DE19723159C2 - Höchsttemperatur-Wärmetauscher auf Siamantbasis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen keramischen rekuperativen Hochtempertur- Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein keramischer Werkstoff aus einem Gemisch von SiC und MoSi₂, der im Markt unter der Marke Siamant angeboten wird, ist aus der DE 44 35 866 A1 bekannt, in der ein Verfahren zur Herstellung von SiC/MoSi₂ beschrieben wird. Auch in der DE 43 31 307 A1 werden Verfahren beschrieben, mit denen Verbundwerkstoffe auf SiC/MoSi₂-Basis hergestellt werden, die mit Kohlenstoffasern verstärkt sind.

Der thermische Wirkungsgrad praktisch aller energetischen Prozesse hängt von der Höhe des Temperaturniveaus ab, auf dem sie ablaufen. Daher war es schon immer das Ziel, die thermischen Apparate zumindest in den Teilen aus hochtemperaturfesten Materialien herzustellen, in denen sie mit den heißen Medien in Berührung kommen. Aufgrund der Festigkeitseigenschaften war man hierfür fast ausschließlich auf metallische Werkstoffe beschränkt. Da diese bei höheren Temperaturen zunehmend ihre Festigkeitseigenschaften verlieren, sind immer wieder Vorschläge zur Auskleidung oder Ummantelung mit höhertemperaturfesten keramischen Werkstoffen oder zur Wasserkühlung gemacht worden, die aber alle zum einen sehr aufwendig sind und zum anderen keine Anhebung auf höchste Verfahrenstemperaturen von beispielsweise 1600 Grad Celsius für längere Anwendungszeiten erlaubten.

Eine ganz neue Entwicklung wurde durch die Erfindung höchsttemperaturfester Werkstoffe auf SiC/MoSi₂ Basis eingeleitet, die beispielsweise in den oben genannten Druckschriften offenbart sind. Diese Werkstoffe sind nicht nur höchsttemperaturbeständig, sie weisen daneben auch Festigkeiten auf, die ihre Verwendung zur Herstellung von Konstruktionsteilen für höchsttemperaturbeanspruchte thermische Apparate ermöglichen. Hinzu kommt, daß diese Materialien auch auf einem Temperaturniveau von etwa 1650 Grad Celsius resistent gegenüber Schlacken und Aschen in geschmolzener Form sind. Damit sind Bauteile aus diesen keramischen Materialien in spezieller Weise geeignet, in den Bereichen eingesetzt zu werden, in denen sie beispielsweise mit asche- oder schlackehaltigen Rauchgasen in Berührung kommen.

In der DE 195 12 939 A1 werden Anlagenkonzepte und Verfahren zu deren Betrieb beschrieben, bei denen Systeme aus Trägheitsabscheidern und Wärmetauschern aus SiC/MoSi₂ nicht nur zum Wärmetausch auf höchstem Temperaturniveau, sondern auch zur Heißgasreinigung eingesetzt werden, so daß nicht nur Sekundärgasströme, sondern auch die gereinigten Primärgasströme mit hohem Wirkungsgrad energetisch weitergenutzt werden können. Speziell beschrieben werden Anwendungsbeispiele in der Druckkohlenstaubfeuerung, sowie bei verschiedenen Vergasungsverfahren, beispielsweise in der Flugstromvergasung, der Wirbeschichtvergasung oder einer besonderen Form einer Hochtemperaturmüllvergasung.

Speziell wird in der DE 195 12 939 A1 ein keramischer Hochtermperatur- Wärmetauscher beschrieben, der im Bereich der wärmeübertragenden Bauteile ausschließlich aus Bauteilen auf SiC/MoSi₂-Basis hergestellt ist und bei dem damit keine keramischen Bauteile mit metallischen Bauteilen verbunden werden müssen. Beschrieben wird ein Höchsttemperatur- Wärmetauscher nach dem Konstruktionsprinzip eines Rohrbündel- Wärmetauschers, bei dem der Primärgasstrom aus Rauchgasen mit flüssigen Asche- und Schlackebestandteilen rekuperartiv im Kreuzstrom dem Sekundärgasstrom entgegengeführt wird, der durch SiC/MoSi₂-Rohre strömt.

Nachteilig an dieser Wärmetauscherkonstruktion ist die durch die Baugröße der Lochplatte begrenzte Wärmetauschergröße. Das Bauteilsystem Lochplatte/Rohr verlangt außerdem eine sehr aufwendige Konstruktion mit exakten Führungen und Passungen, was besonders im Hinblick auf die Höchsttemperaturverhältnisse sehr schwierig ist. Einen weiteren Nachteil dieser Konstruktion stellt aufgrund der mechanischen Belastungen der Transport des Wärmetauschers dar. Um dieses Problem auszuschalten, sind spezielle Transportvorrichtungen vorzusehen bzw. zu entwickeln.

Aus DE-GM 73 42 844 ist ein Wärmetauscher bekannt, bei dem Platten übereinander gestapelt sind und zwischen den Platten im Randbereich und in der Plattenfläche Abstandselemente aus elastischem Material angeordnet sind. Dadurch werden zwischen den Platten horizontale Strömungsbereiche gebildet. Nochmal dazu verlaufende Strömungskanäle sind nicht beschrieben.

