DE2706253A1

DE2706253A1 - Keramischer, rekuperativer gegenstromwaermetauscher

Info

Publication number: DE2706253A1
Application number: DE19772706253
Authority: DE
Inventors: Axel Dipl Ing Dr Krauth
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 1977-02-15
Filing date: 1977-02-15
Publication date: 1978-08-17
Also published as: FR2380524A2; DE2706253C2; FR2380524B3; BE855089A; IT1114910B; SE432304B; SE7705709L

Description

Keramischer, rekuperativer Gegenstromvärmetauscher

Die Erfindung bezieht sich auf einen keramischen Wärmetauscher in Modul- und Stapelbauweise als gasdichter Verbundkörper aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen gemäß dem Hauptpatent P 26 31 092.

Die auf solche Art gefertigten keramischen Wärmetauscher bestehen aus gleichartigen plattenförmigen Körpern für die kalte und die warme Mediumseite, wie auch aus der DT-OS 25 21 351 und DT-OS 25 29 358 hervorgeht. Die Zwischenwände bei den Platten können dabei verschiedene Querschnitte aufweisen. Auch sind solche Wärmetauscher in Abhängigkeit vom praktischen Einsatz mit unterschiedlichen Strömungskanälen und Wandstärken eingesetzt worden. Ein Vorteil solcher Art beschriebener Wärmetauscher kann sein, daß durch das kreuzweise Aufeinanderlegen einzelner plattenförmiger Körper eventuell vorhandene Schwachstellen in der Keramik nicht zum Tragen kommen« Es erweist sich aber von der Ausführung her als nachteilig, daß der Wärmeübergang solcher Kreuzstrom-

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wärmetauscher durch die relativ dicke Zwischenschicht verschlechtert wird und durch die hohe Verbauung ein ungünstiges Verhältnis von Austauschfläche zu Volumen auftritt· Grundsätzlich kann man ebenfalls feststellen, daß der Wirkungsgrad gegenüber anderen Wärmetauscher-Prinzipien ebenfalls nicht besonders gut ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, Kreuzstromwärmetauscher der eingangs genannten Art so zu ändern, daß deren Wirkungsgrade wesentlich erhöht werden· Dabei soll durch konstruktive Maßnahmen erreicht werden, daß man das Kreuzstrom- in ein Gegenstromkonzept umwandelt· Insbesondere ist es ein Ziel der Erfindung, eine dünnwandige Wärmetauschereinheit zu schaffen, die einfach aufzubauen und mit möglichst geringen Herstellungskosten behaftet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe aus den eingangs bekannten keramischen Wärmetauschern besteht erfindungsgemäß darin, daß man eine Wärmetauschereinheit im Gegenstromprinzip erhält, indem die Medienführung der Niederdruckseite U- bzw. Z-förmig unter Verwendung von trapez- bzw. rautenförmigen Zwischenlagen und die Hochdruckseite aus plattenförmigen Hohlkörpern mit geradlinigen, parallelen Öffnungen gestaltet ist· Dabei hat es sich

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als zweckmäßig erwiesen, daß die Zwischenlagen und die Abgrenzungen der Niederdruckseite aus Stegen aufzubauen sind. Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, nicht nur die Zwischenlagen der Niederdruckseite aus Stegen aufzubauen, sondern die ganze Wärmetauschereinheit' aus solchen Stegen und aus Folien zu bilden«

Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise des erfindungsgemäßen keramischen, rekuperativen Gegenstromwärmetauschers anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Gegenstromwärmetauscher in perspektivischer

Darstellung mit trapezförmiger Zwischenlage bei der Niederdruckseite;

Fig. 2: Gegenstromwärmetauscher in perspektivischer Ansicht, bestehend aus Führungsstegen in der Zwischenlage bei der Niederdruckseite;

Fig. 3: Gegenstromwärmetauscher in perspektivischer Darstellung, bestehend aus Führungsstegen und Folien;

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Fig. 4: Anordnung von kubischen Wärmetauschereinheiten mit U-förmiger Medienführung.

