DE2938159C2

DE2938159C2 - Keramischer Speicherwärmeaustauscher für einen Regenerator sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2938159C2
Application number: DE2938159A
Authority: DE
Inventors: Tadaaki Nagoya 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: 1983-05-11
Also published as: SE443228B; SE7907999L; JPS5546338A; JPS6151240B2; US4304585A; US4357987A; GB2031571A; DE2938159A1; GB2031571B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen keramischen Speicherwärmeaustauscher für einen Regenerator sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung, entsprechend dem jeweiligen Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.

Der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2 beschriebene keramische Speicherwärmeaustauscher (DE-AS 12 45 395) verwendet für den Wabenzellkörper und die Mantel-Naben-Abdeckteile Litium-Aluminium-Silikat. Für den Kleber wird dagegen ein Hemisch aus 70% Litium-Aluminium-Silikat und 30% andere Stoffe verwendet, wobei diese Gesamtmischung lediglich im verschäumten Zustand einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des übrigen Materials im gesinterten Zustand angeglichen werden kann. Weder für die Dicke der Klebstoffschicht, noch für den exakten Unterschied hinsichtlich der Wärmeausdehnung, werden spezielle Angaben gemacht. Die einen radialen Durchfluß zulassenden Wabenzellkörper-Segmente nach der DE-AS 12 45 395 werden nicht miteinander verklebt, so sondern vielmehr durch einen über den Umfang angelegten Spannrahmen verspannt. Der Wabenzellkörper wird lediglich im Mantel eingeklebt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen keramischen Speicherwärmeaustauscher für einen Regenerator zu schaffen, der auf einfache Weise herzustellen ist und einen ausgezeichneten Wärmeaustauschwirkungsgrad, einen geringen Druckabfall und einen hohen Widerstand gegen thermische Spannungen aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemlß durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil der Patentansprüche! und 2 ergebenden Merkmale gelöst

Bisher hatte man sich in diesem Bereich der Technik keine Gedanken darüber gemacht, wie die Dicke der Klebstoffschicht zu wählen ist, um der vorgenannten Aufgabenstellung gerecht zu werden. Auch hat man sich keine Gedanken im Zusammenhang damit gemacht, daß man, wie bei der Erfindung, Wabenzellkörper-Segmente unmittelbar miteinander verklebt, um einen Wärmeaustauscher zu bilden. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung hat man erkannt, daß ein Wärmeaustauscher dann aus derartigen Segmenten auf einfache Weise durch Verkleben hergestellt werden kann, wenn man für den Kleber und für die Segmente keramisches Material derselben mineralischen Zusammensetzung verwendet und dabei die Wandstärke der angegebenen Definition im angegebenen Bereich wählt Das unmittelbare Verkleben der Segmente dient der Erzielung einer monolithischen Wabenzellstruktur mit ausgezeichneten Wärmeaustauscheigenschaften, wobei die mechanische Festigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Beanspruchungen der Klebebereiche gleich oder sogar größer ist als die entsprechenden Eigenschaften der Segmente selbst In diesem Zusammenhang hat man erfindungsgemäß herausgefunden, daß beim Überschreiten der Dicke des Verklebungsbertiches über das Maß von 6 mm ein Unterschied in der Sinterungsfähigkeit im Klebebereich und im Wabenzellkörperbereich auftritt so daß die thermische Ausdehnung des Klebebereiches größer wird und die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Beanspruchungen abnimmt Bei der Verwendung des erfindungsgemäßenkeramischenSpeicherwärmeaustauschers für einen sich drehenden Wärmeaustauscher sinkt dann die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Beanspruchungen ab, wenn das Dickenmaß von 6 mm überschritten wird, da infolge des Unterschiedes der Wärmekapazität im Matrixbereich und im Verklebungsbereich lokale thermische Spannungen auftreten. 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. Daher wird die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Beanspruchungen geringer.

Da die den keramischen Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung bildenden Wabenzellkörper-Segmente durch Extrudieren hergestellt werden, ist die Zellstrukiur gleichförmig, wobei die Zelloberflächen in axialer Richtung, in der das Strömungsmittel strömt, glatt ausgebildet sind. Deswegen kann das Strömungsmedium mit minimalen Druckabfall sowie einem guten Wärmeaustausch durch die so gebildeten Strömungskanäle strömen.

Wenn die zu verklebende Fläche des Segmentes unregelmäßig ist, ist die Dicke der Klebeschicht so definiert, daß sie durch Teilung eines Querschnittsbereiches des Klebebereiches durch seine Länge erhalten wird. Wenn im Klebebereit-h eines Segmentes Lunker vorliegen, so ist die Dicke so definiert, als ob keine Lunker vorlägen.

Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung der Ausdruck »nach dem Sintern im wesentlichen dieselbe mineralische Zusammensetzung wie die keramischen Wabenzellkörper-Segmente« verwendet wird, so ist

darunter zu verstehen, daß der keramische Kleber dieselben mineralischen Komponenten und denselben Gehalt solcher Komponenten wie die Wabenzellkörper-Segmente hat, mit Ausnahme möglicher Verunreinigungen in einer Gesamtmenge von nicht mehr als 1%. Die Verwendung eines solchen Klebers sichert eine hohe Klebefestigkeit der Segmente und einen geringen Unterschied hinsichtlich der Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Wenn der Unterschied in der thermischen Ausdeh- ι ο nung zwischen dem Kleber und dem keramischen Segment größer als 0,1% bei 800⁰C ist, wird die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Beanspruchungen im Klebebereich unerwünschterweise herabgesetzt Vorzugsweise soll die Dicke der Klebstoffschicht oder is des Verklebungsbereiches im Bereich zwischen 0,5 bis 3 mm liegen. Die unterschiedliche thermische Ausdehnung soll in einem Bereich liegen, welcher nicht größer als 0,05% bei 800° C ist

Der erfindungsgemäße Speicherwärmeaustauscher wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand von in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigen

F i g. 1 —3 Ansichten einer Ausführungsform eines keramischen Speicherwärmeaustauschers mit Klebebereichen entsprechend der Erfindung und

Fig.4—6 vergrößerte Ansichten der Abschnitte eines Klebebereiches und eines benachbarten Segmentes.

Ein Keramik-Rohmaterial, welches einen relativ kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, wird in die Form eines Wabenzellkörper-Segmentes extrudiert, wobei eine sektionale Zellform, wie ein Dreieck, ein Rechteck, ein Quadrat oder ein Sechseck gewählt wird. Dann wird das Segment durch Sintern verfestigt Es wird eine Vielzahl von derartigen Segmenten gefertigt und behandelt, um ein; Anordnung von Segmenten herzustellen, die für einen keramischen Drehwärmeaustauscher des angegebenen Regeneratortyps geeignet ist. Die so behandelten Segmente werden durch Aufbringen eines keramischen Klebers auf die Klebebereiche jedes Segmentes miteinander verklebt. Der aufgebrachte Keramik-Kleber hat nach dem Sintern im wesentlichen dieselbe mineralische Zusammensetzung wie die des Segmentes. Der Unterschied hinsichtlich der thermischen Λusdehnung zwischen dem Kleber und dem Keramiksegment bewegt sich in einem Bereich, welcher nicht mehr als 0,i% bei 800°C beträgt. Der keramische Kleber wird derart aufgetragen, daß seine Dicke nach dem Sintern im Bereich von 0,1 bis 6 mm ⁵ⁿ liegt. Die mit dem Kleber versehenen, miteinander verklebten Segmente werden dann in ausreichendem Maße getrocknet und gesintert, bis der Kleber in ausreichendem MaPe gesintert und verfestigt ist, so daß ein monolithischer Wabenzellkörperaufbau entsteht.

Der auf die Segmente aufgebrachte keramische Kleber hat die Form einer keramischen Paste, welche sich aus einem 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 muß ein solches sein, welches nach den·. Sintern im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung hat wie das Segment, wobei der Unterschied hinsichtlich der '*' thermischen Ausdehnung mit dem Segment nicht größer ist als 0,1% bei 800^JC. Beispielsweise sind solche keramische Pulver nichtbehandelte Pulver, wie Talk bzw, Talkum, Kaolin und Aluminiumhydroxid, calcinierte Pulver, wie calciniertes Talk bzw, Talkum, calcjmertes Kaolin und calciniertes Aluminiumoxid, gesinterte Pulver, wie beispielsweise Dichroit, Muilit und Aluminiumoxid, und eine Mischung derselben.

Zur Verbesserung der Klebefestjgkeit wird es bevorzugt, den KJebebereich dadurch zu vergrößern, daß die Oberfläche der Matrix rauh oder unregelmäßig gemacht wird (F i g. 4 bis 6).

