EP0176680B1

EP0176680B1 - Kreuzstrom-Wärmeaustauscher

Info

Publication number: EP0176680B1
Application number: EP85109109A
Authority: EP
Inventors: Hans-Dieter Dipl.-Ing. Schwarz; Werner Dipl.-Ing. Lichtenthäler; Friedrich W. Dr. Dipl.-Chem. Pietzarka; Ludwig Dr. Dipl.-Ing. Mühlhaus
Original assignee: Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 1984-09-29
Filing date: 1985-07-20
Publication date: 1988-11-30
Also published as: ATE39022T1; JPS61105096A; US4681157A; ZA857471B; DE3435911A1; NO853808L; DD236982A5; SU1426468A3; EP0176680A2; DE3566573D1; EP0176680A3

Description

Die Erfindung betrifft einen Kreuzstrom-Wärmeaustauscher, bestehend aus einem Metallgehäuse mit je zwei Gaseintritts- und -austrittstutzen mindestens einem Einbaudeckel auf der Oberseite des Gehäuses, einem Block aus einer Vielzahl von keramischen Wärmetauschelementen mit kreuzweise übereinander angeordneten Gaskanälen mit den Kanalöffnungen in den vier Seitenflächen, wobei die Boden- und Deckenflächen frei von Kanalöffnungen sind, wobei mindestens vier Wärmetauschelemente zu einem Quader zusammengefügt und mit einer Dichtmasse gegeneinander abgedichtet sind, und einer Wärmeisolierung zwischen dem Metallgehäuse und dem Block der keramischen Wärmetauschelemente, welche den Block formschlüssig an Boden und Deckel und kraftschlüssig in Richtung der Gaseintritts- und austrittsstutzen umschließt.
Bei der Übertragung von Wärme bei hohen Temperaturen und/oder korrosiven Wärmeaustauschermedien wurden in der jüngeren Vergangenheit vermehrt Wärmeaustauscher aus keramischen Materialien vorgeschlagen. Der Stand der Technik geht aus folgenden Schriften hervor :

EP-A-0 043113,
DE-A-29 37 342
DE-A-24 28 087
DE-A-2510 893
DE-A-29 34 973
DE-A-27 07 290
DE-A-28 41 571 und
DE-A-26 31 092

