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Wärmetauscher
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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher. Die Erfindung betrifft
insbesondere, aber nicht ausschließlich einen Wärmetauscher in der Form eines Rekuperators,
bei dem heiße Abgase, die mitunter chemisch aggressive Bestandteile enthalten können
und die häufig sehr heiß sind, ihre Wärme an ein einströmendes Medium abgeben.
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Die Konstruktion von Rekuperatoren aus Metall ist allgemein üblich,
unterliegt aber Beschränkungen, beispielsweise hinsichtlich der zulässigen maximalen
Abgastemperatur. Bei sehr hohen Temperaturen ist es bekannt, Keramikrekuperatoren
zu verwenden, d.h. Rekuperatoren, bei denen zumindest die Hochtemperaturkanäle durch
die Wärmerückgewinnungsmatrix aus Keramikmaterial gebildet sind. Beispiele für derartige
Keramikwärmetauscher sind in den
US-PS'en 2 230 221 (Fitch), 2 095
643 (Lehr) und 1 925 711 (Batchell) beschrieben, bei denen die Wärmeaustauschrohre
in gegenüberliegenden Stirnwänden eines Grundkörpers angeordnet sind, die aus einer
Reihe von im allgemeinen Y-förmigen Steinen oder Blöcken gebildet ist. Bei diesen
Konstruktionen treten aber erhebliche Probleme bei der Erzielung einer brauchbaren
Abdichtung zwischen den Rohren und den Stirnwänden auf, insbesondere wenn man die
für die Wärmeausdehnung erforderliche Bewegungsfreiheit in Betracht zieht. Das Bedürfnis
der konstruktiven Integrität der einzelnen Blöcke und der Abdichtung zwischen den
Fugen der Blöcke begrenzt den gegenseitigen Mindestabstand der Rohre, wotlurch eine
raumsparende Anordnung schwierig wird.
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Das Problem der Erzielung einer geeigneten Abdichtung zwischen den
Rohren und den Stirnwänden des Grundkörpers bei gleichzeitiger Bewegungsfreiheit
zur Wärmeausdehnung wurde durch die Anordnung zusätzlicher Beschläge überwunden,
die eine nachgiebige Dichtung bewirken (US-PS 3 610 595), die inabesondere aus einem
Bajonettverschluß bestehen1 der die Umfangsdichtung an einem Rohrende umgibt, die
Verwendung derartiger Beschläge erfordert aber einen bestimmten Mindestabstdnd zwischen
den Rohren. Wenn Rohre mit kleinem Durchmesser verwendet werden sollen, wie dies
in kleineren Rekuperatoren der Fall ist, dann können die Rohre demzufolge nicht
so nahe nebeneinantler angeordnet werden, wie dies gewünscht wird, so daß die sich
ergebende Konstruktion platzraubender, weniger wirkungsvoll und teurer ist.
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Die Verwendung einer Reihe übereinanderliegender Anschlagteile zur
Bildung der Wände eines mit Rohren versehenen Wärmetauschers Ist: auch bereits fiir
die Anwendung bei niedrigen Temperaturen bekannt, beispielswelse bei
Wasserkühlern
für Schiffe, das hat aber überhaupt nichts mit dem Problem der Schaffung eines Wärmetauschers
für hohe Temperaturen undZoder korrosive Medien zu tun, die beispielsweise die Wärme
von Kaminabgasen verwerten.
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In der GB-PS 1 214 274 ist ein Schiffswärmetauscher mit elastomeren
ringförmigen Wandabschnitten beschrieben, die miteinander verspannt werden und die
jeweils eine solche Abmessung haben1 daß sie elastisch verformt und miteinander
und mit den Rohrenden in Dichtungseingriff gelangen, diese Materialien können aber
nur bei Temperaturen unter 2000C verwendet werden. In der GB-PS 1 510 063 sind Wandabschnitte
aus Metall beschrieben, die von einem elastomeren Dichtungsmaterial vollständig
umschlossen sind, und in den Wandabschnitten angeordnete Rohrausnehmungen sind mit
Rippen versehen, die eine örtlich konzentrierte hohe Druckkraft ausüben, welche
die Rohrenden einklemmt. Demzufolge ist nicht nur die zulässige maximale Betriebstemperatur
sehr begrenzt, sondern auch die Wärmeausdehnung der Rohre ist sehr stark behindert.
