DE2938159A1

DE2938159A1 - Keramik-waermeaustauscher und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2938159A1
Application number: DE19792938159
Authority: DE
Inventors: Tadaaki Matsuhisa; Isao Oda
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1978-09-28
Filing date: 1979-09-21
Publication date: 1980-04-17
Also published as: US4357987A; SE443228B; US4304585A; GB2031571A; DE2938159C2; JPS6151240B2; JPS5546338A; SE7907999L; GB2031571B

Description

HOFFMANN · EITLE & PARTNER

PAT E N TAN WÄLT E

DR. ING. E. HOFFMANN (19301976) . D I PL.-I N G. W. E ITLE · D R. R E R. NAT. K. H O FFMAN N - Ol PL.-I NG. W. LEH N DIPl.-ING. K. FOCHSLE ■ DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (SIERNHAUS) · D-8000 MO N C H E N 81 · TELE FO N (089) 911087 . TELEX 05-7?il» (PATH E)

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NGK Insulators, Ltd.
Nagoya City / Japan

Keramik-Wärmeaustauscher und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Keramik-Wärmeaustauscher und insbesondere auf einen Dreh-Regenerator-Wärmeaustauscher mit einer ausgezeichneten Wärmeaustauschwirksamkeit, einem geringen Druckabfall und einer hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen Spannungen, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung dieses Wärmeaustauschers.

Dreh-Regenerator-Keramik-Wärmeaustauscher setzen sich im wesentlichen aus einer zylindrischen Matrix mit einer Honigwaben-Struktur mit einem Durchmesser von 30 cm bis 2 m und einem Kreisring zusammen, welcher am Umfang der Matrix angeordnet ist, um diese zusammenzuhalten. Dieser Wärmeaustauscher ist mittels eines Dichtgliedes in Hälften geteilt und liegt drehbar in einer Strömungsmittel trömung , die durch die Dichteinrichtung in zwei Sektionen aufgeteilt ist. Durch die beiden Sektionen strömt einerseits ein

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heißes Strömungsmedium und andererseits ein zu erwärmendes Strömungsmedium. Durch Drehung des Wärmeaustauschers wird jede Hälfte alternativ durch das heiße Strömungsmedium in einem der beiden Abschnitte erwärmt, wonach diese aufgenommene Wärme in dem anderen Abschnitt dem zu erwärmenden Strömungsmittel übergeben wird.

Dementsprechend muß der Keramik-Wärmeaustauscher besondere Eigenschaften haben, wie eine gute Wärmeaustausch— bzw. Wärmeübergangswirksamkeit und einen geringen Druckabfall, weswegen in den Strömungskanälen glatte und gleichmäßige Strömungsverhältnisse herrschen müssen.

Verschiedene Arten derartiger Wärmeaustauscher sind bereits bekannt, einschließlich der sogenannten gewellten Honigwaben-Struktur, welche durch abwechselndes, spiralförmiges Wickeln gewellter und flacher Bänder erzielt wird- Außerdem ist ein Wärmeaustauscher mit einer sogenannten eingeprägten Honigwaben-Struktur bekannt, die dadurch erhalten wird, daß eine dünne, flache Keramikplatte mittels eines Prägevorganges eine gerippte Form erhält, wonach dieses Band um einen Dorn gewickelt wird. Diese bekannten Wärmeaustauscher haben jedoch den Nachteil, daß eine gleichförmige Strömung in den Toträumen schwierig zu erreichen ist und insofern sich ein großer Druckverlust einstellt und eine hohe Wärmeaustauschwirksamkeit nicht erwartet werden kann, da die Zellstruktur der Honigwaben durch eine Wellung oder durch ein sinusförmiges Dreieck mit einem Krümmungsradius gebildet ist, und insofern die Innenflächen der Zellen, an denen das Strömungsmittel vorbeiströmt, nur sehr schwierig glatt ausgebildet werden können und da weiterhin zwischen den gewellten und flachen Bändern Toträume entstehen, in denen, wie bereits ausgeführt,

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ORIGINAL INSPECTEO

eine gleichförmige Strömung sich nicht ausbilden kann. Die zuletzt genannte Struktur ist insbesondere deswegen als nachteilig anzusehen, da eine Neigung zur Delamination in den Klebebereichen zwischen den Rippen und dem Rückenband besteht, so daß infolge der unzufriedenstellenden mechanischen Festigkeit eine Beschädigung durch thermische Beanspruchung zu befürchten ist.

Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen keramischen Wärmeaustauscher des Generatortyps zu schaffen, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden und ein ausgezeichneter Wärmeaustauschwirkungsgrad, ein geringer Druckabfall und ein hoher Widerstand gegen thermische Spannungen erreicht werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Vorsehen einer monolithischen, integrierten Honigwaben-Struktur erzielt, die von einer Vielzahl von Matrix-Segmenten einer Honigwaben-Struktur hergestellt ist. Diese Matrix-Segmente bestehen aus einem keramischen Material und werden durch Extrudieren hergestellt. Diese Matrix-Segmente werden nachfolgend gesintert und durch Aufbringen eines keramischen Klebers miteinander verklebt, so daß nach dem Sintern eine Dicke von 0,1 bis 6 mm erzielt wird. Der keramische Kleber hat nach dent darauffolgenden Sintern im wesentlichen dieselbe mineralische Zusammensetzung wie das Matrix—Segment. Der Unterschied hinsichtlich der Wärmeausdehnung relativ zum keramischen Matrix-Segment ist nicht größer als 0,1 % bei 800⁰C. Danach erfolgt ein ausreichendes Trocknen und Sintern der verklebten Struktur. Ebenso wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung dieses Wärmeaustauschers gelöst, welches in der Beschreibung und kurzgefaßt im Anspruch 2 wiedergegeben ist.

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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den beigefügten Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

Fig. 1-3 Ansichten einer Ausführungsform einer Matrix eines keramischen Wärmeaustauschers mit Klebebereichen entsprechend der Erfindung und

Fig. 4-6 vergrößerte Ansichten der Abschnitte

eines Klebebereiches und eines benachbarten Matrix-Abschnittes.

Ein Keramik-Rohmaterial wie beispielsweise Dichroit (cordierite) odor Mullit, welches einen relativ kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, wird in die Form eines Matrix-Segmente;; einer Honigwaben-Struktur extrudiert, welche eine sektionale Zellforni, wie ein Dreieck, ein Rechteck, ein Quadrat oder ein Sechseck hat. Dann wird das Segment durch Sintern verfestigt. Es wird eine Vielzahl von derartigen Segmenten vorgesehen und behandelt, um eine Konfiguration herzustellen, die für einen keramischen Dreh-Wärmeaustauscher des angegebenen Regeneratortyps geeignet ist. Die so behandelten Segmente werden durch Aufbringung eines keramischen Klebers auf die Klebebereiche jedes Segmentes miteinander verklebt. Der aufgebrachte Keramik-Kleber sollte nach dem Sintern im wesentlichen dieselbe mineralische Zusammensetzung haben wie die des Matrix-Segmentes. Der Unterschied hinsichtlich der thermischen Ausdehnung zwischen dem Kleber und dein Keramiksegment sollte sich in einem Bereich bewegen, welcher nicht mehr als 0,1 % bei 800 C beträgt. Der keramische Kleber wird derart aufgetragen, daß seine

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Dicke nach dem Sintern im Bereich von 0,1 bis 6 mm liegt. Die mit dem Kleber versehenen Matrix-Strukturen, welche miteinander verklebt wurden, werden dann in ausreichendem Maße getrocknet und gesintert, bis der Kleber in ausreichendem Maße gesintert und verfestigt ist, so daß eine monolithische Honigwaben-Struktur entsteht. Die so erhaltene Honigwaben-Struktur hat bei Anwendung auf einen Dreh-Wärmeaustauscher des Regeneratortyps ausgezeichnete Wärmeaustauscheigenschaften mit geringem Druckabfall und einer erheblichen Widerstandsfähigkeit gegen Warmebeanspruchungen.

Dci die den keramischen Wärmeaustauscher gernäß der Erfindung bildenden Matrix-Segmente durch Extrudieren hergestellt wurden, ist die Zellstruktur gleichförmig und sind die Zeil — oberflächen in axialer Richtung, in der das Strömungsmittel strömt, glatt, weswegen das Strömungsmedium mit minimal gehaltenem Druckabfall sowie einem ausgezeichneten Wärmeaustausch durch die so gebildeten Strömungskanäle strömen kann.

