DE2707290C3 - Rekuperativer Wärmeübertrager aus keramischem Material - Google Patents
Rekuperativer Wärmeübertrager aus keramischem MaterialInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen rekuperativen Wärmeübertrager aus keramischem Material mit
mehreren, in Reihe nebeneinander angeordneten Kammern mit Zu- und Abströmöffnungen für im
Wärmeaustausch stehende Medien, wobei jeweils benachbarte Kammern eine gemeinsame Trennwand
aufweisen und von einem anderen der im Wärmeaustausch stehenden Medien durchströmt sind.
Rekuperative Wärmeübertrager aus keramischem Material sind als Plattenwärmetauscher bekannt, wobei
die übereinander liegenden Platten jeweils die Trennwände zwischen den von den Medien durchströmten
Kammern bilden. Plattenwärmetauscher weisen große Wärmeauslauschflächen und einen günstigen Wärmeaustausch-Wirkungsgrad,
bezogen auf Bauvolumen und Gewicht auf. Die Wärmetauscher eignen sich daher insbesondere für den Wärmeaustausch zwischen gasförmigen
Medien im Gasturbinenbau im Temperaturbereich über 8000C. Aus einer Veröffentlichung von
Tiefenbacher, »Problems of the Heat Exchanger
for Vehicular Gas Turbines«, ASME, Publikation
76-GT-I05,1976 sind keramische Kreuzstrom-Wärmetauscher
bekannt. Nachteilig ist jedoch, daß die Fertigung solcher rekuperator keramischer Wärmeübertrager
einen hohen Aufwand erfordert und daß die auftretenden Wärmespannungen zu Rissen und Brüchen
führen. Beansprucht wird vor allem der als Wärmetauschermatrix bezeichnete Teil des Wärmeübertragers, in
dem der Wärmeaustausch zwischen den Medien stattfindet.
Bei rekuperativen Wärmeübertragern aus Metall sind w
Wärmetauschermatrizen mit hohem Wärmeaustausch-Wirkungsgrad,
bezogen auf Bauvolumen und Gewicht, auch als Gegenstrom-Wärmeübertrager bekannt (vgl.
GB-PS 6 55 470). Bei diesen Wärmeübertragern werden gefaltete Blechstreifen verwendet, die an den Seitenflä- 11J
chen und an der Stirnseite verschlossen und längs der gebildeten Faltsattel derart abgedeckt sind, daß zu den
Zwischemäumen zwischen den Falten führende Öffnungen
verbleiben, durch die die im Wärmeaustausch stehenden Medien der Wärmetauschermatrix zuströmen.
Bei Gegenstrom-Wärmeübertrager dieser Art werden die auftretenden Wärmespannungen kompensiert,
wenn einer sogenannten heißen Seite der Wärmetauschermatrix — worunter die Seite verstanden
wird, an der das abzukühlende Medium eintritt und das 2r>
heiße erwärmte Medium austritt, — zwei kalte Seiten
nebengeordnet werden — also solche Seiten, an denen das abgekühlte Medium austritt und das aufzuheizende
Medium eintritt Dabei durchströmen die im Wärmeaustausch stehenden Medien die Wärmetauschermatrix «'
jeweils in zwei entgegengesetzt gerichteten Teilströmen, wobei das an der heißen Seite eintretende Medium
in zwei Teilströme geteilt und die Teilströme des an der heißen Seite austretenden Mediums jeweils zusammengefaßt
werden. Die Herstellung solcher aus Metall i~>
bekannter Wärmeübertrager aus Keramik durch Falten dünn ausgewalzter keramischer Massen ist jedoch mit
großen Schwierigkeiten verbunden. Hohe Stückzahlen lassen sich so nicht fertigen.
Aufgabe cter Erfindung ist es, einen rekuperativen ■*"
Wärmeübertrager aus keramischem Material für den Wärmeaustausch zwischen Medien zu schaffen, der
einen hohen Wärmetauscher-Wirkungsgrad, bezogen auf Bauvolumen und Gewicht, aufweist, der in einfacher
Weise herstellbar und so gestaltet ist, daß sich '"> Wärmespannungen vermeiden lassen.
Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher der obengenannten Art gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß innerhalb eines einstückigen Blockes aus keramischem Material mehrere, die Kammern bildende, '>'>
parallel zueinandergeführte Strömungskanäle über die gesamte LSnge des Blockes geführt sind, wobei die
Strömungskanäle zueinander entgegengesetzten Oberflächen des Blockes hin abwechselnd derart gegeneinander
versetzt sind, daß jeder Strömungskanal über seine '<>
gesamte Länge die direkt neben ihm liegenden Kanäle überragt, daß die stirnseitigen öffnungen der Kanäle
verschlossen sind und daß die jeweils näher an der Oberfläche liegenden Längsseiten der Strömungskanäle
zumindest in der Nähe der Stirnseiten des Blockes offen gehalten sind.
Durch diese Ausbildung des Wärmeübertragers aus Keramik wird nicht nur ein bisher lediglich für
Cicgcnstrom — Wärmeübertrager aus gefalteten flünnen Blechstreifen bekannter hoher Wärmeaus- 6S
tausch·Wirkungsgrad, bezogen auf Bauvolumen und Gewicht erreicht, der Wärmeübertrager läßt sich auch
in einfacher Weise herstellen. Hierzu trägt insbesonders die versetzte Anordnung der Strömungskanäle bei.
Nach stirnseitigem Verschluß werden die Deckwandungen zur 3ildung von Zu- und Abströmöffnunge.n
abgesetzt, wobei neben öffnungen im stirnseitigen Deckenbereich bevorzugt auch öffnungen in der Mitte
der Deckwandungen zwischen den beiden Stirnseiten vorgesehen sind. Der keramische Wärmetauscher ist
dann so an Zu- und Ableitungen für die im Wärmeaustausch stehenden Medien anschließbar, daß
die beiden Stirnseiten jeweils kalte Seiten des Wärmetauschers bilden und eine symmetrische Wärmebelastung
vorliegt
Um große Wärmeaustauschflächen pro Bauvolumen zu erreichen, weisen die Strömungskanäle in vorteilhafter
Weise einen schlitzartig geformten Querschnitt auf und sind so angeordnet, daß jeweils die größten Flächen
benachbarter Schlitze einander gegenüber liegen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zumindest in einem Teil der Strömungskanäle
Abstützungen zwischen den Trennwänden vorgesehen sind. Dies ist insbesondere dann νοώ Vorteil, wenn die
im Wärmeaustausch stehenden Medien unterschiedlichen Druck aufweisen und die dünnen Trennwände, um
Verformungen oder Brüche zu verhindern, versteift werden müssen. Eine Versteifung der Trennwände wird
auch dadurch erreicht, daß die Strömungskanäle einen bogenförmig gekrümmten Querschnitt aufweisen.
An vorgegebene Raumformen läßt sich der keramische Wärmeübertrager vorteilhaft dadurch anpassen,
daß die Längsseiten der Strömungskanäle von schalenförmig gekrümmten Deckwandungen abgedeckt sind.
Zweckmäßig weisen Stirnflächen und/oder Seitenflächen des Wärmeübertragers Nuten oder Stege auf, in
die Stege oder Nuten von Stirnflächen und/oder Seitenflächen benachbarter Wärmeübertrager einpaßbar
sind. Diese Ausbildung der Wärmeübertrager ermöglicht einen Zusammenbau mehrerer Wärmeübertrager
zu größeren Baueinheiten, wobei das Spiel zwischen Stegen und Nuten so gewählt ist, diß die
Wärmeübertrager auch bei Betriebstemperatur spannungsfrei gelagert sind. Zweckmäßig bilden in Parallelschaltung
miteinander verbundene Wärmeübertrager gemeinsam einen Hohlkörper, der koaxial an die Zu-
und Ableitungen der im Wärmeaustausch stehenden Medien anschließbar ist. An den Lagers teilen der
Wärmeübertrager sind elastische Zwischenlagen vorgesehen, die vorzugsweise aus keramischem Fasermaterial
bestehen und unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen keramischen Wärmetauschern und anderen nicht
keramischen Bauteilen bei Aufheizung des Wärmetauschers, zum Beispiel aus dem kalten Zustand auf
Betriebstemperatur kompensieren.