Aus der DE 36 43 749 A1 ist ein Wärmetauschermodul aus gebranntem, keramischem Material bekannt, der aus einem Stapel gestanzter und laminierter grüner, keramischer Platten hergestellt ist und aus mindestens zwei Platten besteht. Die Platten weisen Ausnehmungen auf, die bei gestapelten Platten so übereinander angeordnet werden, daß sie rohrförmige Strömungskanäle bilden. Zwischen den Platten sind Ringe derart angeordnet, daß sie mit den Ausnehmungen der Platten fluchten und Teil der rohrförmigen Kanäle sind. Platten und Ringe werden laminatartig miteinander verklebt, so daß ein partieller Austausch von schadhaften Teilen nicht möglich ist.

Aus der US 3 360 038 ist ein Wärmetauscher bekannt, der aus übereinander gestapelten Metall-Platten mit topfartigen, konischen Vertiefungen besteht. Beim Stapeln werden jeweils die Vertiefungen der oberen Platte in die Vertiefungsöffnungen der darunterliegenden Platte eingesteckt und gasdicht durch Schweißung miteinander verbunden. Dadurch werden horizontal verlaufende Strömungsbereiche zwischen den Platten und vertikale Strömungskanäle durch die ineinander gesteckten topfartigen Vertiefungen gebildet. Das Strömungsprinzip sieht vor, daß übereinander liegende Strömungsbereiche alternierend in zwei diagonal im Eckbereich der Platten angeordnete Strömungskanäle und der nächste Strömungsbereich in zwei in den anderen Eckbereichen der Platten angeordnete andere Strömungskanäle umgelenkt werden. Auf diese Weise liegen sehr komplizierte Strömungsverhältnisse vor. Auch der Aufbau des Wärmetauschers durch Stapeln der Platten und die Herstellung der während des Aufbaus zu legenden Umfangsschweißnähte ist sehr kompliziert.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, den gattungsgemäßen keramischen rekuperativen Hochtemperatur-Wärmetauscher so zu konzipieren, daß seine Konstruktion in geeigneter Weise auf die verwendeten Materialien zugeschnitten und für das für den Betrieb vorgesehene höchste Temperturniveau geeignet ist, und dessen Bauteile in einfacher Weise in der erforderlichen Exaktheit und Maßhaltigkeit herstellbar und zum Aufbau zu einem Wärmetauscher zusammenzufügen sind. Dabei sollen die Möglichkeit eines partiellen Austauschs schadhafter Teile und klare, nachvollziehbare und kontrollierbare Strömungsverhältnisse gewährleistet sein. Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch einen Hochtemperatur- Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein solcher Wärmetauscher hat den Vorteil, daß er aus sehr einfachen, in ihrer konstruktiven Ausgestaltung unproblematische Bauteilen herstellbar ist, die in sehr vorteilhafter Weise auf die Möglichkeiten der eingesetzten höchsttemperaturbeständigen Materialien zugeschnitten sind. Durch das Übereinanderstapeln der erfindungsgemäßen Platten werden die beiden, nach dem rekuperativen System gegeneinander abzugrenzenden Teilsysteme für die wärmeabgebenden Primär- und die wärmeaufnehmenden Sekundärmedien durch ein einziges Bauteil gebildet. Wegen seiner einfachen und robusten Form läßt sich mit diesem Konstruktionsprinzip die materialimmanente Höchsttemperaturbeständigkeit in günstiger Weise ausnutzen, so daß durchaus Temperaturen um 1650 Grad Celsius für das Primärmedium beim Eintritt in das System dauerhaft beherrschbar sind.

Das mit diesem Wärmetauschersystem mögliche Temperarturniveau ist auch dadurch von besonderer Bedeutung, da der Wärmetausch nicht nur auf Leitung und Konvektion, sondern mit steigender Temperatur zunehmend auch auf Strahlungsübertragung beruht. Der Strahlungsanteil bei der Wärmeübertragung steigt mit der vierten Potenz der Temperatur. Die überproportionale Wirksamkeit des Strahlungsanteils bei der Wärmeübertragung beginnt im wesentlichen bei Temperaturen über der Glühtemperatur.

Durch entsprechende Ausgestaltung der kegelstumpfartigen Vertiefungen in den Platten wird erreicht, daß die Höhe des Strömungsbereichs geringer ist als die Höhe, um die die Vertiefungen unter dem horizontalen Plattenteil nach unten überstehen. Dies wird dadurch erreicht, daß das rohrförmige untere Ende des Mantels der Vertiefungen auf dem bereits gegenüber der horizontalen Umgebung abgesenkten Einlauf in die Vertiefungsöffnung aufsteht. Das führt dazu, daß die rohrförmigen Vertiefungen säulenartig den Strömungsbereich durchsetzen und an ihrem Fußpunkt von einer ringförmigen Absenkung umgeben sind. Das dadurch bedingte Querschnittsprofil des Strömungsbereichs führt zu einer intensiven Durchwirbelung des strömenden Mediums und zu einer vorteilhaften Beeinflussung der Wärmeübertragung.

Die so gebildeten Strömungsbereiche weisen nur an gegenüberliegenden Seiten Einström- und Ausströmöffnungen auf, da sie an den dazwischenliegenden Seiten einfach verschlossen sind. Von der Ausströmöffnung wird der Medienstrom durch eine Umlenkvorrichtung in die Einströmöffnung des Strömungsbereichs geführt, in dem die Strömung entgegengesetzt verläuft. Werden mindestens zwei Strömungsbereiche zur parallelen Durchströmung zusammengefaßt, ergibt sich in den Umlenkräumen eine zusätzliche Durchwirbelung der Gasströme, wobei die Turbolenz der Strömung den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung erhöht.

