DE19538828C2 - Wärmetauscher für einen Einsatz bei hohen Temperaturen und seine Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher für einen Einsatz bei hohen Temperaturen und seine Verwendung.

Wärmetauscher sind Apparate, in denen von einem Medium auf ein anderes Wärme oder Kälte übertragen wird zum Zwecke der Erhitzung, Verdampfung oder Kühlung. Bei unmittelbarem Wärme­ austausch sind die austauschenden Medien in Berührung, er er­ folgt z. B. durch Einblasen von Dampf oder heißer Luft oder durch Kühlen mit kalter Luft, Gas oder Flüssigkeit. Bei mittelbarem Austausch in kontinuierlichen Wärmetauschern sind die Medien durch Austauschwände getrennt: Der Austausch geschieht in Rohr, Doppelrohr, Kanal, Platten oder Spiralwärmetauschern mittels Heiz- oder Kühlschlangen.

Technische Anwendungen sind der Einsatz von Wärmetauschern in Kombi- und Solarkraftwerken bei hohen Temperaturen. Bei der Verwendung in einem Kombikraftwerk, beispielsweise einem GuD- Kraftwerk mit kohlebefeuerter Gasturbine, sollte sich der Wärmetauscher möglichst dicht an der Brennkammer befinden, da dort die höchsten Temperaturen herrschen und somit der Wir­ kungsgrad am höchstens ist.

Hinter der Brennkammer entstehen Temperaturen von ca 1600°C. Wichtige Anforderungen, die hier an den Wärmetauscher ge­ stellt werden, sind Korrosions- und Temperaturbeständigkeit. Bei diesen hohen Einsatztemperaturen sind Wärmeausdehnungsef­ fekte, auftretende Schwingungen und Druckdifferenzen zu be­ rücksichtigen. Zusätzlich treten während des Anfahrens und Abschaltens des Kombikraftwerkes Temperaturgradienten auf, die zusätzlich zu mechanischen Spannungen führen und eben­ falls zum Versagen des Wärmetauschers führen können. Kerami­ sche Werkstoffe sind somit aufgrund ihrer Sprödigkeit als Ma­ terial für die Austauschwand nicht geeignet. Desweiteren sind auch die in den aus dem Stand der Technik bekannten Wärmetau­ schern eingesetzten Superlegierungen auf Ni-, Fe-, und Co-Ba­ sis hier nicht einsetzbar aufgrund der zu niedrigen Schmelz­ punkte.

Beim Einsatz in Solarkraftwerken, beispielsweise in Parabol­ rinnen-, Turm- und Dish-Kraftwerken, sind zudem Materialien für die Verwendung in einem Wärmetauscher wünschenswert, die zu einer kostengünstigen Lösung führen, da hier eine große Anzahl von Wärmetauschern Verwendung findet.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde einen Wärmetau­ scher anzugeben, der für einen Betrieb bei hohen Temperaturen geeignet ist.

Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen eines Wärmetau­ schers des Patentanspruches 1.

Bei dem Wärmetauscher, der zum Austausch der Wärme zwischen zwei Medien wenigstens eine Austauschwand umfaßt, enthält ge­ mäß der Erfindung die Austauschwand eine Legierung auf Chrom­ basis. Durch die Eigenschaften der Legierung auf Chrombasis wird eine hohe mechanische Festigkeit, eine gute Wärmeleitfä­ higkeit und eine gute Korrosionsbeständigkeit, insbesondere auch in mit Schwefel und Halogeniden verunreinigten Gasen, bei hohen Temperaturen gewährleistet. Diese Eigenschaften führen zu einer Langlebigkeit der aus einer Legierung auf Chrombasis bestehenden Komponenten des Wärmetauschers, was wiederum zu einer Reduzierung der Werkstoffkosten führt.

