DE2706253C2

DE2706253C2 -

Info

Publication number: DE2706253C2
Application number: DE2706253A
Authority: DE
Inventors: Axel Dipl.-Ing. Dr. 8672 Selb De Krauth
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 1977-02-15
Filing date: 1977-02-15
Publication date: 1990-08-16
Also published as: BE855089A; FR2380524A2; SE7705709L; SE432304B; DE2706253A1; IT1114910B; FR2380524B3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der nicht vorveröffentlichten DE-PS 26 31 092 werden keramische Wärmetauscher aus einer Mehrzahl von kreuzweise gestapelten plattenförmigen Hohlkörpern vorgeschlagen, wobei die Platten in Kreuzstrombauweise aufeinandergestapelt sind und die Platten aus unterschiedlichen Werkstoffen in Modulbauweise gasdicht miteinander verbunden sind.

Die auf solche Art gefertigten keramischen Wärmetauscher bestehen aus gleichartigen plattenförmigen Körpern für die kalte und die warme Mediumseite, wie auch aus der DE-OS 25 21 351 und DE-OS 25 29 358 hervorgeht. Die Zwischenwände bei den Platten können dabei verschiedene Querschnitte aufweisen. Auch sind solche Wärmetauscher mit unterschiedlichen Strömungskanälen und Wandstärken eingesetzt worden. Ein Vorteil solcher 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 Kreuzstromwärmetauscher 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.

Aus der DE-PS 27 05 123 ist ein Wärmetauscher bekannt, bei dem jedoch nicht Platten aus unterschiedlichen keramischen Materialien gasdicht miteinander verbunden sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kreuzstromwärmetauscher der eingangs genannten Art so zu ändern, daß dessen Wirkungsgrad wesentlich erhöht wird. 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 besteht erfindungsgemäß darin, daß die plattenförmigen Hohlkörper aus unterschiedlichen keramischen Materialien gasdicht miteinander verbunden sind.

Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Zwischenlagen (zwischen je zwei plattenförmigen Hohlkörpern) und die Abgrenzungen der Niederdruckseite nach außen aus Stegen aufzubauen. 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.

Unterschiedliche Werkstoff-Kombinationen der Platten sind beispielsweise Siliziumnitrid mit Cordierit, Siliziumcarbid mit Cordierit, Siliziumnitrid mit Siliziumcarbid. Poröse keramische Werkstoffe können durch eine Metallfolie gasdicht gegeneinander abgedeckt werden. So kann Siliziumnitrid mit einer Metallfolie aus Wolfram und Siliziumnitrid mit einer Siliziummetallfolie abgedeckt sein.

Siliziumnitrid ist ein keramischer Werkstoff, dem während der letzten Jahre großes Interesse als Material für Konstruktionsteile gewidmet wurde, die hohen Temperaturen und korrosiven Atmosphären ausgesetzt sind. Zum Unterschied zu den meisten anderen keramischen Materialien mit hoher Festigkeit ist bei Siliziumnitrid die Temperaturschockbeständigkeit außerordentlich groß.

Ein anderes keramisches Material ist Cordierit, das sich für die Herstellung von keramischen Substraten und Katalysatorträgern eignet. Der Werkstoff hat im gebrannten Zustand ebenfalls einen relativ niedrigen Ausdehnungskoeffizienten und eine hohe Temperaturschockbeständigkeit. Die physikalischen Eigenschaften der erhaltenen keramischen Körper variieren mit der chemischen Zusammensetzung.

Siliziumcarbid ist ein Material, welches eine hohe Festigkeit und chemische Beständigkeit bei hohen Temperaturen besitzt. Wegen der geringen Schwindung und der Möglichkeit, SiC-Gerüste herzustellen und durch Tränken mit Si-Metall gasdicht zu machen, ist dieses Material ebenfalls für Hochtemperatur-Anwendungen geeignet.

