DE2706715A1 - Waermetauscher und verfahren zur herstellung eines waermetauschers - Google Patents

Waermetauscher und verfahren zur herstellung eines waermetauschers

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DE2706715A1 DE19772706715 DE2706715A DE2706715A1 DE 2706715 A1 DE2706715 A1 DE 2706715A1 DE 19772706715 DE19772706715 DE 19772706715 DE 2706715 A DE2706715 A DE 2706715A DE 2706715 A1 DE2706715 A1 DE 2706715A1
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Description

ί·'.Α30?Ιΐ:ΓΕίίΡΑ3ΡιΙΚ AüGSBjT^-.-iiiRMBERO 2 7 U 6 7 1
vctienge Seilschaft
München, den 9. Februar 1977
Wärmetauscher und Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers und einen Wärmetauscher mit einer Vielzahl von zum Wärmetausch aneinanderliegenden, von zwei Strömungsmitteln, zwischen denen der Wärmetausch herbeigeführt werden soll, durchflossenen Röhren, von denen jedes ein Rohrende für den Eintritt des jeweiligen Strömungsrnittels und ein Rohrende für den Austritt des jeweiligen Strömungsmittels aufweist.
Häufig wird von derartigen Wärmetauschern verlangt, daß sie ein hohes WärmetauschverrTiÖgen und geringe Aussenmaße aufweisen. Ein hohes Wärmetauschvermögen bei geringen Aussenmaßen des Wärmetauschers kann man aber nur unter erhöhtem technischen Aufwand bei Konstruktion und Fertigung des Wärmetauschers erreichen.
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-1' 270671b
Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, einen V/ärmetauscher der eingangs genannten Art anzugeben, der sich durch Kompaktheit, hohes Wärmetausehvermogen und einfache Bauweise auszeichnet.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß an jedem Ende des Wärmetauschers die Rohrenden der von einem der Strömungsmittel durchflossenen Röhren zu einem Bündel zusammengefaßt sind und in Axialrichtung über die an diesem Ende sich befindenden anderen Rohrenden der übrigen Röhren hinausragen.
Die mit der Lösung dieser Aufgabe erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Wärmetauscher sehr kompakt ist und daß er äußerst günstige Festigkeits-, Strömungs- und Wärmetausch· eigenschaften aufweist. Außerdem ist es vorteilhaft, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher sowohl Gleich- als auch Gegenstrom verwirklichen lassen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ragen die an jedem Ende des Wärmetauschers zu einem Bündel zusammengefaßten Rohrenden jeweils in ein erstes Anschlußrohr hinein, und die an jedem Ende des Wärmetauschers sich befindenden Rohrenden der übrigen Röhren schließen sich jeweils an einen Ringspalt an, der von dem jeweiligen ersten Anschlußrohr und einem zweiten Anschlußrohr größeren Durchmessers, das gegenüber dem ersten Anschlußrohr durch einen separaten oder mit jeweils einem der beiden Anschlußrohre integralen Abstandshalter fixiert und über das erste Anschlußrohr koaxial gestülpt ist, gebildet wird.
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§' 270671b
VJenn die an dem einen Ende des Wärmetauschers zu einem Bündel zusammengefaßten Rohrenden und die a.m anderen Ende sich befindenden anderen Rohrenden zu den von einem ersten der beiden Strömungsmittel durchflossenen Röhren gehören und wenn die an dem anderen Ende des Wärmetauschers zu einem Bündel zusammengefaßten Rohrenden und die an dem einen Ende des Wärmetauschers sich befindenden Rohrenden zu den von dem zvieiten der beiden Strömungsmittel durchflossenen Röhren gehören, wird die Reihenfolge der Strömungsmittel in radialer Richtung zwischen den beiden Enden des Wärmetauschers umgekehrt. Aufgrund der koaxialen Zufuhr und Abfuhr der Strömungsmittel sollte aus Gründen der Sicherheit bzw. Minimierung der Wärmeverluste die Reihenfolge der Strömungsmittel in radialer Richtung am heißen Ende des Wärmetauschers so gewählt werden, daß das heißere Strömungsmittel von dem kälteren Strömungsmittel zur Umgebung hin isoliert wird.
