EP2435775A1 - Schichtwärmeübertrager für hohe temperaturen - Google Patents

Schichtwärmeübertrager für hohe temperaturen

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EP2435775A1
EP2435775A1 EP10721804A EP10721804A EP2435775A1 EP 2435775 A1 EP2435775 A1 EP 2435775A1 EP 10721804 A EP10721804 A EP 10721804A EP 10721804 A EP10721804 A EP 10721804A EP 2435775 A1 EP2435775 A1 EP 2435775A1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
housing
layer
exchanger according
layer heat
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EP10721804A
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Hans-Heinrich Angermann
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Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP2435775A1 publication Critical patent/EP2435775A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2435775B1 publication Critical patent/EP2435775B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/08—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0037—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the conduits for the other heat-exchange medium also being formed by paired plates touching each other
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    • F28F21/081—Heat exchange elements made from metals or metal alloys
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/26—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for allowing differential expansion between elements

Definitions

  • the invention relates to a layer heat exchanger for high temperatures according to the preamble of claim 1.
  • Layer heat exchangers are known - they consist of a layer block, which is constructed of stacked layer and cover plates and the heat exchange between two media is used, and a housing, which receives the layer block, seals and has connections for the supply and removal of the media.
  • Such layer heat exchangers are characterized by a high specific heat transfer capacity, based on their volume.
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • APU auxiliary power unit
  • Heat exchangers for SOFC serve, for example, for heating process air and are exposed to hot combustion gases in a temperature range of approx. 950 ° Celsius. This strongly and rapidly changing temperature application leads to thermomechanical stresses in the heat exchanger structure, which lead to problems with regard to the tightness of the layer block in the interior and a leak-tightness of the heat exchanger to the outside.
  • the external tightness is particularly important, for example, in the application of the heat exchanger for SOFC System ⁇ .
  • the layer heat exchanger is characterized by a housing with high heat resistance and rigidity and a layer block with a soft and tough core relative to the housing.
  • the housing thus forms a relatively stiff abutment with respect to the layer block, which, owing to its design according to the invention, in particular at high temperatures, is able to absorb the thermally induced strain energy emanating from the layer block. Because of this fixed abutment, the soft and tough core of the layer block will deform elastically or even partially plastically - which is accepted -. It has surprisingly been found that the internal leakage of the ⁇ rfindungsdorf ⁇ n Schichtóübertragers is significantly lower than in the above known Schlchthoffübertragern. The internal leakage arises during operation, z.
  • Example when using the heat exchanger in the periphery of a high-temperature fuel cell, characterized in that when cold 900 to 950 ° C hot gas strikes the cold layer block.
  • the housing is made of a material having a high heat resistance. Under high heat resistance is a high hot yield point ⁇ o. ⁇ to understand. These are preferably nickel alloys, in particular a readily available highly heat-resistant material with the material no. 2.4856 according to DIN EN 10095 and the material designation NiCr22Mo9Nb. This material is characterized by a good mechanical behavior at temperatures above 500 ° Celsius. Thus, the yield strength of this material is 900 0 C at high 200 N / mm 2 .
  • the cover plates and laminations are made of a material which has a lower heat resistance compared to the material of the housing, in particular a low heat flow limit O 2.
  • a high-temperature stainless steel with the material No. 1.4876 and the material designation XIONiCrAITi 32-20 is selected for the material of the layer and cover plates, which is particularly adapted to the above-mentioned housing material with the No. 2.4856.
  • a relatively inexpensive Ni base material such as the 2.4851 (NiCr23Fe) can also be used as the laminated sheet material.
  • 2.4851 has a higher hot strength compared to 1.4876 but a lower heat resistance than 2.4656.
  • a ferritic material can also be selected for the material of the layer and cover plates.
  • the ferritic material in particular an Al-containing material, as this material has a high high-temperature corrosion resistance and low Cr evaporation.
  • ferritic material with the material no. 1.4767 according to DIN 17470 and the material designation CrAI20 5.
  • These ferritic materials are particularly advantageous when paired with the aforementioned austenitic housing materials with the material numbers 1.4876 (material designation: XIONiCrAITi 32-20) or 1.4335.
  • An advantage of using ferritic stainless steels for The layer and cover sheet ⁇ is their high elongation at break, ie the laminations deform plastically, but because of their high ductility they have only a slight tendency to develop leaks such as cracks.
  • different wall thicknesses can be selected for the housing, on the one hand, and the layer and cover plates, on the other hand.
  • H a large wall thickness for the housing material and a significantly lower wall thickness for the sheet material.
  • the wall thickness of the housing is approximately 1.5 mm and that of the laminations approximately 0.3 mm.
  • the wall thickness of the G ⁇ phaseusematerials may be relatively low to the wall thickness of the layer and cover sheet material, when the heat resistance of the housing material is high relative to the heat resistance of the laminated sheet material.
