem wärmeübertragenden
Fluid auf das wärmeabgebende Fluid zu erreichen, sollte
die Wärmeübertragungsfläche möglichst
groß sein. Dies wird dadurch erreicht, dass der Platten-Wärmeübertrager 31 für die
Lagen 32 und/oder die Lagen 34 jeweils eine Kanalstruktur 50 aufweist.
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Der
erfindungsgemäße Wärmeübertrager, welcher
ein Hochtemperatur-Wärmeübertrager ist, ist aus
einem keramischen Material hergestellt. Er ist dadurch ein keramischer
Hochtemperatur-Wärmeübertrager und insbesondere
keramischer Platten-Hochtemperatur-Wärmeübertrager.
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Zur
Herstellung einer Kanalstruktur 50 werden erfindungsgemäß (keramische)
Grünkörperfolien verwendet. Solche Grünkörperfolien
weisen übliche Folieneigenschaften auf, das heißt
sie sind biegeflexibel in zwei zueinander linear unabhängigen Richtungen.
Sie umfassen ein organisches Bindemittel und Keramikpartikel. Das
organische Bindemittel ist insbesondere ein Polymermaterial. Beispielsweise werden
solche Grünkörperfolien dadurch hergestellt, dass
auf einer Kunststofffolie (aus dem organischen Bindemittel) eine
keramische Schicht als Schlickerschicht aufgebracht wird und getrocknet
wird. Das Trägermaterial kann auch ein Papiermaterial sein.
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Grünkörperfolien
sind beispielsweise von der KERAFOL GmbH, Stegenthumbach 4–6,
92676 Eschenbach, Deutschland erhältlich.
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Die
Dicke einer Grünkörperfolie ist durch das Herstellungsverfahren
grundsätzlich einstellbar. Die Dicke ist insbesondere in
einem Dickenbereich zwischen 50 μm und 10 mm und insbesondere
im Bereich zwischen 0,1 mm und 1,5 mm einstellbar.
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Das
organische Bindemittel einer Grünkörperfolie weist
eine Erweichungstemperatur auf, die üblicherweise in der
Größenordnung von 100°C bis 200°C
liegt. Wenn die Grünkörperfolie auf eine Temperatur
oberhalb der Erweichungstemperatur aufgeheizt wird, dann lässt
sie sich mechanisch dauerhaft verformen.
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Grünkörperfolien
werden beispielsweise als Rollenware auf Rollen 52 geliefert.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird von einer
solchen Rolle 52 das notwendige Material zugeschnitten.
Insbesondere werden Grünkörperfolienstreifen 54 zugeschnitten,
welche wellenförmig gebogen werden. Es wird dadurch eine
Kanal-Vorstruktur erzeugt mit Kanälen, die eine U-Form
oder V-Form haben.
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Es
werden weiterhin Basis-Grünkörperfolien 56 bereitgestellt,
welche mit den entsprechend geformten Grünkörperfolienstreifen 54 verklebt
werden.
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Die
Verklebung kann beispielsweise mittels einer keramischen Suspension
erfolgen, welche aus dem gleichen Material hergestellt ist wie der
Schlicker zur Herstellung einer Grünkörperfolie.
Bei einem späteren Versintern wird auch das Klebematerial
mit versintert.
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Auch
andere keramische Kleber sind möglich. Beispielsweise wird
ein Zweikomponentenkleber eingesetzt, wobei die Komponenten reagieren,
oder es wird ein keramischer Precursor wie beispielsweise Polysilane,
Polycarbosilane, Polysiloxane eingesetzt.
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Es
werden mehrere solcher Kanal-Vorstrukturen 58 hergestellt.
Diese werden dann mit entsprechenden Vorstrukturen 60 für
die Lagen des zweiten Lagentyps 34 verbunden und beispielsweise
verklebt. Es wird dabei ein alternierender Aufbau hergestellt.
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Ein
solcher Verbund 62 wird in einen Ofen 64 gebracht
und aufgeheizt. Die Aufheizung erfolgt zunächst so, dass
das organische Bindemittel ausgebrannt wird. Eine typische Temperatur
zum Ausbrennen des Bindemittels liegt bei ca. 600°C.
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Der
so hergestellte Verbund 66 wird einem Beschichtungsverfahren
unterzogen, um eine Beschichtung 68 als Korrosionsschutzschicht
an Wänden von Kanälen herzustellen. Insbesondere
wird ein CVD-Verfahren zur Beschichtung eingesetzt.
