EP0274694A1 - Wärmetauschermodul aus gebranntem keramischen Material - Google Patents

Wärmetauschermodul aus gebranntem keramischen Material Download PDF

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EP0274694A1 EP87118637A EP87118637A EP0274694A1 EP 0274694 A1 EP0274694 A1 EP 0274694A1 EP 87118637 A EP87118637 A EP 87118637A EP 87118637 A EP87118637 A EP 87118637A EP 0274694 A1 EP0274694 A1 EP 0274694A1
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recesses
cards
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channels
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y10S165/00—Heat exchange
    • Y10S165/905—Materials of manufacture

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger module made of fired ceramic material, which is produced by firing a stack of punched and laminated green ceramic cards.
  • Heat exchangers of the type mentioned are known from DE-A-31 36 253. They are made from ceramic foils or cards into which the flow channels are stamped or embossed and which are connected to one another by means of lamination aids. The heat exchanger block thus obtained is first heated and the organic components are baked out at 200-300 ° C. The block is then fired at 1200 to 1700 ° C. Disadvantages are the large number of different card patterns for the construction of the block, the reworking of the green block, as well as the burned block and the limited possibility of cleaning the channels. The invention seeks to remedy this. The heat exchanger should be able to be produced using a minimum of card samples and be used equally for particle-laden gas flows and for the heat exchange between liquid-gas and liquid-liquid.
  • a heat exchanger module which is characterized in that the stack consists of at least two cards, the cards have first recesses which form tubular channels in stacked cards and have second recesses which are arranged around the first recesses and are stacked Cards partially overlap with the second recesses of adjacent cards, with channels lying in the card plane forming which surround the tubular channels.
  • the second recesses can be slot-shaped or angled.
  • the inside of the angle can have a circular boundary, which is arranged concentrically to the first recess.
  • the second recesses of the first card can be slit-shaped and those of the second card can be circular.
  • the slots can have a length of 1 to 3 diameters of the first recesses.
  • the advantages achieved by the invention are essentially to be seen in the fact that the module can be constructed from one to a maximum of two card patterns. Punching and positioning of bars and baffles are no longer necessary. Simple construction of a heat exchanger system from such modules. Reliable sealing of the material flows against each other in the module by connecting the individual cards over a large area. Around the tubular, straight-line channels for the hot medium (first recesses) and the slit-shaped channels, enough material remains that builds up over the module height to laminate columns and tubes that can be compressed under high pressure, thereby avoiding laminating errors .
  • the sealing of the fired module can be improved by a second fire and the introduction of sealing agent, for example silicon or a glaze, via the tubular channels intended for the warm medium into the interior of the module.
  • the heat exchanger module is particularly well suited for the construction of heat exchanger systems.
  • the modules are expediently stacked on top of one another. In this arrangement, the hot medium is guided in a straight line through the columnar structure.
  • the modules can be sealed together by gluing with organic or inorganic adhesives, mortars, glasses and the like.
  • conventional sealing elements such as fiber cords, fiber papers, O-rings, C-seals, etc. are also suitable.
  • the sealing surfaces can be structured or ground. Any number of columns can be placed in a heat exchanger housing to be built in.
  • the card pattern according to FIG. 1 has circular recesses 1 as the first recess and recesses 2 formed around it as second recesses, the inside of the angle being a circular boundary 3 is trained. Two stacks a, a soup are formed from these cards, the stack a ⁇ being obtained by turning the cards of stack a.
  • the heat exchanger module is built up by alternately stacking the cards from stacks a and a ⁇ . This results in continuous tubular channels 12 and slot-shaped channels 13 perpendicular thereto, which surround the tubular channels and lie alternately in one or more map planes.
  • the heat exchanger module according to FIG. 4 is constructed similarly. It differs from the heat exchanger module according to FIG. 2 only in the card pattern. Slit-shaped second recesses 4 are arranged around the circular first recesses 1 (FIG. 3). The heat exchanger module is built up by alternately stacking the cards from stacks b and b ⁇ .
  • the heat exchanger module according to FIG. 6 is constructed from two different card patterns 5 and 6, which are alternately layered on top of one another.
  • the card pattern 5 has circular first recesses 1 and slot-shaped second recesses 7 around it, while the second card pattern 6 has circular first recesses 1 and circular second recesses 8.
  • the recesses 1 form tubular channels 12, while the recesses 8 each bridge four opposite ends of the slots 7, as a result of which the slot-shaped channels 13 form in the card plane.
  • the height of the channels 13, the flow direction of which extends essentially transversely to the tubular channels 12, can be varied by stacking several cards of a stack a, a ⁇ , b, b ⁇ , or the card pattern 5 or 6.
  • the perforation 9 on the edge of the card can serve to accommodate stacking aids, guide elements, assembly aids 10 etc.
  • heat exchanger modules 14 are combined to form columns 16, which are arranged in a housing 15 parallel to one another.
  • the individual columns 16 are fixed in relation to one another and with respect to the housing 15 by mounting aids 10, which can also be designed as guide elements.
  • Seals 11 are arranged between the modules 14 of a column 16 in order to prevent the heat exchange media from mixing.
  • the ends of individual columns 16 are also sealed off from the housing 15 by seals 11.
  • the columns 16 are arranged on bearing elements 17, 17,, which are sealed off from the housing 15 by means of seals 11 with respect to the columns 16 and 11 ⁇ , 18 and 19. While the bearing element 17 ⁇ is supported directly on the housing 15 via seal 11 Dichtung, the bearing element 17 is supported on the housing 15 via springs 20. 21 indicates the flow direction of the cold medium and 22 the flow direction of the hot medium.

