DE3723603A1 - Waermetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Maschinen oder Anlagen, bei denen Wärme von einer Verbrennung durch eine feste Wand übertragen werden soll. Der Wärmetauscher findet eine bevorzugte, aber keineswegs ausschließliche Ver­ wendung für Wärmemaschinen mit äußerer Verbrennung, insbe­ sondere nach dem Stirling-Prozeß arbeitende, einfach- oder doppeltwirkende Wärme-Kraft-Maschinen, Wärmepumpen, ein- oder mehrstufig arbeitende Kältemaschinen, nach dem Vuille­ umier-Prozeß arbeitende Wärmepumpen oder Kältemaschinen, eine Mischformen zwischen Stirling- und Vuilleumier-Prozeß erlaubende Maschinen zur wahlweisen, frei einstellbar kombi­ nierbaren Bereitstellung von mechanischer und Heiz- oder Kühlleistung.

Derartige Wärmemaschinen können der nachveröffentlichten Patentanmeldung P 36 02 634.4 (Anwaltsakte PG1139) entnommen werden. Sie lassen sich mit allen Formen thermischer Energie betreiben, doch steht aus praktischen Erwägungen die Flamm­ verbrennung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstof­ fen im Vordergrund des Interesses. Die bei dieser äußeren Verbrennung freigesetzte thermische Energie muß über einen Wärmetauscher dem thermodynamischen Arbeitsmedium mitgeteilt werden. Hierzu sind nach dem Stand der Technik verschiedene Bauformen von Erhitzern bzw. Erhitzerköpfen im Heißteil re­ generativer Wärmemaschinen bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen thermisch hoch belast­ baren, zunderfreien und korrosionsbeständigen Wärmetauscher der genannten Art anzugeben, der sich durch einen höheren Wärmeübergangskoeffizienten auszeichnet und damit einen bes­ seren Brennerwirkungsgrad und eine Erhöhung des Gesamtwir­ kungsgrads der regenerativen Wärmemaschine ermöglicht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Wand des Wärme­ tauschers auf der der Verbrennungszone zugewandten Seite mit einer Katalysatorschicht belegt ist, an der gleichzeitig mit einer Flammverbrennung in der Verbrennungszone eine kata­ lytische chemische Umsetzung von Brennstoff erfolgt.

Durch die unmittelbar an der Wand des Wärmetauschers statt­ findende katalytische Verbrennung wird dessen Wandtemperatur stark erhöht. Wie in neueren Untersuchungen der Flammenver­ brennung festgestellt, geht damit ein Anstieg des Wärmeüber­ gangskoeffizienten einher. Mit dem erfindungsgemäßen Wärme­ tauscher kann dieses als "convection vive" bekannte Phänomen ausgenutzt werden, um die bei der gleichzeitigen Flammver­ brennung freigesetzte thermische Energie effektiver auf das thermodynamische Arbeitsmedium zu übertragen.

Es wird auf folgende Veröffentlichungen verwiesen:

Nguyen N. N.: "Über den Einfluß der Wandtemperatur auf die Reaktionsbedingungen in der Grenzschicht und insbesondere auf den konvektiven Wärmeübergang einer Propan-Luftflamme" VDI-Fortschrittsberichte Reihe 3 Nr. 89, 1984.

Woschni G., Kolesa K. und Spindler W.: "Isolierung der Brenn­ raumwände - ein lohnendes Entwicklungsziel bei Verbrennungs­ motoren"" MTZ Motortechnische Zeitschrift 47 Nr. 12, Seite 495 ff, 1986.

Auf der der Verbrennungszone abgewandten Seite wird die Wand des Wärmetauschers unmittelbar von dem thermodynamischen Arbeitsmedium der regenerativen Wärmemaschine bestrichen. Es erfolgt so ein effektiver Wärmeübergang durch reine Fest­ körper-Wärmeleitung.

Die mit dem Katalysator beschichtete Wand des Wärmetauschers kann aus hochtemperaturbeständigem Metall, insbesondere Stahl, bestehen. Bevorzugt kommen aber keramische Materialien für die Wand des Wärmetauschers zum Einsatz. Die Wand kann wenig­ stens zum Teil aus nichtoxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder reaktionsgesintertem, mit Silizium infiltiertem Siliziumcarbid (Silizium-Silizium­ carbid; SiSiC), oder aus oxidischer Keramik, insbesondere Steatit, bestehen. Diese keramischen Materialien halten bei guter Bearbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit extremen Temperaturen und Drucken stand. Auf die gute thermische Leit­ fähigkeit von SiSiC sei besonders hingewiesen. Daneben sind die keramischen Materialien als Katalysatorträger hervorragend geeignet.