Wenn man diese bekannten Vorschläge übernehmen und die Stirnwände und die Seitenwände
einstückig als ringförmige Wandabschnitte aus einem starren Material ausbilden würde,
dann hätte dies beträchtliche Wärmespannungen zur Folge, wenn zwischen verschiedenen
Bereichen des Wärmetauschergehäuses große Temperaturunterschiede auftreten.
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Eine weitere bekannte Konstruktion von Rohren und Endplatten für
einen Wärmetauscher ist aus der GB-PS 1 261 905 bekannt, wobei Glas- oder Kunststoffrohre
in aneinanderstossenden Endblöcken aus Leichtmetall oder Kunststoff abgedichtet
sind, indem ein kleiner Spalt gebildet wird, der mit einem Klebstoff ausgefüllt
ist. Diese Maßnahme ist aber offensichtlich nicht für die Verwendung bei hohen Temperaturen
geeignet,
und darüberhinaus würde die Wärmedehnung sehr rasch eine Zerstörung der Verklebung
der Rohrenden und eine Leckage bewirken.
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Es bestehen daher zahlreiche Schwierigkeiten bei der Schaffung eines
Wärmetauschers, der die vorstehend genannten Nachteile überwindet, d.h. bei der
Schaffung einer wirtschaftlichen und verhältnismäßig raumsparenden Konstruktion
bei geringen Kosten, die mit hohen Temperaturen und/oder korrosiven Medien betrieben
werden kann, und insbesondere bei der Konstruktion eines Wärmetauschers bei dem
die hohe Widerstandsfähigkeit von keramischen Materialien gegen hohe Temperaturen
und chemische Einflüsse ausgewertet werden kann.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmetauscher
mit einer Wärmeaustauschkammer geschaffen, durch die sich eine Vielzahl von Keramikrohren
erstreckt, deren Enden in gegenüberliegenden Stirnwänden angeordnet sind, um einen
Pfad für ein erstes Medium durch die Kammer zu bilden, bei dem die Kammer einen
zweiten Pfad für ein zweites Medium aufweist, das die Rohre zum Austausch von Wärme
umströmt, wobei die Stirnwände aus zahlreichen übereinanderliegenden, parallelen
Keramikblöcken für die Rohre besteht, wobei sich jeder Block über die entsprechende
Abmessung der Stirnwand erstreckt, in den übereinanderliegenden Seitenflächen der
Blöcke Ausnehmungen angeordnet sind, um an den Trennfugen benachbarter Blöcke Kanäle
zu begrenzen, und wobei die Enden der Rohre in diesen Kanälen angeordnet und durch
kompressible Ringdichtungen in denselben abgedichtet sind, die den Umfang der Rohre
zumindest in einem Teil ihres in dem Kanal angeordneten Längenbereichs umgeben.
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Bei der Konstruktion eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers wird
ein Hauptaugenmerk darauf gerichtet, die Entstehung von Wärmespannungen zu begrenzen,
die zu Brucherscheinungen im Hauptkörper des Wärmetauschers wegen seiner Sprödigkeit
führen würden, insbesondere der Rohre und der hitzefesten Wandblöcke. Bei der neuen
Konstruktion kann dies dadurch erreicht werden, indem die hitzefesten Seitenwände
und die Wandblöcke für die Rohre als getrennte Elemente ausgeführt werden, die sich
unabhängig voneinander bewegen können, wobei dazwischen Dichtungen aus Mineralfasern
angeordnet sind. Lange Keramikrohre können sich unter extremen Temperaturbedingungen
in den Wandblöcken um 10 mm ausdehnen und zusammenziehen, und es tritt dann ein
besonderes Problem hinsichtlich einer brauchbaren Abdichtung zwischen den Keramikrohren
und den Wandblöcken auf.