Die Wärmeübertrager werden in vorteilhafter Weise nach einem Arbeitsverfahren hergestellt, bei dem in
einen isostatisch gepreßten keramischen Grünkörper von zwei planparailelen Seiten her mehrere nebeneinander
angeordnete, zueinander parallel verlaufende Ausnehmungen eingefräst werden, wobei die Ausnehmungen
der einen Seite gegenüber den Ausnehmungen der anderen Seite um einen halben Abstand zwischen
den Ausnehmungen einer Seite versetzt sind und zwischen die Ausnehmungen der Gegenseite eingreifen,
daß die Ausnehmungen an ihren Stirnseiten mittels keramischer Masse gasdicht verschlossen und auf den
planparallelen Seiten von Deckwandungen aus Keramik so abgedeckt werden, daß zumindest im an den
Stirnseiten gelegenen Deckenbereich Zu- und Abströmöffnungen für die Medien offen bleiben, und daß der
Grünkörper im Anschluß daran gebrannt wird. Dieses Verfahren ist insbesondere für die Einzelfertigung
spezieller Wärmeübertrager und für Produktionsserien mit geringer Stückzahl von Bedeutung.
Die Herstellung von Wärmeübertragern der erfindungsgemäßen Art wird dadurch vereinfacht, daß
keramische Masse in an sich bekannter Weise im Strangpreßverfahren mittels eines Extruders durch eine
den Stirnquerschnitt des Wärmeübertragers bestimmende, sich in Bewegungsrichtung der Masse verjüngende Extruderdüse gepreßt wird, die in ihrem freien
Austrittsquerschnitt mehrere mit Abstand zur Düsenwandung in Reihe nebeneinander angeordnete Kernkörper aufweist, deren Querschnittsform den Querschnitt von Strömungskanälen bestimmt und die
paarweise so gegeneinander versetzt angeordnet sind, daß jeder Kernkörper den ihm nebengeordneten
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gen des Wärmeübertragers bildenden Düsenwandungen hin überragt, daß die die Extruderdüse verlassende
Masse auf Länge geschnitten und gegebenenfalls vorgebrannt wird, worauf zur Bildung von Zu- und
Abströmöffnungen für im Wärmeaustausch stehende Medien ein Teil der Deckwandungen zumindest im an
den Stirnseiten gelegenen Deckenbereich so weit abgetragen wird, daß jeweils die die benachbarten
Strömungskanäle zur abzutragenden Deckwandung hin überragenden Strömungskanäle geöffnet werden, daß
die Strömungskanäle stirnseitig mittels keramischer Massen verschlossen und daß die Körper im Anschluß
daran gebrannt werden. Bevorzugt weisen die im freien Austrittsquerschnitt der Extruderdüse angeordneten
Kernkörper einen Querschnitt auf, dessen Höhe ein Vielfaches der Breite beträgt, wobei die Kernkörper so
angeordnet sind, daß jeweils die größten Flächen benachbarter Kernkörper einander gegenüber liegen.
Das Strangpreßverfahren ist insbesondere für die Massenfertigung von Wärmeübertragern von Bedeutung.