Da solche Wärmeaustauscher gleichzeitig für hohe Arbeitstemperaturen bis zu 1.400°C geeignet sind und, je nach keramischem Werkstoff, resistent sind gegen aggressive Medien, eignen sie sich besonders für den Einsatz in solchen Fällen, in denen hocherhitzte aggressive Gase abgekühlt oder aufgeheizt werden sollen. Auch dann, wenn bei Taupunktsunterschreitungen aggressive kondensierte Phasen entstehen, können sotche keramischen Wärmeaustauscher eingesetzt werden. Besonders Wärmeaustauschermodule, wie sie in der letztgenannten Veröffentlichung beschrieben sind, zeichnen sich durch eine große Wärmeaustauschfläche aus und werden durch das beschriebene Herstellungsverfahren kostengünstig verfügbar. Bei herkömmlichen Wärmeaustauschern aus Metall lassen sich, wenn überhaupt, nur höchstwertige Werkstoffe zur Herstellung solcher Wärmeaustauscher verwenden, so daß eine Wärmeübertragung in diesen Fällen nur zu außerordentlich hohen Kosten möglich ist.
In der letztzitierten DE-A-26 31 092 wird ein modular aufgebautes Wärmeaustauscherelement aus keramischem Material beschrieben. Durch Werkstoffauswahl und durch die Wahl geringer Schichtdicken der Trennwände zwischen den einzelnen Kanälen, die schichtweise und kreuzweise angeordnet sind, ist es gelungen, das Schadensrisiko durch Temperaturwechselbeanspruchung, das einer weiten Verbreitung solcher keramischer Wärmeaustauscher in der Technik bisher entgegenstand, zu minimieren und gleichzeitig die Wärmeaustauschfläche, die in einem gegebenen Volumen zur Verfügung steht, zu maximieren. Für die großtechnische Anwendung, insbesondere Durchsatz großer Volumina, ergeben sich für einzelne Elemente außerordentlich große räumliche Abmessungen. Die Herstellung derartig großer Elemente bereitet nun aber Schwierigkeiten, da einerseits die einzelnen Module, bestehend aus « grüner keramischer Masse nach dem Zusammenfügen zu einem Wärmeaustauscherelement gebrannt werden müssen. Dazu sind große Brennkammern und sorgfältige Abkühlverfahren notwendig, um das Auftreten von Rissen aufgrund von Thermospannungen zu vermeiden. Andererseits können derartig große Elemente nur mit außerordentlich großem Risiko transportiert werden. Treten Schäden an solchen großen Elementen auf, ist das ganze Element wertlos. In der DE-A-26 31 092 wird eine Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche und des Durchsatzes der Wärmeaustauschermedien dadurch erreicht, daß Doppelmodule geschaffen werden, die durch ein System von Trennwänden zu einer größeren Einheit zusammengesetzt sind. In der DE-A-27 07 290 wird ein Wärmeaustauscher aus einzelnen Elementen beschrieben, die ihrerseits mit Zwischenlagern aus keramischen Fasermaterial zu größeren Baueinheiten zusammengesetzt werden. Es ist vorgesehen, durch Nuten und Stege die Öffnungen, durch die die Wärmeaustauschermedien fließen, zur Deckung zu bringen.
In der DE-A-29 34 973 werden gerippte Lagen aus keramischem Material miteinander verklebt und so ein Wärmeaustauscherelement erhalten. Das Wärmeaustauscherelement wird von einem aus Platten bestehenden metallischen Gehäuse umgeben. Die Platten werden durch Bolzen, Schrauben und Federn gegen die Seitenflächen des Wärmeaustauscherelementes gedrückt, wobei die Dichtungsmaterialien federnd und nachgiebig sein sollen.
In der DE-A-2510 893 wird ein Rekuperator beschrieben, der aus einzelnen Formsteinen aufgebaut ist. Hier bilden jeweils 2 Formsteine einen Kanal für ein Wärmeaustauschermedium. Erst zusammen mit einem 3. Formstein ergibt sich auch ein Kanal für ein 2. Wärmeaustauchermedium. Der Aufbau eines Rekuperators vollzieht sich so, daß eine vorhandene Kammer mit Formsteinen und Wandsteinen ausgemauert wird, wobei die Formsteine mit Nuten und Federn versehen sind. Kurzschlußströmungen zwischen den beiden Wärmeaustauschermedien können gegebenenfalls durch Vermauern mit Mörtel vermieden werden. Durch die Größe der Formsteine ist die auf das Volumen des Rekuperators bezogene Wärmeaustauschfläche verhältnismäßig klein. Eine Verkleinerung der Kanäle, welches eine Erhöhung der wärmeaustauschenden Fläche in einem gegebenen Volumen bedeutet, ist mit den vorgeschlagenen Formsteinen nahezu unmöglich, da das Vermauern mit abnehmender Größe der Formsteine immer schwieriger wird und ein interessantes Verhältnis von wärmetauschender Fläche zu Rekuperator-Volumen so nicht erreicht werden kann.
In der DE-A-29 37 342 wird eine größere Baueinheit aus Wärmetauscherelementen zusammengesetzt, wobei ebenfalls die einzelnen Bauelemente durch Bolzen, Schrauben und Federn gegeneinander gespannt werden. Der Gegenstand der DE-A-29 37 342 betrifft im wesentlichen einen « keramischen Wärmetauscher mit parallelen Kanälen ». Die kanalfreien Seitenflächen sind glatt und weisen keine Aushebungen bzw. Erhebungen, d. h. kein Profil auf.