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Da Keramikrohre eine geringe Dehnungsfestigkeit haben, ist es nicht
angebracht, das Rohr zwischen den Wandblöcken eng einzuklemmen, sondern es ist vielmehr
erforderlich, geeignete Freiräume für die Rohre vorzusehen, damit diese lose eingreifen,
wenngleich eine Leckage des heißen Mediums verhindert werden sollte.
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Zur Abdichtung zwischen benachbarten Blöcken können bei einer bevorzugten
Ausführungsform keramische Dichtungsstreifen eingelegt sein. Diese Dichtungsstreifen
können sich auch um den Umfang der in den Kanälen angeordneten Rohrenden herum erstrecken.
Die Abdichtung der Rohrenden mit diesen einfachen Mitteln ist insbesondere bei Rohren
mit kleinem Durchmesser brauchbar, vorzugsweise sind aber zylindrische Dichtungen
in den Kanälen angeordnet, um die erforderliche hitzefeste Dichtung zu erzielen.
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Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist eine besondere
Ausbildung der Dichtung für diesen Zweck vorgesehen. Diese Dichtung besteht aus
Steinwolle mit einer beträchtlichen
Wanddicke, die beim Zusammenbau
eine starke Kompression ermöglicht. Die Dichtung ist vorzugsweise in diametral geteilten
Hälften ausgebildet, die gemeinsam eine Umfangslänge haben, die im unbelasteten
Zustand geringfügig größer ist als die entsprechende Umfangslänge des Rohrendes,
so daß die aneinanderstoßenden Endflächen der Dichtungshälften beim Zusammenbau
gegeneinander gedrückt werden, während das Dichtungsmaterial zugleich zwischen dem
Rohrende und den Ausnehmungen der Blöcke komprimiert wird.
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Ein Vorteil der beschriebenen Dichtungsformen besteht darin, daß
sie eine Anordnung der Rohre in geringem gegenseitigem Abstand nicht behindern,
so daß sich eine raumsparende Einheit ergibt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, keramische
Rohre von Wärmetauschern festzulegen, die wegen ihrer Zerbrechlichkeit nicht mechanisch
eingeklemmt werden können. Derartige Rohre müssen sich bei Erwärmung frei ausdehnen
können, wenn sie aber nicht formschlüssig festgelegt sind, dann besteht die Gefahr
einer zunehmenden Verlagerung, und die Rohre bewegen sich nach wiederholten Erhitzungs-
und Abkühlungsvorgängen aus den Wandblöcken heraus. Andererseits sollte die Festlegung
der Rohre aber keinen wesentlichen Raum beanspruchen oder den Vorteil der raumsparenden
Konstruktion mit eng benachbarten Rohren zunichte machen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Wärmetauscher geschaffen,
bei dem ein erster Pfad für ein Medium durch eine Vielzahl von Keramikrohren gebildet
ist, die sich zwischen den Stirnwänden einer Wärmeaustauschkammer erstrecken, in
denen ihre Enden angeordnet sind, und bei dem
die Wärmeaustauschkammer
einen zweiten Pfad für ein Medium begrenzt, in dem die Rohre angeordnet sind, wobei
jede der Stirnwände aus zahlreichen übereinanderliegenden Blöcken besteht, die an
ihren Berührungsflächen Ausnehmungen aufweisen, die an den Fugen benachbarter Blöcke
durchgehende Kanäle bilden, wobei jeder Kanal mit einer kompressiblen Ringdichtung
versehen ist, die den Umfang des Rohres zumindest in einem Teil seines in dem Kanal
angeordneten Längenbereichs umgibt, und mit einem Anschlag versehen ist, der die
Bewegung des Rohres aus der Stirnwand heraus begrenzt.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, auf die bezüglich der Offenbarung
aller nicht im Text beschriebenen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines keramischen Wärmetauschers
gemäß der Erfindung, Fig. 2 schematisch einen Bereich einer Endwand des Wärmetauschers
nach Fig. 1 mit zwei unterschiedlich angeordneten Rohrbündeln, Fig. 3 und 4 Schnitte
nach der Linie A-A bzw. B-B in Fig. 2, die zwei alternative Endabdichtungen der
Rohre zeigen, Fig. 5 bis 7 Einzelheiten der Rohrabdichtung nach Fig. 3 und 4, Fig.