Ein bedeutendes Merkmal der Erfindung besteht in der Technik des Verklebens einer Vielzahl von keramischen Segmenten, welche durch Extrudieren erhalten wurden. Entsprechend der Erfindung erfolgt das Verkleben einer Vielzahl von keramischen Hogmenten durch die Verwendung eines keramischen Klebers der zuvor beschriebenen Art. Es ist wesentlich, daß der keramische Kleber nach dem Sintern im wesentlichen dieselbe mineralische Zusammensetzung hat, wie das Matrix-Segment und daß der Unterschied der thermischen Ausdehnung zwischen dem Matrix-Segment und dem Keramik-Kleber bei 800°C nicht mehr als 0,1 % beträgt. Die Dicke der Klebschicht soll nach dem Sintern im Bereich zwischen 0,1 bis 6 mm betragen. Es wurde herausgefunden, daß die Klebebereiche nach dem

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Sintern eine mechanische Festigkeit und eine Widerstandsfähigkeit gegen thermische Beanspruchung haben, die gleich oder größer der entsprechenden Eigenschaften der Matrix-Segmente ist . Dadurch ist die Herstellung eines keramischen Dreh-Wärmeaustauschers mit einem ausgezeichneten Wärmeaustauschwirkungsgrad und einem geringen Druckabfall sichergestellt. Der Ausdruck "Dicke" der Klebebereiche, wie er zuvor verwendet wurde, versteht sich als die Gesamtdicke der dünnen Wände der benachbarten, miteinander zu verklebenden Matrix-Segmente und der Dicke der Klebstoffschicht nach dem Sintern. Wenn die zu verklebende Fläche des Matrix—Segmentes entsprechend der Darstellung in Fig. 4 bis 6 unregelmäßig ist, ist die Verklebungsdicke so definiert, daß sie durch Teilung eines Querschnittbereiches des Klebebereiches durch seine Länge erhalten wird. Wenn im Klebebe— reich eines Segmentes entsprechend der Darstellung in Fig. Lunker vorliegen, ist die Dicke so definiert, als ob keine Lunker vorlagen.

Unter dem Ausdruck "im wesentlichen dieselbe mineralische Zusammensetzung wie das Matrix-Segment nach dem Sintern" ist zu verstehen, daß der keramische Kleber dieselben mineralischen Komponenten und denselben Gehalt solcher Komponenten, wie das Matrix-Segment hat mit Ausnahme möglicher Verunreinigungen in einer Gesamtmenge von nicht mehr als 1 %. Die Verwendung eines solchen Klebers sichert eine hohe Klebefestigkeit der Matrix-Segmente und einen geringen Unterschied hinsichtlich der Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Verklebungsdicke nach dem Sintern in einem Ausmaß von 6 mm ist nicht favorisiert, da der offene Frontalbereich und somit der Querschnittsbereich für den Strömungsmittelfluß abnimmt und insofern der Druckabfall zunimmt und die Wärmeaustauschwirksamkeit abnimmt. Infolge des Schrumpfens

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der Klebstoffschicht nach dem Sintern neigen die Matrix-Segmente zu einer Trennung in den Klebebereichen, so daß eine größere Dicke der Klebstoffschichten nicht sinnvoll ist. Wenn weiterhin die Dicke des Verklebungsbereiches mehr als 6 mm beträgt, tritt ein Unterschied in der Sinterungsfähigkeit im Klebebereich und im Matrix-Bereich auf, so daß die thermische Ausdehnung des Klebebereiches größer wird und die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Beanspruchung absinkt. Insofern ist eine solche Ausbildung der Klebstoffschichtdicke nicht wünschenswert. Wenn weiterhin das genannte Gebilde für einen sich drehenden Regenerator verv/endet wird, tritt eine lokale thermische Spannung infolge des Unterschiedes der Wärmekapazität im Matrix-Bereich und im Verklebungsbereich auf, so daß die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Beanspruchungen absinkt. Geringere Dicken als 0,1 mm haben den Nachteil, daß in den Klebebereichen eine Trennungsneigung nach dem Sintern besteht, und zwar wegen der unzureichenden mechanischen Festigkeit in den Klebebereichen. Insofern wird die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Beanspruchungen geringer.

Wenn der Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen dem Kleber und dem keramischen Matrix-Segment größer als 0,1 % bei 800⁰C wird die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Beanspruchungen im Klebebereich unerwünschterweise herabgesetzt. Vorzugsweise soll die Dicke der Klebstoffschicht oder des Verklebungsbereiches im Bereich zwischen 0,5 bis 3 mm liegen. Die unterschiedliche thermische Ausdehnung soll in einem Bereich liegen, welcher nicht größer ist als o,o5 % bei 800°C in bezug auf die Wärmeaustauschwirksamkeit, den Druckabfall und die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Beanspruchungen.

