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Wärmetauscher, insbesondere für
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Sonnenkraftwerke Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere
für Sonnenkraftwerke, mit einer eine Wärmequelle umgebenden Wandung-und einem Leitungssystem
für ein wärmeabführandes WärmetrAgermedium.
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Derartige Wärmetauscher dienen der Ubertragung von Wärme aus Wärmestrahlung
oder aus einem Verbrennungsprozeß an ein flüssiges oder gasförmiges Wärmeträgermedium,
welches die aufgenommene Wärme zur weiteren Verwendung, beispielsweise zum Antrieb
einer Turbine, weitertransportiert. Zur Verbesserung des thermodynamischen Prozeßwirkungsgrades
werden möglichst hohe Temperaturen des Wärmeträgermediums am Ausgang des Wärmetauschers
in der Größenordnung zwischen 1200 und 1600 K angestrebt, jedoch ergeben sich dabei
erhebliche Materialprobleme.
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In Sonnenkraftwerken sind in der Regel Wärmetauscher vorgesehen, in
denen die Temperaturen des Wärmeträgermediums 1000 K nicht überschreiten. Bei einem
solchen
Wärmetauscher lassen sich metallische Werkstoffe für die
Konstruktion des Wärmetauschers einsetzen. Bei Steigerung der Temperatur des Wärmeträgermediums
sind jedoch diese metallischen Werkstoffe nicht mehr zur Konstruktion des Wärmetauschers
geeignet.
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Ein geeignetes Material für den Aufbau von Hochtemperaturwärmetauschern
wäre Keramik. Dies ist auch bereits in Einzelfällen vorgeschlagen worden, jedoch
ergibt sich hier die Schwierigkeit, daß keramische Werkstoffe in herkömmlichen Konstruktionen
stark auf Zug beansprucht werden, so daß eine sehr geringe Zuverlässigkeit der Keramikstruktur
zu erwarten ist. Keramische Werkstoffe sind bekanntlich auf Zug nur wenig belastbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der
eingangs beschriebenen Art derart zu verbesseren, daß er bei Verwendung von keramischen
Werkstoffen diese so einsetzt, daß diese nicht oder nur gering auf Zug beansprucht
werden, so daß zuverlässige Wärmetauscher für hohe Temperaturen (1200 bis 1600 K)
herstellbar sind.
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Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher der eingangs beschriebenen
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die die Wärmequelle umgebende Wandung im
wesentlichen Kreiszylinderform hat und zumindest auf der der Wärmequelle zugewandten
Seite aus einem keramischen Werkstoff besteht, der unter einer nach innen gerichteten
Druckbelastung steht, daß das Leitungssystem in der
Wandung angeordnet
ist und daß das Wärmeträgermedium in der Wandung von außen nach innen in mehreren,
nacheinander durchflossenen Lagen geführt ist.
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Dieser erfindungsgemäße Aufbau, bei dem keramischer Werkstoff an der
Innenseite des im Querschnitt ringförmigen Wärmetauschers vorgesehen ist, gewährleistet,
daß der keramische Werkstoff vorwiegend auf Druck belastet wird. Die schichtweise
Anordnung des Wärmeträgermedien-Leitungssystems sichert eine einwandfreie Abschirmung
des auf hoher Temperatur befindlichen Innenraums des Wärmetauschers gegenüber der
Außenwand, so daß an der Außenwand herkömmliche Mitt zur Aufnahme, von Zugbelastungen
angeordnet sein können, bipiei.sweise Bandagen aus Stahl oder aus faserverstärkten
Verbundwerkstoffen.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen,
daß zumindest der der Wärmequelle zugewandte Teil der Wandung aus keramischen Hohlblocksteinen
aufgebaut ist, deren Hohlräume mit den Hohlräumen benachbarter Hohlblocksteine unter
Ausbildung durchgehender Strömungskanäle ausgerichtet sind.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht insbesondere bei Wärmetauschern mit
großen Abmessungen einmal einen besonders einfachen Aufbau des der Wärmequelle zugewandten
Bereichs der Wandung, zum anderen erhält man auf einfachste Weise Strömungskanäle
für das Wärmeträgermedium, die im wesentlichen parallel zur Innenwand
des
Wärmetauschers verlaufen und somit die durch die Innenwand übertragene Wärme optimal
aufnehmen können.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Hohlblocksteine in radialer Richtung
mehrere voneinander getrennte Hohlräume aufweisen, so daß insgesamt mehrere Strömungskanäle
in unterschiedlichem Abstand von der Wärmequelle ausgebildet sind. Dadurch wird
die Stabilität des aus Hohlblocksteinen bestehenden Bereichs der Wandung erhöht.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein,
daß an dem der Wärmequelle zugewandten, massiven Wandteil der Wandung aus keramischem
Material als Versteifung radial nach außen abstehende Rippen angeformt sind. Zur
Vergrößerung der Wärmetauscherfläche und zur Vergleichmäßigung der Wandungstemperaturen
umgeben diese den massiven Wandteil vorzugsweise schraubenförmig.