Wenn die an einem Ende des Wärmetauschers zu einem Bündel zusammengefaßten Rohrenden und die am anderen Ende des Wärmetauschers zu einem Bündel zusammengefaßten Rohrenden zu den von einem ersten der beiden Strömungsmittel durchflossenen Röhren gehören und wenn die an dem einen Ende und an dem anderen Ende des Wärmetauschers sich befindenden anderen Rohrenden zu den übrigen, von dem zweiten der beiden Strömungsmittel durchflossenen Röhren gehören, stimmt die Reihenfolge der Strömungsmittel in radialer Richtung an dem einen Ende des Wärmetauschers mit derjenigen am anderen Ende des Wärmetauschers überein. Aufgrund der koaxialen Zufuhr und Abfuhr
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der Strömungsmittel kann an beiden Enden dos V/Hrmetauscr.er die der Sicherheit förderliche Anordnung der Strömur.-sr.ittel gev/ählt werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmetauschars ergibt sich aus dem platzsparenden Auftreten von jeweils
nur einem Sammelraum pro Strömungsmittel, welcher von den Röhren, die das andere Strömungsmittel führen, durchzogen ist. Infolgedessen nehmen die Sammelräume ebenfalls an
Wärmeta.usch teil. Zudem bewirken die Röhren in diesem Bereich eine Verwirbelung des aus dem bzw. in den Ringspalt der Anschlußrohre strömenden Strömungsmittels.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die an jedem Ende des Wärmetauschers zu einem Bündel zusammengefaßten Rohrenden von einem rohrförmigen Innenmantel umgeben, der in dem jeweiligen ersten Anschlußrohr steckt.
Die rohrförmigen Innenmäntel dienen zum Zusammenhalten der gebündelten Rohrenden und als Anschluß für die ersten Anschlußrohre.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die zweiten Anschlußrohre von einem zwischen den beiden Enden des Wärmetauschers sich erstreckenden, rohrförmigen Au3enmantjsl umgeben. Dieser Mantel dient zur Isolation der von den beiden Strömungsmitteln durchflossenen Röhren gegen
die Umgebung.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht der Wärmetauscher zumindest teilweise aus einem keramischen f4aterial. Im Gegensatz zu den bekannten Wärmetauschern aus Keramik, benötigt der erfindungsgemäße Wärmetauscher keine zusätzlichen Verbindungsmittel und Verbindungstechniken zwischen den einzelnen Keramikteilen, welche bei Wärmetauschern aus Keramik bislang äußerst problematisch herzustellen und mit Dichtungsproblemen belastet sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, der eine Vielzahl von Röhren aufweist, die von zwei Strömungsmitteln, zwischen denen der Wärmetausch herbeigeführt werden soll, durchflossen werden sollen, und von denen jedes ein Rohrende für den Eintritt des jeweiligen Strömungsmittels und ein Rohrende für den Austritt des jeweiligen Strömungsmittels aufweist, angegeben, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Röhren so aneinandergelegt werden, daß an jedem Ende des Warmetausehers die Rohrenden der Röhren, die von einem Strömungsmittel durchflossen werden sollen, in Axialrichtung über die an diesem Ende des Wärmetauschers sich befindenden anderen Rohrenden der übrigen Röhren hinausragen und daß an jedem Ende des Wärmetauschers die über die anderen Rohrenden der übrigen Röhren hinausragenden Rohrenden der Röhren, die von einem der Strömungsmittel durchflossen werden sollen zu einem Bündel zusammengefaßt werden.