8 die Vorbehandlung eines Rohrendes zum Eingriff mit der Dichtung, Fig. 9 eine Vorderansicht
einer alternativen Ausführungsform eines keramischen Wärmetauschers gemäß der Erfindung,
Fig.
10 bis 12 alternative Dichtungen für die Rohrblökke und die Rohre1 und Fig. 13 und
14 alternative Anschlageinrichtungen zum Begrenzen der Bewegungen der Rohre.
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Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen keramischen Wärmetauscher zur
Verwendung als Rekuperator zur Wärmerückgewinnung aus Abgasen, bei dem eine Matrix
oder ein Grundkörper 2 aus Keramikmaterial, der eine Wärmeaustauschkammer bildet,
in einem metallischen Xlemmrahmen 4 angeordnet und abgestützt ist. Der Grundkörper
2 besteht aus einer Reihe von parallelen Keramikrohren 6, deren Enden in Stirnbändern
8 dicht angeordnet sind, die jeweils aus einer Serie von Keramikblöcken 10 gebildet
sind. Sowohl die Rohre 6 als auch die Blöcke 10 sind aus einem Keramikmaterial gebildet,
das je nach Bedarf in Form von Teilchen oder Fasern vorliegen kann. Das Material
der Rohre kann ausgewählt werden, um zu gewährleisten, daß die Rohre hohen Temperaturen
und/oder korrosiven Medien standhalten können, und c>eignete Materialien sind
Siliziumcarbid, Mullit und Tonerde Die einzelnen Blöcke 10 erstrecken sich horizontal
über die Breite des Grundkörpers. Die Blöcke 10 können aus einem hitzefesten Material
gebrannt oder gegossen sein, beispielsweise aus hitzefestem Zement, und wo geringes
Gewicht und große Gasdichtheit erforderlich ist, können die Blöcke aus einem keramischen
Material von sehr geringer Dichte im Vakuum geformt sein. Die Decke 12 und der Boden
14 des Grundkörpers sind aus leichten Keramikblöcken gebildet. Mit einem Keramikmaterial
beschichtete Anschlußstutzen 16 leiten eine Luftströmung durch die Rohre hindurch,
die von einer aus heißen Abgasen bestehenden Querströmung erhitzt werden sollen.
Zwischen den Anschlußstutzen 16 und den Flanschen des Klemmrahmens 4 sind keramische
Dichtungen 18 angeordnet.
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Mit einem Keramikmaterial beschichtete entsprechende Anschlußstutzen,
die mit den an gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers angeordneten Ein- und
Austrittsflächen 20 verbunden sind, um Verbindungen zu der Strömungsbahn zwischen
den Wänden 8, 12, 14 für diese Querströmung quer zur Axialrichtung der Rohre zu
schaffen, sind jedoch nicht gezeigt.
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Die Konstruktion der Stirnwände und ihrer Abdichtung mit den Rohrenden
ist in den Fig. 2 bis 4 in den Einzelheiten gezeigt. Fig. 2 zeigt den Aufbau einer
Stirnwand aus sich horizontal erstreckenden länglichen Blöcken 10, die an ihrer
Ober-und Unterseite halbkreisförmige Ausnehmungen 22 zur Bildung von die Keramikrohre
festhaltenden Kanälen 24 haben. In jedem Block können die Ausnehmungen an seinen
gegenüberliegenden Seiten fluchtend angeordnet sein, wie dies in der oberen Hälfte
von Fig. 2 gezeigt ist, die Ausnehmungen können aber auch seitlich versetzt sein,
wie dies im unteren Teil von Fig. 2 gezeigt ist, was von der gewünschten Anordnung
der Rohre abhängt. Es ist ein Konstruktionsmerkmal, daß die Blöcke quer zu ihrer
Längenerstreckung keine Fugen aufweisen.