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Die Zwischenräume zwischen diesen Rippen bilden vorzugsweise die Strömungskanäle
für das Wärmeträgermittel auf dem höchsten Temperaturniveau.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, daß sich radial außerhalb des Bereichs
der Hohlblocksteine bzw. der Rippen Hohlräume in der Wandung befinden, die durch
Trennwände derart in Strömungskanäle für das Wärmeträgermedium
unterteilt
sind, daß dieses nacheinander Bereiche der Wandung durchströmt, die zunehmend näher
an der Wärmequelle liegen. Diese Ausgestaltung führt zu einem Temperaturgefälle
von der Innenseite zur Außenseite des Wärmetauschers. Durch den speziellen Aufbau
beaufschlagt das Wärmeträgermedium die Trennwände auf beiden Seiten. Dadurch haben
diese nur selbsttragende Funktion und können daher als extremer Leichtbau ausgeführt
werden.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein,
daß die Wandung an den Stirnseiten mittels eines Deckels verschlossen ist und daß
die gegenüberliegenden Deckel im Bereich der Wandungsinnenseite stark und in den
weiter außen liegenden Bereichen weniger stark gegeneinander verspannt sind.
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Auf diese Weise bildet die Anlage des Deckels an der Innenseite der
Wandung praktisch ein festes Lager, während an der Außenseite eine Relativbewegung
zwischen Deckel und Wandung möglich ist, so daß unterschiedliche Temperaturausdehnungen
ohne Aufbau von Spannungen realisiert werden können. Insbesondere bei der Ausführung
der Abdichtung ist dabei von Vorteil, daß im Bereich der hohen Temperaturen an der
Innenseite keine Gleitdichtung vorgesehen werden muß, sondern eine feste, unverschiebliche
Dichtung erfolgen kann.
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Insbesondere bei Wärmetauschern mit kleinen Durchmessern kann vorgesehen
sein, daß ein kuppelförmiger Deckel als Sammler für das nach dem Durchströmen der
Wandung aufgeheizte Wärmeträgermedium ausgebildet ist und dazu einerseits mit den
einzelnen Strömungskanälen und andererseits mit einer Abzugleitung für das Wärmeträgermedium
verbunden ist.
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Die vorstehend beschriebenen Lösungen eignen sich bevorzugt für ein
gasförmiges Wärmeträgermedium. Für gasförmige und flüssige Wärmeträgermedien ist
es vorteilhaft, wenn das Leitungssystem für das Wärmeträgermedium durch ein Rohrsystem
gebildet ist, welches mehrere Lagen bildet, die vom Wärmeträgermedium sukzessive
von außen nach innen durchströmt werden, und wenn das Rohrsystem sich in einem Hohlraum
der Wandung befindet, der mit einem Druckmittel gefüllt ist, dessen Druck ungefähr
so groß ist wie der Druck des Wärmeträgermediums im Innern des Rohrsystems. Auf
diese Weise werden in den Wänden des Rohrsystems keine großen Spannungen auftreten,
da die Drücke im Inneren und im Äußeren der Rohre sich ausgleichen. Dies ermöglicht
z.B. die Verwendung von keramischem Werkstoff für dieses Rohrsystem.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wandung in ihrem der Wärmequelle
abgewandten Bereich so ausgebildet ist, daß sie Zugkräfte aufnehmen kann.