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Anschließend
wird der Verbund 66 nochmals in den Ofen 64 gebracht
und aufgeheizt, um das Keramikmaterial zu versintern und dabei zu
verdichten. Typische Temperaturen, auf die aufgeheizt wird, liegen
bei ca. 1700°C bis 2000°C.
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Die
Beschichtung kann anstatt vor dem Aufheizvorgang auch nach dem Aufheizvorgang
aufgebracht werden.
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Durch
die Verwendung von Grünkörperfolien zur Herstellung
der Kanalstruktur 50 lassen sich metallische Formgebungsverfahren
nutzen. Grünkörperfolien lassen sich biegen, knicken,
falten oder stanzen. Sie lassen sich in eine Form pressen (insbesondere
wenn die Erweichungstemperatur überschritten wird) oder
tiefziehen.
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Die
minimal herstellbare Dicke der Kanäle ist im Wesentlichen
nur bestimmt durch die Dicke der Grünkörperfolie.
Bei konventionellen Pulverpresstechniken zur Grünkörperherstellung
sind minimal herstellbare Dicken von Komponenten auf ca. 2 mm begrenzt;
wenn bei solchen konventionellen Techniken eine Grünkörperplatte
aus einer Pressform herausgezogen wird, dann wirken Schubkräfte,
die zur Beschädigung der Grünkörperplatte
oder zum Abbrechen von hergestellten Rippen führen können.
Weiterhin muss während des Pressvorgangs Pulver nachfließen
können. Die dabei auftretenden Scherspannungen können
an Formwänden zu unterschiedlichen Dichteverteilungen führen.
Dies kann in Bereichen geringerer Dichte zur Bildung mikroskopischer
Defekte führen, die wiederum Initiierungsstellungen für
Risse sind.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren muss zur Herstellung
der Kanal-Vorstruktur kein Pulverpressvorgang durchgeführt
werden. Durch Verformung bzw. Stanzen der Grünkörperfolien
lässt sich die Kanal-Vorstruktur herstellen. Die oben beschriebenen
Probleme bei der konventionellen Grünkörperherstellung
durch Pulverpressung sind vermieden.
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Es
lassen sich auch Kanalstrukturen herstellen, wie beispielsweise
Wellenripp-Strukturen, die durch konventionelle Grünkörperherstellung
nicht realisierbar sind.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung lassen sich
insbesondere Strukturen mit Dicken und Öffnungen (Kanalbreiten)
kleiner 2 mm und insbesondere kleiner 1 mm herstellen.
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Dünne
Materialstärken bewirken, dass sich Wärmeübertrager
mit hoher Kompaktheit herstellen lassen. Die Wärmeübertragungsleistung
hängt stark von der Wärmeübertragungsfläche
ab. Die Kompaktheit ist definiert als Verhältnis der Wärmeübertragerfläche
pro Bauvolumen. Je höher dieses Verhältnis ist,
desto kompakter kann ein Wärmeübertrager bei gleicher Übertragungsleistung
gebaut werden. Mit der erfindungsgemäßen Lösung
lassen sich kompakte Wärmeübertrager mit einer
Kompaktheit größer 1000 mm2/mm3 erreichen. Insbesondere lassen sich auch
Kompaktheiten größer 1600 mm2/mm3 erreichen.
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Ferner
wirken sich dünne Materialstärken vorteilhaft
auf thermische Spannungen bei Temperaturwechselbeanspruchung aus.
Eine Reduktion der Materialdicke von 2 mm auf 1 mm führt
beispielsweise zu einer Senkung der maximalen Spannung bei einer
Notabschaltung in der Größenordnung von 30%.
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Der
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
keramische Wärmeübertragerblock 70 kann
auch auf einfache Weise mit einer Korrosionsschutzschicht (wie beispielsweise
Cordieritschicht) versehen werden.
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Bei
dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung
nach dem Ausbrennen des Bindemittels und vor der Versinterung durchgeführt
worden. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die
Beschichtung nach der Versinterung hergestellt wird.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform werden Grünkörperfolien
tiefgezogen, und zwar unter Wärmezufuhr, so dass der Erweichungspunkt
des Bindemittels überschritten wird. Beispielsweise wird dadurch
eine Wellenrippenform erzeugt. Diese Kanal-Vorstruktur wird dann
individuell gebrannt und gesintert. Es werden mehrere "Wellenplatten"
hergestellt.