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Wenn die Blöcke zur Bildung der Stirnwand und der die Rohre festlegenden
Kanäle zusammengesetzt werden, dann werden von den gegenüberliegenden Ausnehmungen
zugleich Dichtungsgehäuse gebildet. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel
besteht ein zum Festlegen eines Rohres dienender Kanal aus drei aufeinanderfolgenden
konzentrischen Bereichen. Der äußere oder seitliche Bereich 28 hat einen Durchmesser,
der geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Rohres, und dieser Bereich
geht in einen mittleren Bereich 30 über, der einen größeren Durchmesser hat. Die
Schulter 32 des äußeren Bereichs 28 bildet demzufolge einen Endanschlag, der die
Axialbewegung des Rohres
nach außen begrenzt. Beim Zusammenbau
im kalten Zustand besteht zunächst ein Spalt zwischen dem Rohrende und der Schulter
32, wobei die Summe der Spalten an beiden Enden größer ist als die Ausdehnung des
Rohres bei Betriebstemperatur, so daß das Rohr zwischen gegenüberliegenden Endschultern
stets frei angeordnet ist.
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Der mittlere Bereich 30 mit größerem Durchmesser bildet ein Gehäuse
für eine Rohrdichtung 34. Dieser Bereich erstreckt sich über den überwiegenden Teil
der Dicke des Blocks, um eine geeignete Länge der Dichtung zu bewirken.
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Der innere Bereich 36 des Kanals hat einen Durchmesser, der geringfügig
kleiner ist als der Außendurchmesser des Rohres. Das Rohr liegt auf dem unteren
Teil dieses Bereichs auf, der die Gleitabnutzung aufnimmt, wenn sich das Rohr ausdehnt
und zusammenzieht, und er verhindert ein Absacken der Hauptdichtung. Im Bedarfsfall,
wenn die Blöcke im Vakuum geformt sind, dann kann dieser Bereich der Bohrung mit
einem harten hitzefesten Material beschichtet sein, oder er kann mit getrennten
hitzefesten Einsätzen 38 versehen sein.
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Bei der in Fig. 4 gezeigten abgewandelten Ausführungsform des Kanals
ist der äußere Bereich mit kleinem Durchmesser entfallen, und das Dichtungsgehäuse
30 erstreckt sich bis zur Außenseite der Stirnwand. Dies ist bei billigen Niederdruckkonstruktionen
zulässig.
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Während der Montage wird zwischen den Blöcken eine dünne Fasermatte
40 angeordnet, um Spannungskonzentrationen zu verringern, wenn die Blöcke in der
nachstehenden Weise miteinander verspannt werden. Der Abstand zwischen den endseitigen
Kanälen einer jeden Reihe und den benachbarten Enden
der Blöcke
ist vorzugsweise größer als der Abstand der Kanäle, um eine hinreichend große Fläche
zu schaffen, die eine Abdichtung der Luftanschlußstutzen bei der Endmontage ermöglicht.
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Wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, sind die in den zur Festlegung der
Rohre dienenden Kanäle angeordneten Dichtungen aus zwei identischen Hälften 42 aus
Mineralfasern hergestellt. Ihre Fugen 44 sind im wesentlichen in der gleichen Ebene
wie die Fugen zwischen benachbarten Blöcken, sie sind aber versetzt oder abgestuft,
um die Sicherheit gegen eine Leckage zu erhöhen. Die Dichtungen werden während der
Montage zusammengedrückt oder lomprimiert, um zu gewährleisten, daß sie vollständig
an den Rohren und den Blöcken anliegen, von denen eines oder beide aufgerauhte Oberflächen
haben, und die Rohrenden können flache Umfangsnuten 46 (Fig. 8) haben, um die Festlegung
zu gewährleisten. Die ursprüngliche Dicke der Dichtungswände ist mindestens doppelt
so groß wie ihre endgültige Dicke, wenn sie nach der Montage zusammengedrückt sind.
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Eine Leckage durch die Dichtung wird durch die innere Bewegung der
Fasern verhindert, wobei die Außenschicht an dem Keramikblock und die Innenschicht
an dem Rohr formschlüssig befestigt ist, so daß keine Luftspalten gebildet werden.