  • the housing material is made of a heat-resistant material of small thickness, such as 2.4856 with 1, 0 mm or 0.5 mm wall thickness and the layer and / or cover plate material made of a soft material such as the aforementioned FeCrAI Alloys exists.
  • the particularly small difference in mass between housing on the one hand and coating and cover plates on the other hand leads to sond ⁇ rs low thermal stresses.
  • An Al content of ⁇ 2% t particularly preferably ⁇ 3% here is particularly useful.
  • the layer and cover sheets are only in a frontal fashion at their ends
  • Sealing edges are materially interconnected, preferably by soldering or welding. Webs or pimples located inside the
  • Heat exchanger lead should therefore not or at least to a minimum extent cohesively connected to each other.
  • the advantage is achieved that the layer block is securely sealed to the outside and inside which core and which remains elastically deformable.
  • the housing and the cover plates of the same high-temperature resistant material and only the laminations are made of the soft material.
  • housing as well as layer and cover plates can be made of the same material.
  • the soft core of the layer block can be achieved by a smaller sheet metal wall thickness relative to the wall thickness of the housing and / or by face-side brazing or welding of the layer block.
  • the application of the Schichtskaschreibers invention proves to be particularly advantageous in the periphery of a high-temperature fuel cell, preferably in motor vehicles to meet the strict conditions applicable there with respect to an inner and outer sealing of the heat exchanger.
  • FIG. 1 shows a layer heat exchanger 1 in an exploded view.
  • a SchichlJacquesesttrager 1 is known in terms of its structure from the aforementioned prior art.
  • a partially illustrated layer block 2 is arranged, which can be flowed through in cross-flow of two media.
  • the layer block 2 is received by four housing boxes 3, 4, 5, 6, which in turn have connecting pieces 3a, 4a, 5a, 6a for the supply and removal of the media flowing through the layer block 2.
  • the four housing boxes 3, 4, 5, 6 including the connecting pieces 3a, 4a, 5a, 6a are hereinafter also referred to collectively as the housing 7.
  • Layer block 2 and housing 7 are connected together by a total of twelve welds, of which, by way of example, the welds 8a, 8b, 8c are designated.
  • the layer block 2 according to FIG. 1 is represented schematically by a lower cover plate 9 and an upper cover plate 10 as well as by two layer plates 11, 12.
  • the sandwich panels 11, 12, also called laminations 11, 12, are contoured, d. H. they have flow channels and sealing edges 11a, 11b, 12a, 12b which are not provided with reference numerals and intersect at 90 °. All components are materially interconnected, preferably soldered and / or welded - as is apparent in detail from the aforementioned prior art, to which reference is hereby made.
  • the housing 7 in relation to the layer block 2 has a high heat resistance, ie the cover plates 9, 10 and the laminated plates or sheets 11, 12 have a lower heat resistance.
  • a soft and tough core is achieved for the layer block 2, which is able to elastically or plastically deform at high temperature-induced strains in the inner region, for example to buckle.
  • the housing 7, however, should not deform as much as possible due to its increased heat resistance and rigidity, but absorb the Reaktlons body resulting from the layer block.
  • the layer heat exchanger 1 in the periphery of a high-temperature fuel cell (SOFC), not shown, as used for the provision of electrical energy in motor vehicles as so-called APU (Auxiliary Power Unit) is used, in particular serves the Layer heat exchanger 1 in this case for the recovery of the exhaust gas heat of the fuel cell and the heating of process air for the SOFC.
  • SOFC high-temperature fuel cell
  • APU Advanced Power Unit
  • materials having different heat resistance values are selected for the housing 7 and the layer and cover plates 9, 10, 11, 12, with particular focus being placed on the hot-stretching limit Oo, 2.
  • the housing 7 that is to say the housing boxes 3, 4, 5, 6, a nickel alloy with the material no. 2.4856 and the material designation NiCr22Mo9Nb selected according to DIN EN 10095.
  • a material with lower heat resistance namely a high-temperature stainless steel, for. B. with the material no. 1.4876.
  • ferritic materials in particular Al-haitige ferritic materials can be advantageously used for the cover sheets and laminations 9, 10, 11, 12 of the layer block 2, z. B. with the tool numbers 1.4725 or 1.47 ⁇ 7, which correspond to the material designations CrAH 4 4 and CrAI20 5 according to DIN 17470.
  • a ferritic core of the layer block would also be a cheaper housing material advantageous, namely an austenitic high temperature stainless steel, z. B. with the material numbers 1.4876 or 1.4835 or a ferritic stainless steel such as the 1.4750.
  • the aforementioned measures of different materials for housing and sheets can be supported by structural measures, in particular by the choice of wall thicknesses.
  • the wall thickness of the housing 7 or the GeHousekarste ⁇ 3, 4, 5, 8 as high as possible and the wall thickness of the cover and laminations 9, 10, 11, 12 selected as low as possible.