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Abstract

Bei dem Wärmetauschermodul aus gebranntem keramischen Material, der aus einem Stapel gestanzter und laminierter grüner keramischer Karten hergestellt ist, besteht der Stapel aus mindestens zwei Karten. Die Karten weisen erste Ausnehmungen (1) auf, die bei gestapelten Karten rohrförmige Kanäle (12) bilden, und zweite Ausnehmungen (2, 4, 7, 8), die um die ersten Ausnehmungen (1) angeordnet sind, und die sich bei gestapelten Karten mit den zweiten Ausnehmungen (2, 4, 7) benachbarter Karten teilweise überlappen. Dabei bilden sich in Kartenebene liegende Kanäle(13)aus, die die rohrförmigen Kanäle (12) umgeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauschermodul aus gebranntem keramischen Material, der durch Brennen eines Stapels gestanzter und laminierter grüner keramischer Karten hergestellt wird.
  • Wärmetauscher der genannten Art sind aus der DE-A-31 36 253 bekannt. Sie werden aus kermischen Folien bzw. Karten hergestellt, in die die Strömungskanäle eingestanzt oder geprägt sind und die durch Laminierhilfsmittel miteinander verbunden werden. Der so erhaltene Wärmetauscherblock wird zunächst erhitzt, und die organischen Bestandteile werden bei 200 - 300°C ausgeheizt. Anschließend wird der Block bei 1200 bis 1700°C gebrannt. Nachteilig ist die große Anzahl unterschiedlicher Kartenmuster für den Aufbau des Blocks, das Nacharbeiten des grünen Blocks, sowie des gebrannten Blocks und die begrenzte Reinigungsmöglichkeit der Kanäle. Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Wärmetauscher soll durch ein Minimum an Kartenmustern herstellbar und für partikelbeladene Gasströme sowie für den Wärmetausch zwischen Flüssigkeit-Gas und Flüssigkeit-Flüssigkeit gleichermaßen einsetzbar sein.
  • Die Aufgabe wird durch einen Wärmetauschermodul gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Stapel aus mindestens zwei Karten besteht, die Karten erste Ausnehmungen, die bei gestapelten Karten rohrförmige Kanäle bilden und zweite Ausnehmungen aufweisen, die um die ersten Ausnehmungen angeordnet sind und sich bei gestapelten Karten mit den zweiten Ausnehmungen benachbarter Karten teilweise überlappen, wobei sich in Kartenebene liegende Kanäle ausbilden, die die rohrförmigen Kanäle umgeben.
  • Die zweiten Ausnehmungen können schlitzförmig oder winklig ausgebildet sein. Die Innenseite des Winkels kann eine kreisförmige Begrenzung aufweisen, die konzentrisch zur ersten Ausnehmung angeordnet ist. Die zweiten Ausnehmungen der ersten Karte können schlitzförmig und die der zweiten Karte kreisförmig ausgebildet sein. Die Schlitze können eine Länge von 1 bis 3 Durchmessern der ersten Ausnehmungen aufweisen.
  • Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß der Modul sich aus einem bis maximal zwei Kartenmustern aufbauen läßt. Das Stanzen und Positionieren von Stegen und Schikanen entfällt. Einfacher Aufbau eines Wärmetauschersystems aus solchen Modulen. Durch großflächiges Verbinden der einzelnen Karten miteinander zuverlässige Abdichtung der Stoffströme gegeneinander im Modul. Um die rohrförmigen, geradlinigen Kanäle für das heiße Medium (erste Ausnehmungen) und die schlitzförmigen Kanäle herum, bleibt genügend Material stehen, das sich über die Modulhöhe zu zusammenlaminierten Säulen und Rohre aufbaut, die unter hohem Druck verdichtet werden können, wodurch sich Laminierfehler vermeiden lassen. Falls erforderlich, kann die Abdichtung des gebrannten Moduls durch einen zweiten Brand und Einbringen von Abdichtungsmittel, z.B. Silizium oder einer Glasur über die für das warme Medium bestimmten rohrförmigen Kanäle in das Innere des Moduls verbessert werden. Der Wärmetauschermodul eignet sich besonders gut zum Aufbau von Wärmetauschersystemen. Dabei werden die Modulen zweckmäßig zu Säulen aufeinandergesetzt. Das heiße Medium wird bei dieser Anordnung geradlinig durch den säulenförmigen Aufbau geleitet. Die Dichtung der Modulen untereinander kann wahlweise durch Verkleben mit organischen oder anorganischen Klebern, Mörteln, Gläsern und ähnlichem erfolgen. Es eignen sich aber auch übliche Dichtelemente wie Faserschnüre, Faserpapiere, O-Ringe, C-Dichtungen usw. Die Dichtflächen können strukturiert oder geschliffen sein. In ein Wärmetauschergehäuse können beliebig viele Säulen eingebaut werden. Dabei genügt es, die einzelnen Säulen gegen ein festes Widerlager mit Federelementen zur Kompensation von Wärmedehnungen zu verspannen. Eine starre Verbindung der Säulen untereinander ist nicht erforderlich. Sie können jedoch über in Führungsnuten des Moduls eingeschobene Leitelemente positioniert werden. Die Leitelemente können so gestaltet werden, daß das kalte Medium beim Übergang von einer zur nächsten Säule stets in das Modulinnere geleitet wird. Durch die Gestaltung des Wärmetauschergehäuses kann ohne Änderung des Säulenkonzepts die Betriebsweise des Wärmerauschers von z.B. Kreuz - in Kreuz-Gegenstrom geändert werden.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