In der EP-A-0 043 113 wird ein Kreuzstromwärmetauscher beschrieben, der aus keramischen Wärmeaustauschermodulen besteht, die ebenfalls über eine Spannvorrichtung, bestehend aus Schrauben, Federn und Bolzen gegeneinander gedrückt und so gasdicht in Verbindung gebracht werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einzelne Kreuzstromwärmeaustauscherelemente mit kreuzweise übereinander angeordneten Gaskanälen zu größeren Baueinheiten so zusammenzufassen, daß Maßabweichungen in der geometrischen Anordnung der kreuzweise übereinander angeordneten Gaskanäle eines Wärmetauscherelements zu denen des anschließenden Wärmetauscherelements ohne Einfluß auf den jeweiligen gesamten freien Strömungsquerschnitt bleiben. Weiterhin muß Dichtheit zwischen den Außenkanten der Wärmetauscherelemente erzielt werden.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der vorliegenden Erfindung darin, daß die oben beschriebenen Wärmeaustauscherelemente so modifiziert werden, daß jedes Wärmetauscherelement an seinen kanalfreien Seitenrändern mit Erhebungen bzw. Aushebungen versehen ist, die in der Weise gebildet sind, daß sie formschlüssig ineinandergreifen unter Bildung einer Hohlkammer zur Aufnahme der Dichtmasse, daß die Seitenflächen im Gaskanalbereich zwischen benachbarten Wärmetauschelementen berührungslos sind unter Bildung eines flachen Hohlraumes und daß gegenüberliegende Boden- und Deckenflächen der Wärmetauschelemente mit mindestens einer Erhebung bzw. Aushebung formschlüssig ineinanderpassen.
Die Seitenflächen der Wärmetauscherelemente werden an ihren Kanten mit einer Aussparung versehen, deren Schnittbild ein Viertel des Umfangs eines symmetrischen Kanals bildet, wenn mehrere Wärmeaustauscherelemente zusammengefügt werden. Durch die Bearbeitung der Seitenflächen treten die mit Öffnungen versehenen inneren Partien der Seitenflächen gegenüber den Aushebungen bzw. Erhebungen etwas zurück, so daß beim Zusammensetzen zweier Wärmeaustauscherelemente eine ringsherum geschlossene schmale Kammer entsteht, so daß nicht notwendigerweise die einzelnen Kanäle genau deckungsgleich voreinander angeordnet sein müssen.
Um die Wärmetauscherelemente vorteilhaft einzuspannen, werden nach einer Ausgestaltung der Erfindung dem Block der Wärmetauscherelemente an den Seitenflächen je eine Stützwabe vorgesetzt.
Der erfindungsgemäße keramische Wärmeaustauscher baut sich nun wie folgt auf :
Ein geeignetes Gehäuse z. B. aus metallischen Werkstoffen mit in einer Ebene angeordneten, senkrecht aufeinander stehenden Durchführungen und Ansätzen mit Anschlußflanschen wird mit einem temperaturbeständigen isolierenden, wenig oder nicht kompressiblen Material ausgemauert. Der Boden des Gehäuses ist eben und im Deckel des Gehäuses befindet sich eine Aussparung von der Größe z. B. der Kreuzungsfläche der sich kreuzenden Durchführungen. Auf diese Aussparung ist ein Kragen fest mit dem Gehäuse verbunden, der an seiner oberen Kante mit einer Dichtfläche versehen ist und mit einem geeigneten Deckel gasdicht verschlossen werden kann. Auf den Boden dieses Gehäuses werden nun trocken oder in einem Mörtelbett die einzelnen Wärmeaustauscherelemente verlegt, in dem die Kreuzungsfläche der Durchlässe Element für Element ausgefüllt wird, wobei in allen 4 Richtungen die Anordnung entweder in die Durchlässe hineinragt oder die Eckelemente in eine Aussparung der Ausmauerung eingepaßt werden. Nachdem die erste Lage der Wärmeaustauscherelemente komplett hergestellt ist, werden die an den Stoßkanten erhaltenen Kanäle und Fugen mit einer geeigneten Masse verschlossen. Die 2. Lage von Wärmeaustauscherelementen wird ganz analog aufgebaut und fertiggestellt. Auf diese Weise wird fortgefahren bis der komplette Querschnitt aller Durchlässe mit Wärmeaustauscherelementen versehen ist. Nachdem alle Kanäle und Fugen an den Stoßkanten der einzelnen Wärmeaustauscherelemente mit einer geeigneten Ausgußmasse verschlossen wurden, wird auch die Aussparung an der Oberseite des Wärmeaustauschers mit wärmebeständigem und isolierendem Ausmauerungsmaterial ausgefüllt und der Deckel auf den Kragen des Wärmeaustauschergehäuses mit einer geeigneten Dichtung in bekannter Weise befestigt.
Besonders vorteilhaft wird verfahren, wenn bei Verwendung geeigneter Materialien und bei geeigneter Wahl der Schichtdicke thermische Spannungen, ggf. durch mehrschichtige Anordnung, ggf. durch Wahl von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten behaftete Materialien minimiert werden. Das Wärmeaustauschergehäuse wird verhältnismäßig kühl gehalten, ggf. wird es sogar zwangsgekühlt. Durch das Kühlhalten des Gehäuses wird die thermische Ausdehnung dort kleiner oder gleich gehalten als die der Anordnung der Wärmeaustauscherelementen. Dadurch wird im Betriebsfall auf die Anordnung der Wärmeaustauscherelemente eine Pressung ausgeübt, die sicherstellt, daß die einzelnen Elemente in Position gehalten werden und die Bildung von Rissen oder sonstigen undichten Stellen, die ohne Anwendung von Druck beobachtet werden, unterbunden werden. Das Wärmeaustauschergehäuse benötigt daher keinerlei Spannvorrichtungen.
Im Sinne der Erfindung werden ggf. auch keramische Stützleitwaben, wie in Fig. dargestellt, vor die Seitenflächen der Anordnung aus Wärmeaustauscherelementen vorgesehen, die sich in der losolationsschicht bzw. am Gehäuse abstützen und geeignet sind, Pressungskräfte auf die zentral gelegenen Elemente zu übertragen.
Der erfindungsgemäße keramische Wärmeaustauscher ist beispielhaft in den Fig. 1-8 dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Wärmeaustauscherelement gemäß DE-A-2631092, welches erfindungsgemäß modifiziert und durch Oberflächenbearbeitung in geeigneter Weise gestaltet wurde.
Fig. 2 zeigt die aneinanderstoßenden Ecken von 4 Elementen in einer Schnittdarstellung, wobei der Schnitt durch eine Fläche erfolgte, die in Fig. 1 durch die Koordinaten A-A angedeutet ist.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen keramischen Wärmeaustauscher in Außenansicht.
Fig. 4 zeigt einen Horizontalschnitt durch ein erfindungsgemäßes Wärmeaustauscherelement.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher.