Insbesondere wird der Legierung auf Chrombasis Aluminium und ein Metall mit hoher Sauerstoffaffinität oder dessen Oxid zu­ gegeben. Hierdurch läßt sich die Korrosionsbeständigkeit op­ timieren. Beispielsweise können der Legierung auf Chrombasis Y, Hf, Ce, Mg oder La zugegeben werden.

Vorzugsweise wird die Austauschwand mit einer Deckschicht aus einer Keramik beschichtet, die auf der Seite der Seite der Austauschwand angeordnet ist, die in direktem Kontakt mit dem wärmeabgebenden Medium ist. Für besonders aggressive Medien kann die Austauschwand mit einer Keramik wie beispielsweise Al₂O₃, ZrO₂ oder MgO-Spinell beschichtet werden.

In einer weiteren Ausführungsform enthält die Deckschicht me­ tallisches Aluminium, das während des Betriebes des Wärmetau­ schers zu Al₃O₃ reagiert.

Vorzugsweise wird ein Wärmetauscher gemäß der Erfindung für einen kontinuierlichen Betrieb bei Austauschwandtemperaturen bis zu 1400°C vewendet. Der hohe Schmelzpunkt des Chroms er­ laubt den Einsatz des Wärmetauschers bei Austauschwandtempe­ raturen bis zu wenigstens 1400°C.

Insbesondere wird der Wärmetauscher gemäß der Erfindung in einem Solarkraftwerk, insbesondere einem Parabolrinnen-, ei­ nem Turm- oder Dishkraftwerk, verwendet. Durch den Einsatz des Hochtemperatur-Wärmetauschers in einem Solarkraftwerk wird der Wirkungsgrad des Solarkraftwerkes verbessert.

In einer weiteren Ausgestaltung gemäß der Erfindung wird der Wärmetauscher in einem Kombikraftwerk, das wenigstens eine Gas- und Dampfturbine umfaßt, verwendet. Der Wärmetauscher kann wesentlich dichter hinter einer Brennkammer angeordnet werden, als das bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wärmetauschern möglich ist. Hieraus resultiert ein größerer Wirkungsgrad.

Vorzugsweise wird der Hochtemperatur-Wärmetauscher gemäß der Erfindung in einer Müllentsorgungsanlage verwendet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausfüh­ rungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, deren einzige Figur einen Wärmetauscher gemäß der Erfindung in schematischer Dar­ stellung zeigt.

Gemäß der Figur umfaßt ein Wärmetauscher 2 für einen kontinu­ ierlichen Betrieb bei Austauschwandtemperaturen bis zu wenig­ stens 1400°C eine Austauschwand 4 für den mittelbaren Aus­ tausch der Wärme zwischen den beiden Medien 6 und 8. Dabei besteht die Austauschwand 4 aus einer Legierung auf Chromba­ sis, wie sie beispielsweise aus den Offenlegungsschriften DE-OS 16 08 116 und DE-OS 21 05 750 bekannt ist, wobei die Legierungen auf Chrombasis einen Chromgehalt zwischen 50 und 99,99 Gew.-% haben. Hauptlegierungsbestandteile der Legierungen auf Chrombasis sind entweder die Metalle Eisen, Nickel oder Cobalt, jeweils bis zu 50 Gew.-%. Außerdem können zu diesen Hauptlegierungsbestandteilen bis zu 30 Gew% an Metallen der Gruppe Aluminium, Titan, Zirkonium und Hafnium und bis zu 10 Gew.-% an Metallen der Gruppe Vanadium, Niob, Molybdän, Tantal, Wolfram und Rhenium zugegeben werden.

Die Austauschwand 4 hat aufgrund des hohen Schmelzpunktes der Legierung auf Chrombasis eine verhältnismäßig hohe mechani­ sche Festigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit ist höher als bei den kommerziell in Wärmetauschern eingesetzten Superlegierungen auf Ni, Fe, und Co-Basis. Die Korrosionsbeständigkeit bei ho­ hen Temperaturen ist auch in mit Schwefel und Halogeniden verunreinigten Gasen gewährleistet. Für eine Steigerung der Korrosionsbeständigkeit wird der Legierungen auf Chrombasis ein Metall mit hoher Sauerstoffaffinität oder dessen Oxid zu­ gegeben, beispielsweise 0,01 bis 10 Gew.-%.