  • a wall thickness of approximately 1.5 mm is provided for the housing 7 and a wall thickness of approximately 0.3 mm for the metal sheets.
  • Such a choice of different wall thicknesses would support the above-mentioned choice of different materials or enhance the effect of the invention.
  • the wall thickness of the housing ie of box and cover sheet materials are possible. lows chosen low, for example, to 1, 0 mm or even 0.5 mm, compared to the 0.3 mm or 0.4 mm thick laminated sheet material.
  • the advantage of this is that the rapid heating of the block formed from laminations, the temperature difference to the housing is low and thus the thermo-mechanical stresses are low.
  • the relative rigidity of the housing must then be achieved through the thermal strengths of the materials used for the same.
  • An exemplary combination of materials would be for the housing (box and cover plates) a highly heat-resistant Ni-base material, such as 2.4856 or 2.4851 and for the laminations (folding plates) of the block low heat. but ductile Fe ⁇ itischer stainless steel. Particularly preferred are Al-containing ferritic stainless steels because of their good high temperature corrosion resistance and low Cr evaporation.
  • the abovementioned measures according to the invention can be supplemented and supported by a suitable joining technique for the layer block 2.
  • a suitable joining technique for the layer block 2 According to a first A ⁇ s enclosuresbeispiel provided that the layer block 2 is soldered only the front side, which is known per se, through the DE 10 2007 008 341 A1 of the applicant.
  • the subject matter of this document is incorporated in full in the disclosure of the present application.
  • Veriötung, d. H. a waiver of a full-surface Veriötung the laminations results in a softer, d. H. movable core, since the individual laminations can glide together in the core area. There are thus no discrete flow channels more available, as could emerge from Fig.
  • the same material for the housing 7 and the cover and laminations ⁇ , 10, 11th 12th to choose, if it is ensured at the same time that the housing 7 has a sufficiently greater heat resistance than the layer block 2 and the cover and laminations 9, 10, 11, 12. This can - as stated above - be achieved by appropriate choice of wall thicknesses and / or the appropriate joining technology.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schichtwärmeübertrager (1) für hohe Temperaturen, Umfassend einen Schichtbleche (11, 12) und Deckbleche (9, 10) aufweisenden Schichtblock (2) sowie ein den Schichtblock (2) aufnehmendes Gehäuse (7). Es wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse (7) eine hohe Warmfestigkeit, verbunden mit einer hohen Steifigkeit, und der Schichtblock (2) einen relativ zum Gehäuse (7) weichen und zähen Kern aufweisen.

Description

Schlchtwärmeübertrager für hohe Temperaturen
Die Erfindung betrifft einen Schichtwärmeübertrager für hohe Temperaturen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Schichtwärmeübertrager sind bekannt - sie bestehen aus einem Schichtblock, der aus gestapelten Schicht- und Deckblechen aufgebaut ist und dem Wärmeaustausch zwischen zwei Medien dient, sowie einem Gehäuse, wel- ches den Schichtblock aufnimmt, abdichtet sowie Anschlüsse für die Zufuhr und Abfuhr der Medien aufweist. Derartige Schichtwärmeübertrager zeichnen sich durch eine hohe spezifische Wärmeübertragungsleistung, bezogen auf ihr Volumen, aus.
Durch die DE 103 28 274 A1 der Anmelderin wurde ein derartiger Schichtwärmeübertrager sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt. Der Schichtblock des bekannten Wärmeübertragers weist Trenn- und Deckplatten auf, welche vollflächig, d. h. an ihren Kontaktstellen miteinander verlötet sind. Dadurch entsteht ein relativ steifer Schichtblock, der mit dem Ge- häuse verschweißt und/oder verlötet wird. Ein ähnlicher Schichtwärmeübertrager wurde durch die DE 10 2007 006 615 A1 bekannt. Durch die DE 10 2006 011 508 A1 der Anmelderin wurde ein Schichtwärmeübertrager mit einem Schichtblock aus Schichtblechen bekannt, welche einen um 180° umgebogenen Randbereich aufweisen, der stoffschlüssig mit einem ähnlichen Randbereich eines benachbarten Schichtblechs verbunden wird, insbesondere durch Löten unter Verwendung von Lotklebestreifen. Dadurch wird der Vorteil eines Schichtwärmeübertragers mit einem hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften relativ weichen Schichtblock geschaffen, der aber trotzdem eine hohe Dichtigkeit aufweist.