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Dies läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß die Wandung in
diesem Bereich mit einer Stahlarmierung
versehen ist oder eine
Schicht aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff umfaßt, wobei vorzugsweise letztere
gegenüber der übrigen Wandung thermisch isoliert sein kann.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion ist darin
zu sehen, daß die der Wärmequelle zugewandte Innenwand des Wärmetauschers eine geeignete
Strukturierung zur Optimierung des Wärmeüberganges aufweisen kann, beispielsweise
Vorsprünge, Noppen oder dergleichen. Da die innere Schicht aus keramischem Werkstoff
nicht auf Zug, sondern auf Druck belastet wird, können solche Kerben etc. nicht
zu einer Beschädigung der Innenwand führen. Es läßt sich also die Innenwand für
die Wärmeübertragung optimal ausgestalten.
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Wärmetauscher der beschriebenen Art finden bevorzugt Verwendung bei
Sonnenkraftwerken, bei denen die Sonnenstrahlung in das Innere der Wärmetauscher
fokussiert wird. Es ist jedoch ohne weiteres auch möglich, Wärmetauscher dieser
Art im Zusammenhang mit anderen Wärmequellen einzusetzen, beispielsweise mit Verbrennungswärmequellen
oder dergleichen. Das erfindungsgemäße Prinzip läßt sich auch bei Brennkammerkonstruktionen
anwenden, wobei in diesem Fall das Wärmeträgermedium die spätere Verbrennungsluft
ist, die vorgewärmt wird.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit der
Zeichnung der näheren Erläuterung.
Es zeigen: Figur 1 eine stark vereinfachte perspektivische Ansicht- eines aufgebrochenen
Wärmetauschers gemäß der Erfindung; Figur 2 eine Ansicht ähnlich Figur 1 des oberen
Teils einer abgewandelten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
Figur 3 einen Hohlblockstein aus keramischem Werkstoff, wie er zum Aufbau der Wandung
eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers Verwendung finden kann; Figur 4 eine radiale
Teilschnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
Figur 5 eine schaubildliche Ansicht eines Umlenkelementes zur Verwendung in dem
Wärmetauscher der Figur 4; Figur 6 eine Ansicht ähnlich Figur 4 eines weiteren bevorzugten
Ausführungsbeispiels eines Wärmetauschers; Figur 7 eine Teilschnittansicht eines
in einer Axialebene geschnittenen Wärmetauschers gemäß Figur 6 und
Figur
8 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers mit schraubenförmig angeordneten
Rippen.
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Der grundsätzliche Aufbau eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergibt
sich aus der vereinfachten Darstellung der Figur 1. Der im Querschnitt kreisringförmige
Wärmetauscher umgibt einen zylindrischen Innenraum 1, in dem die zu übertragende
Wärme bereitgestellt wird, beispielsweise durch Fokussierung von Sonnenstrahlung
oder durch Einleiten heißer Brenngase etc. Der Wärmetauscher umgibt den Innenraum
1 mit einer kreiszylindrischen Wandung 2, die zumindest in dem dem Innenraum 1 zugewandten
Bereich aus einem keramischen Werkstoff besteht. Die dem Innenraum 1 zugewandte
Innenwand 3 steht dabei unter einem radial nach innen gerichteten Druck.