In Fig. 6 wird die erfindungsgemäß vorgesehenen Aushebungen und Erhebungen spiegelbildlich angeordnet im Gegensatz zu Fig. 2. In Fig. 7 erfolgt die Zentrierung der einzelnen Wärmeaustauscherelemente durch einen Ring.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsvariante der Stoßkanten von vier Wärmetauscherelementen.
Im einzelnen wird ein Wärmeaustauscherelement anhand von Fig. 1 beschrieben. Das Wärmeaustauscherelement (3), welches in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, besitzt Würfelgestalt. Sichtbar dargestellt sind 2 senkrecht stehende Seitenflächen und die obere waagerechte Deckenfläche. Im Wärmeaustauscherelementenrohling verliefen die Seitenflächen vor der erfindungsgemäßen Bearbeitung durch die Ebenen, in denen im fertigbearbeiteten Wärmeaustauscherelement die Oberflächen der Erhebungen (14) liegen. Der mit den Öffnungen für die Kanäle (4 bzw. 5) belegte Teil der neu erhaltenen Seitenflächen liegen um den Abstand (15) von der ursprünglichen Seitenfläche nach innen versetzt. Diese Seitenflächen liegen in den Ebenen, die durch die gestrichelten Linien (7) angedeutet sind. Die Erhebungen auf den senkrecht stehenden Seitenflächen haben anfangs einen rechtwinkeligen Querschnitt (6b) und weiter nach außen prismatische Querschnitte (6a), wobei sich die Erhebungen nach außen hin verjüngen. An den Eintrittsöffnungen der Medien (1, 2) liegen die rechten Winkel im prismatischen Querschnitt der Erhebungen auf der Innenseite, während sie an den Austrittsseiten der Medien (1, 2) an den Außenseiten der Erhebungen liegen.
An den Austrittsseiten ist der rechteckige Querschnitt der Erhebung (12b) und der prismatische Querschnitt gekennzeichnet durch (12a). Die Außenfläche der Austrittsebene springt um den Abstand (13) hinter den prismatischen Teil der Erhebung zurück. Während die Flächen (6b, 12c) über die Austrittsflächen vorspringen, sind die Aushebungen durch die Schenkel der Winkel (8, 9) gekennzeichnet. Die Oberseite und Unterseite des Wärmeaustauscherelements besitzt keine Öffnungen von Strömungskanälen. Hier ist beispielsweise an der Oberseite eine Aushebung gezeichnet, die von den Kantenlinien (10) begrenzt wird und um den Abstand (11) abgesenkt ist. Nicht dargestellt, auf der Unterseite ist eine Erhebung, ebenfalls begrenzt durch die Kanten (10), sie ragt um den Abstand (11) über die Unterseite hinaus. Die Aushebungen bzw. Erhebungen auf den Seitenflächen dienen dazu, daß mehrere Wärmeaustauscherelemente formschlüssig aneinandergesetzt werden können.
In den Fig. 2, 4, 6 und 7 sind aus der Vielzahl der denkbaren Gestaltungsformen der Erhebungen bzw. Aushebungen 3 Möglichkeiten gezeigt. In Fig. 7 wird abweichend von der bisher beschriebenen Form das Wärmeaustauscherelement an den senkrecht stehenden Seitenflächen spiegelsymmetrisch mit im Profil rechteckigen Erhebungen versehen. Ein Ring (16) ordnet die einzelnen Wärmeaustauscherelemente fluchtend aneinander. Erkennbar wird darüber hinaus in Fig. 2 die beim Aneinanderfügen von einzelnen Wärmeaustauscherelementen entstehende, im Querschnitt beispielsweise als ein rechtwinkeliges Kreuz ausgebildete Hohlkammer innerhalb der vier Seitenkanten von vier Wärmetauscherelementen, die mit Dichtungsmasse gefüllt wird.
Fig. 3 und 5 zeigen beispielhaft die Ausgestaltung eines Kreuzstromwärmeaustauschers, der eine Anordnung von Kreuzstromwärmeaustauscherelementen (3) enthält. Dargestellt sind 4 Ein- bzw. Auslaufstutzen (18) mit den dazugehörigen Flanschanschlüssen (19) und ein Deckel (20), der mit Schrauben (21) mit dem Körper des Wärmeaustauschers fest und gasdicht verbunden ist. Die Strompfeile (1) und (2) deuten die Strömungsrichtung zweier sich kreuzender Wärmeaustauschermedien an. Die Wärmetauscherelemente (3) sind jeweils in einer Strömungsrichtung über Kanäle 17 bzw. 17a miteinander verbunden. Die Kanäle einer Strömungsrichtung sind gegenüber der anderen Strömungsrichtung abgedichtet.
In Fig. 8 ist eine beispielhafte Ausführung eines weiteren erfinderischen Gedankens schematisch als Schnittbild durch die Stoßkanten von vier Wärmeaustauscherelementen (3) gezeigt. Zwischen geeignet gestalteten Erhebungen (14) bzw. Austrittsflächen jedes Elementes, die allseits laufend angeordnet sind, wird ein Dichtstreifen (23) bzw. eine Schicht aus grüner keramischer Masse zwischengelegt und später drucklos oder unter Druck-Stempeldruck oder z. B. Gehäusedruck bei Sintertemperatur auf geeignete Weise getempert, wodurch eine feste, fugenlose und dichte Verbindung der Elemente entsteht. Als Aufheizmedium kann z. B. ein heißer Abgasstrom eingesetzt werden.