Durch die DE 10 2007 008 341 A1 der Anmelderin wurde ein Schichtwärmeübertrager zur Verwendung als Hochtemperatur- Wärmeübertrager, insbesondere in der Peripherie einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell = SOFC) bekannt. Derartige Hochtem- peratur-Brennstoffzellen werden zur Bereitstellung von elektrischer Energie in Kraftfahrzeugen als so genannte APU (Auxiliary Power Unit) eingesetzt. Wärmeübertrager für SOFC dienen beispielsweise der Aufheizung von Prozessluft und werden mit heißen Verbrennungsgasen in einem Temperaturbe- reich von ca. 950° Celsius beaufschlagt. Diese stark und schnell wechselnde Temperaturbeaufschlagung führt in der Wärmeübertragerstruktur zu ther- momechanischen Spannungen, welche zu Problemen hinsichtlich der Dichtigkeit des Schichtblockes im Inneren und einer Dichtigkeit des Wärmeübertragers nach außen führen. Um diesem Problem zu begegnen, wurde bei dem durch die DE 10 2007 008 341 A1 bekannten Schichtwärmeübertrager vorgeschlagen, den Schichtblock nur stirnseitig zu verlöten, sodass jegliche Innere Veriötung der Schichtbleche vermieden wird. Vorteilhaft bei einem derartig nur außen verlöteten Schichtblock ist, dass die Schichtbleche den Spannungen besser durch elastische oder gegebβnβn- falls plastische Verformungen ausweichen können. Dies führt zu einer Verringerung der Schäden; reicht aber nicht aus.
Eine andere Lösung des Problems der thermisch bedingten mechanischen Spannungen wurde von der Anmelderin in der DE 10 2007 056 182 A1 für einen Schichtwärmeübertrager vorgeschlagen, wobei der Schichtbiock innerhalb des Gehäuses durch eine Entkopplungsvorrichtung elastisch abgestützt ist. Thermisch bedingte Dehnungen des Schichtblockes, der in sich steif ist, werden durch die Entkoppelungsvorrichtung, z. B. in Form von Mineralfasermatten kompensiert und somit vom Gehäuse ferngehalten. Der Schichtblock ist quasi schwimmend innerhalb des Gehäuses gelagert und kann vorteilhaft für hohe Temperaturdifferenzen bis zu 900° Celsius eingesetzt werden. Nachteilig ist hier Jedoch die konstruktionsbedingt hohe innere Leckrate des Wärmeübertragers.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schichtwärmeübertrager der eingangs genannten Art derart zu gestalten und auszulegen, dass er hohen Temperaturen, insbesondere zyklisch auftretenden Temperaturwechsel- beanspruchungen bis ca. 950° Celsius standhält, sodass eine hinreichende innere Dichtigkeit, insbesondere jedoch eine absolute Dichtigkeit des Wärmeübertragers nach außen während des Betriebes gewährleistet ist. Die äußere Dichtigkeit ist beispielsweise bei der Anwendung des Wärmeübertragers für SOFC-Systemβ besonders wichtig.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist der Schichtwärmeübertrager durch ein Gehäuse mit hoher Warmfestigkeit und Steifigkeit sowie einen Schichtblock mit einem relativ zum Gehäuse weichen und zähen Kern gekennzeichnet. Das Gehäu- se bildet somit gegenüber dem Schichtblock ein relativ steifes Widerlager, welches aufgrund seiner erfind ungsgemäßen Auslegung, insbesondere bei hohen Temperaturen in der Lage ist, die vom Schichtblock ausgehenden, thermisch bedingten Dehnungskräftβ aufzunehmen. Aufgrund dieses festen Widerlagers wird sich der weiche und zähe Kern des Schichtblockes elas- tisch oder auch teilweise plastisch - was in Kauf genommen wird - verformen. Es hat sich überraschend gezeigt, dass die innere Undichtigkeit des θrfindungsgemäßθn Schichtwärmeübertragers deutlich geringer ist als bei den oben genannten bekannten Schlchtwärmeübertragern. Die innere Undichtigkeit entsteht im Betrieb, z. B. bei der Verwendung des Wärmeübertragers in der Peripherie einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, dadurch, dass beim Kaltstart 900 bis 950° Celsius heißes Gas auf den kalten Schichtblock trifft. Die dünnen Schichtbleche heizen sich schneller auf als das dickere Gehäusematerial, sodass durch die so vorgegebene thermische Ausdehnung ε der Bleche entsprechend dem Hookeschen Gesetz eine Kraft F - E • ε (E = Elastizitätsmodul) auf das Gehäuse entsteht. Wenn das Ge- häuse erfindungsgemäß eine ausreichend hohe Warmfestigkeit der durch die Bleche ausgeübten Kraft entgegensetzt, werden sich eher die Schicht- bleche im Inneren {des Schichtblockes) elastisch oder plastisch verformen und dadurch die Kraft abbauen. Dabei wird in Kauf genommen, dass die Schichtbleche im Inneren bei oftmaliger Wiederholung des Kaltstarts gegebenenfalls beschädigt werden, d. h. erfindungsgemäß wird eine relative innere Undichtigkeit zugelassen. Vorteilhaft ist, dass die Beschädigungen lokal begrenzt sind, und zwar auf die Bereiche, die die höchsten Temperaturen erreichen. Dies begrenzt die Innere Undichtigkeit. Inwieweit sich eine innere Undichtigkeit im Betrieb ausbildet, hängt von der Wahl der Werkstoffe, insbesondere des Werkstoffs des Schichtblechs ab. Die äußere Dichtigkeit ist jedoch zwingend gewährleistet, d. h. es wird in jedem Falle verhindert, dass 950° Celsius heiße Gase, die auch Wasserstoff enthalten können, nach außen austreten.