Als Werkstoff für die Platten kommen insbesondere Keramiken auf der Basis von Silikaten, Oxiden, Carbiden und Nitriden in Frage. Eine keramische Verbundstruktur wird dadurch erreicht, indem verschiedene keramische Werkstoffe miteinander kombiniert oder durch eine Metallfolie gasdicht voneinander getrennt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 Gegenstromwärmetauscher in perspektivischer Darstellung mit trapezförmigen Zwischenlagen auf der Niederdruckseite;

Fig. 2 Gegenstromwärmetauscher in perspektivischer Ansicht, bei dem die Zwischenlagen zwischen zwei plattenförmigen Hohlkörpern der Niederdruckseite aus Stegen besteht;

Fig. 3 Gegenstromwärmetauscher in perspektivischer Darstellung, aus plattenförmigen Hohlkörpern, die aus Führungsstegen und Folien aufgebaut sind;

Fig. 4 Anordnung von quaderförmigen Wärmetauschereinheiten mit U-förmiger Medienführung.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 handelt es sich um eine Wärmetauschereinheit 1, die nach dem Gegenstromprinzip arbeitet und die aus übereinandergestapelten plattenförmigen Hohlkörpern 2 besteht. Diese weisen bevorzugt rechteckige Öffnungen 3 auf und bilden die einzelnen Kammern für eine Wärmetauschermatrix.

Die Hochdruck-Seite der Wärmetauschereinheit 1 wird gebildet durch die plattenförmigen Hohlkörper 2, die geradlinig sind und durch Extrudieren hergestellt werden können. In sie wird heißes Medium in Richtung 10 eingeleitet, das als abgekühltes Medium bei 11 wieder austritt. Die Niederdruckseite kann ebenfalls ausgehend von solchen geradlinigen Hohlkörpern 2 hergestellt werden; diese werden aber so beschnitten, daß trapez- oder rautenförmige Zwischenlagen 12 übrig bleiben. Mit trapezförmigen Zwischenlagen erhält man beim Zusammenbau eine U-förmige und mit rautenförmigen Zwischenlagen eine (in Fig. 1 nicht dargestellte) Z-förmige Mediumführung. In die Niederdruckseite wird kaltes Medium in Richtung 4 eingeleitet, das als erwärmtes Medium in Richtung 8 wieder austritt. Abgedichtet wird die Niederdruckseite nach außen durch Begrenzungsstege 14 jeweils an den Stirnflächen der Wärmetauschereinheit 1. Die beiden äußeren plattenförmigen Hohlkörper 18 und 19 werden (in Fig. 1) jeweils von heißem Medium durchströmt.

Mit der Ausführung gemäß der Fig. 1 erhält man zwar einen Gegenstromwärmetauscher mit besserem Wirkungsgrad, aber zwischen den Medien in den einzelnen Platten 2 befinden sich auch noch doppelt starke Zwischenwände, die den Wirkungsgrad herabmindern.

Eine Ausführung mit einer dünnwandigen Wand zwischen Hoch- und Niederdruckteil ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei werden auf der Niederdruckseite nur Führungsstege 13 verwendet, die unterschiedlich lang und so angeordnet sind, daß beispielsweise ein U-förmiger Strömungsweg erzeugt wird. Gleichzeitig dienen diese Führungsstege 13 und die Begrenzungsstege 14 als Stützen und Abdichtungselemente gegenüber dem Medium an der Stirnseite.

Ein anderer Aufbau für eine keramische Wärmetauschereinheit ergibt sich aus Fig. 3. In dieser ist sowohl die Hochdruck- als auch Niederdruckseite aus Stegen 13 und 14 sowie Folien 15 zusammengesetzt. Stranggezogene plattenförmige Hohlkörper fehlen hierbei. Die Deckwandungen 16 und 17 bestehen ebenfalls aus Folien, wobei durch die Deckwandungen 17 kaltes Medium in die Öffnung 6 in Richtung 4 einströmt und das erwärmte kalte Medium durch die Öffnung 9 in Richtung 8 wieder austritt.