Der keramische Werkstoff der Wärmetauscherwand kann gegen den Druck des thermodynamischen Arbeitsmediums vorgespannt sein, insbesondere mittels einer Faserbewehrung. Die Festig­ keitseigenschaften des keramischen Werkstoffs werden so noch gesteigert und optimal ausgenutzt.

Die aktive Komponente des Katalysators kann Eisen(III)oxid, Vanadium oder Vanadiumoxid, Platin oder Platinoxid, oder Silber-Kupfer sein. Entsprechende Katalysatoren gewährleisten eine effektive katalytische Verbrennung.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung.

Gegenstand der Erfindung sind Wärmetauscher, insbesondere diejenigen, die bei Wärmemaschinen mit äußerer Verbrennung, wie z. B. Stirling-Motoren, Vuilleumier-Wärmepumpen o. ä., dazu bestimmt sind, die Energie dieser Verbrennung einem themodynamischen Arbeitsmedium mitzuteilen. Da im Interesse der Verringerung von Verlusten infolge der Strömungswider­ stände einatomige Gase wie Helium oder Wasserstoff, deren thermodynamische Eigenschaften auch einer guten Wärmeüber­ tragung zuträglich sind, Verwendung finden, ist das Problem der Wärmeübertragung aus der Verbrennungszone bzw. von den Verbrennungsprodukten auf die wärmeübertragenden Teile für die Gestaltung und Auslegung der Wärmetauscher von ausschlag­ gebender Bedeutung. Es ist nun bekannt geworden, daß der Wärmeübergang bei Flammen mit steigender Oberflächentemperatur des Wärmetauschpartners stark ansteigt. Die Erfindung gibt eine Bauweise für Wärmetauscher an, die es erlaubt, dieses Phänomen (convection vive) zu nutzen.

Dazu wird vorgeschlagen, Wärmetauscher, insbesondere solche von Wärmemaschinen mit äußerer Verbrennung wie Stirling-Moto­ ren oder Vuilleumier-Wärmepumpen, auf der der Verbrennung zugewandten Seite mit einem geeigneten Katalysator, z. B. aus Eisen(III)oxid, Vanadium oder Vanadiumoxid, Platin oder Platinoxid oder Silber-Kupfer zu beschichten und so durch die unmittelbar an der Oberfläche stattfindende Umsetzung die Wandtemperatur soweit zu erhöhen, daß der Wärmeübergangs­ koeffizient stark ansteigt und dadurch eine gleichzeitig ablaufende Flammenverbrennung besser genutzt wird. Diese Bauweise bietet sich insbesondere in Verbindung mit keramischen Werkstoffen an, die sowohl als Katalysatorträger geeignet sind, wie auch Temperaturstandfestigkeit und gute Dichtigkeit aufweisen. Hierdurch eröffnet sich erfindungsgemäß auch die Möglichkeit, durch entsprechende Auswahl und Ab­ stimmung der Katalysatoren und Brennstoffe unterschiedliche Brennstoffe parallel zu nutzen und/oder im Hinblick auf die Leistungsregelung von Wärmemaschinen die Brennerleistung dem Wärmebedarf der Maschine schneller und genauer anzupassen.

Die katalytische Verbrennung kann auch zur Zündung der Flamme genutzt werden.

Bei Anwendung der vorgeschlagenen Bauweise auf die Erhitzer oder Erhitzerköpfe von regenerativen Wärmemaschinen wie z. B. Stirling-Motoren oder Vuilleumier-Wärmepumpen ergeben sich erfindungsgemäß sowohl Vorteile hinsichtlich des Wirkungs­ grades, dadurch, daß der verbesserte Brennerwirkungsgrad direkt in den Gesamtwirkungsgrad eingeht, als auch hinsicht­ lich der spezifischen Leistung, dadurch, daß das (tote) Vo­ lumen des Wärmetauschers auf der Seite des Arbeitsmediums infolge des verbesserten Wärmeübergangs verringert werden kann.

Als Brennstoff kommt ein brennbares Gas, das auch Produkt von Kohle- oder Holzvergasungsprozessen sein kann, oder ein geeigneter flüssiger Brennstoff in Betracht. Die Verbrennung erfolgt kombiniert in Form von Flammen (homogen) und gleich­ zeitig katalytisch an der Wand des Wärmetauschers. Es können auch verschiedene Brennstoffe eingesetzt werden, von denen zum Beispiel der eine katalytisch an der Wand des Wärmetauschers und ein anderer homogen verbrannt wird. In jedem Fall wird die Wärme­ tauscherwandung auf einer Seite vom thermodynamischen Ar­ beitsmedium (Luft, Helium, Wasserstoff) bestrichen, während auf der anderen Seite am direkt aufgetragenen Katalysator die chemische Umsetzung eines Teils des eingesetzten Brenn­ stoffs stattfindet.