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Gemä3 einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung v/erden die Röhren durch Radialdruck zusammengepreßt, um die Kompaktheit des Wärmetauschers zu erhöhen und die VJandungsflächen der Röhren aneinander zu drücken, damit Hohlräume zwischen den Röhren verschwinden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird jeweils ein rohrförmiger Innenmantel auf jedes Rohrendenbündel aufgebracht, so daß die Rohrendenbündel zusammengehalten werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden jeweils ein erstes Anschlußrohr auf jeden rohrförmigen Innenkante 1 aufgebracht, ein durch separate oder integrale Abstandshalter gegenüber dem ersten Anschlußrohr fixiertes, zweites Anschlußrohr an die anderen Rohrenden der übrigen Röhren angeschlossen und ein Außenmantel auf die beiden zweiten Anschlußrohre und auf den zwischen den beiden zweiten Anschlußrohren liegenden Rohrbereich aufgebracht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Komponenten des Wärmetauschers zuerst aus einem verformbaren Ausgangsmaterial geformt, das einen von zwei Ausgangsstoffen eines keramischen Material enthält. Dann wird der in dem Ausgangsmaterial enthaltene Ausgangsstoff mit dem anderen Ausgangsstoff zur Reaktion gebracht, so daß das Ausgangsmaterial der Komponenten in das keramische Material umgewandelt wird. In diesem Zusammenhang
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ist darauf hinzuweisen, daß die Keramikbildung auch stufenweise durchgeführt werden kann.
Bei Verwendung eines gut formbaren Ausgangsmaterial für die Keramik ist es möglich, dem Wärmetauscher Formen und Dimensionen zu geben, die mit bekannten Verfahren zur Herstellung von keramischen Wärmetauschern nicht zu erreichen wären.
Aufgrund der guten Formbarkeit und Elastizität von Kohlefasern ist es günstig, v/enn die Röhren und die übrigen Komponenten aus Kohlefasern hergestellt werden und wenn nach der Verformung der Röhren flüssiges oder gasförmiges Silizium, oder eine flüssige oder gasförmige Siliziumverbindung in die Kohlefaserröhren und die Komponenten eingebracht wird und anschließend die derart präparierten Röhren und Komponenten erhitzt werden, so daß der in den Kohlefasern gebundene Kohlenstoff mit dem Silizium bzw. der Siliziumverbindung Siliziumkarbid bildet.
Mach der Aufbringung der Innenmäntel und des Außenmantels v/erden gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Röhren einer Wärmebehandlung unterzogen bevor die Kohlefasern mit dem gasförmigen oder dem flüssigen Silizium oder der gasförmigen oder flüssigen Siliziumverbindung in Berührung gebracht werden. Durch diese Wärmebehandlung, die bei geeigneten Temperaturen, Drücken und über hinreichend lange Zeiten stattfindet, werden die im kalten Zustand mechanisch und beim Aufheizen infolge Wärmedehnung thermisch aufgeprägten Spannungen aufgrund der bei diesen
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Bedingungen vorliegenden Elastizität den Material ausgeglichen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung v/ird Silizium oder eine Siliziumverbindung in Form von Partikeln in die Kohlefasern eingebettet, so daß dem r.ilizium nur wenig Bewegungsfreiheit innerhalb der Kohlefaserröhren gegeben wird. Dadurch wird die Dichte des keramischen Materials gesteigert.
Zur Erzielung einer hohen Dichte und einer guten Verbindung zwischen den Komponenten des Wärmetauschers ist es vorteilhaft, wenn vor dem Preßvorgang in die Räume zwischen den Röhren Füllmaterial aus mindestens einem der beiden Ausgangsstoffe in Form von Partikeln oder Seelen eingebracht wird.
Es ist vorteilhaft, wenn die Innenmäntol und/oder der Außenmantel und/oder die Anschlußrohre gewickelt werden. Die Festigkeit dieser Komponenten wird erhöht, wenn man die Ganghöhe und/oder die Richtung der gewickelten Schichten entsprechend wählt.