    Es zeigt
    • Figur 1 gestanzte Karten mit gleichem Muster zum Aufbau eines Wärmetauschermoduls;
    • Figur 2 den Schnitt II-II gemäß Figur 1 eines Wärmetauscher­moduls;
    • Figur 3 alternativ gestanzte Karten mit gleichem Muster zum Aufbau eines Wäremtauschermoduls;
    • Figur 4 den Schnitt IV-IV gemäß Figur 3 eines Wäremtauscher­moduls;
    • Figur 5 eine weitere Alternative mit zwei Kartenmustern zum Aufbau eines Wärmetauschermoduls;
    • Figur 6 einen Schnitt VI-VI gemäß Figur 5 eines Wärmetauscher­moduls;
    • Figur 7 ein Wärmetauschersystem, aufgebaut aus Wärmetauschermodulen bestehend aus Karten gemäß Figur 3, und zwar den Schnitt VII-VII der Figur 8 und Figur 8 den Schnitt VIII-VIII der Figur 7.
  • Das Kartenmuster gemäß Figur 1 weist als erste Ausnehmung kreisförmige Ausnehmungen 1 und um diese herum als zweite Ausnehmungen winklig ausgebildete Ausnehmungen 2 auf, wobei die Innenseite des Winkels als kreisförmige Begrenzung 3 ausgebildet ist. Aus diesen Karten werden zwei Stapel a, aʹ gebildet, wobei der Stapel aʹ durch Wenden der Karten von Stapel a hervorgeht. Der Wärmetauschermodul wird durch abwechselndes Aufeinanderstapeln der Karten von Stapel a und aʹ aufgebaut. Dabei entstehen durchgehende rohrförmige Kanäle 12 und senkrecht dazu schlitzförmige Kanäle 13, die die rohrförmigen Kanäle umgeben und abwechselnd in einer oder mehreren Kartenebenen liegen.
  • Ähnlich ist auch der Wärmetauschermodul gemäß Figur 4 aufgebaut. Er unterscheidet sich von Wärmetauschermodul gemäß Figur 2 lediglich im Kartenmuster. Um die kreisförmigen ersten Ausnehmungen 1 sind schlitzförmige zweite Ausnehmungen 4 angeordnet (Figur 3). Der Wärmetauschermodul wird durch abwechselndes Aufeinanderstapeln der Karten von Stapel b und bʹ aufgebaut.
  • Der Wärmetauschermodul gemäß Figur 6 ist aus zwei unterschiedlichen Kartenmustern 5 und 6 aufgebaut, die abwechselnd aufeinander geschichtet werden. Das Kartenmuster 5 weist kreisförmige erste Ausnehmungen 1 und um diese herum schlitzförmige zweite Ausnehmungen 7 auf, während das zweite Kartenmuster 6 kreisfömige erste Ausnehmungen 1 und kreisförmige zweite Ausnehmungen 8 aufweist. Beim abwechselnden Stapeln der beiden Kartenmuster bilden die Ausnehmungen 1 rohrförmige Kanäle 12, während die Ausnehmungen 8 jeweils vier gegenüberliegende Enden der Schlitze 7 überbrücken, wodurch sich die schlitzförmigen Kanäle 13 in Kartenebene ausbilden.
  • Die Höhe der Kanäle 13, deren Strömungsrichtung im wesentlichen quer zu den rohrförmigen Kanälen 12 verläuft, kann durch Übereinanderschichten mehrerer Karten eines Stapels a, aʹ, b, bʹ, bzw. der Kartenmuster 5 oder 6 variiert werden. Die Perforation 9 am Kartenrand (Fig. 1, 3, 5, 8) kann der Aufnahme von Stapelhilfen, Leitelementen, Montagehilfen 10 usw. dienen.
  • Bei dem Wärmetauschersystem gemäß Figuren 7 und 8 sind Wärmetauschermodulen 14 zu Säulen 16 zusammengestellt, die parallel zueinander in einem Gehäuse 15 angeordnete sind. Die einzelnen Säulen 16 sind zueinander und in Bezug auf das Gehäuse 15 durch Montagehilfen 10, die auch als Leitelemente ausgebildet sein können, lagemäßig fixiert. Zwischen den Modulen 14 einer Säule 16 sind Dichtungen 11 angeordnet, um zu verhindern, daß sich die Wärmetauschermedien vermischen. Gegenüber dem Gehäuse 15 sind die Enden einzelner Säulen 16 ebenfalls durch Dichtungen 11 abgedichtet. Um temperaturbedingte Längenausdehnungen der Säulen 16 aufzufangen, sind die Säulen 16 auf Lagerelementen 17, 17ʹ angeordnet, die mittels Dichtungen 11 gegenüber den Säulen 16 und 11ʹ, 18 und 19 gegenüber dem Gehäuse 15 abgedichtet sind. Während sich das Lagerelement 17ʹ direkt über Dichtung 11ʹ am Gehäuse 15 abstützt, stützt sich das Lagerelement 17 über Federn 20 am Gehäuse 15 ab. 21 deutet die Strömungsrichtung des kalten Mediums und 22 die Strömungsrichtung des heißen Mediums an.