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Im Inneren der Wandung 2 befinden sich eine Vielzahl von Strömungskanälen
4, die in parallel zur Innenwand angeordneten Schichten derart geführt sind, daß
ein durch einen Einlaß 5 eingeleitetes Wärmeträgermedium diese Schichten nacheinander
von außen nach innen durchläuft, bis es durch einen Auslaß 6 die am nächsten an
der Innenwand 3 gelegene Schicht wieder verläßt. In dem in Figur 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist der Einlaß 5 als Ringspalt in dem die Wandung 2 auf der
Oberseite stirnseitig verschlleSenden Deckel 7 und der Auslaß 6 ebenfalls als Ringspalt
in diesem Deckel 7 ausgebildet. Der den Einlaß 5
bildende Ring
spalt steht auf seiner gesamten Länge mit einem Zufuhrrohr 8 für das Wärmeträgermedium
in Verbindung, der den Auslaß 6 bildende Ringspalt in gleicher Weise mit einem-Sammelrohr
9. Auf diese Weise tritt das zugeführte Wärmeträgermedium durch das Zufuhrrohr 8
über den gesamten Umfang verteilt in die Strömungskanäle 4 ein und gelangt nach
Durchströmen der Strömungskanäle in der Wandung 2 ebenfalls längs des gesamten Umfanges
der Wandung 2 in das ringförmige Sammelrohr 9, von dem es zur weiteren Verwendung
abgeleitet wird. Der Ringspalt kann durch Stege in Einzelabschnitte unterteilt sein.
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Statt das Wärmeträgermedium nach dem Durchströmen der Wandung in einem
Sammelrohr 9 zu sammeln, ist es auch möglich, den Innenraum 1 an der Oberseite mit
einem kuppelförmigen, doppelwandig ausgebildeten Verschlußteil 10 zu versehen, wie
dies in Figur 2 dargestellt ist. Bei diesem Ausführunqsbeispiel steht der Zwischenraum
11 zwischen der Außenwand 12 und der Innenwand 13 des Verschlußteils 10 einerseits
mit dem als Ringspalt ausgebildeten Auslaß 6 im Deckel 7 und andererseits mit einer
Abfluß leitung 14 am Scheitel des kuppelförmigen Verschlußteils 10 in Verbindung,
so daß das aus der Wandung austretende Wärmeträgermedium aus allen Umfangsbereichen
des Wärmetauschers der Abflußleitung 14 zugeführt wird.
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Die Form der Innenwand 13 wird auf Außendruckbelastung
so
optimiert, daß minimale Zugspannungen auftreten.
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Die Außenwand 12 wird zu einer formschlüssig anliegenden Stützstruktur
vorteilhafterweise thermisch isoliert. Abstrahlverluste können durch Vorwärmen des
Wärmeträgermediums und durch Wärmekontakt mit diesem herabgesetzt werden. Dies ist
in Figur 2 nicht eigens dargestellt.
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Anhand der Figuren 3 bis 5 wird im folgenden eine detailliertere Beschreibung
des Aufbaus der Wandung 2 eines bevorzugten Ausführungsbeispiels gegeben Aus der
Darstellung der Figur 4 wird deutlich, daß der Abschluß der Wandung 2 an der unteren
Stirnseite mittels eines Deckels 15 erfolgt, der auf einer ringförmigen Stützkonstruktion
16 aufruht. Die Stützkonstruktion 16 ist dabei so breit ausgebildet, daß sie über
die gesamte Breite der Wandung 2 reicht und an der äußeren Seite der Wandung über
diese vorsteht.
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Zur Erzielung einer ausreichenden Steifigkeit ist die Stützkonstruktion
16 als verstärkte Rahmenkonstruktion ausgebildet, deren obere, im wesentlichen plane
Fläche den Deckel 15 trägt.
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Auf dem Deckel 15 befinden sich in radialer Richtung nebeneinander
zwei Reihen aus Umlenkelementen 17, 17a, von denen eines in Figur 5 in perspektivischer
Ansicht dargestellt ist. Zumindest die radial innen liegenden
Umlenkelemente
17 bestehen aus einem keramischen Werkstoff, grundsätzlich können auch die außen
liegenden Umlenkelemente aus einem keramischen Werkstoff hergestellt sein.
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Bis auf geringfügige Unterschiede sind die Umlenkelemente beider-Reihen
gleich ausgebildet. Sie weisen beide senkrechte Seitenwände 18 und 19 auf, die parallel
zueinander verlaufen und entweder als ebene Flächen ausgebildet sind oder derart,
daß sie konzentrisch zum Mittelpunkt des zylindrischen Wärmetauschers verlaufenden
Kreisbogenabschnitte angepaßt sind.