Eine weitere erfindungsgemäße Art der Herstellung des keramischen Wärmetauschers besteht darin, daß das Ausgangsmaterial der Röhren in mindestens einen Ringspalt eingebracht wird, der von mindestens zwei koajcial geführten, flexiblen Röhren, die aus einem Material bestehen, das den anderen Ausgangsstoff des keramischen Materials enthält, gebildet wird, und daß sich bei der Reaktion der beiden Ausgangsstoffe die den Ringspalt bildenden Röhren verflüchtigen
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und ein Rohr oder Röhren aus Keramik übrig bleiben. Es kann eine Vielzahl von Rin^spalten oder ein später in Abschnitte zu teilender endloser Ringspalt verwendet werden.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Anordnung von Kohlefaserröhren für einen Wärmetauscher gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die überstehenden Enden der Kohlefaserröhren im ungebündelten Zustand gezeigt sind;
Fig. 2 eine Seitenansicht einer Anordnung von Kohlefaserröhren für einen Wärmetauscher gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die überstehenden Enden der Kohlefaserröhren im ungebündelten Zustand dargestellt sind;
Fig. 3 einen Querschnitt durch die in Fig. 1 oder Fig. 2 gezeigte Anordnung von Kohlefaserröhren;
Fig. k einen Querschnitt durch die in Fig. 1 oder Fig. 2 gezeigte Anordnung von Kohlefaserröhren;
,Fig. 5 einen Querschnitt durch eine rechteckige Pack- bzw. Preßvorrichtung für die in Fig. 1 oder Fig. 2 dargestellte Anordnung von Kohlefaserröhren;
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Fig. 6 einen Querschnitt durch eine kreisförmige Pack- bzw. Preßvorrichtung für die in Fig. 1 oder Fig. 2 dargestellte Anordnung von Kohlefaserröhren;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer alternativen kreisförmigen Pack- bzw. Preßvorrichtung;
Fig. 8 einen Längsschnitt durch Pack- bzw. Preßvorrichtungen, in denen die Kohlefaserröhren gemäß Fig. 1 angeordnet sind;
Fig. 9 einen Längsschnitt durch Pack- bzw. Preßvorrichtungen, in denen die Kohlefaserröhren gemäß Fig. 2 angeordnet sind;
Fig.10 einen Querschnitt durch mehrere Kohlefaserröhren nach erfolgter Pressung;
Fig.11 eine Endansicht eines kompletten Wärmetauschers mit integralen Abstandshaltern;
Fig.12.eine Endansicht eines kompletten Wärmetauschers mit separaten Abstandshaltern;
Das Ausgangsmaterial eines Wärmetauschers gemäß den ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht aus einer Vielzahl von gleich langen elastischen Kohlefaserröhren 1 und 2 kleinsten Durchmessers. Diese Kohlefaserröhren 1 und 2 werden so angeordnet, daß die Röhren 1 und 2 parallel sind und die Enden la
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der Röhren 1 in Axialdichtung über die benachbarten Enden 2a eier Röhren 2 und die Enden 2b der Röhren 2 über die benachbarten Enden Ib der Röhren 1 hinausragen. Die so angeordneten Röhren 1 und 2 i/erden Schicht für Schicht derart aufeinandergelegt, daß das in Fig. 3 gezeigte Muster entsteht. Das Anordnen und das Stapeln der Kohlefaserröhren wird in einer Preß- bzw. Packvorrichtung 5a durchgeführt. Nachdem die Röhren 1 und 2 aufgestapelt sind, werden die Enden la der Röhren 1, und die Enden 2b der Röhren 2 mit Hilfe je einer Preß- bzvi. Packvorrichtung 5b jeweils zu einem Bündel zusammengepreßt. Der zwischen den Enden la und 2b liegende Rohrbereich Ll wird ebenfalls mit Hilfe der Preß- bzw. Packvorrichtung 5a radial nach innen zusammengedrückt, so daß über den Bereich Ll sowie die Enden der Röhrenpackung eine Struktur entsteht, wie sie in Fig. 10 dargestellt ist. Nun werden die derart zusammengepreßten Enden la und 2b dadurch fixiert, daß ein erstes Kohlefaserrohr 7a entsprechenden Durchmessers über die Enden la und ein zweites Kohlefaserrohr 7a entsprechenden Durchmessers über die Enden la und ein zweites Kohlefaserrohr 7a über die Enden 2b gestülpt wird. Eine andere Art der Aufbringung der Rohre 7a auf die zusammengepreßten Enden la und 2b besteht darin, daß Kohlefasern auf die zusammengepreßten Enden la und 2b gewickelt werden. Jedes Kohlefaserrohr 7a dient zum Zusammenhalten der gebündelten Rohrenden und als Anschluß für ein jeweiliges erstes Anschlußrohr 7b, das koaxial in einem zweiten An*· schlußrohr 8 geführt ist. Die Anschlußrohre 7b werden auf
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die Kohlefaserrohre Ta geschoben, und eines der AnschluSrohre 8 wird über die Rohrenden 2a und das andere Anschlußrohr 8 wird über die Rohrenden Ib gestülpt. Zwischen den Anschlußrohren 7b und 8 ist jeweils ein Abstandshalter 9 angeordnet, der die Anschlußrohre 7b und 8 in Position hält. Der in Fig. 11 gezeigte Abstandshalter 9 besteht aus einer Vielzahl von radial verlaufenden Rippen, die in Abständen an der inneren Wandoberfläche des Anschlußrohres 8 angeordnet und mit dieser integral sind. Die Rippen stützen sich mit ihren radial inneren Enden an der äußeren Wandoberfläche des Anschlußrohres 7b ab. Der in Fig. 12 gezeigte alternative Abstandshalter 9 besteht aus einem sternförmigen, von den beiden Anschlußrohren 7b und 8 separaten Gebilde.