Eine besonders günstige Form der Ausgestaltung der Umlenkeinrichtung ist die Verlängerung der Platte, die auf der Einströmseite den in Strömungsrichtung hinteren Strömungsbereich unten begrenzt. Sie bildet damit die Umlenkplatte. Wegen des übereinstimmenden Rasters der kegelstumpfartigen Vertiefungen läßt sich auf diese Art und Weise der gesamte Wärmetauscher mit zwei Plattenformaten darstellen, für den Fall jeweils nur eines Strömungsbereichs in einer Strömungsrichtung sogar nur mit einem Plattenformat, falls die verlängerte Seite jeweils abwechselnd gegenüberliegend verlegt wird.

Eine Ausführungsform, bei der jeweils mindestens zwei aufeinanderliegende Platten ein Plattenpaket bilden und die Pakete voneinander jeweils durch einen Raum getrennt werden, in den die Strömungskanäle münden und aus dem sie austreten, hat den besonderen Vorteil, daß die obere und untere Abgrenzung des Raums zu den darunter und darüber befindlichen Strömungsbereichen eine zusätzlich Wärmeübergangsfläche darstellen. Auf diese Art ist es möglich, den Wärmetauschvorgang zu intensivieren und zu beschleunigen. Die schon mehrfach erwähnte vorteilhafte Beeinflussung des Wärmeübergangs durch Strömungsturbulenz kann auch dadurch erreicht werden, daß der Außenmantel der Vertiefungen eine Form aufweist, die zu einer Durchwirbelung der strömenden Medien führt.

Ganz besonders vorteilhaft ist ein Ausführungsform, in der die Strömungskanäle für die Führung des Primärgasstroms von unten nach oben ausgebildet sind. Diese Ausführungsform, die im völligen Gegensatz zu der in der DE 195 12 939 A1 beschriebenen Form des Rohrbündel- Wärmetauschers steht, hat den großen Vorteil, daß die mit flüssigen Schlacken behafteten Primärgasströme über vertikale Kanäle von unten nach oben geführt werden, so daß die sich an den Kanalwandungen absetzenden Schlacken nach unten abtropfen können.

Die Ausbildung der Innenoberfläche der Strömungkanäle wird durch das Profil des unteren Vertiefungsabschlusses bestimmt. Es wird bei der Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele noch im einzelnen aufgezeigt, wie dieses Profil aussehen kann. In jedem Fall ist davon auszugehen, daß die innere Kanalwandung keine glatte Oberfläche aufweist, die dem Inneren eines Rohres vergleichbar wäre. Dadurch ist auch hier eine Beeinflussung im Sinne einer turbulenten Strömung zu erwarten.

Durch den MoSi₂-Anteil ist der verwendete Werkstoff elektrisch leitend. Dadurch ergibt sich die günstige Möglichkeit, die Platten besonders in den Bereichen, die im Ausströmbereich des Primär- beziehungsweise im Einströmbereich des Sekundärgasstroms liegen und daher nicht auf höchstem Temperaturniveau sind, mit elektrischem Strom zu beaufschlagen und durch Widerstandsbeheizung auf solche Temperaturen zu erwärmen, daß gegebenenfalls zäher werdende oder gar sich verfestigende Schlacken wieder dünnflüssig aufgeschmolzen werden, um nach unten abtropfen zu können. Auf diese Art ist es möglich, den Wärmetauscher auch während intermittierender Reinigungsphasen weiterzubetreiben. Dies hat Vorteile gegenüber der Überhitzung durch Verbrennen zusätzlicher Brennstoffe oder des zeitweisen Reduzierens des Sekundärgasstroms. Diese Art der Abschmelzung anhaftender Schlacken zur Reinigung des Wärmetauschers ist natürlich von besonderem Vorteil bei der Anordnung, bei der die schlacke- bzw. aschebehafteten Primärgasströme durch die vertikalen Kanäle geführt werden. Bei dieser Anordnung läßt sich auch in besonders günstiger Form die Abführung der aus den Kanälen abfließender flüssiger Schlacken bewerkstelligen, so daß keine Beeinträchtigung der Kanalanströmung zu befürchten ist.

Eine Ausführungsform, bei der dem Wärmetauscher für den schlackebehafteten Primärgasstrom ein Trägheitsabscheider aus SiC/MoSi₂ vorgeschaltet ist, bietet besondere Vorteile bei hohen Schlackeanteilen im Gasstrom. Trägheitsabscheider aus den höchsttemperaturbeständigen Materialien lassen sich in besonders günstiger Form als Kugelhaufen-, Prallplatten- oder Zyklonabscheider darstellen. Durch das neuartige Material lassen sich im Mantel der Trägheitsabscheider Kanäle ausbilden, in denen der im Wärmetauscher vorgewärmte Sekundärgasstrom dem Primärgasstrom noch weiter entgegengeführt werden kann, was zu einer nochmaligen Erhöhung des Temperaturniveaus führt. Eine besonders günstige Ausbildungsform hierfür ist gegeben, wenn die Kanäle im Mantel des Trägheitsabscheiders spiralförmig verlaufen.