Claims

1. Kreuzstrom-Wärmetauscher, bestehend aus einem Metallgehäuse mit je zwei Gaseintritts- und -austrittsstutzen (18), mindestens einem Einbaudeckel (20) auf der Oberseite des Gehäuses, einem Block aus einer Vielzahl von keramischen Wärmetauschelementen (3) mit kreuzweise übereinander angeordneten Gaskanälen (4, 5) mit den Kanalöffnungen in den vier Seitenflächen, wobei die Boden- und Deckenflächen frei von Kanalöffnungen sind, wobei mindestens vier Wärmetauschelemente (3) zu einem Quader zusammengefügt und mit einer Dichtmasse gegeneinander abgedichtet sind, und einer Wärmeisolierung zwischen dem Metallgehäuse und dem Block der keramischen Wärmetauschelemente, welche den Block formschlüssig an Boden und Deckel und kraftschlüssig in Richtung der Gaseintritts- und -austrittsstutzen umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wärmetauschelement (3) an seinen kanalfreien Seitenrändern mit Erhebungen bzw. Aushebungen (14) versehen ist, die in der Weise ausgebildet sind, daß sie formschlüssig ineinandergreifen unter Bildung einer Hohlkammer zur Aufnahme der Dichtmasse (23), daß die Seitenflächen im Gaskanalbereich zwischen benachbarten Wärmetauschelementen berührungslos sind unter Bildung eines flachen Hohlraumes (17) und daß gegenüberliegende Boden- und Deckenflächen der Wärmetauschelemente mit mindestens einer Erhebung bzw. Aushebung formschlüssig ineinanderpassen.

2. Kreuzstrom-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Block der Wärmetauschelemente an den Seitenflächen je eine Stützwabe (24) vorgesetzt ist.