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Der auf die Matrix-Segmente aufgebrachte keramische Kleber hat die Form einer keramischen Paste, welche sich aus einen» keramischen Pulver, einem organischen Kleber und einem Lösungsmittel zusammensetzt. Das Lösungsmittel kann ein wässriges oder ein organisches Lösungsmittel sein, welches von der Art des verwendeten organischen Klebers abhängt. Das keramische Pulver kann ein solches sein, welches nach dem Sintern im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung hat wie das Matrix-Segment, wobei der Unterschied hinsichtlich der thermischen Ausdehnung mit dem Matrix-Segment nicht größer sein soll als 0,1 % bei 800⁰C. Beispielsweise sind solche keramischen Pulver nichtbehandelte Pulver, wie Talg bzw. Talkum, Kaolin und Aluminiumhydroxid, calcinierte Pulver, wie calciniertes Talg bzw. Talkum, calciniertes Kaolin und calciniertes Aluminiumoxid, gesinterte Pulver, wie beispielsweise Dichroit, Mullit und Aluminiumoxid, und eine Mischung derselben.

Zur Verbesserung der Klebefestigkeit wird es bevorzugt, den Klebebereich dadurch zu vergrößern, daß die Oberfläche der Matrix rauh oder unregelmäßig gemacht wird, wie sich dies aus Fig. 4 bis 6 ergibt.

Wenn in bestimmten Abschnitten des Klebebereiches oder über den Klebebereich entlang der Länge der Zelle (siehe Fig. 6) Lunker vorliegen, ist es wünschenswert, den Lunker aufweisenden Bereich nicht größer als das 1/2-fache des Klebebereiches jedes Abschnittes zu machen.

Folgende Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern:

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Beispiel 1;

Ein Dichroit-Rohmaterial wurde verwendet, um durch Extrusion keramische Segmente einer dreieckigen Zellstruktur auszubilden, und zwar mit einer Teilung von 1,4 mm und einer Wanddicke von 0,12 mm. Nachfolgend wurden diese Segmente in einem Tunnelkiln bei 1400⁰C für fünf Stunden gesintert, um 35 Matrix-Segmente zu erhalten, die jeweils eine Größe von 130 χ 180 χ 70 mm aufweisen. Die 35 Segmente wurden teilweise an der Aussenf lache bearbeitet und so angeordnet, daß nach dem Verkleben ein Dreh-Wärmeaustauscher des Regenerator— typs einer bestimmten Form geschaffen wurde· Danach wurde ein keramischer Pastenkleber, welcher nach dem Sintern ein Dichroit-Mineral erzeugt, auf die einzelnen Segmente aufgebracht, so daß die Dicke der Verklebungsschicht nach dem Sintern 1,5 mm betrug. Die so mit dem Klebstoff versehenen Segmente wurden zusammengesetzt. Danach wurde der so zusammengesetzte Körper ausreichend getrocknet und in einem Tunnelkiln bei 1400⁰C für 5 Stunden gesintert, um einen Dreh-Wärmeaustauscher einer integrierten Struktur mit einem Durchmesser von 700 mm und einer Dicke von 70 mm zu erhalten.

Der so erhaltene Wärmeaustauscher hatte einen offenen Frontalbereich von 70 %. Der Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen dem Matrix-Segment und dem Klebstoffmaterial betrug 0,005 % bei 800⁰C. Die Biegefestigkeit der Matrix-

Struktur betrug 13,7 kg/cm einschließlich oder ausschließlich der Klebeabschnitte. Diese Biegefestigkeit wurde nach einem Vierpunkt-Biegetest bestimmt, und zwar ohne Herabsetzung der Festigkeit der Verklebung. Wenn der Wärmeaustauscher einer plötzlichen Erwärmung und einer plötzlichen Abkühlung unterworfen wurde, indem der Wärmeaustauscher in einen elektrischen Ofen gegeben wurde, welcher für 30 Minuten auf eine

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vorbestimmte Temperatur gehalten wurde, und indem danach der Wärmeaustauscher für eine Luftkühlung aus dem Ofen entnommen wurde, wurde herausgefunden, daß kein Brechen oder Aufplatzen der Verklebung erfolgte, obwohl einige Brüche in den Matrix-Segmenten selbst dann auftrat, wenn eine Temperaturdifferenz von 700⁰C herrschte. Der keramische Dreh-Wärmeaustauscher des Regeneratortyps dieser Art eignet sich besonders als Wärmeaustauscher für Gasturbinen und Stirling— Motoren.