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Zwischen den beiden Seitenwänden befinden sich zwei Umlenkflächen
20 bzw. 21 in Form von Zylinderflächen, deren gemeinsame Achse an der Oberkante
der Umlenkelemente zwischen den beiden Seitenwänden angeordnet ist. Der Radius der
äußeren Umlenkfläche ist etwa doppelt so groß wie der Radius der inneren Umlenkfläche.
Die beiden Umlenkflächen 20 und 21 sind an quer zu den Seitenwänden 18 und 19 angeordneten
Querwänden 22 und 23 und einer dazwischen liegenden Querwand 24 gehalten.
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An der Unterseite sind an der äußeren Umlenkfläche 21 nach unten abstehende
Stützelemente 25 angeformt, die ebenso wie die Unterkanten der Seitenwände 18 und
19 auf dem unteren Deckel 15 ruhen (Figuren 4 und 5).
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Die innere Seitenwand 18 des inneren Umlenkelementes 17 ist nach unten
über den Deckel 15 und die darunterliegende Stützkonstruktion 16 vorgezogen, so
daß sie diese Teile gegenüber dem Innenraum 1 abdeckt. Die Seitenwand 18 weist in
diesem Falle einen nach innen ragenden Vorsprung 26 auf (Figur 4), mit welchem sich
die Seitenwand 18 auf dem unteren Deckel 15 abstützt.
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Auf die Oberkanten der Umlenkelemente 17 sind auf der dem Innenraum
1 zugewandten Seite Hohlblocksteine 27 aus Keramik aufgesetzt, wie sie in Figur
3 dargestellt sind. Diese Hohlblocksteine sind im wesentlichen quaderförmig aufgebaut
und weisen zwischen ihren Seitenwänden 28, 29 paarweise nebeneinander liegende,
in senkrechter Richtung durchgehende öffnungen 30 auf, die durch senkrecht zueinander
verlaufende Stege 31 und 32 voneinander getrennt sind. Die Seitenwände 28 und 29
können ebenso wie die Seitenwände 18 und 19 der Umlenkelemente entweder eben sein
oder kreisbogenförmig, wobei der Verlauf konzentrisch zur Achse des zylindrischen
Wärmetauschers ist.
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Die Hohlblocksteine 27 werden in der aus Figur 4 ersichtlichen Weise
derart übereinander auf die Umlenkelemente 17 aufgesetzt, daß ihre Seitenwand 28
mit der Seitenwand 18 des inneren Umlenkelementes 17 fluchtet, während die gegenüberliegende
Seitenwand 29 im wesentlichen genau über der Mitte des Umlenkelementes 17 verläuft,
d.h. die Tiefe der Hohlblocksteine ist halb so groß wie die Tiefe der Umlenkelemente.
Auf diese
Weise i:luchtet die dem Innenraum zugewandte Kante der
inneren Umlenkfläche 20 mit dem Steg 32 des darüber angeordneten Hohlblocksteines,
so daß die Umlenkelemente zusammen mit den Hohlblocksteinen zwei parallele Kanäle
33 und 34 ausbilden, die ihre Richtung innerhalb der Umlenkelemente um 1800 umkehren
(Figur 4).
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Beide Kanäle werden aus einem gemeinsamen Kanal 36 gespeist.
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Nachdem sowohl die Hohlblocksteine als auch die darunter angeordneten
Umlenkelemente aus Keramik bestehen, bilden deren Seitenwände 18 bzw. 28 gemeinsam
die Innenwand @ der Wandung 2 aus, welche den innen liegenden Kanal 33 gegenüber
dem Innenraum 1 abtrennt.
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Die Hohlblocksteine werden dabei vorzugsweise so übereinander geschichtet,
daß sie in Umfangsrichtung um eine halbe Hohlblocksteinbreite gegeneinander versetzt
sind, so daß das rechte Offnungspaar eines Hohlblocksteines mit-dem linken öffnungspaar
des darüberliegenden Hohlblocksteines ausgerichtet ist.