Die Erfindung und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen,
die schematisch in der Zeichnung wiedergegeben sind, näher erläutert Es zeigt im einzelnen
F i g. 1 Rekuperativer Wärmeübertrager, hergestellt nach dem Strangpreßverfahren
F i g. 2 Wärmeübertrager mit gefrästen Strömungskanälen
F i g. 3 Wärmeübertrager mit schalenförmig gekrümmten Deckflächen
Fig.4 verschiedene Abstützungen zwischen Trennwänden der Strömungskanäle
Fig.5 Extruderdüse zur Herstellung keramischer
Wärmeübertrager mit Kernstücken.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, weist der rekuperative Wärmeübertrager aus keramischem Material mehrere, in Reihe nebeneinander angeordnete
Strömungskanäle 1, 2 für zwei im Wärmeaustausch stehende Medien auf. Die Strömungskanäle 1,2 sind in
F i g. 1 und 2 in einem Ausschnitt im Bereich einer der Stirnseiten 3, 4 des Wärmeübertragers sichtbar
gemacht Die Wärmeübertrager werden an Zu- und Ableitungen für die Medien bevorzugt derart angeschlossen, daß die im Wärmeaustausch stehenden
Medien den Wärmeübertrager im Gegenstrom durchströmen. Die Zu- und Ableitungen sind in der Zeichnung
nicht dargestellt, jedoch sind in Fig. 1, 2 und 3 Strömungslinien für die Medien eingezeichnet Das
heiße abzukühlende Medium, durchgezogene Strö-
mungslinie, fließt den Strömungskanälen t über
Zuströmöffnungen S zu und verläßt die Strömungskanäle I über Abströmöffnungen 6. In den Strömungskanälen 2 strömt das aufzuheizende Medium, gestrichelte
Strömungslinie, im Gegenstrom. In der perspektivischen Darstellung der Wärmeübertrager nach Fig. 1,2
und 3 befinden sich die Zu- und Abströmöffnungen de-Strömungskanäle 2 auf der den Zu- und Abströmöffnungen 5, 6 entgegengesetzten, unteren Seiten de»
Wärmeübertragers. Anordnung und Form der Zu- und Abströmöffnungen der Strömungskanäle 2 entsprechen
der Anordnung und Form der Zu- und Abströmöffnungen 5,6.
Die Strömungskanäle 1, 2 sind jeweils benachbart angeordnet und parallel zueinander geführt. Sie bilden
die einzelnen Kammern der Wärmetauschermatrix. Der Wärmeübergang erfolgt über Trennwände 7 zwischen
benachbarten Strömungslcanälen. In vorteilhafter Weisi!
lassen sich beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher die Wandstärken der Trennwände bis auf 0,3 mn
verringern. Die Stirnseiten 3, 4 der Strömungskanäle sind gasdicht verschlossen. In ihrer Längserstreckun.15
werden die Strömungskanäle 1, 2 beidseitig der Wärmeübertragermatrix von Deckwandungen 8, ')
(Fig. 1) und 10, 11 (Fig.2) abgedeckt, deren einzelne
Teilstücke mit 8a, 86, 8c, Sd; 9a, 9b, 9c, 9c'bzw. 10a, 10/).
10c, IP^; 1 la, 1 16, 1 Ic, 11 t/bezeichnet sind.
Zwischen den Teilstücken der Deckwandungen 8, ')
bzw. 10,11 befinden sich die Zu- und Abslrömöffnungen der Strömungskanäle I, 2. Die Strömungskanäle 1, 2
sind paarweise gegeneinander versetzt angeordnet:. Dabei überragen die Strömungskanäle 1 in ihrer ganzen
Länge die ihnen benachbarten Strömungskanäle 2 zur Deckwandung 8 bzw. 10 hin, während die Strömungskenäle 2 die Strömungskanäle 1 zur Deckwandung 9 bzv/.
11 hin überragen. Der Betrag, um den sich die Strömungskanäle überragen, entspricht zumindest der
Dicke 12 dor Trennwände 7. Durch diese Ausbildung
verlaufen die Wandungen zwischen den Strömungskiinälen 1, 2 in einem Querschnitt parallel zu den
Stirnseiten 3, 4 etwa mäanderförmig, was besonders deutlich in F1 g. 2 erkennbar ist
Die Deckwandungen 8, 9 und 10, 11 sind an den
Stellen, an denen Zu- und Abströmöffnungen für die Medien vorgesehen sind, so weit abgesetzt, daß jeweils
diejenigen Strömungskanäle geöffnet sind, die die benachbarten Strömungskanäle zur abgesetzten Deckwandung hin überragen. Im Ausführungsbeispiel nach
F i g. 1 werden die Deckwandungen 8, 9 durch Fräsen abgetragen, im Ausführungsbeispiel nach Fig.? verden
die Strömungskanäle mit Teilstücken der Deckwandung 10a, 106, 10t; 10t/ bzw. 11a, Ub, lic, Hd derart
abgedeckt daß beidseitig der Wärmeübertrager Ausnehmungen für die Zu- und Abströmöffnungen verbleiben.