Beispiel 2t

Mullit-Segmente einer Honigwaben-Struktur mit quadratischen Zellen mit einer Teilung von 2,8 mm und einer Wanddicke von 0,25 mm wurden extrudiert und dann in einem elektrischen Ofen bei 135O°C für 5 Stunden gesintert, um so 16 Matrix-Segmente mit einer Größe von 250 χ 250 χ 150 mm zu erhalten. Die Keramik-Segmente wurden teilweise am Aussenumfang behandelt und in den Klebebereichen mit einer keramischen Paste belegt, welche nach dem Sintern ein Mullit-Mineral mit einer Dicke von 2,5 mm ergibt. Danach wurden die Segmente ausreichend getrocknet und in einem Elektroofen bei 1350 C für 5 Stunden gesintert, um einen keramischen Dreh—Wärmeaustauscher einer integrierten Gestalt mit einem Durchmesser von 1000 mm und einer Dicke von 150 mm zu erhalten, welcher aus MuIlit besteht.

Diese Wärmeaustauscher-Matrix hatte einen frontalen Öffnungs— bereich von 80 % und einen Unterschied hinsichtlich der thermischen Ausdehnung zwischen dem Matrix—Segment und der Klebschicht von 0,02 % bei 800 C. Als Ergebnis einer schnellen Erwärmung und einer schnellen Abkühlung entsprechend dem Beispiel 1 wurden im Verklebungsbereich bei einer Temperatur-

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differenz von 400 C keine Brüche festgestellt, obwohl derartige Brüche in den Matrix-Segmenten selbst auftraten. Der so erhaltene Mullit-Dreh-Wärmeaustauscher eignete sich insbesondere als industrielle Wärmeaustauscher.

Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß der gegen Wärrnespannungen widerstandsfähige, keramische Dreh-Wärmeaustauscher des Regeneratortyps gemäß der Erfindung mit einer integrierten Gestalt eine gleichförmige und glatte Zellstruktur mit einem ausreichend hohen frontalen Öffnungs— bereich, einem geringen Druckabfall und einer ausgezeichneten Wärmeaustauschwirksamkeit bei hoher Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen Spannungen hat. Entsprechend ist der Wärmeaustauscher als Regenerator-Wärmeaustauscher für Gasturbinen und Stirling-Motoren und ebenso für industrielle Wärmeaustauscher verv/endbar, um Brennstoff kos ten einzusparen, und ist gerade jetzt eifrig gefragt.

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Claims

HOFFMANN · EITLE & PARTNER

ΡΛΤ E N TAN WALT E

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1974) . Dl PL-I NG. W. EITLE . DR. RER. NAT. K. HOFFMANN ■ DIPl.-ING.W. IEH N

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN
ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) · D-8000 MO NCH EN 81 · TELEFON (089) »11087 . TELEX 05-2MW (PATHE)

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NGK Insulators, Ltd.
Nagoya City / Japan

Keramik-Wärmeaustauscher und Verfahren
zu dessen Herstellung

Patentansprüche

l.J Keramik-Wärmeaustauscher des Regeneratortyps, dadurch

gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von keramischen Honigwaben-Matrix-Segmenten mittels eines keramischen Klebars miteinander verklebt sind, daß der keramische Kleber nach dem darauffolgenden Sintern im wesentlichen dieselbe mineralische Zusammensetzung hat wie die
keramischen Matrix-Segmente und eine Dicke von O,l bis 6 mm hat, wobei der Unterschied hinsichtlich der thermischen
Ausdehnung relativ zu den keramischen Matrix-Segmenten
nicht größer ist als 0,1 % bei 800⁰C.

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Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschers gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von keramischen Honigwaben-Matrix—Segmenten extrudiert werden, daß die Segmente erhitzt werden, daß die Segmente durch Aufbringen eines keramischen Klebers miteinander verklebt werden, so daß der keramische Kleber nach dem nachfolgenden Sintern im wesentlichen dieselbe mineralische Zusammensetzung hat wie die keramischen Matrix-Segmente und der Klebebereich eine Dicke von 0,1 bis 6 mm aufweist, wobei der Unterschied hinsichtlich der thermischen Ausdehnung relativ zu den keramischen Matrix-Segmenten nicht größer ist als 0,1 % bei 800°C, daß die verklebten Segmente getrocknet und daß anschließend die getrockneten, verklebten Segmente erhitzt werden.

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