In Fig. 4 ist dargestellt, wie für einen typischen Anwendungsfall 12 Wärmetauschereinheiten 1 (mit jeweils 7 Kanalebenen) zu einem Wärmetauscher zusammengefügt sind. Bei diesem tritt relativ kaltes Medium in die Einlaßvorrichtung 20 in Richtung 4 ein und wird dabei gleichmäßig über die drei Wärmetauschereinheiten 21, 22 und 23 auf der Niederdruckseite verteilt. Analog dringt durch die Einlaßvorrichtung 20′ das kalte Medium in die drei anderen Wärmetauschereinheiten 21′, 22′ und 23′ ein, die U-förmige Führung aufweisen. Das kalte Medium strömt dann von den Umlenkkanälen 7 zum Niederdruckbereich der nachgeschalteten Wärmetauschereinheiten 1. Aus diesen tritt es bei der Auslaßvorrichtung 5 in Richtung 8 aus, nachdem es auf seinem Weg im Gegenstrom durch das heiße Medium (Eintritt bei 10, Austritt bei 11) der Hochdruckseite über die dünnwandigen plattenförmigen Hohlkörper bzw. Folien erwärmt wurde.

Durch Hintereinanderschaltung von 2 Wärmetauschereinheiten erreicht man bei gleichbleibender Medienströmung einen besseren Wärmeaustausch und durch die Parallelschaltung von 6 Wärmetauschereinheiten bei konstantem Wärmeaustausch einen höheren Mediendurchsatz.

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. Für niedrige Temperaturen kann ein Dichtungsmaterial auf der Basis von Graphit und MoS₂ und für höhere Temperaturen Werkstoffe der Systeme NiO/CaF₂, NiO/SrF₂ und CaFe/BaF₂/AlPO₄ eingesetzt werden. Die einzelnen Wärmetauschereinheiten werden außerdem so in einem starren Rahmen gespannt, daß noch genügend Raum vorhanden ist, um unterschiedliche Temperatureinflüsse auszugleichen.

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

Insgesamt gesehen ergeben sich erhebliche Vorteile gegenüber einem Kreuzstromwärmetauscher aus plattenförmigen Körpern. Die mit der Z-förmigen oder U-förmigen Führung erreichte Verwirbelung auf der Kaltgasseite des Mediums verbessert den Wirkungsgrad. Bei einem Aufbau des Wärmetauschers aus Stegen und Folien wird dadurch der Wirkungsgrad um etwa 7 bis 8% erhöht. Ferner läßt sich der Zusammenbau bei Verwendung vorgefertigter Stege und Folien wesentlich vereinfachen.

Bei kleiner, kompakter Bauweise der einzelnen Wärmetauschereinheiten gelingt es, den Unterschied der absoluten Beträge der Längenausdehnung von Keramik und von Einlaßvorrichtungen infolge Wärmebeaufschlagung in Grenzen zu halten. Dadurch 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 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.

Claims

1. Wärmetauscher nach dem Gegenstromprinzip, enthaltend eine Vielzahl aufeinander gestapelter plattenförmiger Hohlkörper aus keramischem Material, der Kanäle mit entsprechenden Ein- und Auslaßöffnungen für ein erstes Medium mit niedrigem Druck und ein zweites Medium mit höherem Druck enthält, wobei die Niederdruckseite mit einer U- oder Z-förmigen Medienführung aus trapez- oder rautenförmigen, plattenförmigen Hohlkörpern als Zwischenlagen und die Hochdruckseite aus plattenförmigen Hohlkörpern mit geraden, parallelen Kanälen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Hohlkörper aus unterschiedlichen keramischen Materialien gasdicht miteinander verbunden sind.

2. Wärmetauscher nach dem Gegenstromprinzip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckseite (4; 8) aus Stegen (13; 14) zwischen den plattenförmigen Hohlkörpern (2) gebildet ist.

3. Wärmetauscher nach dem Gegenstromprinzip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Hohlkörper (2) aus Stegen (13; 14) und Folien (15) bestehen und die Deckwandungen (16; 17) ebenfalls aus Folien hergestellt sind.

4. Wärmetauscher nach dem Gegenstromprinzip nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- (20) und Auslaßvorrichtung (5) der Niederdruckseite (4; 8) gegenüber der Einlaß- und Auslaßvorrichtung der Hochdruckseite um 90° verdreht sind.

5. Wärmetauscher nach dem Gegenstromprinzip nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere einzelne Wärmetauscher (1) in Modulbauweise so zusammengebaut sind, daß die seitliche Einlaß- (20) bzw. Auslaßvorrichtung (5) bei der Niederdruckseite jeweils senkrecht zu der Medienführung steht und die Hochdruckseite nur eine geradlinige Medienführung aufweist.