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

Folgende Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern:

Beispiel 1

Ein Dichroit-Rohmaterial wurd:. verwendet um durch Extrusion keramische Segmen:e mit 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 Tunnelofen bs 1400°C für fünf Stunden gesintert, um 35 Segmente zu erhalten, die jeweils eine Größe von 130 · 180 · 70 mm aufwiesen. Die 35 Segmente wurden teilweise an der Außenfläche bearbeitet und so angeordnet daß nach dem Verkleben em Speicherwärmeaustauscher für einen Regenerator einer bestimmten Form geschaffen wurde. Danach wurde ein keramischer Pastenkleber, welcher nach dem Sintern ein Dichroit-Minera! 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 Tunnelofen bei 1/00°C für 5 Stunden gesintert um einen Speicherwärmeaustauscher einer integrierten Struktur mit einem Durchmesser von 700 mm und einer Dicke von 70 mm zu erhalten.

Der so erhaltene Speicherwärmeaustauscher 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 Struktur betrug 13,7 kg/cm² einschließlich oder ausschließlich der Klebeabschnitte. Diese Biegefestigkeit wurde nach einem Vierpunkt-Bisgetest bestimmt, und zwar ohne Herabsetzung der Festigkeit der Verklebung. Wenn der Speicherwärmeaustauscher einer plötzlichen Erwärmung u-id einer plötzlichen Abkühlung unterworfen wurde, indem der Speicherwärmeaustauscher in einen elektrischen Ofen gegeben wurde, welcher tür 30 Minuten auf eine vorbestimmte Temperatur gehalten wurde, und indem danach der Speicherwärmeaustauscher für eine Luftkühlung aus dem Ofen entnommen wurde, wurde herausgefunden, daß kein Brechen oder Aufplatzen der Verklebung erfolgte, obwohl einige Brüche in den Segmenten selbst dann auftrat, wem; eine Temperaturdifferenz von 700⁰C herrschte. Der keramische Speicherwärmeaustauscher dieser Art eignet sich besonder:· als Speicherwärmeaustauscher für Gasturbinen und Stirling-Motoren.

Beispiel 2
Mullit-Seemente einer Wabenzellstruktur mit qua-

dratischen Zellen mit einer Teilung von 2,8 mm und einer Wanddicke von 0.25 mm wurden extrudiert und dann in einem elektrischen Ofen bei 1350⁰C für 5 Stunden gesintert, um so 16 Segmente mit einer Größe von 250 · 250 · 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 ergab. Danach wurden die Segmente ausreichend getrocknet und in einem Elektroofen bei 1350⁰C für 5 Stunden gesintert, um einen keramischen Speicherwärmeaustauscher einer integrierten Gestalt mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Dicke von 150 mm zu erhalten, welcher aus Mullit besteht.

Dieser Speicherwärmeaustauscher hatte einen frontalen Öffnungsbereich von 80% und einen Unterschied hinsichtlich der thermischen Ausdehnung zwischen dem Matrix-Segment und der Klebschicht von 0,02% bei 800⁰C. Als Ergebnis einer schnellen Erwärmung und einer schnellen Abkühlung entsprechend dem Beispiel 1 wurden im Verklebungsbereich bei einer Temperaturdifferenz von 400⁰C keine Brüche festgestellt, obwohl derartige Brüche in den Segmenten selbst auftraten. Der so erhaltene MuMit-Speicherwärmeaustauscher eignete sich insbesondere als industrieller Speicherwärmeaustauscher.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Keramischer Speicherwärmeaustauscher fur einen Regenerator, dessen Teile zumindest teilweise durch einen keramischen Kleber verbunden sind, mit einem Wabenzellkörper, der aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen Wabenzellkörper-Segmenten besteht, wobei der Wabenzellkörper und der Kleber etwa die gleiche Wärmeausdehnung haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Wabenzellkörper-Segmente mittels des Klebers miteinander verklebt sind, daß der keramische Kleber nach dem Sintern im wesentlichen dieselbe mineralische Zusammensetzung hat wie die keramischen Wabenzellkörper-Segmente, daß die Gesamtdicke der dünnen Wände der benachbarten, miteinander zu verklebenden Wabenzellkörper-Segmente und die Dicke der Kleberschicht nach dem Sintern 0,1 bis 6 mm beträgt, und daß der Unterschied hinsichtlich der Wärmeausdehnung des gesinterten Klebers relativ zu der der keramischen Wabenzellkörper-Segmente nicht größer als 0,1% bei 800⁰CiSL
2. Verfahren zum Herstellen eines Speicherwärmeaustauschers nach Anspruch 1, gemäß dem der aufgebrachte Kleber gesintert und getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von keramischen Wabenzellkörper-Segmenten extrudiert wird, daß daraufhin die Segmente erhitzt und danach der keramische Kleber aufgebracht und die Segmente miteinander verklebt werden, wonach das Sintern des Kleben erfaßt, daß daraufhin die verklebten Segmente getrockne», und daß anschließend die getrockneten, verkle' ien Segmente erhitzt werden.