Im Folgenden werden beispielhaft Werkstoffe und konstruktive Ausführungen für Gehäuse und Schicht- und Deckblech genannt, die den vorgenannten Kriterien genügen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse aus einem Werkstoff mit einer hohen Warmfestigkeit hergestellt. Unter hoher Warmfestigkeit ist eine hohe Warmstreckgrenze σo.∑ zu verstehen. Bevorzugt sind dies Nickel-Legierungen, insbesondere ein gut verfügbarer hochwarmfeεter Werkstoff mit der Werkstoff-Nr. 2.4856 gemäß DIN EN 10095 und der Werkstoff- bezeichnung NiCr22Mo9Nb. Dieser Werkstoff zeichnet sich durch ein gutes mechanisches Verhalten bei Temperaturen über 500° Celsius aus. So liegt die Streckgrenze dieses Materials bei 9000C bei hohen 200 N/mm2.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können als Werkstoffe für das Gehäuse auch austenitische Hochtemperaturedelstähle mit der Werkstoff-Nr. 1.4876 und der Werkstoffbezeichnung XIONiCrAITi 32-20 oder mit der Werkstoff-Nr. 1.4835 verwendet werden. Diese Werkstoffe sind kostengünstiger als die vorgenannte Nickellegierung, weisen allerdings nicht die sehr hohe Warmfestigkeit des Werkstoffes mit der Werkstoff-Nr. 2.4856 auf. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Deck- und Schichtbleche aus einem Werkstoff hergestellt, der gegenüber dem Werkstoff des Gehäuses eine geringere Warmfestigkeit, insbesondere eine geringe Warmstrθckgrenzβ OΌ,2 aufweist. Durch diese Paarung von Werkstoffen unterschiedlicher Warmfestigkeit für das Gehäuse einerseits und den Schichtblock andererseits wird das oben genannte Dehnverhalten des SchichtbJockes bei hohen Temperaturbeanspruchungen erreicht, d. h. es werden eine hinreichende innere Dichtigkeit und eine vollständige äußere Dichtigkeit sichergestellt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird für den Werkstoff der Schicht- und Deckbleche ein Hochtemperaturedelstahl mit der Werkstoff- Nr. 1.4876 und der Werkstoffbezeichnung XIONiCrAITi 32-20 gewählt, welcher besonders auf den oben erwähnten Gehäusewerkstoff mit der Nr. 2.4856 abgestimmt ist. Sollte der Schichtblechwerkstoff 1.4876 zu inakzeptabel großen inneren Beschädigungen führen, kann auch ein relativ kostengünstiger Ni-Basiswerkstoff wie der 2.4851 (NiCr23Fe) als Schichtblechma- terial verwendet werden. 2.4851 weist gegenüber 1.4876 eine höhere Warmfestigkeit auf, jedoch eine niedrigere als 2.4656.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann für den Werkstoff der Schicht- und Deckbleche auch ein ferritischer Werkstoff gewählt werden. Mit Blick auf die Anwendung des Schichtwärmeübertragers in der Peripherie der SOFC wird als ferritischer Werkstoff insbesondere ein Al-haltiges Materi- al gewählt, da dieses Material eine hohe Hochtemperaturkorrosionsbestän- digkeit und niedrige Cr-Abdampfung aufweist. Beispielsweise ist ein Werkstoff mit der Werkstoff-Nr. 1.4725 gemäß DIN 17470 und der Werkstoffbezeichnung CrAH 44 geeignet.
Alternativ kann ein weiterer ferritischer Werkstoff mit der Werkstoff-Nr. 1.4767 gemäß DIN 17470 und der Werkstoffbezeichnung CrAI20 5 gewählt werden. Diese ferritischen Werkstoffe sind besonders vorteilhaft bei einer Paarung mit den oben genannten austenltischen Gehäusewerkstoffen mit den Werkstoff-Nummern 1.4876 (Werkstoffbezeichnung: XIONiCrAITi 32-20) oder 1.4335. Ein Vorteil bei der Verwendung von ferritischen Edelstahlen für Schicht- und Deckblechθ ist deren hohe Bruchdehnung, d.h. die Schichtble- che verformen sich zwar plastisch, weisen aber wegen ihrer großen Warm- duktilität nur eine geringfügige Neigung auf, Undichtigkeiten wie Risse zu entwickeln. Es soll betont werden, dass die üblichen Vorbehalte bezüglich unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten beim Verschweißen von Ferriten und Austenlten hier nicht zum Tragen kommen, da die Ausdehungskoeffizienten der hier gewählten ferritischen FeCrAI- und der austenitischen Ni-Legierungen nur geringe Unterschiede aufweisen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann bei Verwendung der vorgenannten ferritischen Materialien für Schicht- und Deckbleche vorteilhaft auch ein besonders relativ hochwarmfester ferritischer Werkstoff wie beispielsweise der 1.4750 für das Gehäuse gewählt werden.