Im Zusammenhang mit der katalytischen Verbrennung ist es möglich, den Druck im Brennraum und damit die Energiedichte zu erhöhen. Damit geht eine Steigerung des Wirkungsgrads einher. Der Druck der Brenngase kann typischerweise zwischen 1 und 5 bar liegen. Der Druck des thermodynamischen Arbeits­ mediums ist ungleich höher, beispielsweise um 100 bar, wobei Druckschwankungen um etwa 30 bis 40 bar auftreten können.

Ein Vorteil der katalytischen Verbrennung ist ihre Schad­ stoffarmut. Die Emissionsbelastung, die von mit dem erfin­ dungsgemäßen Wärmetauscher ausgerüsteten Wärmemaschinen aus­ geht, ist entsprechend gering. Durch die katalytische Ver­ brennung einer Wärmetauscherwand wird eine Vergleichmäßi­ gung von deren Temperatur erreicht. Damit treten thermische Spannungen in wesentlich geringerem Maß auf, und es werden lokale Überhitzungen vermieden, die sich bei Flammenbrennern nach dem Stand der Technik immer wieder einstellen und nicht nur zu einer Verschlechterung der Abgaswerte, sondern auch zu einem Durchbrennen und Zundern des Wärmetauschers führen. Es ist so möglich, die Temperatur im Brennraum auf 900°C bis 1000°C, und eventuell noch höher anzuheben und auf der von dem thermodynamischen Arbeitsmedium angeströmten Seite des Wärmetauschers eine gleichmäßige Temperatur von über 800°C zu erzielen, wodurch der Wirkungsgrad der regenerativen Wärmemaschine deutlich erhöht werden kann. Die erforderliche Temperaturbeständigkeit des Katalysators ist zumindest die Mehrschicht-Katalysatoren gewährleistet.

Der beschriebene erfindungsgemäße Wärmetauscher verspricht Vorteile für jede Maschine oder Anlage, bei der Wärme von einer Verbrennung durch eine feste Wand übertragen werden soll. Von den Kraftmaschinen ist also neben den bereits ge­ nannten insbesondere an Gasturbinen mit geschlossenem Kreis­ lauf, etwa nach Ackeret-Keller, zu denken; daneben aber auch an Wärmetauscher wie Kesselanlagen, Boiler, Dampferzeuger etc.

Eine Wandbeschichtung mit einem Katalysator, an dem eine katalytische Verbrennung erfolgt, kann auch für die Brenn­ räume von Wärmemaschinen mit innerer Verbrennung in Betracht gezogen werden.

Claims (10)

1. Wärmetauscher für Maschinen oder Anlagen, bei der Wärme von einer Verbrennung durch eine feste Wand übertragen werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Wärmetauschers auf der der Verbrennungszone zugewand­ ten Seite mit einer Katalysatorschicht belegt ist, an der gleichzeitig mit einer Flammverbrennung in der Ver­ brennungszone eine katalytische chemische Umsetzung von Brennstoff erfolgt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Wärmetauschers auf der Verbrennungszone abgewandten Seite von dem thermodynamischen Arbeits­ medium der Wärmemaschine bestrichen ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß seine Wand aus Keramik besteht.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff seiner Wand gegen den Druck des thermodynamischen Arbeitsmediums vorgespannt ist, insbesondere mittels einer Faserbewehrung.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß seine Wand aus nichtoxidischer Keramik, insbesondere Siliziumcarbid, Siliziumnitrit oder reak­ tionsgesintertem, mit Silizium infiltrierten Silizium­ carbid (Silizium-Siliziumcarbid; SiSiC) besteht.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß seine Wand aus oxidischer Keramik, ins­ besondere Steatit, besteht.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Komponente des Kataly­ sators Eisen(III)oxid, Vanadium oder Vanadiumoxid, Platin oder Platinoxid, oder Silber-Kupfer ist.

8. Verwendung eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für Wärmemaschinen mit äußerer Verbrennung, insbesondere nach dem Stirling-Prozeß arbeitende, ein­ fach- oder doppeltwirkende Wärme-Kraft-Maschinen, Wärme­ pumpen, ein- oder mehrstufig arbeitende Kältemaschinen, nach dem Vuilleumier-Prozeß arbeitende Wärmepumpen oder Kältemaschinen, eine Mischformen zwischen Stirling- und Vuilleumier-Prozeß erlaubende Maschinen zur wahl­ weisen, frei einstellbar kombinierbaren Bereitstellung von mechanischer und Heiz- oder Kühlleistung.

9. Verwendung eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf.

10. Verwendung eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für Kesselanlagen, Boiler, Dampferzeuger etc.