Bei der Vorrichtung gemäß der Fig. i handelt es sich um eine Wärmetauschereinheit 1_ des Gegenstromprinzips aus ubereinandergestapelten Platten 2__t die wiederum bevorzugt rechteckige Öffnungen 2. aufweisen. Sie bilden die einzelnen Kammern für eine Wärmetauschermatrix· So besteht die Hochdruckseite l_0 und 1_1^ beispielsweise aus stranggezogenen Plattenprofilen 2, die herstellungsgemäß durch das Extrudieren geradlinig ausgebildet sind· Die Niederdruckseite 4_ und ]3 kann ebenfalls aus solchen geradlinigen Profilen hergestellt werden, sie werden aber dann so beschnitten, daß trapez- oder rautenförmige Zwischenlagen \2_ entstehen, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Dadurch erhält man im ersten Fall beim Zusammenbau eine U-förmige und im zweiten Fall eine in Fig. 1 nicht dargestellte Z-förmige Mediumführung auf der Niederdruckseite 4 und 8. Abgedichtet wird die Niederdruckseite ferner durch Begrenzungsstege 1_4 jeweils an den Enden der Wärmetauschereinheit 1. Die äußeren Platten 1_8 und Ij? bilden jeweils den oberen und den unteren Teil der heißen Mediumführung 10 und 11.

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Mit der Ausführung gemäß der Fig. 1 erhält man zwar einen Gegenstromwärmetauscher mit besserem Wirkungsgrad, aber zwischen den einzelnen Platten 2 befinden sich auch noch doppelt starke Zwischenwände, die den Wirkungsgrad herabmindern. Um eine dünnwandige Wand zwischen Hoch- und Niederdruckteil zu erhalten, werden bei der Niederdruckseite unterschiedlich lange Führungsstege jt3_ verwendet, die so angeordnet sind, daß beispielsweise ein U-förmiger Strömungsweg, wie in Fig. 2 dargestellt, erzeugt wird. Gleichzeitig dienen diese Stege 13 und 14 als Stützen und Abdichtungselemente gegenüber der Hochdruckseite.

Die einfachste Herstellungsmethode für eine keramische Wärmetauschereinheit ergibt sich gemäß Fig. 3, indem man sowohl die Hochdruck- als auch Niederdruckseite aus Stegen 13 und 14 sowie Folien 15 entsprechend den vorhergehenden Zeichnungen zusammengesetzt sind. Die Deckwandungen Ij6 und \J_ bestehen ebenfalls aus Folien, wobei auf der einen Seite 17 aus den Öffnungen 2j> das kalte Medium 4 einströmt und das ' erwärmte kalte Medium 8 wieder austritt.

In einem typischen Anwendungsfall sind 12 Wärmetauschereinheiten 1 zu einem Wärmetauscher zusammengefügt, wie aus Fig. 4 hervorgeht. Dabei tritt bei der Einlaßvorrichtung 2J)

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das relativ kalte Medium 4 in Pfeilrichtung ein und wird gleichmäßig über die drei Värmetauschereinheiten 21_, 2£ und £2 ^au* ^der Niederdruckseite verteilt. Das Medium k strömt dann durch den U-förmigen Teil 12 in den Umlenkkanal 7» vo es in einem weiteren Niederdruckbereich der Wärmetauschereinheit 1 geführt wird. Hier tritt dann das Medium erwärmt bei der Auslaßvorrichtung £JJ in Richtung des Pfeiles aus. Das Medium der Niederdruckseite wird dabei im Gegenstrom durch die Hochdruckseite 10 und 11 über die dünnwandigen Platten bzw. Folien erwärmt. Durch Hintereinanderschaltung von Wärmetauschereinheiten erreicht man bei gleichbleibender Medienströmung einen besseren Wärmeaustausch und durch die Parallelschaltung bei konstantem Wärmeaustausch eine höhere Mediumdurchsetzung· Die Abdichtung zwischen den einzelnen Wärmetauschereinheiten selbst und den Vorrichtungen für die Mediumführung erfolgt zum Beispiel durch Asbest, um die unterschiedliche Ausdehnung der verschiedenen Materialien bei Temperaturbeaufschlagung auszugleichen. Als ein anderes Dichtungsmaterial für niedrige Temperaturen kann solches auf der Basis von Graphit und MoS„ und für höhere Temperaturen Werkstoffe der Systeme NiO/CaF₂, NiO/SrF₂ und CaFe/BaFg/ AlPO. eingesetzt werden. Die einzelnen Wärmetauschereinheiten werden außerdem so in einem starren Rahmen gespannt, daß noch

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genügend Raum vorhanden ist, um unterschiedliche Temperatureinflüsse auszugleichen.