Jeder Abstandshalter ist von jeweils einem der beiden Anschlußrohre 7b und 8 durch einen Spalt getrennt,.so daß eine Veränderung des Durchmessers der Rohre infolge Wärmedehnung berücksichtigt ist.
Anschließend wird das Rohrpaket umwickelt, so da3 die Anschlußrohre 8 und der dazwischen liegende Röhrenbereich von einer homogenen Außenwand 10 umgeben sind.
Dieser Roh-Wärmetauscher wird nun einer Wärmebehandlung unterzogen, so daß die im kalten Zustand mechanisch mit Hilfe der Pack- bzw. Preßvorrichtung und beim Aufheizen infolge der Wärmedehnung thermisch aufgeprägten Druckspannungen ausgeglichen werden. Infolge der Vlärmebehandlung bildet sich
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eine mehr oder weniger ror^elmäi3i?;e Sechseck-Wabenstruktur extrem hoher Flächendichte aus, v:ie sie in Fig. 11 oder 12 angedeutet ist.
Zum Schluß werden die Kohlefaserteile des Rohwärmetauschers mit gasförmigem oder flüssigem Silizium oder mit einer gasförmigen oder flüssigen Siliziumverbindung getränkt und bei etwa 1750 K zur Reaktion gebracht. Dabei bildet Silizium mit dem in den Kohlefasern gebundenen Kohlenstoff Siliziumkarbid, das zu der Gruppe der keramischen Werkstoffe gehört.
Dieser keramische Wärmetauscher, der infolge seiner äußeren Form Flaschen-Rekuperator genannt wird, verwendet man sowohl im Gegenstrom als auch im Gleichstrom der Strömungsmittel. Die beiden Strömungsmittel werden koaxial durch die Anschlußrohre 7b und 8 zu- und abgeführt, wobei der VJärmetausch sowohl innerhalt der Röhren 1 und 2 stattfindet als auch in jedem der beiden Sammelräume, die zwischen den äußeren Anschlußrohren und den überstehenden Rohrenden la und 2b liegen. Das heißere Strömungsmittel wird durch das innere AnschluGrohr 7b dem Wärme tauscher zugeführt und wird v<~n dem kälteren, im Ringspalt geführten zur Umgebung hin isoliert. In diesem Zusammenhang ist noch darauf hinzuweisen, daß der VJärmetauscher gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Reihenfolge der Strömungsmittel in radialer Richtung umkehrt.
Ferner IaGt sich in den Sainmelräurnen je nach Gestaltung der Abstandshalter, Wärmetausch im Querstrom der beiden Strömungsmittel realisieren.
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OAIQINAl INSPECTED
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Unterschiedliche Strönungsquerschnitte für lic beiden strömungsmittel kann nan erzielen, indem man entweder für das eine Strömungsmittel eine größere Zahl von Röhren bereitstellt oder a.ber Röhren größeren Durchmessers verwendet. Die Kompaktheit des Wärmetauschers ist um so höher, je kleiner der Durchmesser und die Wandstärken der Ausgangsröhren 1 und 2 sind.
Von der Festigkeit her zeichnet sich dieser Wärmetauscher zum einen durch die inhärente Stabilität der Viabenstruktur aus, zum anderen aber wirkt sich die zugrundeliegende Faserstruktur auch nach der Si C-Reaktion vorteilhaft aus.
