DE2505095A1

DE2505095A1 - Rekuperator

Info

Publication number: DE2505095A1
Application number: DE19752505095
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl Ing Heckel
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1975-02-07
Filing date: 1975-02-07
Publication date: 1976-08-19

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Stuttgart, den 5.Febr.1975 Stuttgart-Untertürkheim Daim 10505/4

EPT Dr.W/Wu/Ba

Patent- und Gebrauchsmusterhilfsanmeldung

Rekuperator

Die Erfindung betrifft einen Rekuperator, der aus aufeinandergeschichteten und miteinander verbundenen Wärmeaustauschwänden aufgebaut ist und bei dem mindestens ein Teil der von diesen Wärmeaustauschwänden umschlossenen Strömungsräume in einen gemeinsamen Strömungskanal mündet.

Es ist bekannt, Rekuperatoren, wie sie beispielsweise als Wärmeaustauscher bei Gasturbinen eingesetzt werden, aus Metallteilen zusammenzubauen, die untereinander verschweißt werden. Sin Nachteil solcher Rekuperatoren ist darin zu sehen, daß bei Verwendung von Metallen, die noch eine wirtschaftliche Herstellung ermöglichen, die Temperaturbeständigkeit maximal etwa bei 900⁰C liegt und daß eine höhere Temperaturbelastbarkeit und damit eine Leistungserhöhung des Rekuperators bei gleichen Abmessungen nicht möglich ist. Es ist auf der anderen Seite auch bekannt, daß keramisches Material weit höheren Temperaturen ausgesetzt werden kann, jedoch wurden diese Materialien, wie beispielsweise Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid, welche eine Temperaturbeständigkeit bis etwa 1300⁰C

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ORIGINAL INSPECTED

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aufweisen, bisher noch nicht zum Aufbau von Rekuperatoren der eingangs genannten Art eingesetzt, weil die geringe Festigkeit und die Sprödigkeit dieses Materiales den Aufbau eines feingliedrigen Rekuperatorkörpers, wie er aus Metall bekannt ist, nicht ohne weiteres zulassen. Vor allem ist es sehr schwierig, dieses Material untereinander dicht zu verbinden und die Anschlüsse der keramischen Teile an die bei Gasturbinen vorgesehenen Metallteile so auszubilden, daß auch dort eine einwandfreie Dichtung ermöglicht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rekuperator so auszubilden, daß eine Verwirklichung aus keramischem Material praktisch möglich ist und daß auch die Anschlußmöglichkeiten so ausgebildet sind, daß eine einwandfreie und dauerhafte Dichtung erreicht werden kann.

Die Erfindung besteht darin, daß die Wärmeaustauschwände aus keramischem Material bestehen, beidseitig symmetrisch zu einer Mittelebene kreisförmige Ausnehmungen aufweisen und mit weiteren Platten jeweils unter Zwischenfügung eines auf einer Seite angeordneten, mit der Ausnehmung fluchtenden Ringes und einer auf der anderen Seite sitzenden, die Außenkontur der Ausnehmung übergreifenden, kreisbogenförmigen Leiste so zusammengesintert sind, daß beidseitig ein Rohr als gemeinsamer Strömungskanal gebildet wird, das mit jedem zweiten Strömungsraum in Verbindung steht.

Durch diese Ausgestaltung wird auf beiden Seiten der Wärmeaustauschplatten als Anschlußteil ein rohrförmiger Querschnitt gebildet, der eine kreisförmige und einfach zu beherrschende Abdichtung ermöglicht. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird es auch möglich, einen dichten Rekuperatorkörper aufzubauen, der beispielsweise aus Siliziumnitrid bestehen kann und

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der deshalb bei gleichen Abmessungen gegenüber Metallrekuperatoren eine wesentlich höhere Leistung bringen kann·