In den Ausführungsbeispielen nach F i g. 1, 2 und 3
befindet sich die heiße Seite des Wärmeübertragers im mittleren Bereich der Wärmetauschermatrix. Deis
abzukühlende Medium durchströmt die Strömungsknnäle 1 in zwei entgegengesetzt gerichteten Teilströmen
und verläßt die Wärmetauschermatrix über die Abströmöffnungen 6 im Bereich der Stirnseiten 3,4. Die
Stirnseiten bilden also jeweils kalte Seiten des Wärmeübertragers. Bei diesem Ausführungsbeispiel
liegt eine symmetrische Wärmebelastung vor. Es i;;t
aber auch möglich, die Abdeckungen 8,9 nur im Bereich der Stirnseiten 3, 4 abzusetzen und zwischen den
Teilstücken 8a, Sd bzw. 9a, 9d die Abdeckungen
geschlossen zu halten, so daß Zu- und Abströmöffnungen nur im Bereich der Stirnseiten 3, 4 der
Wärmeübertrager vorhanden sind. Die heiße Seite des Wärmeübertragers bildet dann den Bereich, an dem das
heiße, abzukühlende Medium über die Zuströmöffnungen 5 den Strömungskanälen 1 zuströmt und das
aufgeheizte Medium nach Durchströmen der Strömutigskanäle
2 den Wärmeübertrager verläßt. Im Bereich der kalten Seite des Wärmeübertragers strömt
aus den Strömungskanälen 1 das abgekühlte Medium ι ο über die Abströmöffnungen 6 ab, während das kalte
Medium den Strömungskanälen 2 zugeführt wird. Ein Ausführungsbeispiel für einen Gegenstrom-Wärmeübertrager
der zuletzt genannten Art ist in der Zeichnung nicht dargestellt.
Die S'.römungskanäle 1, 2 weisen einen schlitzartig geformten Querschnitt auf, dessen Breite 13 klein ist
gegenüber der Schlitzhöhe 14. Sie sind so angeordnet, daß jeweils die größten Flächen benachbarter Schütze
einander gegenüberliegen. Im Wärmeübertrager entstehen auf diese Weise große Wärmeaustauschflächen für
die im Wärmeaustausch stehenden Medien.
In Fig.4 ist ein Querschnitt von mäanderförmig verlaufenden Trennwänden 7 in stark vergrößertem
Maßstab dargestellt. Zwischen den Trennwänden 7 sind in den Strömungskanälen 1 in schematischer Weise
verschiedene Abstützungen 15 eingesetzt. Abstützungen zwischen den Trennwänden 7 sind dann erforderlich,
wenn die beiden im Wärmeaustausch stehenden Medien einen sehr unterschiedlichen Druck aufweisen.
de Abstützungen 15 werden in denjenigen Strömungskanälen angebracht, die das Medium mit dem niederen
Druck führen. Als Abstützungen 15 sind verschieden geformte Körper und verschiedene Materialien verwendbar.
In Fig.4 sind Kugeln 15a, geschäumte ^s
Materialien 15£>, Körner 15c, miteinander vernetzte
Teile 15c/ und wellenförmige Teile 15e beispielhaft zwischen den Trennwänden 7 eingesetzt. Dabei sind
Kugeln und Körner in den Strömungskanälen statistisch verteilt angeordnet. Zur Abstützung lassen sich *<
> zwischen den Trennwänden 7 auch ein oder mehrere Steee 15fanhrinppn Hip 7iiminHp<:t im Rprpirh Hpr 7u-
und Abströmöffnungen 5, 6 Ausnehmungen aufweisen, durch die hindurch die im Wärmeaustausch stehenden
Medien zu- bzw. abfließen können. Derartige Ausnehmungen
sind auch bei den wellenförmigen Teilen 15e vorhanden. Zum Abstützen eignen sich auch Bänder i5g
mit noppenartigen Verdickungen in regelmäßiger oder statistischer Verteilung, so daß eine Vielzahl etwa
punktförmiger Stützstellen zwischen den Trennwänden w 7 gebildet werden. Als Material für die Abstützungen 15
kommen insbesondere keramische Werkstoffe in Frage. In Fig.3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragers
mit schalenförmig gekrümmten Deckenwandungen 16 gezeigt Die Schalenform der Deckenwandungen
wird den für den Wärmeaustausch zur Verfügung stehenden Räumen angepaßt. Um mehrere
Wärmeübertrager aneinanderfügen zu können, weist der Wärmeübertrager nach Fig.3 auf einer seiner
Seitenwandungen 17 und auf der Stirnseite 3 Stege 20,
auf der anderen Seitenwandung 19 und auf der Stirnseite 4 Nuten 18 auf. In diese Nuten 18 und Stege 20
lassen sich Stege oder Nuten weiterer Wärmeübertrager mit Spiel einpassen. In Fig.3 ist lediglich ein
weiterer Wärmeübertrager 21 in gestrichelten Linienzügen wiedergegeben. Vorteilhaft ist insbesondere, die
Wärmeübertrager in Parallelschaltung zu einem Hohlkörper miteinander zu verbinden und die Zu- und
Ableitung für die im Wärmeaustausch stehenden Medien koaxial an die Wärmeübertrager anzuschließen.