Für die Anwendungsfälle, in denen der Primärgasstrom Verwendungen auf möglichst hohem Temperaturniveau zugeführt werden soll, für die das Primärgas weitestgehend auch von feinsten Schlackebestandteilen frei sein muß, läßt sich bei dem vorgeschlagenen Wärmetauscher in vorteilhafter Weise zwischen Trägheitsabscheider und Wärmetauscher ein Feinfilter anordnen, das in besonders vorteilhafter Weise ebenfalls auf der Basis von SiC/MoSi₂ hergestellt und damit höchsttemperaturbeständig ist.

Der Wärmetauscher kann nicht nur als bloßer Wärmetauscher eingesetzt werden, sondern wegen des durch Einsatz der höchsttemperaturbeständigen Werkstoffe und des erfindungsgemäßen Konstruktionsprinzips möglichen sehr hohen Temperaturniveaus auch in besonders günstiger Form als Reformer. Dabei werden im Sekundärsystem gasförmige Kohlenwasserstoffe eingesetzt, die thermisch gespalten werden.

Eine besonders günstige Möglichkeit für den Energieverbund mit dem Höchsttemperatur-Wärmetauscher bietet der Einsatz eines Stirling-Motors. In dieser Variante erwärmt das Rauchgas auf der Sekundärseite Luft. Die Temperatur der Luft, die den Wärmetauscher verläßt, variiert je nach Brenngut zwischen 1.200 und 1.400 Grad Celsius.

Die Luft wird vor dem Eintritt in den Wärmetauscher durch ein Gebläse auf eine Geschwindigkeit von etwa 10 bis etwa 50 m/s beschleunigt. Die Geschwindigkeit der Luft ist abhängig von der Baugröße des Wärmetauschers, das heißt vom Massendurchsatz. Sie geht aus wärmetechnischen Gründen direkt in die Berechnung des konvektiven Wärmeübergangs ein. Für den jeweiligen Wärmetauscher muß aus Gründen der Anlagenoptimierung die entsprechende Luftgeschwindigkeit eingestellt werden. Vor dem Eintritt in den Wärmetauscher kann die Luft vorgereinigt und getrocknet werden. Um eine Mischung der Sekundärluft mit dem Rauchgas zu verhindern, wird die Sekundärseite mit einem leichten Überdruck betrieben.

Die erhitzte Luft wird nach Verlassen des Höchsttemperatur- Wärmetauschers auf einen Stirling-Motor weitergeleitet. Der Stirling-Motor ist eine Wärme-Kraft-Maschine, bei der die Antriebsenergie von außen über den Erhitzer-Wärmetauscher zugeführt wird. Ebenfalls von außen wird über den Kühler-Wärmetauscher eine zweite, niedrigere Temperatur eingestellt.

Aus der Differenz zwischen hohem und niedrigen Temperaturniveau wird, unter Berücksichtigung des thermodynamischen Wirkungsgrades, mechanische Arbeit geleistet. Im Gegensatz zum Otto- oder Dieselmotor gibt es bei diesem System keine innere Verbrennung und keinen Ladungswechsel; vielmehr werden zwei konstante Temperaturen von außen eingestellt. Im Stirling-Motor wird ein entsprechender Generator nachgeschaltet, der die mechanische Arbeit in elektrische Energie umwandelt. Die den Stirling-Motor verlassende Luft hat eine Temperatur von 400 Grad bis 700 Grad Celsius. Diese heiße Luft läßt sich energetisch in verschiedener Weise weiter nutzen, wovon hier einige Möglichkeiten kurz skizziert werden.

Beispielsweise kann sie zur Vorwärmung der Verbrennungsluft genutzt werden. Hierzu wird die 400 bis 700 Grad heiße Luft mit Außenluft gemischt und als Verbrennungsluft in der Feuerung eingesetzt. Durch diese Maßnahme läßt sich der Wirkungsgrad der Feuerung wesentlich erhöhen.

Möglich ist auch die Verwendung als Primär-/Sekundärluft in der Feuerung. Bei dieser Verfahrensvariante ist vorgesehen, die heiße Luft als Sekundärluft in den Feuerraum, beispielsweise in die Nachbrennzone einzugeben. Dadurch lassen sich wesentlich höhere Rauchgastemperaturen erzeugen. Diese Maßnahme hat zur Folge, daß die Rauchgase nach Verlassen der Nachbrennzone eine wesentlich höhere Temperatur erreichen und so die Luft auf der Sekundärseite des Wärmetauschers ebenfalls einen höheren Wärmeinhalt aufweist. Die angeschlossene Kraftwärmemaschine arbeitet ebenfalls auf einem höheren Energieniveau, was sich positiv auf ihren Wirkungsgrad auswirkt. Bei schwer entzündbaren Brennmaterialien kann die Entflammbarkeit durch die Zuführung von Heißluft erhöht werden, was sich positiv auf die Abbrandvorgänge und damit auf den Feuerungswirkungsgrad auswirkt.