Bei der Herstellung des Wärmetauschers ist darauf zu achten, daß die Röhren insbesondere an ihren Enden derart zusammengepreßt bzw. bei der Wärmebehandlung derart verformt werden, daß beim Si C-Bildungsprozeß die einzelnen Röhren fest und vor allem absolut dicht miteinander verwachsen. Es ist wichtig, daß die Räume zwischen den Röhren völlig abgedichtet sind, damit das in den jeweiligen Anschlußrohren geführte Strömungsmittel in den Innenraum der jeweiligen Röhren gezwungen wird.
Bei einer anderen Version des Wärmetauschers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind die Kohlefaserrohre Ja. und die Anschlußrohre 7b identisch.
Ein alternativer Abstandshalter besteht aus einer Vielzahl von radialen Rippen, die in Abständen an der äußeren Wand-
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oberfläche des Ansohlußrohres 7b angeordnet und mit diesem Rohr fest verbunden sind.
Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung ist aus den Fig. 2 und 9 ersichtlich und unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel nur in der Anordnung und in der Länge der Kohlefaserröhren. In Fig. 2 und Fig. 9 sind die Kohlefaserröhren mit den Ziffern 3 und 4 bezeichnet. Die Kohlefaserröhren 4 sind langer als die Röhren 3 und ragen in Axialrichtung an beiden Enden des Wärmetauschers über die Enden 3a und 3b der Röhren hinaus. Ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel sind die Röhren 3 und 4 nach dem in Fig. 3 gezeigten Muster aufgeschichtet und die überstehenden Rohrenden 4a und 4b werden mit Hilfe der Preß- bzw. Packvorrichtungen 5b gebündelt. Auch im Bereich L2 werden die Röhren 3 und ebenfalls mit Hilfe der Preß- bzw. Packvorrichtung 5a zusammengedrückt. Die weitere Herstellung des Wärmetauschers verläuft wie beim ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und braucht daher nicht näher erläutert werden. Bei diesem Wärmetauscher stimmt natürlich die Reihenfolge der Strömungsmittel in radialer Richtung an dem einen Ende des Wärmetauschers mit dem anderen Ende des Wärmetauschers überein. Auch dieser Wärmetauscher kann im Gleich- und im Gegenstrom betrieben werden. Bei entsprechender Ausgestaltung der Abstandshalter kann auch Querstrom in den Sammelräumen realisiert werden.
Bei einer anderen Version des Wärmetauschers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird auf die Verwendung von
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den kurzen Röhren 3 verzichtet. Anstelle von den Röhren 3 sind Hohlräume vorhanden, die durch die Rohrvrandungen der Röhren 4 begrenzt werden.
Die Röhren der Wärmetauscher gemäß den beiden Ausführungsbeispielen können auch so aufgeschichtet werden, daß das in Fig. 4 dargestellte Muster entsteht. Bei einem derartigen Muster wird dann zum Bündeln der überstehenden Rohrenden und zum Zusammendrücken der zwischen den überstehenden Enden liegenden Rohrbereiche Ll bzw. L2 je eine kreisförmige Pack- bzw. Preßvorrichtung gemäß Fig. 6 oder je eine alternative kreisförmige Pack- bzw. Preßvorrichtung gemäß Fig. 7 verwendet.
Die in Fig. 7 dargestellte Pack- bzw. Preßvorrichtung besteht aus einem rechteckigen Kohlefaserband 11, das an einem Ende zwei parallele Zungen 12 und an dem anderen Ende drei parallele Zungen 15 aufweist. Das Band 11 wird um die Kohlefaserröhren geschlungen, so daß die Zungen 12 in die zwischen den Zungen 13 befindlichen Ausschnitte eingreifen. Sodani werden eine Zugkraft an den Zungen 12 in die eine Richtung und eine Zugkraft an den Zungen 13 in die andere Richtung aufgebracht, so daß ein Radialdruck auf die innerhalb des Bandes liegenden Röhren ausgeübt wird. Das gespannte Band verbleibt dann auf dem Rohrpaket und kann durch eine weitere aufgewickelte Schicht von Kohlefasern fixiert werden. Das Band kann auch so ausgeführt sein, daß mehr oder weniger Zungen vorhanden sind.