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Zur
Herstellung der Beschichtung als Korrosionsschutzschicht werden
die so hergestellten gebrannten Platten beschichtet. An Verbindungsbereichen
mit anderen Elementen des Wärmeübertragers werden
sie in die Beschichtungseinlage eingespannt bzw. diese Bereiche
werden durch andere Mittel wie Metallstreifen abgedeckt. Die Beschichtung
erfolgt beispielsweise über Plasmaspritzen mit einer Korrosionsschutzschicht
und insbesondere keramischen Korrosionsschutzschicht wie Cordieritschicht.
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Nach
der Beschichtung werden die Metallstreifen abgenommen und unbeschichtete
Bereiche miteinander verklebt. Anschließend erfolgt eine
Versinterung der Verbindungsbereiche.
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Bei
einem konkreten Ausführungsbeispiel einer Kanalstruktur 70,
welche in den 4 und 5 gezeigt
ist, sind mittels Grünkörperfolien durch entsprechende
Formgebung zueinander versetzte Kanaluntereinheiten 72a, 72b, 72c hergestellt.
Diese Kanaluntereinheiten 72a, 72b, 72c sind
zwischen gegenüberliegenden Basisplatten 74a, 74b gehalten, welche
ebenfalls aus Grünkörperfolien hergestellt sind.
Die Kanaluntereinheiten 72a, 72b, 72c sind
so zueinander versetzt, dass das entsprechende Fluid, welches eingekoppelt
wird (in 4 durch den Pfeil mit dem Bezugszeichen 76 angedeutet),
einen weiten Strömungsweg zurücklegen muss.
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Die
Kanalstruktur 70 gemäß den 4 und 5 wird
auch als OSF (Offset Strip Fin) bezeichnet.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer Kanalstruktur 78,
welches in 6 schematisch gezeigt ist, umfasst
Kanäle 80 für das erste Fluid und Kanäle 82 für
das zweite Fluid. Die Kanäle 80 und 82 sind
unmittelbar benachbart; eine Kanalwand 84 begrenzt sowohl
den Kanal 80 als auch den Kanal 82.
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Die
Kanäle 80 und 82 in der zugehörigen
Kanalstruktur sind wiederum mittels Grünkörperfolien beispielsweise
durch Tiefziehen oder dergleichen hergestellt.
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Die
Kanäle 80 und 82 verlaufen vorzugsweise
auch nicht gerade, sondern sind gekrümmt.
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Es
ist weiterhin vorgesehen, dass an Berührungsstellen 86 zwischen
Kanalwänden keine Verbindung vorliegt, so dass eine mögliche
Relativverschiebung zwischen entsprechenden benachbarten Kanalplatten 88, 90 und 90, 92 möglich
ist.
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Die
entsprechende Kanalstruktur wird dadurch hergestellt, dass aus den
jeweiligen Grünkörperfolien keramisierte Kanalplatten 88, 90 und 92 hergestellt
werden und diese aufeinander gelegt werden. Sie sind in einem Gehäuse
gehalten, ohne dass sie über die Berührungsstellen 86 direkt
miteinander verbunden sind.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich eine
Vielzahl von unterschiedlichen Kanalstrukturen herstellen. Weitere
Beispiele solcher Kanalstrukturen sind in der 7 angedeutet.
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In 7(a) ist eine ebene rechteckige Struktur
gezeigt, in 7(b) eine ebene Dreiecksstruktur, in 7(c) eine Wellenstruktur, in 7(d) eine OSF-Struktur, in 7(e) eine Struktur ähnlich wie
in 7(b), aber perforiert und in 7(f) eine Schlitzstruktur. Die Quelle
für diese Strukturen ist "Compact Heat Exchangers" von
John E. Hesselgreaves, Pergamon, 2001, Seite 175.
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Die
in 7 gezeigten Strukturen und auch andere Kanalstrukturen
lassen sich durch die Verwendung von Grünkörperfolien
herstellen.
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Vorzugsweise
werden Strukturen hergestellt, welche Untereinheiten aufweisen,
die im Winkel kleiner 90° zueinander angeordnet sind. Dadurch
ergeben sich bei keramischen Kanalstrukturen optimierte mechanische
Eigenschaften.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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