Ein solcher keramischer Wärmetauscher kann beispielsweise in einer Gasturbine eingebaut werden. Vorzugsveise eignen sich hier Wärmetauschereinheiten mit U-förmiger Mediumführung, da ein flaches Bauelement erzielt wird. Bei der Z-förmigen Mediumführung dagegen ist es sinnvoll, die einzelnen Wärmetauschereinheiten hintereinander in Serie zu schalten, vodurch man einen relativ hohen, aber schmalen Wärmetauscher erhält.

Insgesamt gesehen ergeben sich erhebliche Vorteile gegenüber einem Kreuzstromwärmetaueeher aus plattenförmigen Körpern. Die erfindungsgemäße Mediumführung auf der Kaltgasseite bewirkt, daß der Wirkungsgrad um etwa 7 hie 8 % erhöht wird. Dies ist auch auf die alternative Verwendung von Stegen und Folien zurückzuführen. Insbesondere läßt sich der Zusammenbau bei der Verwendung solcher vorgefertigten Stege und Folien wesentlich vereinfachen. Vor allem wurde auf eine kleine, kompakte Bauweise der einzelnen Wärmetauschereinheiten Wert gelegt, womit die absoluten Beträge hinsichtlich der unterschiedlichen Ausdehnung bei der Keramik und bei den

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Einlaßvorrichtungen infolge Wärmebeaufschlagungen in ihren Grenzen gehalten werden. Durch diese konstruktiven Maßnahmen wird die geringe Festigkeit und die Sprödigkeit der keramischen Materialien wie Siliziumcarbid und Siliziumnitrid überwunden, so daß man auch feingliedrige Wärmetauscher für Anwendungsbereiche bis 1400 C bauen kann. Damit ergibt sich eine bessere Betriebssicherheit und eine leichtere Reparaturmöglichkeit, indem die einzelnen Wärmetauschereinheiten relativ einfach ausgewechselt werden können. Weiterhin wird durch die vorliegende Erfindung erreicht, daß durch den Aufbau mit U- bzw. Z-förmigen Medienführungen alle Randbedingungen hinsichtlich Konstruktion und Wärmetauscheraufgaben erfüllt werden, die sich im Gasturbinenbau und in der Verfahrenstechnologie ergeben.

Schutzansprüche - 9 -

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Claims

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SCHÜTZANSPRÜCHE

1. !Keramischer Wärmetauscher in Modul- und Stapelbauweise als gasdichter Verbundkörper aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen gemäß dem Hauptpatent P 26 31 092, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Wärmetauschereinheit (l) im Gegenstromprinzip erhält, indem die Medienführung der Niederdruckseite (4;8) U- bzw. Z-förmig unter Verwendung von trapez- bzw. rautenförmigen Zwischenlagen (l2) und die Hochdruckseite (lO;ll) aus plattenförmigen Hohlkörpern (2) mit geradlinigen, parallelen Öffnungen gestaltet ist.

2. Keramischer Gegenstromwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t, daß die Niederdruckseite (4;8) aus Führungsstegen (l3;14) zwischen den plattenförmigen Hohlkörpern (2) gebildet ist.

3. Keramischer Gegenstromwärmetauscher nach Anspruch 1, ' dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Hohlkörper (2) aus Stegen (l3?l4)

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und Folien (l5) bestehen und die Deckwandungen (l6;17) ebenfalls aus Folien hergestellt sind.

k. Keramischer Gegenstromwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3f dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- (20) und Auslaßvorrichtung (25) der Niederdruckseite (4;8) zur Einlaß- und Auslaßvorrichtung der Hochdruckseite (lO;ll) um 90° versetzt sind.

5. Keramischer Gegenstromvärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Wärmetauschereinheiten (l) so zusammengebaut sind, daß die seitliche Einlaß- (20) bzw. Auslaßvorrichtung (25) bei der Niederdruckseite (k;8) jeweils senkrecht zu der Medienführung stehen und die Hochdruckseite (lOjll) nur eine geradlinige, horizontale Medienführung aufweist.

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