Eine weitere Nutzungsmöglichkeit besteht in der Trocknung des Brenngutes. Der Verbrennungsstufe kann für die thermische Nutzung von feuchtem Brenngut, beispielsweise feuchtem Holz oder Schlamm, eine Trocknungsstufe vorgeschaltet werden. Die heiße Luft kann zu diesem Zweck über das zu trocknende Gut geleitet werden. Nach Verlassen des Trocknungsraums wird die feuchte Luft in einem Kondensator entwässert und je nach Trocknungsgut gereinigt. Die Luft kann dann in die Atmosphäre abgegeben oder als Verbrennungsluft in die Feuerung geleitet werden. Je nach Bauart der verwendeten Trockner, beispielsweise Wirbelschichttrockner usw., sind auch andere Verfahrensvariationen realisierbar.

Sehr wirkungsvoll kann auch die Nutzung zur Pyrolyse des Brenngutes sein. Zur Homogenisierung der Brennstoffeigenschaften läßt sich der eigentlichen Verbrennung eine Pyrolyse vorschalten. Der Brennstoff wird unter Luftausschluß durch die heiße Luft erhitzt und so in eine feste, flüssige und gasförmige Fraktion unterteilt. Sind im Brenngut metallische Verunreinigungen enthalten, kann der Pyrolyse eine Magnetabscheidung folgen, durch die metallische Fremdstoffe abgeschieden werden. Die drei Fraktionen können dann als feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe der Feuerung zugeführt werden.

Nach dem Verlassen des Stirling-Motors kann die heiße Luft auch für einen sonstigen nachgeschalteten Trocknungsprozeß genutzt werden. Durch die saubere, heiße Luft können beispielsweise größere Mengen Holz beim Einsatz in Sägewerken oder Lebensmittel wie Obst und Teigwaren getrocknet werden. Zur Realisierung dieser Verfahrensvariante wird die heiße Luft direkt in den Trockenraum geleitet. Um eine konstante Trocknungstemperatur zu erreichen oder eine gestufte Trocknung durchzuführen, kann der heißen Luft kalte in entsprechender Dosierung zu­ gemischt werden. Die den Trockenraum verlassende Luft kann je nach Grad der Abkühlung entweder in die Atmosphäre oder nach Zumischung zu dem Rauchgasstrom aus dem Wärmetauscher in einen Warmwasseraufbereiter gegeben werden. Bei dieser Variante ist es ebenfalls denkbar, eine Teil der Heißluft der Ansaugluft für den Wärmetauscher beizumischen und so eine Vorwärmung und dadurch einen höheren Wärmeaustauschwirkungsgrad zu erzielen.

In einem Blockheizkraftwerk bringt die Trennung des Rauchgas- und Luftstromes wesentliche Vorteile für den Betrieb des Stirling-Motors mit sich. Die Schwierigkeiten für die Einbindung eines Stirling-Motors in eine Feststoffeuerung und der direkten Beaufschlagung des Stirling- Wärmetauschers mit Rauchgasen setzt ein möglichst staubfreies Rauchgas voraus, was bisher nicht möglich war. Der Reststaub im Rauchgas verschmutzt den Wärmetauscher, verkürzt aufgrund chemischer Reaktionen einiger Bestandteile des Rauchgases mit den metallischen Komponenten des Wärmetauschers die Lebensdauer. Dadurch wird die Wärmeübertragungscharakteristik dieses kalorischen Apparates derart beeinträchtigt, daß sich der Wirkungsgrad des Stirling-Motors bei längerem Betrieb wesentlich verschlechtert, so daß eine Reinigung erforderlich ist. Dieses Problem läßt sich bei konventionellen Anlagen nur verhindern, wenn man staubfreie Brennstoffe, wie beispielsweise Erdgas verbrennt. Der Einsatz eines keramischen Wärmetauschers macht den Betrieb des Stirling- Motors vom eingesetzten Brennstoff unabhängig, da man immer eine Trennung von Heiß- und Arbeitsmedium, das heißt von Rauchgas und Luft hat. Durch den Wärmetauscher kann der Stirling-Motor als Wärme-Kraft- Maschine universell eingesetzt werden.

Durch den Einsatz des keramischen Wärmetauschers läßt sich elektrische Energie unabhängig vom eingesetzten Brennstoff auch mittels Gasturbinen erzeugen. Bei dieser Verfahrensvariante wird die Luft vor dem Eintritt in den Wärmetauscher verdichtet, im Wärmetauscher auf eine Temperatur von 1200 Grad Celsius erhitzt und anschließend in einer entsprechend dimensionierten Gasturbinen entspannt. Die Gasturbine treibt zur Erzeugung der elektrischen Energie einen Generator an. Die entspannte Heißluft kann im weiteren Verlauf des Prozesses in einem nachgeschalteten Wärmetauscher weiter energetisch genutzt werden, beispielsweise in Trocknung, Brennstoff oder Warmwasseraufbereitung. Bei größeren Anlagen kann ein Dampfkraftprozeß nachgeschaltet werden.

Bei der Verwendung metallischer Gasturbinen kann die Eintrittstemperatur aufgrund werkstoffspezifischer Eigenschaften der Metalle nicht beliebig erhöht werden. Da der Gesamtwirkungsgrad der Anlage von der Höhe der Turbineneintrittstemperatur abhängt, läßt sich der verfahrensimmanente Wirkungsgrad, das heißt der Carnot'sche Wirkungsgrad, nur durch die Erhöhung der Eintrittstemperaur steigern. Setzt man anstelle der Luft als Arbeitsgas ein sauerstofffreies Gas, beispielsweise Edelgase oder Stickstoff ein, so können alternative Turbinenwerkstoffe eingesetzt werden. Denkbar für diesen Fall ist der Einsatz von kohlenstoffaserverstärtem Kohlenstoff (CFC). Dieser Werkstoff kann bis auf Temperaturen von etwa 2000°C in nicht oxidierenden Atmosphären eingesetzt werden. Durch den Einsatz dieses Werkstoffs ist man unabhängig von der Turbineneintrittstemperatur, die bei der Verbrennung von kohlenstoffreichen Brennmaterialien auf bis zu 1600 Grad Celsius gesteigert werden kann. Entsprechend hohe Temperaturen lassen sich aber auch durch Einsatz entsprechend vorgewärmter oder sauerstoffangereicherter Luft erreichen.