Zur Versteifung der von den Strömungskanälen 1, 2 gebildeten Wärmetauschermatrix sind die Seitenwandungen
17, 19 sowie Seitenwandungen 22, 23 der Wärmeübertrager nach F i g. 1 und 2 stärker ausgelegt
als die Trennwände 7 zwischen den Strömungskanälen.
An Lagerstellen zwischen aneinandergefügten Wärmeübertragern und zwischen Wärmeübertragern und
angrenzenden, nicht keramischen Bauteilen befinden sich elastische Zwischenlagen 24, die die Wärmeübertrager
sowohl vor gegenseitiger mechanischer Beschädigung schützen als auch unterschiedliche Wii'medehnungen
zwischen Wärmeübertragern und nicht keramischen Bauteilen ausgleichen. Die elastischen Zwischenlagen
24 bestehen bevorzugt aus Material auf der Basis keramischer Fasern.
Keramische Wärmeübertrager nach F i g. 1 oder 3 werden vorteilhaft durch Strangpressen keramischer
Massen mittels Extrudern hergestellt. F i g. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Extruderdüse für einen
keramischen Wärmeübertrager nach Fig. 1. Der Austrittsquerschnitt der Extruderdüse mit Breite 25 und
Höhe 26 ist den gewünschten äußeren Abmessungen des Stirnquerschnitts eines Wärmeübertragers angepaßt.
Der Austrittsquerschnitt ist kleiner bemessen als der Querschnitt der Extruderdüse an der rückwärtigen
Eintrittsseite für die keramischen Massen. Innerhalb des Austrittsquerschnittes sind mehrere Kernkörper 27
angeordnet, im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 im Querschnitt rechteckige Kernkörper, deren Höhe 28
einem Vielfachen ihrer Breite 29 entspricht. Die Kernkörper 27 sind mit Abstand 30 in einer Reihe
nebeneinander angeordnet und so eingesetzt, daß die größten Flächen der Kernkörper einander zugewandt
sind. Höhe 28 und Breite 29 der Kernkörper bestimmen den späteren Querschnitt der Strömungskanäle 1, 2 des
keramischen Wärmeübertragers.
Die Kernkörper 27 sind an der Eintrittsseite der Extruderdüse befestigt. Sie ragen freistehend in den
Austrittsquerschnitt hinein und sind paarweise derartig σΡσ*»ηΐ»ϊηθηΛ«#. i/ot-c*»*-»» Anti InAn- V Apntnenn» iJlC
benachbarten Kernkörper zu einer der beiden jeweils Deckwandungen des Wärmeübertragers bildenden
Düsenwandungen 31, 32 hin überragt. Die einzelnen Kernkörper überragen die benachbarten Kernkörper
um einen Betrag 33, der zumindest dem Abstand 30 zwischen nebeneinander angeordneten Kernkörpern
entspricht.