Alternativ oder auch kumulativ zu den vorgenannten Werkstoffpaarungen können für das Gehäuse einerseits und die Schicht- und Deckbleche andererseits unterschiedliche Wandstärken gewählt werden, d. h. eine große Wandstärke für das Gehäusematerial und eine erheblich geringere Wandstärke für das Blechmaterial. Durch diese Dimensionierung der Wandstärken werden ein steifes Gehäuse und ein weicher, elastisch verformbarer Kern des Schichtblockes mit den vorgenannten Vorteilen einer inneren und äußeren Dichtigkeit erreicht.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Wandstärke des Ge- häuses ca. 1 ,5 mm und die der Schichtbleche ca. 0,3 mm. Die Wandstärke des Gθhäusematerials kann andererseits zur Wandstärke des Schicht- und Deckblechmaterials relativ gering sein, wenn die Warmfestigkeit des Gehäusematerials relativ zur Warmfestigkeit des Schichtblechmaterials hoch ist. Besonders bevorzugt ist es demgemäß, wenn das Gehäusematerial aus einem hochwarmfesten Werkstoff geringer Dicke, wie beispielsweise 2.4856 mit 1 ,0 mm oder 0,5 mm Wandstärke und das Schicht- und/oder Deckplat- tenmaterial aus einem weichen Material wie die vorher genannten FeCrAI- Legierungen besteht. Der besonders geringe Masseunterschied zwischen Gehäuse einerseits und Schicht- und Deckblechen andererseits führt zu be- sondβrs niedrigen thermischen Spannungen. Ein AI-Gehalt von ≥ 2 %t besonders bevorzugt ≥ 3 % ist hierbei besonders dienlich.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform Ist alternativ oder kumu- lativ vorgesehen, dass die Schicht- und Deckblβche nur stirnseltig an ihren
Dichtkanten stoffschlüssig miteinander verbunden werden, vorzugsweise durch Löten oder Schweißen. Stege oder Noppen, die sich im Inneren des
Wärmeübertragers befinden oder von außen ins Innere des
Wärmeübertragers führen, sollen somit nicht oder zumindest in möglichst geringem Umfang stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Damit wird der Vorteil erreicht, dass der Schichtblock nach außen sicher abgedichtet ist und innen in seinem Kern welch und elastisch verformbar bleibt.
In einer alternativen Bauform sind das Gehäuse und die Deckbleche aus demselben hochwarmfesten Material und lediglich die Schichtbleche sind aus dem weichen Werkstoff.
Schließlich können nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform Gehäuse sowie Schicht- und Deckbleche aus demselben Werkstoff hergestellt sein. Dabei kann der weiche Kern des Schichtblocks durch eine geringere Blechwandstärke gegenüber der Wandstärke des Gehäuses und/oder durch stimseitiges Vertöten oder Verschweißen des Schichtblockes erreicht werden.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Schichtwärmeübertragers erweist sich insbesondere in der Peripherie einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, bevorzugt bei Kraftfahrzeugen als vorteilhaft, um die dort geltenden strengen Auflagen im Hinblick auf eine innere und äußere Dichtigkeit des Wärmeübertragers zu erfüllen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen Schichlwärmeübertrager in Explosivdarstellung und Fig. 1a einen Schichtblock in Explosrvdarstellung. FIg. 1 zeigt einen Schichtwärmeübertrager 1 in Explosivdarstellung. Ein solcher Schichlwärmeübertrager 1 ist hinsichtlich seines Aufbaus aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt. Im Inneren des Schichtwärmeϋbertragers 1 ist ein teilweise dargestellter Schichtblock 2 angeordnet, welcher im Kreuzstrom von zwei Medien durchströmbar ist. Der Schichtblock 2 wird von vier Gehäusekästen 3, 4, 5, 6 aufgenommen, welche ihrerseits Anschlussstutzen 3a, 4a, 5a, 6a für die Zufuhr und die Abfuhr der den Schichtblock 2 durchströmenden Medien aufweisen. Die vier Gehäusekästen 3, 4, 5, 6 einschließlich der Anschlussstutzen 3a, 4a, 5a, 6a werden im Folgenden auch zusammenfassend als Gehäuse 7 bezeichnet. Schichtblock 2 und Gehäuse 7 sind insgesamt durch zwölf Schweißnähte miteinander verbunden, von denen beispielhaft die Schweißnähte 8a, 8b, 8c bezeichnet sind.