Claims (8)

1. Wärmetauschermodul aus gebranntem keramischen Material, hergestellt aus einem Stapel gestanzter und laminierter, grüner keramischer Karten, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel aus mindestens zwei Karten besteht, die Karten erste Ausnehmungen (1), die bei gestapelten Karten rohrförmige Kanäle (12) bilden und zweite Ausnehmungen (2, 4, 7, 8) aufweisen, die um die ersten Ausnehmungen (1) angeordnet sind und sich bei gestapelten Karten mit den zweiten Ausnehmungen (2, 4, 7) benachbarter Karten teilweise überlappen, wobei sich in Kartenebene liegende Kanäle (13) ausbilden, die die rohrförmigen Kanäle (12) umgeben.
2. Wärmetauschermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Ausnehmungen (4, 7) schlitzförmig ausgebildet sind.
3. Wärmetauschermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Ausnehmungen (2) winklig ausgebildet sind.
4. Wärmetauschermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite des Winkels eine kreisförmige Begrenzung (3) aufweist, die konzentrisch zur ersten Ausnehmung (1) angeordnet ist.
5. Wärmetauschermodeul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Ausnehmungen (7, 8) der ersten Karte (5) schlitzförmig und die der zweiten Karte (6) kreisförmig ausgebildet sind.
6. Wärmetauschermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kanäle (12) bildenden ersten Ausnehmungen (1) kreisförmig sind.
7. Wärmetauschermodul nach Anpsruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ausnehmung (1) von vier rechtwinklig zueinander angeordneten Schlitzen (4, 7) umgeben ist.
8. Wärmetauschermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (4, 7) eine Länge von ein bis drei Durchmessern der ersten Ausnehmungen (1) aufweisen.
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