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Zur dichten Verbindung werden die Steine entweder durch geeignete
Ausbildung der aneinander liegenden Stirnflächen formschlüssig oder unter Verwendung
eines feuerfesten Kittes dicht miteinander verbunden.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht es jederzeit, einzelne Hohlblocksteine
auszutauschen, ohne daß die gesamte
Wandstruktur dabei zerstört
wird.
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Oberhalb der gegenüberliegenden Seitenwand 19 des Umlenkelementes
befindet sich eine Trennwand 35, die parallel zur Innenwand 3 verläuft und vorzugsweise
selbsttragend ausgebildet ist. Diese formt zusammen mit der gegenüberliegenden Trennwand,
die durch die Seitenwände 29 der Hohlblocksteine gebildet wird, einen weiteren Kanal
36, der im wesentlichen doppelt so breit ist wie die Kanäle 33 und 34 in den Hohlblocksteinen.
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In ähnlicher Weise befindet sich über dem weiter außen liegenden Umlenkelement
in dessen Mitte eine selbsttragende Trennwand 37 und an der äußeren Seite eine Außenwand
38, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise gleichzeitig als thermisch
isolierende Schicht ausgebildet ist, d.h. aus einem thermisch isolierenden Material
besteht. Diese Wände bilden zwischen sich Kanäle 39 bzw. 40, wobei der Kanal 40
über das darunterliegende Umlenkelement mit dem Kanal 39 in Verbindung steht.
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Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß die Trennwand 35 an ihrem oberen
Ende im Abstand vom Deckel 7 endet, so daß hier eine Verbindung zwischen dem Kanal
39 und dem benachbarten Kanal 36 entsteht.
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Während die Hohlblocksteine und das innere Umlenkelement in jedem
Fall aus Keramik bestehen müssen, ist dies bei den Wänden 35 und 37 und bei dem
hinteren Umlenkelement nicht unbedingt notwendig, wenn die Temperatur in diesem
Bereich so niedrig ist, daß
auch andere Werkstoffe, beispielsweise
Metalle, Verwendung finden können. Selbstverständlich ist aber auch hier möglich,
Keramik als Werkstoff einzusetzen.
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Auf der Außenseite ist die Außenwand 38 von einer Schicht 41 umgeben,
die geeignet ist, Zugkräfte aufzunehmen.
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Diese Schicht 41 kann beispielsweise aus Stahl oder aus einem faserverstärkten
Verbundwerkstoff bestehen.
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Letzterer kann beispielsweise bei der Montage dadurch aufgebracht
werden, daß Fasern in Umfangsrichtung auf die AuBenwand 38 aufgewickelt und mittels
eines geeigneten Matrix-Materials zu einem Verbundwerkstoff vereinigt werden.
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Um die gesamte Konstruktion zu stabilisieren, werden die beiden Deckel
7 und 15 in axialer Richtung gegeneinander verspannt. Dazu sind an der Außenseite
Zuganker 42 vorgesehen, die den über die Außenwand hervorstehenden Teil der Stützkonstruktion
16 durchgreifen. In gleicher Weise durchgreifen diese Zuganker radial nach außen
vorspringende Teile der oberen Deckel 7, was in der Zeichnung nicht eigens dargestellt
ist.
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Die Stützkonstruktion einschließlich der Zuganker kann gegen Wärmeeinstrahlung
von außen, wie sie beispielsweise bei einer Defokussierung der Solarkollektoren
auftreten
kann, durch eine thermische Isolierung geschützt sein, welche den gesamten Wärmetauscher
in der Art einer Vorhängefassade umgeben kann.
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Die Stützkonstruktion 16 ist vorzugsweise so geformt, daß sie im unverspannten
Zustand nur im Bereich des Vorsprungs 26 anliegt, im übrigen Bereich jedoch einen
Abstand vom unteren Deckel 15 einnimmt. Erst durch das Spannen des Zugankers 42
wird die Stützkonstruktion an der Außenseite gegen die Unterkante der Wandung gespannt,
so daß insgesamt die SpannuIlg zwischen oberem und unterem Deckel im Bereich der
Innenwand 3 wesentlich größer ist als im Bereich der Außenwand 38. Dies führt dazu,
daß im Bereich der Innenwand eine feste Lagerung der Stützkonstruktion gegeben ist,
während an der Außenwand ein Ausgleich unterschiedlicher Wärmeausdehnungen möglich
ist.