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r/06715
Dor kurrrnische V/ärinotauscher ^oir.äß dem ersten bzvf. zweiten AuGführun^sbeispiol der ^rfindung kann auch bei Betriebstemperaturen oberhalb 1OOO°C eingesetzt v;erden. Bislang schlossen die spezifischen Fertigungstechniken von Keramiken kompakte rekuperative V/ärrnetauschan^re^ate hoher Flächendichte aus. Pline Verwendung von wabenfb'rmirjen Austauschstrukturen extrem hoher Flächendichte in Gleich- bzw. Gep;enstromrekuperatoren war bislang a.uch nicht möglich, da es nicht gelang, die Strömungsmittel auf diese Miniatur- Strömungskanäle zu verteilen.
Die hier beschriebenen, erfindun^s^eni'ißen Wärmetauscher lassen sich beinahe beliebig modifizieren, ohne daß man von der der Erfindung zugrunde liegenden Idee abvreicht; z.B. kann man die Wärmetauscher als U-Rohr oder V/endelrohr-Rekuperatoren, die mit Tnnenrippen versehen sind, ausbilden. Ferrer konnte der Außenmantel des V/ärmetauschers durch ein weiteres, den Wärmetauscher umströmendes Strömungsmittel f-ekühlt vierden.
ft 098 3 W On B 7
COPY
ORIGINAL INSPECTED
- 1S -

Claims (1)

  1. dh/zo
    MASCHINEMPABRIK AUGSBURG-NnRNB1SRa
    Aktiengesellschaft . . ,■
    I Ί U 6 / 1
    München, den 9. Februar 1977
    Patentansprüche
    ' 1.) Wärmetauscher mit einer Vielzahl von zum Wärmetausch aneinanderliegenden, von zwei Strömungsmitteln, zwischen denen der Wärmetausch herbeigeführt v/erden soll, durchflossenen Röhren, von denen jedes ein Rohrende für den Eintritt des jeweiligen Strömungsmittels und ein Rohrende für den Austritt des jeweiligen Strömungsmittels aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Ende des Wärmetauschers die Rohrenden (la,2b; 4a, 4b) der von einem der Strömungsmittel durchflossenen Röhren (1, 2; 4) zu einem Bündel zusammengefaßt sind, und in Axialrichtung über die an diesem Ende des Wärmetauschers sich befindenden anderen Rohrenden (Ib, 2a; 3a, 3b) der übrigen Röhren (1, 2; 3) hinausragen.
    2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an jedem Ende des Wärmetauschers zu einem Bündel zusammengefaßten Rohrenden (la, 2b; 4a, 4b) jeweils in ein erstes An-
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    schlußrohr (Tb) hineinragen, und die an jedem Ende des Wärmetauschers sich befindenden Rohrenden (lb, 2a; 3a, 3b) der übrigen Röhren (1, 2; 3) sich jev/eils an einen Ringspalt anschließen, der von dem jeweiligen ersten Anschlußrohr (7b) und einem zweiten Anschlußrohr (3) größeren Durchmessers, das gegenüber dem ersten Anschlußrohr (7b) durch einen separaten oder mit einem der beiden Anschlußrohre (7b, 8) integralen Abstandshalter (9) fixiert und über das erste Anschlußrohr (7b) koaxial gestülpt ist, gebildet wird.
    3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an jedem Ende des Wärmetauschers zu einem Bündel zusammengefaßten Rohrenden (la, 2b; 4a, 4b) von einem rohrförmigen Innenmantel (7a) umgeben sind, der in dem jeweiligen ersten Anschluß rohr (7b) steckt.
    4. Wärmetaubcher nach Anspruch 2, oder Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Anschlußrohre (8) in einem von einem zwischen den beiden Enden des Wärmetauschers sich erstreckenden rohrförmigen Außenmantel (lo) umgeben sind.
    5. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er zumindest teilweise aus einem keramischen Material besteht.