Die Herstellung der Wärmeübertrager geschieht in der Weise, daß geeignete keramische Massen von einem
Extruder, dessen Extruderdüse in F i g. 5 dargestellt ist, durch den Austrittsquerschnitt der Extruderdüse gepreßt
werden, wobei ein Grünkörperstrang mit Strömungskanälen entsteht. Der Grünkörperstrang
wird auf Länge geschnitten und vorgebrannt. Danach werden die Deckwandungen an den Stellen abgefräst,
an denen Zu- und Abströinöffnungen für die Strömungskanäie
zu bilden sind. Dabei werden die Deckwandungen so weit abgetragen, bis die Strömungskanäle, die die
benachbarten Strömungskanäle zur abzutragenden Deckwandung hin überragen, geöffnet sind. An den
Stirnseiten werden die Strömungskanäle 1, 2 mit keramischer Masse verschlossen. Anschließend wird der
Wärmeübertrager fertig gebrannt.
In den Extruderdüsen 25 sind verschieden geformte Kernkörper 28 einsetzbar. In Fi g. 5 sind neben den im
Querschnitt rechteckigen Kernkörpern 27 beispielhaft
auch bogenförmig gekrümmte Kernkörper 27a sowie wellenförmig ausgebildete Kernkörper 27b dargestellt.
Beim Verpressen von keramischen Massen mit derartigen Kernkörpern entstehen Wärmeübertrager mit
gekrümmten oder wellenförmigen Strömungskanälen, die vor allem dann, wenn zwischen den im Wärmeaustausch stehenden Medien hohe Druckdifferenzen
bestehen, wegen ihrer höheren Steifigkeit gegenüber Strömungskanälen mit rechteckig geformten Querschnitten, bevorzugt angewandt werden.
Wärmeübertrager nach F i g. 2 werden zweckmäßig aus isostatisch gepreßten keramischen Körpern hergestellt. Dabei werden von zwei planparallelen Seitenflächen ausgehend, paarweise versetzt gegeneinander
schlitzförmige Ausnehmungen für die Strömungskanäle der Wärmeübertrager in die keramischen Körper
jeweils so tief eingefräst, daß zur Bodenebene des Körpers hin noch eine Schichtdicke verbleibt, die
zumindest der Stärke der Trennwandungen entspricht, die zwischen den von beiden Seitenflächen des Körpers
her eingefrästen Strömungskanälen stehen bleiben. Danach werden die Strömungskanäle mit Deckwandungen abgedeckt, wobei die einzelnen Teile der Deckwandungen den gewünschten Abmessungen der Zu- und
Abströmöffnungen der Strömungskanäle angepaßt sind. Die nach dem Fräsen offenen Stirnseiten der Strömungskanäle werden mit keramischer Masse ausgefüllt.
Nach dem Brennen sind die Wärmeübertrager daher auch stirnseitig gasdicht verschlossen.
ίο Wärmeübertrager der erfindungsgemäßen Art eignen sich insbesondere für den Wärmeaustausch
zwischen Medien bei hoher Temperatur. Die Ausbildung der Wärmeübertrager ist für die Massenfertigung
keramischer Bauteile im Strangpreßverfahren geeignet.
Die Wärmeübertrager zeichnen sich darüber hinaus dadurch aus, daß in einfachster Weise aus einzelnen
Wärmeübertrager-Bauteilen größere Wärmetauschereinheiten für höhere Wärmeübertragerleistungen nach
dem Baukastenprinzip zusammensetzbar sind.
Claims (11)
1. Rekuperativer Wärmeübertrager aus keramischem Material mit mehreren, in Reihe nebeneinander angeordneten Kammern mit Zu- und Abströmöffnungen für im Wärmeaustausch stehende Medien,
wobei jeweils benachbarte Kammern eine gemeinsame Trennwand aufweisen und von einem anderen
der im Wärmeaustausch stehenden Medien durchströmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß
innerhalb eines einstückigen Blockes aus keramischem Material mehrere, die Kammern bildende,
parallel zueinander geführte Strömungskanäle (1,2) über die gesamte Länge des Blockes geführt sind,
wobei die Strömungskanäle (1, 2) zueinander entgegengesetzten Oberflächen (8, 9, 10, 11) des
Blockes hin abwechselnd derart gegeneinander versetzt sind, daß jeder Strömungskanal (1) über
seine gesamte Länge die direkt neben ihm liegenden Kanäle (2) überragt, daß die stirnseitigen öffnungen
(3, 4) der Kanäle verschlossen sind und daß die jeweils an der Oberfläche liegenden Längsseiten der
Strömungskanäle (1, 2) zumindest in der Nähe der Stirnseiten (3,4) des Blockes offen gehalten sind.