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In der erfindungsgemäßen Konstruktion tritt ein Wärmeträgermedium,
beispielsweise Luft oder ein anderes Gas durch den Einlaß 5 in den äußeren Kanal
40 ein und gelangt von diesem über das äußere Umlenkelement 17a in den Kanal 39,
von diesem in den benachbarten Kanal 36 und von diesem über das innere Umlenkelement
in die beiden Kanäle 33 und 34, wobei der Strom des Wärmeträgermediums durch die
innere Umlenkfläche 20 in zwei Teilströme unterteilt wird. Nach dem Passieren
der
Kanäle 33 und 34 tritt das Wärmeträgermedium schließlich durch den Auslaß 6 entweder
in das Sammelrohr 9 oder in den Verschlußteil 10 aus.
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Dabei ist wesentlich, daß durch die Anordnung der Kanäle im Inneren
der Wandung 2 in radialer Richtung mehrere Schichten gebildet werden, die von dem
Wärmeträgermedium nacheinander von außen nach innen durchflossen werden. Dies führt
zu einem Temperaturgefälle von der Innenseite zur Außenseite, so daß die relativ
wärmeempfindlichen Materialien an der Außenseite des Wärmetauschers gut geschützt
sind. Im Hochtemperaturbereich an der Innenseite besteht der Wärmetauscher aus keramischem
Material, das diesen hohen Temperaturen standhalten kann.
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Selbstverständlich ist die Zahl der Umlenkelemente nicht auf zwei
beschränkt, es können mehrere Umlenkelemente in radialer Richtung hintereinander
angeordnet sein, so daß sich eine größere Anzahl von in radialer Richtung aufeinanderf9lgenden
Kanälen ergibt. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist der Innenraum an seiner Oberseite
abgeschlossen, beispielsweise mittels einer gewölbten, isolierenden und gut reflektierenden
Keramikplatte. Diese verhindert konvektive Verluste und reflektiert auftreffende
Strahlung an die wärmetauschende Innenwand.
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Während ein beispielhafter Aufbau der unteren Umlenkelemente anhand
der Figuren 4 und 5 ausführlich beschrieben worden ist, versteht es sich, daß auch
die oberen Umlenkelemente ähnlich aufgebaut werden können.
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Selbstverständlich ist dabei dafür Sorge zu tragen, daß die ringspaltförmigen
Ein- und Auslässe in der Deckelkonstruktion vorgesehen werden.
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In den Figuren 6 und 7 ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers dargestellt. Wesentliche Teile entsprechen
denen der bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele; entsprechende Teile tragen
daher gleiche Bezugszeichen.
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Die Wandung 2 wird auf der Innenseite durch eine durchgehende Innenwand
3 aus Keramik begrenzt, die mit einem Vorsprung 43 auf dem unteren Deckel 15 aufruht,
ebenso wie im vorhergehend beschriebenen Beispiel die Seitenwand 18 mittels des
Vorsprungs 26 auf dem unteren Deckel 15. Der untere Deckel 15 ruht ebenfalls auf
einer Stützkonstruktion 16 auf, die in gleicher Weise wie bei dem oben beschriebenen
Ausführungsbeispiel über einen Zuganker 42 mit dem in der Zeichnung nicht dargestellten
oberen Deckel verspannt ist. Auf der Außenseite wird die Wandung 2 in gleicher Weise
durch eine Außenwand 38 und eine thermisch isolierende Schicht 41 begrenzt.
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Die Innenwand 3 auf der einen Seite und die Außenwand 38 mit der isolierenden
Schicht 41 auf der
anderen Seite begrenzen- einen an den Stirnseiten
durch die Deckel 7 und 15 begrenzten Hohlraum 44, der bei diesem Ausführungsbeispiel
vorzugsweise gasdicht abgeschlossen ist.
