DE3008079A1 - Waermetauscher - Google Patents

Waermetauscher

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DE3008079A1
DE3008079A1 DE19803008079 DE3008079A DE3008079A1 DE 3008079 A1 DE3008079 A1 DE 3008079A1 DE 19803008079 DE19803008079 DE 19803008079 DE 3008079 A DE3008079 A DE 3008079A DE 3008079 A1 DE3008079 A1 DE 3008079A1
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DE
Germany
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tubes
heat exchanger
blocks
ceramic
exchanger according
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Withdrawn
Application number
DE19803008079
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English (en)
Inventor
William Robert Laws
Geoffrey Ronald Surrey Reed
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Peabody Encomech Ltd Maidstone Kent Gb
Original Assignee
Encomech Engineering Services Ltd Hounslow
Encomech Engineering Services Ltd
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/04Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02Header boxes; End plates
    • F28F9/04Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates
    • F28F9/06Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by dismountable joints

Description

  • Wärmetauscher
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Da der RekuperatorGrundkörper 2 um seinen Umfang von dem Klemmrahmen 4 umspannt ist, ist eine unterschiedliche Axialbewegung zwischen den Wänden des Grundkörpers unerwünscht.
  • Zu diesem Zweck sind die Blöcke und der Boden und die Decke aus hitzefesten Materialien mit ähnlichem Wärmeausdehnungskoeffizient hergestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Leerseite

Claims (11)

  1. Patentansprüche : 1, Wärmetauscher mit einer Wärmeaustauschkammer, durch die-sich eine Vielzahl von Rohren 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 Blöcken für die Rohre bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher zum Betrieb mit sehr heißen und/oder korrosiven Medien ausgelegt ist, daß die Rohre (6) und die Blöcke (10) aus keramischem Material bestehen, daß sich jeder Block (10) über die entsprechende Abmessung der Stirnwand (8) erstreckt, daß in den übereinanderliegenden Seitenflächen der Blöcke Ausnehmungen (22; 62) angeordnet sind, um an den Trennfugen benachbarter Blöcke Kanäle (24) zu begrenzen, und daß die Enden der Rohre (6) in dienen Kanälen angeordnet und durch kompressible Ringdichtungen (34; 70, 76) in denselben abgedichtet sind, die den Umfang der Rohre zumindest in einem Teil ihres in dem Kanal angeordneten Längenbereichs umgeben.
  2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten Blöcken (10) keramische Dichtungsstreifen (70) angeordnet sind.
  3. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Dichtungsstreifen (70) den Umfang der Rohre (6) in den Kanälen (24) umgeben, um die kompressible Dichtung zu bilden.
  4. 4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kompressiblen Dichtungen als zylindrische Dichtkörper (34t 76) ausgebildet sind, die zwischen den Rohren (6) und den Blöcken (10) radial komprimiert werden.
  5. 5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen aus diametral geteilten Hälften (42) mit einer Fuge (44) an den Stoßflächen bestehen, wobei die Umfangslänge jeder Dichtungshälfte im unbelasteten Zustand geringfügig größer ist als die entsprechende Umfangslänge der Rohrenden, so daß die Stoßflächen beim Zusammenbau gegeneinander gedrückt werden.
  6. 6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingriffsberührung der Dichtungshälften (42) durch in Axialrichtung abgestufte Fugen (44) erfolgt.
  7. 7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Anschläge (32, 80) an den Enden der Rohre (6) angeordnet sind, um deren Verlagerung in Axialrichtung der Kanäle (24) zu begrenzen.
  8. 8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge aus in den Kanälen (24) ortsfest angeordneten Elementen (80) bestehen, die Eingriffsteile (84) für die Rohrenden aufweisen, um einen Anschlag zumßegrenzen der auswärts gerichteten Bewegung der Rohre (6) in den Kanälen (24) zu bilden.
  9. 9. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende jedes Rohres (6) Oberflächenunregelmäßigkeiten zur Erhöhung des Reibungseingriffs angeordnet sind, um eine Axialbewegung des Rohres in den Stirnwänden (8) zu verhindern.
  10. 10. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke (10) in einem starren Rahmen (4) angeordnet sind und daß dem Rahmen zugeordnete Klemmeinrichtungen (52, 54) die Blöcke (10) mit ihren übereinanderliegenden Seitenflächen gegeneinander drükken, um die Abdichtung zwischen diesen zu unterstützen.
  11. 11. Wärmetauscher, bei dem ein erster Pfad für ein Medium durch eine Vielzahl von Rohren gebildet ist, die sich zwischen den Stirnwänden einer Wärmeaustauschkammer erstrekken, 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, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal (24) mit einer kompressiblen Ringdichtung (34; 70, 76) versehen ist, die den Umfang des Rohres (6) zumindest in einem Teil seines in dem Kanal (24) angeordneten Längenbereichs umgibt, und mit einem Anschlag (32; 80) versehen ist, der die Bewegung des Rohres aus der Stirnwand (8) heraus begrenzt.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3310061A1 (de) * 1982-11-19 1984-05-24 MTU Motoren- und Turbinen-Union München GmbH, 8000 München Verfahren zur herstellung einer rohrverteileranordnung sowie ein nach diesem verfahren gefertigter waermetauscher-sammelbehaelter
FR2543752A1 (fr) * 1983-03-29 1984-10-05 Le Proizv Machine electrique refroidie par air souffle
BE1003851A3 (fr) * 1990-03-14 1992-06-30 Denis Nicole Plaque tubulaire pour echangeur de chaleur.
DE102009030824A1 (de) * 2009-06-26 2010-12-30 Behr Gmbh & Co. Kg Wärmeübertrager, insbesondere Kühlmittelkühler für Kraftfahrzeuge sowie Verfahren zur Herstellung des Wärmeübertragers

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