In Flg. 1a ist der Schichtblock 2 gemäß Fig. 1 schematisch durch eine untere Deckplatte 9 und eine obere Deckplatte 10 sowie durch zwei Schichtplatten 11, 12, dargestellt. Die Schichtplatten 11 , 12, auch Schichtbleche 11 , 12, genannt, sind konturiert ausgebildet, d. h. sie weisen (nicht mit Bezugzahlen versehene) sich unter 90° schneidende Strömungskanäle und Dichtkanten 11a, 11 b, 12a, 12b auf. Sämtliche Bauteile sind stoffschlüssig miteinander verbunden, vorzugsweise gelötet und/oder geschweißt - wie dies im einzelnen aus dem eingangs genannten Stand der Technik hervorgeht, auf welchen hiermit verwiesen wird.
Erfindungsgemäß weist das Gehäuse 7 in Relation zum Schichtblock 2 eine hohe Warmfestigkeit auf, d. h. die Deckplatten 9, 10 sowie die Schichtplatten oder -bleche 11 , 12 weisen eine geringere Warmfestigkeit auf. Dadurch wird für den Schichtblock 2 ein weicher und zäher Kern erreicht, welcher in der Lage ist, sich bei hohen temperaturbedingten Dehnungen im inneren Bereich elastisch oder plastisch zu verformen, beispielsweise zu wölben. Das Gehäuse 7 dagegen soll sich aufgrund seiner erhöhten Warmfestigkeit und Steifigkeit möglichst nicht verformen, sondern die aus dem Schichtblock resultierenden Reaktlonskräfte aufnehmen. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Schichtwärmeübertrager 1 in der Peripherie einer nicht dargestellten Hoch- temperatur-Brennstoffzelle (SOFC), wie sie für die Bereitstellung von elektrischer Energie in Kraftfahrzeugen als so genannte APU (Auxiliary Power Unit) eingesetzt wird, verwendet, insbesondere dient der Schichtwärmeübertrager 1 dabei zur Rückgewinnung der Abgaswärme der Brennstoffzelle und der Aufheizung von Prozessluft für die SOFC. Eine derartige Brennstoffzellen- anlage wurde durch die US 2003/0031904 A1 bekannt. Die Abgase der SOFC treffen mit einer Temperatur von ca. 950° Celsius auf die Struktur des Schichtwärmeübertragers 1 , In welchem die Prozessluft für die Kathode der SOFC auf ca. 750° Celsius aufgeheizt werden soll. Dies würde insbesondere Im Kaltstartfall zu starken thermomechanlschen Spannungen in der Wärmeübertragerstruktur führen. Aufgrund des zähen und weichen Kerns des erfindungsgemäß ausgelegten Schichtwärmeübörtragers 1 können diese Spannungen jedoch durch eiastische oder plastische Verformungen des Kerns abgebaut werden. Der Schichtblock 2 stützt sich dabei an dem hoch- warmfesten Gehäuse 7 ab, welches die Reaktionskräfte aufnimmt, ohne sich dabei signifikant zu verformen. Der Schichtwärmeübertrager 1 bleibt daher in jedem Fall nach außen dicht, sodass keine heißen Abgase aus dem System austreten können. Möglich ist, dass die Schichtbleche über ihre Streckgrenze hinaus, d. h. bleibend verformt werden. Dies kann jedoch in Kauf genommen werden, da derartige Beschädigungen lokal auf die Bereiche begrenzt sind, wo die höchsten Temperaturen erreicht werden. Dadurch ist die innere Undichtigkeit des Schichtwärmeübertragers 1 begrenzt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden für das Gehäuse 7 und die Schicht- und Deckbleche 9, 10, 11 , 12 Werkstoffe mit unterschiedlichen Warmfestigkeitswerten gewählt, wobei insbesondere auf die Warmstreck- grenze Oo,2 abgestellt wird. Bevorzugt wird für das Gehäuse 7, also die Gehäusekästen 3, 4, 5, 6 als Werkstoff eine Nickellegierung mit der Werk- stoff-Nr. 2.4856 und der Werkstoffbezeichnung NiCr22Mo9Nb gemäß DIN EN 10095 gewählt. Dagegen ist als Werkstoff für die Deck- und Schichtbleche 9, 10, 11 , 12 ein Werkstoff mit geringerer Warmfestigkeit, nämlich ein warmfester Hochtemperaturedelstahl, z. B. mit der Werkstoff-Nr. 1.4876 vor- gesehen. Der Gehäusewerkstoff mit der Werkstoff-Nr. 2.4856 weist bei 760° Colsius eine Streckgrenze von σo,2 = 345 MPa auf, während die entsprechende Warmstreckgrenze bei dem Blechmaterial mit der Werkstoff-Nr. 1.4876 bei nur 90 MPa liegt (1 MPA = 1 N/mm2) Wenn die im Betrieb auftretenden thermomechanischen