Vorteilhaft ist es, wenn als Wärmeaustauschwände ebene Platten vorgesehen sind, die auf einer Seite an den mit der kreisförmigen Ausnehmung fluchtenden Ring und an zwei gerade Abstandeleisten an zwei Seitenkanten und auf der .anderen Seite an einen alle Seitenkanten und die Außenhälfte der kreisförmigen Ausnehmung umgebenden Rahmen angrenzen. Durch diese Ausgestaltung werden jeweils abwechselnd voneinander getrennte Strömungsräume geschaffen, die beispielsweise für den Gasdurchtritt und für den Luftdurchtritt gedacht sein können und den Wärmeaustausch im Gegenstromprinzip zulassen· Um bei dieser Ausführungsform die Stabilität zu erhöhen, ist es besonders vorteilhaft, wenn an jeder Wärmeaustauschwand beidseitig je eine gewellte Keramikplatte anliegt. Durch diese Ausgestaltung wird einmal die Festigkeit der gesamten Anordnung so erhöht, daß ein praktischer Einsatz möglich ist, zum anderen werden die Strömungsräume in einzelne Teilströmungskanäle aufgeteilt und die gesamte wärmeaustauschende Fläche kann auf diese Weise zur Verbesserung der Wärmeübertragungeleistung erhöht werden.

Ein· zweckmäßige Ausführungsform ergibt sich, wenn jede Wärmeaustau schwand etwa die Form «ines Rechteckes mit an den gegenüberliegenden Schmalseiten angranzenden Dreiecken aufweist, wobei die kreisförmigen Ausnehmungen im Bereich der Dreieckspitzen angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform kann die gewellte Keramikplatte nit parallel verlaufenden Wellen versehen sein, die aber nur im Bereich der Rechteckfläch· angeordnet sind, während im Dreieckeberelch gewellte Platten vorgesehen sein können, die als strömungsgünstige Leitkanäle ausgebildet sind und auf einer Dreiecksseite ausgehend von den parallel verlaufenden Wellen im Bereich der Rechteckflache in die kreisförmige Ausnehmung münden, auf der v «Ite am~>diee*r jedoch vorbeiführen. Der mit der

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kreisförmigen Ausnehmung fluchtende Ring wird dabei der Dreiecksseite zugeordnet, auf der die Leitkanäle der gewellten Platte an der kreisförmigen Ausnehmung vorbeiführen und der Rahmen wird der anderen Seite zugeordnet, auf der die Leitkanäle in die kreisförmige Ausnehmung münden.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigent

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines keramischen Rekuperatorkörpers, der erfindungsgemäß aufgebaut ist, Fig. 2 die perspektivische Darstellung der zum Aufbau des

Rekuperatorkörpers nach Fig. 1 verwendeten keramischen Teile,wobei die gewellten dreieckigen Plattenteile nicht gezeigt sind,

Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch den Rekuperatorkörper der Fig. 1,

Fig. 4 die vergrößerte Darstellung einer Seite des Rekuperators der Fig. 3t wobei in beiden Fig. die gewellten Platten nicht gezeigt sind und die

Fig. 5a die Schnitte durch den Rekuperator längs der Linie Va-Vb und 5b in Fig. 3» jedoch mit eingesetzten Wellplatten.

Der in den Fig. gezeigte Rekuperatorkörper ist im wesentlichen aus Wärmeauetauechwänden 1 aus Siliziumnitrid zusammengesetzt, die etwa die Form eines Rechtecke« mit an zwei gegenüberliegenden Seiten angrenzenden Dreiecken 3 aufweisen, wobei im Bereich der Dreiecksepitzen kreisförmige Ausnehmungen 4 vorgesehen sind. Diese Ausnehmungen 4 sind jeweils Teile eines Rohres 5« die sich auf beiden Seiten symmetrisch zu einer parallel zu den Rohrachsen