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Im Inneren dieses Hohlraumes befinden sich auf dem Deckel 15 Stützelemente
mit im Querschnitt halbkreisförmigen Füßen 45, die an ihrer Oberseite senkrecht
nach oben abstehende Stützstege 46 tragen. Diese Teile bestehen zumindest auf der
inneren Seite der Wandung vorzugsweise aus Keramik, können aber entsprechend den
jeweiligen Temperaturen auch aus anderen Werkstoffen aufgebaut sein.
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Diese Füße 45 tragen mittels ihrer Stützstege 46 ein Rohrsystem 47
im Inneren des Hohlraumes 44, welches derart ausgebildet ist, daß die Rohre über
einen großen Teil der Länge in einer Radialebene verlaufen und von einer Radialebene
in die andere übertreten.
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Mit anderen Worten bildet das Rohrsystem Abschnitte 48, 49, 50 und
51, die im wesentlichen in verschiedenenRadialebenen verlaufen und über Krümmer
miteinander verbunden sind, von denen in Figur 6 nur die unteren dargestellt sind.
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In aus der Zeichnung nicht ersichtlicher Weise stehen die äußeren
Abschnitte 48 mit dem Einlaß 5 und die inneren Abschnitte 51 mit dem Auslaß 6 in
Verbindung,
so daß das Wärmeträgermedium das Rohrsystem von außen
nach innen durchfließt.
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Vorzugsweise ist das Rohrsystem aus Keramik aufgebaut.
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Damit die Keramikrohre keine großen Zug spannungen aufnehmen müssen,
ist der Hohlraum 44 mit einem Druckmedium gefüllt, beispielsweise mit Luft oder
einem Inertgas dessen Druck ungefähr so groß ist wie der Druck des Wärmeträgermediums
im Inneren des Rohrsystems. Dies gewährleistet, daß die Rohre des Rohrsystems vorzugsweise
auf Druck beansprucht werden, eine dem keramischen Material adäquate mechanische
Belastung.
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Auch in dieser Konstruktion ist durch die lagenweise Anordnung der
Rohre dafür Sorge getragen, daß die Temperatur von der Innenseite zur Außenseite
hin steti abfällt, so daß an der Außenseite temperaturempfindlichere Werkstoffe
eingesetzt werden können, insbesondere zur Aufnahme der Zugspannungen. Auch hier
wird dies insbesondere durch die Schicht 41 erreicht, welche aus Stahl oder einem
Faserverbundwerkstoff besteht, wie dies oben beschrieben wurde.
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Bei einem weiteren in Figur 8 dargestellten Ausführungsbeispiel kann
vorgesehen sein, daß eine keramische Innenwand 3, die ähnlich aufgebaut ist wie
die Innenwand 3 der Figur 6, auf ihrer Innenseite radial nach außen abstehende Rippen
53 trägt, die entweder senkrecht oder vorzugsweise schraubenlinienförmig verlaufen.
Die Zwischenräume 54 zwischen diesen Rippen 53 bilden dann
ebenfalls
Strömungskanäle für das Wärmeträgermedium aus, wobei an den freien Enden 55 der
Rippen Trennwände 56 anliegen, die ähnlich ausgebildet sind wie die Trennwände 35
oder 37 im Ausführungsbeispiel der Figur 4. Die Innenwand mit den angeformten Rippen
und die anschließende Trennwand wirken dabei ähnlich wie die aufeinander gestapelten
Hohlblocksteine im Ausführungsbeispiel der Figur 4. In radialer Richtung weiter
außen kann der Aufbau dann so gewählt werden wie im Ausführungsbeispiel der Figur
4.
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Als keramischer Werkstoff kann vorteilhaft SiC, S13N4 oder Si/SiC
(infiltriert) Verwendunq finden, jedoch sind selbstverständlich auch andere hochtemperaturbeständige
keramische Werkstoffe möglich.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 6 und 7 können insbesondere
im radial außen liegenden Bereich die Rohre des Rohrsystems auch aus Metall oder
einem anderen Werkstoff bestehen, sofern die Temperaturen in diesem Bereich dies
zulassen. Im radial inneren Bereich bestehen die Rohre dagegen vorzugsweise aus
Keramik.