Bei diesem Verfahren ist es sinnvoll, die Inertgase in einem geschlossenen Kreislauf zirkulieren zu lassen. Das Inertgas wird vor dem Eintritt in den Wärmetauscher verdichtet, im Wärmetauscher erhitzt und in der CFC- Turbine entspannt. Das die Turbine verlassende Heißgas wird auf Raumtemperatur abgekühlt, um die Verdichterleistung zu minimieren, und wieder verdichtet. Die Abkühlung des Rauchgases kann durch einen nachgeschalteten Dampfkraftprozeß erfolgen. Bei kleineren Einheiten läßt sich der Abkühlprozeß mehrstufig durchführen. Die bei diesem Vorgang abgezweigten Wärmeströme lassen sich weiter energetisch nutzen. Mögliche weitere Anwendungen sind Vorwärmung der Verbrennungsluft oder eines Inertgasstromes oder Trocknung von Brenngut oder von Fremdmaterialien.

Es ist auch möglich, anstelle der Turbine einen Heißgaslader zur Entspannung des Heißluft- bzw. Inertgasstromes zu verwenden. Dieser Heißgaslader, der normalerweise als Verdichter eingesetzt wird, wie im beschriebenen Fall aber auch als Entspannungsmaschine betrieben werden kann, muß bei Temperaturen über 1000 Grad Celsius auch aus keramischen Materialien hergestellt werden. Die Einbindung in die Anlage entspricht der der Turbine und wurde bereits vorstehend erläutert.

Die beschriebenen Vorteile und darüber hinaus weitere Vorteile werden deutlich bei der Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in beigefügter Zeichnung dargestellt sind. Darin zeigt

Fig. 1 einen Apparat in geschnittener Seitenansicht, in dem übereinander ein Wärmetauscher und ein Trägheitsabscheider angeordnet sind;

Fig. 2 eine Platte, aus der der Wärmetauscher aufgebaut wird, in geschnittener Seitenansicht und in Draufsicht;

Fig. 3 in stilisierter Darstellung ein Wärmetauschersegment aus vier übereinandergestapelten Platten;

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Strömungsbereich gemäß der Draufsicht IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 eine Ausführungsform mit Plattenpaketen und zwischen den Paketen angeordneten Durchhöhlungsräumen in schematischer Darstellung und

Fig. 6 eine sehr vereinfachte Systemskizze für Anlagenkonzepte mit integrativer Einbindung des Höchsttemperaturwärmetauschers.

In Fig. 1 ist in prinzipieller Darstellung ein Apparat gezeigt, bei dem der Wärmetauscher 1 über einem Zyklon 2 als Trägheitsabscheider angeordnet ist und bei dem - gestrichelt - die Konturen für die mögliche Einbaustelle eines Feinfilters 3 angedeutet sind. Der gesamte Apparat ist von einem hochtemperaturbeständigen, wärmedämmenden Mantel umgeben, in dem die Zu- und Abführungen der Primärmedien P, der Sekundärmedien S und des Ascheabflusses A ausgebildet sind. Im Ausführungsbeispiel wird der schlackenbelastete Primärgasstrom etwa in der Mitte der linken Seite zunächst in den Zyklon 2 geleitet, in dem die gröberen flüssigen Schlackenpartikel abgeschieden und nach unten in flüssiger Form ausgetragen werden. Der vorgereinigte Primärgasstrom P wild dann nach oben geführt und, gegebenenfalls nach Durchlauf eines Feinfilters 3, in die vertikalen Strömungskanäle des Wärmetauschers 1 geleitet.

Der Sekundärgasstrom S wild auf der oberen rechten Seite in den Apparat eingeführt und durch jeweils vier parallel geschaltete Strömungsbereiche im Kreuzstrom dem nach oben gerichteten Primärgasstrom P entgegengeführt. Dabei werden die Sekundärgasströme S in Umlenkräumen 9 erfaßt und in die darunterliegenden Strömungsbereiche in entgegengesetzter Richtung eingeführt. Im Ausführungsbeispiel ist angedeutet, daß der Sekundärgasstrom S alternativ nach Durchlauf des Wärmetauschers 1 als Sekundärgasstrom S' abgeführt oder zur weiteren Überhitzung dem Trägheitsabscheider 2 über entsprechende Kanäle 12 im Mantel des hier als Zyklon 3 ausgebildeten Trägheitsabscheiders entgegengeführt werden. In diesem Fall wird der Sekundärgasstrom S am unteren Ende des Apparats nach rechts abgeführt.