    6. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers aus einer Vielzahl von Röhren, die von zwei Strömungsmitteln, zwischen denen der Wärmetausch stattfinden soll, durchflossen werden sollen,
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    und von denen jedes ein Rohrende für den Eintritt des jeweiligen Strömun^smittels und ein Rohrende für den Austritt des jeweiligen Strömungsmittels aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (1, 2; 3, 4) so aneinanderselegt werden, daß an jedem Ende des Wärmetauschers die Rohrenden (la, 2b, 4a, 4b) der Röhren (1, 2, 4), die von einem Strömungsmittel durchflossen werden sollen, in Axialrichtung über die an diesem Ende des Wärmetauschers sich befindenden anderen Rohrenden (Ib, 2a; 3a, 3b) der übrigen Röhren (1, 2, 3) hinausragen und daß an jedem Ende des Wärmetauschers die über die anderen Rohrenden (Ib, 2a; 3a, 3b) der übrigen Röhren (1, 2; 3) hinausragenden Rohrenden (la, 2b; 4a, 4b) der Röhren (1, 2; 4), die von einem der Strömungsmittel durchflossen werden sollen, zu einem Bündel zusammengefaßt werden.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (1, 2; 3* 4) durch Radialdruck zusammengepreßt werden.
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein rohrförmiger Innennantel (7a) auf jedes Rohrendenbündel (la, 2b; 4a, 4b) aufgebracht wird.
    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein erstes Anschlußrohr (7b) auf jeden rohrförmigen Innenmantel (7a) aufgebracht wird, daß ein durch einen separaten oder integralen Abstandshalter (9) gegenüber dem ersten Anschlußrohr (7b) fixiertes zweites Anschlußrohr (8) größeren
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    Durchmessers, in dem das jeweilige erste Anschlußrohr koaxial geführt ist, an die anderen Rohrenden (Ib, 2aj 3a, J>b) der übrigen Röhren (1, 2; J>) angeschlossen wird und daß ein Außenmantel (10) auf die beiden zweiten Anschlußrohre (3) und auf den zwischen den beiden zweiten Anschlußrohren liegenden Rohrbereich (Ll, L2) aufgebracht wird.
    10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9# dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten des Wärmetauschers zuerst aus einem verformbaren Ausgangsmaterial geformt v/erden, das einen von zwei Ausgangsstoffen eines keramischen Material enthält, und daß dann der in dem Ausgangsmaterial enthaltene Ausgangsstoff mit dem anderen Ausgangsstoff zur Reaktion gebracht wird, so daß das Ausgangsmaterial der Komponenten zu dem keramischen Material umgewandelt wird.
    11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Röhren (1, 2; 3, 4) und die übrigen Komponenten aus Kohlefasern hergestellt werden, daß nach der Verformung der Röhren flüssiges oder gasförmiges Silizium oder eine flüssige oder gasförmige Siliziumverbindung in die Kohlefaserröhren und die Komponenten eingebracht wird und daß die derart präparierten Röhren und Komponenten erhitzt werden, so daß der in den Kohlefasern gebundene Kohlenstoff mit dem Silizium bzw. der Siliziumverbindung Siliziumkarbid bildet.
    12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (1, 2; 3, 4) einer Wärmebehandlung unterzogen
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    werden, bevor die Kohlefasern mit dem gasförmigen oder dem flüssigen Silizium oder der gasförmigen oder flüssigen Siliziumverbindung in Berührung gebracht werden.
    13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Preßvorgang in die Räume zwischen den Röhren (1, 2; 3, 4) Füllmaterial aus mindestens einem der beiden Ausgangsstoffe in Form von Partikeln oder Seelen eingebracht wird.
    14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Inner.mäntel (7a) und/oder der Außenmantel (10) und/oder die Anschlußrohre (7b, 8) gewickelt werden.
    15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial der Röhren (1, 2; 3, 4) in mindestens einen Ringspalt eingebracht wird, der von mindestens zwei koaxial geführten flexiblen Röhren, die aus einem Material bestehen, das den anderen Ausgangsstoff des keramischen Materials enthält, gebildet wird, und daß sich bei der Reaktion der beiden Ausgangsstoffe die den Ringspalt bildenden Röhren verflüchtigen und ein Rohr oder Röhren (1, 2; 3» 4) aus Keramik übrig bleiben.
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