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verlaufenden Mittelebene erstrecken. Die Rohre 5 werden dabei, wie insbesondere aus Fig.2 hervorgeht, im Bereich des Rekuperatorkörpers durch die kreisförmigen Ausnehmungen 4 und durch jeder Wärmeaustauschplatte zugeordnete Ringe 6 bzw. kreisbogenförmige Leisten 7 gebildet, die jeweils auf verschiedenen Seiten der Wärmeaustauschplatte 1 vorgesehen sind. In der Fig.2 ist der grundsätzliche Aufbau des Rekuperatorkörpers nur anhand von drei Wärmeaustauschplatten gezeigt; es leuchtet ein, daß diese Anzahl beliebig vergrößert werden kann, wenn angrenzend an die linke, äußerste Wärmeaustauschplatte la wieder ein Ring 6, eine Wärmeaustauschplatte 1 und dann wieder eine kreisbogenförmige Leiste 7 folgt. Die kreisbogenförmige Leiste 7 ist Teil eines die Außenkontur der gesamten Wärmeaustauschplatte 1 umschließenden Rahmens 8, der auf diese Weise den zwischen der Wärraeaustauschplatte la und der Wärmeaustauschplatte Ib liegenden Strömungsraum abschließt und den Zugang zu diesem Raum ausschließlich über die Rohre 5 ermöglicht, die nach außen dadurch fortgesetzt werden, daß noch ein zusätzlicher Ring 9 aufgesetzt wird. Der Strömungsraum zwischen der Wärmeaustauschplatte Ib und der Wärmeaustauschplatte 1 wird zum Rohrinneren durch den· Ring 6 abgeschlossen; er bleibt von den Stirnseiten der Wärmeaustauschplatten her aber dadurch zugängig, daß lediglich die obere und untere Seitenkante der Wärmeaustauschplatten Ib und durch die geraden Abstandsleisten 10 abgedichtet sind. In jedem so gebildeten Strömungsraum sind gewellte Keramikplatten 11 eingelegt und mit diesem fest versintert. Die Stärke der Keramikplatten 11 beträgt ebenso wie diejenige der Wärmeaustauschplatten 1 nur etwa 0,15 nun, während die Stärke des Rahmens 8 und der Leisten 10 sowie des Ringes 6 etwa 1 mm beträgt.

Aus den Fig.5a und $h geht ferner hervor, daß zusätzlich zu den gewellten Platten 11, deren Wellen parallel zueinander

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verlaufen, in dem Bereich der Dreiecke 3 ebenfalls gewellte Plattenteile t2 bzw. IJ eingelegt sind, die aber für jeden der beiden Strötnungsräutne verschieden und optimal strömungsgünstig ausgebildet sind. In dem von den Rahmen 8 eingeschlossenen Strömung s raum Ik (Fig.3) ist die Platte 12 so ausgebildet, daß ihre einzelnen Leitkanäle 15 ausgehend von den Leitkanälen der Platte 11 und fluchtend mit diesen zum Zentrum der kreisförmigen Ausnehmung k streben und in diese münden. Die dem Strömungeraum l6 (Fig.3) zugeordnete Platte I3 dagegen besitzt Leitkanäle 17» die von den Leitkanälen der Platte 11 ausgehend um den hier eingesetzten Ring 6 herumführen, so daß der Zugang in den Strömungeraum l6 von den Stirnseiten der Platten 1 her möglich ist. Beispielsweise kann der Anschluß so erfolgen, daß in die Leitkanäle 17 in Richtung der Pfeile l8 das Gas eintritt, während die Luft im Gegenstromprinzip im benachbarten Strömungsraum lk aus dem Rohr 5 kommend in Richtung der Pfeile 19 (Fig.5a) einströmt. Wie aus Fig.3 ohne weiteres erkennbar.ist, strömt das Gas und die Luft daher in voneinander völlig getrennten Strömungsräumen und die Luft tritt in Richtung der Pfeile 20 wieder aus dem gegenüberliegenden Rohr 5 aus, während das in Richtung der Pfeile l8 eintretende Gas auf der anderen Seite der Wärmeaustauschplatte in Richtung der Pfeile 21 austritt (Fig.l).