2. Rekuperativer Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (1, 2) einen schlitzartig geformten
Querschnitt aufweisen und so angeordnet sind, daß jeweils die größten Flächen benachbarter Schlitze
einander gegenüber liegen.
3. Rekuperativer Wärmeübertrager nach Anspruch t oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest in einem Tel« der Suömungskanäle (1, 2) Abstützungen (15) zwischen den Trennwänden (7)
vorgesehen sind.
4. Rekuperativer Wärmeübertrager nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Strömungskanäle (1, 2) einen bogenförmig gekrümmten Querschnitt aufweisen.
5. Rekuperativer Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsseiten der Strömungskanäle
(1,2) von schalenförmig gekrümmten Deckwandungen (16) abgedeckt sind.
6. Rekuperator Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten (3, 4) und/oder
Seitenwandungen (17,19) Nuten (18) oder Stege (20) aufweisen, in die Stege oder Nuten von Stirnseiten
und Seitenwandungen benachbarter Wärmeübertrager (21) einpaßbar sind.
7. Rekuperativer Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Parallelschaltung miteinander
verbundene Wärmeübertrager gemeinsam einen Kohlkörper bilden.
8. Rekuperativer Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an Lagerstellen der Wärmeübertrager
elastische Zwischenlagen (24) vorgesehen sind.
9. Rekuperativer Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Zwischenlagen (24) aus keramischem Fasermaterial bestehen.
10. Verfahren zur Herstellung eines rekuperativen
Wärmeübertragers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einen isostatisch gepreßten
keramischen Grünkörper von zwei planparallclen
Seiten her mehrere nebeneinander angeordnete, zueinander parallel verlaufende Ausnehmungen
eingefräst werden, wobei die Ausnehmungen der einen Seite gegenüber den Ausnehmungen der
anderen Seite um einen halben Abstand zwischen den Ausnehmungen einer Seite versetzt sind und
zwischen die Ausnehmungen der Gegenseite eingreifen, daß die Ausnehmungen an ihren Stirnseiten
mittels keramischer Masse gasdicht verschlossen und auf den planparallelen Seiten von Deckwandungen aus Keramik so abgedeckt werden, daß
zumindest im an den Stirnseiten gelegenen Deckenbereich Zu- und Abströmöffnungen für die Medien
offen bleiben, und daß der Grünkörper im Anschluß daran gebrannt wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines rekuperativen
Wärmeübertragers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß keramische Masse in an sich
bekannter Weise im Strangpreßverfahren mittels eines Extruders durch eine den Stirnquerschnitt des
Wärmeübertragers bestimmende, sich in Bewegungsrichtung der Masse verjüngenden Extruderdüse gepreßt wird, die in ihrem freien Austrittsquerschnitt mehrere, mit Abstand zur Düsenwandung in
Reihe nebeneinander angeordnete Kernkörper aufweist, deren Querschnittsform den Querschnitt
von Strömungsk?aälen bestimmt und die paarweise
so gegeneinander versetzt angeordnet sind, daß jeder Kernkörper den ihm nebengeordneten Kernkörper zu einer der beiden jeweils Deckwandungen
des Wärmeübertragers bildenden Düsenwandungen hin überragt, daß die die Extruderdüse verlassende
Masse auf Länge geschnitten und gegebenenfalls vorgebrannt wird, worauf zur Bildung von Zu- und
Abströmöffnungen für im Wärmeaustausch stehende Medien ein Teil der Deckwandungen zumindest
im an den Stirnseiten gelegenen Deckenbereich so weit abgetragen wird, daß jeweils die die benachbarten Strömungskanäle zur abzutragenden Deckwandung hin überragenden Strömungskanäle geöffnet
werden, daß die Strömungskanäle stirnseitig mittels keramischer Masse verschlossen und daß die Körper
im Anschluß daran gebrannt werden.
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