In Fig. 2 ist eine Platte 6 dargestellt, in die ein regelmäßiges Raster an kegelstumpfartigen Vertiefungen 7 eingeformt ist. Im oberen Teil der Darstellung wird die Platte 6 in geschnittener Seitenansicht und im unteren Teil der Darstellung in Draufsicht gezeigt. Werden diese Platten 6 derart übereinandergestapelt, daß das rohrförmige untere Ende des Mantels der Vertiefungen 7 in der oberen Platte auf dem Kegelmantel der Vertiefungen 7 der darunter angeordneten Platte aufliegt, ergibt sich ein Wärmetauscher 1, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Die Platten 6 bilden in horizontaler Orientierung die Strömungsbereiche 5 und in vertikaler Orientierung die Strömungskanäle 4.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel strömt das Primärmedium P, beispielsweise Rauchgas, von unten nach oben und ist, wie das von links nach rechts durch die Strömungsbereiche 5 strömende Sekundärmedium S durch entsprechende Pfeile angedeutet. In dieser Darstellung sind die Strömungskanäle 4 deutlich erkennbar. Da die Innenwand der Strömungskanäle 4 durch das untere Ende der Vertiefungen 7 gebildet wird, ist ihre Form und Struktur von der Ausbildung des unteren Mantelabschlusses der Vertiefungen 7 abhängig. Im linken Teil der Fig. 3 sind drei Beispiele für einen solchen Abschluß angedeutet, wobei der obere und untere einen zur Plattenoberfläche parallelen Abschluß und die beiden darunter liegenden Platten eine nach innen abgeschrägte Form aufweisen, die sich der Manteloberfläche der darunter liegenden Platte 6 zunehmend anpaßt. In dieser angepaßten Form ist eine höhere Dichte der Abgrenzung von Strömungskanal 4 zu Strömungsbereich 5 zu erwarten. Geringe Undichtigkeiten in dieser Abgrenzung werden erwartungsgemäß durch anhaftende Schlackenbestandteile abgedichtet. Da derartige Wärmetauscher 1 normalerweise mit einem Überdruck im Bereich des Sekundärmediums S gefahren werden, so daß sich zwar möglicherweise geringe Leckagen vom Sekundärmedium S in das Primärmedium P ergeben können, aber nicht umgekehrt, ist diesem Punkt keine zu große Bedeutung beizumessen.

Andererseits fördert die nicht glatte Ausbildung der Innenoberfläche der Strömungskanäle 4 die Durchwirbelung des aufströmenden Primärmediums P, wie im zweiten Strömungskanal 4 auf der linken Seite angedeutet. Es wurde bereits mehrfach darauf hingewiesen, daß die Turbulenz der Strömung den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs erhöht.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf den unteren Abschluß eines Strömungsbereichs 5 entsprechend der in Fig. 3 angedeuteten Blickrichtung IV. Auch hier ist der Sekundärgasstrom S durch Pfeile angedeutet, während der Primärgasstrom P durch die Öffnungen der Vertiefungen 7 quasi dem Betrachter entgegenströmt. Es ist deutlich zu erkennen, daß die säulenartig in den Strömungsbereich 5 ragenden Vertiefungsmäntel sich dem Sekundärgasstrom S entgegenstellen und zu dessen Durchwirbelung führen.

In Fig. 5 ist ganz schematisch ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem Platten 6 zu Plattenpaketen 10 zusammengefaßt und diese derart beabstandet voneinander angeordnet werden, daß sich zwischen den Paketen 10 Räume 11 ergeben. In diese Räume 11 münden die Strömungskanäle 4 ein, um auf der anderen Seite wieder in die Strömungskanäle 4 des darüberliegenden Pakets 10 einzuströmen. Bis auf diese Ein- und Ausströmöffnungen sind die Räume 11 allseits verschlossen. In den Räumen 11 ergibt sich eine Durchwirbelung der Teilströme P, die mit den jeweils äußeren Platten den unteren und oberen Abschluß des Raums 11 berühren. Damit sind mit diesen Flächen große Anteile zusätzlicher Wärmeübertragungsflächen gegeben, was zu einer Intensivierung und Beschleunigung des Wärmeübergangs führt. Es ist angedeutet, daß der Sekundärgasstrom S durch jeweils drei Strömungsbereiche 5 im Kreuzstrom entgegen und um die Räume 11 durch Umlenkräume 9 herumgeführt wird.

In Fig. 6 sind verschiedene Integrationsmöglichkeiten für den Wärmetauscher 1, beziehungsweise die Kombination von Wärmetauscher 1 und Vorabscheider 2 schematisch angedeutet. Der Primärgasstrom P tritt aus einer Druckfeuerung in den kombinierten Apparat ein und durchläuft, wie besonders im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, den als Zyklon ausgebildeten Trägheitsabscheider 2 und den Wärmetauscher 1, um oben auszutreten. Das gereinigte Rauchgas P kann zu den beschriebenen Anwendungen geführt werden, von denen hier ein Brauchwassertauscher und ein Luft-/Gastauscher für die Trocknung angedeutet sind.