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Die Fasern innerhalb der Dichtung sind hauptsächlich rechtwinklig
angeordnet, wobei radial verlaufende und in Umfangsrichtung verlaufende Fasern vorherrschen,
wie dies im unteren Teil von Fig. 6 gezeigt ist, während der Kompression erfolgt
aber ein Verbiegen der Fasern, was die erforderliche Elastizität ergibt, die zur
Aufnahme der Bewegung während des Betriebs notwendig ist. In dem Bereich der Fugen
zwischen den Blöcken sind die radialen Klemmkräfte kleiner, und zur Erleichterung
der Abdichtung in diesem Bereich haben
die Dichtungshälften kleine
ebene Verlängerungen 48 (Fig. 6), die über den eigentlichen halbkreisförmigen Querschnitt
hinausragen, der zum Ausfüllen des ringförmigen Dichtungsgehäuses notwendig ist.
Die Verformung der Fasern nach der Kompression ist in Fig. 7 für die vertikal und
horizontal verlaufenden Umfangsbereiche der Dichtung gezeigt.
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Nachfolgend wird der Zusammenbau des Rekuperatorgrundkörpers anhand
von Fig. 1 erläutert. Die Rohre und ihre Dichtungen werden in den Blöcken angeordnet,
wenn die Stirnwände errichtet werden, und die Decke 12 und der Boden 14 werden als
Widerlager zum Einspannen der Blöcke benutzt. Die Klemmkraft wird über den Rahmen
4 aufgebracht, wobei die Decke und der Boden durch stählerne Stehbolzen 52 zusammengedrückt
werden, und Distanzstücke 54 werden eingesetzt, um das genaue Maß der Kompression
der von den Blöcken gebildeten Stirnwände zu gewährleisten. Das Ausmaß der Kompression
hängt von der Anzahl der Rohrreihen, der Art der Dichtungen zwischen den Blöcken
und dem Material der Blöcke ab. Bei im Vakuum geformten Blöcken ist eine verhältnismäßig
große Kompression erforderlich, weil bei einem länger dauernden Betrieb bei höheren
Temperaturen eine Schrumpfung erfolgt. Selbst bei im Vakuum geformten Blöcken mit
geringer Schrumpfung ist eine Kompression von ungefähr 1% erforderlich, um eine
mögliche Leckage zu verhindern.
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Da der RekuperatorGrundkörper 2 um seinen Umfang von dem Klemmrahmen
4 umspannt ist, ist eine unterschiedliche Axialbewegung zwischen den Wänden des
Grundkörpers unerwünscht.
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Zu diesem Zweck sind die Blöcke und der Boden und die Decke aus hitzefesten
Materialien mit ähnlichem Wärmeausdehnungskoeffizient hergestellt.
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Nach dem Zusammenbau und Verspannen des Grundkörpers werden die Luftanschlußstutzen
16 an dem Metallrahmen befestigt, wobei die Dichtungen 18 aus Mineralfasern zwischen
den Anschlußstutzen und den zusammengedrückten Blöcken angeordnet werden, und die
(nicht gezeigten) Einlaß- und Auslaßstutzen für die Querströmung werden in ähnlicher
Weise montiert.
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Es ist möglich, in ähnlicher Weise einen erfindungsgemäßen Rekuperator
auszubilden, durch den die Abgase vertikal hindurchströmen, wie dies in Fig. 9 gezeigt
ist. Die einzige Abwandlung besteht darin, daß die Anschlußatutzen 58 für die heißen
Abgase in und aus der vertikal angeordneten Einheit verjüngt sind, damit der Klemmrahmen
4 angebracht werden kann. Die Blöcke 10 sind wieder horizontal angeordnet, und die
keramischen Seitenwände 16 sind an den beiden Seiten des Grundkörpers vorgesehen,
wobei obere und untere Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen freibleiben, die in die
Anschlußstutzen 58 münden. Der Klemmrahmen 4 liegt daher unmittelbar an den Seitenwänden
und an den Blöcken der Stirnwände an.
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Zur Konstruktion eines kleinen Rekuperators für kleinere Industrieöfen
können Rohre mit einem Durchmesser von 25 mm oder weniger verwendet werden. Wenn
die Wandblöcke entweder aus herkömmlichem hitzefestem Zement oder aus Mineralfasern
gegossen werden, um sie mit solchen Rohren zu verwenden, kann die Erzielung ausreichend
kleiner Toleranzen in der Praxis Schwierigkeiten bereiten, und die in den Fig. 10
bis 12 gezeigte abgewandelte Eingriffs- und Dichtungseinrichtung kann dann vorzuziehen
sein.