Die Austauschwand 4 ist mit einer Deckschicht 10 beschichtet. Dabei ist die Deckschicht 10 auf der Seite der Austauschwand 4 mit dem wärmeabgebenden Medium 6 angeordnet. Die Deck­ schicht 10 besteht beispielsweise aus einer Keramik wie Al₂O₃, ZrO₂ oder MgO-Spinell, was zu einer guten Korrosions­ beständigkeit gegenüber besonders aggressiven Medien führt. In einer weiteren Ausführungsform besteht die Deckschicht 10 aus metallischem Aluminium, das während des Betriebes des Wärmetauschers 2 zu Al₃O₃ reagiert.

Der Wärmetauscher 2 kann insbesondere in einem Kombikraftwerk mit beispielsweise einer Gas- und Dampfturbine verwendet wer­ den, wobei die Gasturbine indirekt mit Kohle befeuert wird. Dabei kann der Wärmetauscher 2 so dicht an einer kohlebefeu­ erten Brennkammer angeordnet werden, daß das in der kohlebe­ feuerten Brennkammer entstehende Abgas beim Eintritt in den Wärmetauscher 2 eine Temperatur von größer 1400°C hat. Da­ durch wird das Brenngas auf dem Weg von der Brennkammer in den Wärmetauscher 2 weniger abgekühlt als bei einer Verwen­ dung eines aus dem Stand der Technik bekannten Wärmetau­ schers. Demzufolge kann das in dem Hochtemperatur-Wärmetau­ scher 2 zu erwärmende Medium 8 auf eine höhere Temperatur er­ wärmt werden. Durch diese Maßnahme wird der Wirkungsgrad des gesamten Kombikraftwerkes vergrößert.

Desweiteren kann der Wärmetauscher 2 in einem Solarkraftwerk, insbesondere einem Parabolrinnen-, einem Turm- oder Dish- Kraftwerk, oder in einer Müllentsorgungsanlage eingesetzt werden.

Claims (8)

1. Wärmetauscher (2) für einen Einsatz bei hohen Temperatu­ ren, der zum Austausch der Wärme zwischen zwei Medien (6, 8) wenigstens eine Austauschwand (4) umfaßt, die eine Legierung auf Chrombasis mit wenigstens 50 Gew.-% Chrom enthält.

2. Wärmetauscher (2) nach Anspruch 1, bei der der Legierung auf Chrombasis Aluminium und ein Metall mit hoher Sauerstoff­ affinität oder dessen Oxid zugegeben wird.

3. Wärmetauscher (2) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Aus­ tauschwand (4) mit einer Deckschicht (10) aus einer Keramik beschichtet ist, die auf der Seite der Austauschwand (4) an­ geordnet ist, die in direktem Kontakt mit dem wärmeabgebenden Medium (6) ist.

4. Wärmetauscher (2) nach Anspruch 3, bei dem die Deckschicht (10) metallisches Aluminium enthält.

5. Verwendung eines Wärmetauschers nach einem der vorherge­ henden Ansprüche für einen kontinuierlichen Betrieb bei Aus­ tauschwandtemperaturen bis zu wenigstens 1400°C.

6. Verwendung eines Wärmetauschers (2) nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4 in einem Solarkraftwerk, insbesondere einem Para­ bolrinnen-, einem Turm- oder Dish-Kraftwerk.

7. Verwendung eines Wärmetauschers (2) nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4 in einem Kombikraftwerk, das wenigstens eine Gas- und Dampfturbine umfaßt.

8. Verwendung eines Wärmetauschers (2) nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4 in einer Müllentsorgungsanlage.