Es sind zwei Sekundärgasströme S angedeutet. Beispiele für Sekundärmedien S₁ sind Luft oder Inertgase wie Stickstoff, die nach entsprechender Hochwärmung beispielsweise einem Stirlingmotor, einer CFC-Turbine oder einem Heißgaslader zugeführt werden. Als zweiter Sekundärgasstrom S₂ ist die Hochwärmung von Kohlenwasserstoffen und deren Spaltung bei entsprechend hohem Temperaturniveau angedeutet. Die Spaltungsprodukte können einer Brennstoffzelle zugeführt werden und dort Elektrizität erzeugen und einer weiteren Nutzwärmenutzung zugeführt werden. Zur Unterscheidung ist der Sekundärgasstrom 1 mit durchgezogener Linie und der Sekundärgasstrom 2 durch strichlierte Linien angedeutet. Der Einsatz des modifizierten Wärmetauschers 1 als Reformer macht es möglich, bei den herrschenden hohen Temperaturen Synthesegase aus Biomassen, Öl oder Gas herzustellen. Er dient quasi als Spaltofen, in dem die Kohlenwasserstoffe gecrackt werden. Die weitere Aufbereitung des Synthesegases erfolgt nach konventionellen, in der Technik erprobten Methoden. Der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist, daß man nicht, wie bei dem bisher erreichbaren Temperaturniveau von etwa 900 Grad Celsius, mit Katalysatoren arbeiten muß. Vielmehr erreicht man hier ein Temperaturniveau von bis zu 1300 Grad Celsius und damit bessere Wirkungsgrade ohne den Einsatz aufwendiger und empfindlicher Katalysatorsysteme.

Claims (14)

1. Keramischer rekuperativer Hochtemperatur-Wärmetauscher, bei dem alle mit den Primär (P)- und/oder Sekundärmedien (S) in Berührung kommenden Bauteile aus hochtemperaturfestem Material hergestellt sind, das aus einem Gemisch von SiC und MoSi₂ besteht, bei dem gegeneinander abgegrenzte Strömungskanäle (4) und Strömungsbereiche (5) durch beabstandete, übereinander gestapelte und mit Ausnehmungen versehene Platten gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in die Platten (6) ein übereinstimmendes Raster kegelstumpfartiger Vertiefungen (7) mit offenem Boden eingeformt ist, wobei die Platten (6) derart übereinander gestapelt sind, daß das rohrförmige untere Ende des Mantels der Vertiefungen (7) der oberen Platte (6) auf dem Kegelmantel der Vertiefungen der darunter angeordneten Platte (6) derart aufliegt, daß durch die im wesentlichen miteinander fluchtenden Vertiefungen (7) Strömungskanäle (4) gebildet werden und jeweils mindestens zwei aufeinanderliegende Platten (6) ein Plattenpaket (10) bilden und die Pakete voneinander derart beabstandet angeordnet sind, daß zwischen den Paketen jeweils ein Raum (11) gebildet wird, in den die Strömungskanäle (4) münden bzw. aus dem sie austreten, wobei der Raum (11) im übrigen allseits geschlossen ist und eine Umlenkung (8, 9) in den nächsten Strömungsbereich (5) eines Plattenpakets (10) an dem Raum (11) jeweils vorbeigeführt ist.

2. Wärmetauscher gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Platten (6) gebildete Strömungsbereich (5) niedriger ist als die Höhe der Vertiefungen (7) und von den Mänteln der Vertiefungen (7) säulenartig durchsetzt ist, wobei die Strömungsbereiche (5) nur Einström- und Ausströmöffnungen aufweisen und zwischen den Öffnungen Umlenkeinrichtungen (8) vorgesehen sind.

3. Wärmetauscher gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung der Medien derart gestaltet ist, daß jeweils auch mehrere Strömungsbereiche (5) für die Durchströmung in Art eines Kreuz-Gegenstromverfahrens zusammenfaßbar sind.

4. Wärmetauscher gemäß Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß jeweils auf der Einströmseite die Platte (6), die den in Umströmrichtung hinteren Strömungsbereich (5) unten begrenzt, derart verlängert ist, daß sie in Art einer Umlenkplatte (8) den Umlenkraum (9) begrenzt.

5. Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die säulenartigen Kanäle (4) im Strömungsbereich (5) derart ausgebildet sind, daß sie eine turbulente Strömung fördern.

6. Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anorndung der Zu- und Abführkanäle und der Strömungskanäle (5) für die Führung des Primärgasstroms (P) von unten nach oben ausgebildet sind.

7. Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (6) zumindest teilweise elektrische Anschlüsse für eine Widerstandsbeheizung aufweisen.

8. Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Wärmetauschers (1) an den Kanälen (4) Vorrichtungen für das Abführen flüssiger Schlacken vorgesehen sind.

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ihm für den Primärgasstrom (P) ein Trägheitsabscheider (2) auf SiC/MoSi₂ Basis vorgeschaltet ist.

10. Wärmetauscher gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Mantel des Trägheitsabscheiders (2) Kanäle (12) ausgebildet sind, in denen der im Wärmetauscher (1) vorgewärmte Sekundärgasstrom (5) dem Primärgasstrom (P) entgegenführbar ist.

11. Wärmetauscher gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (12) im Mantel spiralförmig verlaufen.

12. Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Trägheitsabscheider (2) und Wärmetauscher (1) ein Feinfilter (3) für den Primärgasstrom (P) angeordnet ist.

13. Wärmetauscher gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Feinfilter (3) aus SiC, SiC/MoSi₂ oder porösem faserverstärktem Verbundwerkstoff auf der Basis von SiC oder SiC/MoSi₂ hergestellt ist.

14. Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß er im Wärmetauscherteil (1) als Reformer zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen verwendet wird, die dem System im Sekundärgasstrom zugeführt werden.