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Gemäß Fig. 10 bilden die in den Blöcken 64 ausgebildeten, die Rohre
aufnehmenden Ausnehmungen 62 ebene zylindrische
Bohrungen, in
jeder Dichtungsfläche 66 eines Blocks zwischen den Ausnehmungen ist jedoch eine
Nut 68 angeordnet. Die Rohre werden in der bereits beschriebenen Weise zusammengefügt,
mit der Ausnahme, daß die Abdichtung durch das Einlegen von zwei Dichtungsstreifen
70 aus einem Mineralfasertuch entlang der Fuge zwischen jeweils zwei Blöcken sowohl
über als auch den Rohren 6 bewirkt wird. Zwischen den Rohren werden die Fasern der
Dichtungsstreifen 70 durch starre Klemmleisten 72 aus Mineralfasern oder einem hitzefesten
Material noch weiter zusammengedrückt, die in die Nuten 68 eingesetzt werden, wobei
diese starren Klemmleisten die Dichtungsstreifen an den Enden der Nuten auch zuverlässiger
festlegen. In einigen Fällen, insbesondere bei großen Rekuperatoren können sich
die Nuten um die Wände der Rohrausnehmungen herum erstrecken, wie dies in Fig. 11
mit dem Bezugszeichen 68a bezeichnet ist, so daß keine Klemmleisten 72 erforderlich
sind.
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Eine einfachere Ausbildung ist in Fig. 12 gezeigt, wo die Nut 68
vollständig entfallen ist, und wobei auch die Nuten 68 um die Rohrausnehmungen herum
gemäß Fig. 10 entfallen können, obgleich sie gezeigt sind. Diese Abwandlungen können
beispielsweise bei kleineren Rekuperatoren vorzuziehen sein, wo es schwierig sein
kann, die ebenen Flächen für diese Nuten mit hinreichender Genauigkeit auszubilden,
um die Dichtungswirkung zu vergrößern. Die Abdichtung der Rohre wird durch eine
ebene zylindrische Dichtung 76 aus Mineralfasern erreicht, die als einstückiges
ringförmiges Teil ausgebildet oder in zwei Teile geteilt ist, wobei zwischen den
Rohrausnehmungen der Blöcke ein Streifen 40 aus Mineralfasern angeordnet ist, wie
dies bei dem Beispiel nach den Fig. 3 und 4 der Fall ist. Es wird eine Faser von
hoher Dichte verwendet, und das Material wird mit den Rohren
und
den Blöcken mit einem (nicht gezeigten) MineralfaserklebstoLf verklebt. Der Klebstoff
füllt alle kleinen Spalten längs der horizontalen Fuge zwischen den Blöcken aus.
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Ein Mineralfaserklebstoff kann auch bei den vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispielen verwendet werden, um eine Leckage zwischen den Blöcken und
den Rohren und den Dichtungen zu verhindern.
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Als weitere Abwandlung der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
ist in den Fig. 13 und 14 eine alternative Einrichtung zum Begrenzen der axialen
Verlagerung der Rohre bei hoher Temperatur anstelle der bereits erwähnten Ringschulter
gezeigt. Bei jeder dieser Alternativen wird ein profilierter Klemmring 80 oder 82
aus einer temperaturfesten Legierung verwendet, der einen hakenförmigen Bereich
84 hat, der mit dem Block verriegelt ist und die Bewegung des Rohres begrenzt. Der
in Fig. 13 gezeigte Klemmring 80 kann in Verbindung mit Blöcken aus Mineralfasern
verwendet werden, da er einen spitzen Haken 86 hat, der in den Block hineingedrückt
werden kann. Bei einem herkömmlichen Block aus einem harten hitzefesten Material
kann die Dichtungsausnehmung 30 oder ein besonders ausgebildetes Loch zur Aufnahme
eines Arretierungshakens 88 benutzt werden, um den Klemmring festzulegen.