Alle in Fig.2 gezeigten Einzelteile und zusätzlich noch die Platten 12 und 13 werden zusammengeschichtet, auf Maß zusammengepreßt und dann zu einem dichten Körper versintert. Der so hergestellte Rekuperatorkörper weist den Vorteil eines symmetrischen Aufbaues auf, der mit einer gleichmäßigen Temperaturverteilung verbunden ist. Durch die Schichtbauweise und die symmetrische Ausbildung ist auch die Möglichkeit für eine Massenfertigung eröffnet und die Stabilität wird durch die gegenseitige Verrippung der einzelnen Teile gewährleistet. Auch die Rohre 5 sind durch die Anordnung der überstehenden Leisten 7 sehr stabil. Aus Steifigkeitsgründen sollten beim Einbau des Rekuperatorkörpers beiderseits gasführende Schichten angeordnet sein. Die äußeren

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Platten könnten auch stärker als die inneren Platten ausgeführt werden. Zum Anschluß an das Triebwerk sind luft- und gasseitig nur jeweils ein Dichtungstyp erforderlich. Die Länge der Abdichtung zwischen Hoch- und Niederdruck an den Rohren bleibt relativ klein und die gesamte Abdichtung weist Kreisform auf, die sich sehr leicht verwirklichen läßt und auch beim Zusammenschluß von Keramik- und Metallteilen eine gute Abdihtung ermöglicht.

Claims

-8- . Daim 10505/4 Patent- und Schutzansprüche

Rekuperator, der aus aufeinandergeschichteten und miteinander verbundenen Wärmeaustauschwänden aufgebaut ist und bei dem mindestens ein Teil der von diesen Wärmeaustauschwänden umschlossenen Strömungsräume in einen gemeinsamen Strömungskanal mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschwände (1) aus keramischem Material bestehen, beidseitig symmetrisch zu einer Mittelebene kreisförmige Ausnehmungen (4) aufweisen und mit weiteren Platten jeweils unter Zwischenfügung eines auf einer Seite angeordneten, mit der Ausnehmung fluchtenden Ringes (6) und einer auf der anderen Seite sitzenden, die Außenkontur der Ausnehmung übergreifenden, kreisbogenförmigen Leiste (7) so zusammengesintert sind, daß beidseitig ein Rohr (5) als gemeinsamer Strömungskanal gebildet wird, das mit jedem zweiten Strömungsraum (14) in Verbindung steht.
2. Rekuperator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeaustauschwände ebene Platten (1) vorgesehen sind, die auf einer Seite an den mit der kreisförmigen Ausnehmung (4) fluchtenden Ring (6) und an zwei gerade Abstandsleisten (10) an zwei Seitenkanten und auf der anderen Seite an einen alle Seitenkanten und die Außenhälfte der kreisförmigen Ausnehmuig umgehenden Rahmen (8) angrenzen.
3· Rekuperator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Ringes (6) und der geraden Abstandsleisten (10) gleich groß ist.

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4. Rekuperator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Rahmens (8) der Höhe der Abstandsleiaten(lO) entspricht.
5. Rekuperator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Wärmeaustauschwand (l) beidseitig je eine gewellte Keramikplatte (ll) anliegt. .
6. Rekuperator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wärmeaustauschwand (i) etwa die Form eines Rechteckes mit an gegenüberliegenden Seiten (2) angrenzenden Dreiecken (3) aufweist, wobei die kreisförmigen Ausnehmungen (4) im Bereich der Dreieckspitzen angeordnet sind.
7. Rekuperator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gewellte Keramikplatte (ll) mit parallel verlaufenden Wellen versehen und nur im Bereich der Rechteckfläche angeordnet ist.
8. Rekuperator nach den Ansprüchen 6 und 7» dadurch gekennzeichnet, daß auch im Dreiecksbereich gewellte Platten (12,13) vorgesehen sind, die als strömungsgünstige Leitkanäle (15»17) ausgebildet sind und auf einer Dreiecksseite ausgehend von den parallel verlaufenden Wellen im Bereich der Rechteckfläche in die kreisförmige Ausnehmung (4) münden, auf der anderen Seite an dieser, vorbeiführen.
9. Rekuperator nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der kreisförmigen Ausnehmung (4) fluchtende Ring (6) der Dreiecksseite zugeordnet ist, auf der die Leitkanäle (17) der gewellten Platte (13) an der kreisförmigen Ausnehmung (4) vorbeiführen und daß der Rahmen (8) der anderen Seite zugeordnet ist, auf der die Leitkanäle (15) in die kreisförmige Ausnehmung (4) münden.

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10. Rekuperator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teile aus keramische· Material, vorzugsweise Siliziumnitrid, bestehen und zu einem dichten Körper versintert sind«

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