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Aus der vorstehenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung
ist ersichtlich, daß sich jeder Block unterbrechungslos über die Breite der Wärmeaustauschkammer
erstreckt, weshalb es möglich ist, die Fugen sowohl zwischen den Blöcken selbst
als auch zwischen den Blöcken und den Rohren abzudichten, indem eine Druckkraft
lediglich in einer Richtung aufgebracht wird. Die Einheit kann dadurch bei der Montage
vorgespannt werden, um eine Einheit zu bilden, die zumindest den Störungen und Stoßbelastungen
beim
Versand zur Baustelle standhalten kann, so daß die Dichtung an den Stirnwänden intakt
bleibt. Die unterbrechungslose Ausbildung eines jeden Blocks ermöglicht auch geringe
Abstände der Rohre ohne Beeinträchtigung ihrer Endabdichtung, und die Erfindung
ist für Rohre mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser besonders gut geeignet.
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Wenn im Betrieb Bewegungen der Rohre infolge der Wärmeausdehnung
stattfinden, dann können Vorkehrungen getroffen werden (falls dies nicht unnötig
ist, beispielsweise bei kleinen Rohren), um eine sehr einfache und zuverlässige
Festlegung der Rohrenden zu bewirken, welche die Rohre in ihrer ordnungsgemäßen
Relativstellung zu den Dichtungen festhalten. Darüberhinaus ist gewährleistet, daß
derartige Bewegungen infolge von Wärmedehnungen die Dichtung zwischen den Blöcken
der Stirnwände nicht beeinträchtigen, im Gegensatz zu den bereits erörterten herkömmlichen
Anordnungen, bei denen eine Vielzahl kleiner Blöcke verwendet wird, die durch unterschiedliche
Bewegungen leicht gestört werden können, was zu einer vergrößerten Gasleckage und
sogar zu einer Beeinträchtigung des Verbundes der Wand führen kann.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Konstruktion von keramischen
Wärmetauschern mit einer vorgespannten Wand von geringem Gewicht aus den verschiedensten
keramischen Materialien, die es in Verbindung mit einem verhältnismässig kleinen
Abstand der Rohre ohne eine unmäßige Leckage ermöglicht, daß keramische Wärmetauscher
mit kleiner Kapazität in der Fabrik vorfabriziert werden können, bevor sie an der
Baustelle installiert werden. Tatsächlich ist es möglich, einen keramischen Rekuperator
zu bauen, der hinsichtlich seines Gewichts und Raumbedarfs mit einem herkömmlichen
metallischen Rekuperator von gleicher Kapazität vergleichbar ist.
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Bei kleineren Größen können solche keramischen Rekuperatoren den
Wirkungsgrad vergrößern, um Wärme von einem Bereich kleiner Öfen zurückzugewinnen,
die entweder sehr heisse oder chemisch aggressive Abgase produzieren. Die Erfindung
ist aber offensichtlich nicht auf diese Anwendungsfälle begrenzt.
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Wärmetauscher Bezugszeichenaufstellung: 2 keramischer Grundkörper
4 metallischer Klemmrahmen 6 Keramikrohre 8 Stirnwände 10 Keramikblöcke 12 Decke
14 Boden 16 Anschlußstutzen für Luft 18 keramische Dichtungen 20 Ein- und Austrittsflächen
22 halbkreisförmige Ausnehmungen in 10 24 Kanäle 28 äußerer Bereich des Aufnahmekanals
30 mittlerer Bereich bzw. Dichtungsgehäuse 32 Schulter von 28 34 Rohrdichtung 36
innerer Bereich 38 Einsatz 40 Fasermatte 42 Hälften von 34 44 Fuge von 42 46 Ringnuten
48 ebene Verlängerungen
52 Stehbolzen 54 Distanzstücke 58 Anschlußstutzen
für Gas 60 Seitenwände 62 Rohrausnehmungen von 64 64 Keramikblöcke 66 Dichtungsfläche
von 64 68 Nut 70 Dichtungsstreifen 72 Klemmleisten 76 Ringdichtung 8802 ) Klemmring
82 ) Klemmring 84 hakenförmiger Bereich 86 Haken 88 Arretierungshaken
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