Spannungen in den Blechen deren Streck- grenze übersteigen, werden diese Spannungen in den Blechen durch plastische Verformung abgebaut, während das Gehäuse allenfalls geringfügig elastisch verformt wird, d. h. am Gehäuse treten keinen bleibenden Schäden auf, der Schichtwärmeübertrager bleibt nach außen sicher dicht. Für höhere thermomechanischθ Ansprüche an das Schichtblechmaterial kann der Ni- Basis Werkstoff 2.4851 verwendet werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können für die Deck- und Schichtbleche 9, 10, 11 , 12 des Schichtblockes 2 auch ferritische Werkstoffe, Insbesondere Al-haitige ferritische Werkstoffe, vorteilhaft verwendet wer- den, z. B. mit den Werkzeugnummem 1.4725 oder 1.47Θ7, denen gemäß DIN 17470 die Werkstoffbezeichnungen CrAH 4 4 bzw. CrAI20 5 entsprechen. Für diese Blechwerkstoffe, d. h. einen ferritischen Kern des Schichtblockes wäre auch ein kostengünstigerer Gehäusewerkstoff vorteilhaft, nämlich ein austenitischer Hochtemperaturedelstahl, z. B. mit den Werkstoff- Nummern 1.4876 oder 1.4835 oder ein ferritischer Edelstahl wie der 1.4750.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die vorgenannten Maßnahmen unterschiedlicher Werkstoffe für Gehäuse und Bleche durch konstruktive Maßnahmen unterstützt werden, insbesondere durch die Wahl der Wandstärken. In einer Alternative werden die Wandstärke des Gehäuses 7 bzw. der Gehäusekästeπ 3, 4, 5, 8 möglichst hoch und die Wandstärke der Deck- und Schichtbleche 9, 10, 11 , 12 möglichst niedrig gewählt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist für das Gehäuse 7 eine Wandstärke von ca. 1 ,5 mm und für die Bleche eine Wandstärke von ca. 0,3 mm vorgesehen. Eine solche Wahl der unterschiedlichen Wandstärken würde die oben genannte Wahl von unterschiedlichen Werkstoffen unterstützen bzw. den erfindungsgemäßen Effekt verstärken.
In einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Wandstärke des Gehäuses, d.h. von Kasten- und Deckblechmaterlai mög- liehst niedrig gewählt, beispielsweise zu 1 ,0 mm oder gar 0,5 mm, im Vergleich zum 0,3 mm oder 0,4 mm dicken Schichtblechwerkstoff. Der Vorteil hierbei ist, dass beim schnellen Aufheizen des aus Schichtblechen gebildeten Blocks der Temperaturunterschied zum Gehäuse gering Ist und damit die thermomechanischen Spannungen niedrig sind. Die relative Steifigkeit des Gehäuses muss dann über die Warmfestigkeiten der für das Genauso verwendeten Materialien erreicht werden. Eine beispielhafte Kombination an Werkstoffen wären für das Gehäuse (Kasten- und Deckplatten) ein hoch- warmfestes Ni-Basis Material, wie beispielsweise 2.4856 oder 2.4851 und für die Schichtbleche (Falzbleche) des Blocks niedrigwarmfestes. aber duktiler feπitischer Edelstahl. Besonders bevorzugt sind dabei Al-haltige ferritische Edelstahle wegen ihrer guten Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit und der niedrigen Cr-Abdampfung.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die oben genannten erfindungsgemäßen Maßnahmen durch eine geeignete Fü- getechnik für den Schichtblock 2 ergänzt und unterstützt werden. So ist nach einem ersten Aυsführungsbeispiel vorgesehen, dass der Schichtblock 2 nur stirnseitig gelötet wird, was an sich bekannt ist, und zwar durch die DE 10 2007 008 341 A1 der Anmelderin. Der Gegenstand dieser Druckschrift wird vollumfänglich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen. Als Vorteil dieser stimseitigen Veriötung, d. h. ein Verzicht auf eine vollflächige Veriötung der Schichtbleche ergibt sich ein weicher, d. h. beweglicher Kern, da die einzelnen Schichtbleche im Kernbereich aufeinander glei- ten können. Es sind somit keine diskreten Strömungskanäle mehr vorhanden, wie dies aus Fig. 1a hervorgehen könnte. Ein elastisches Ausweichen gegenüber den im Betrieb auftretenden Thermospannungen wird somit unterstützt. Anstelle des Veiiötens besteht auch die Möglichkeit, den Schichtblock 2 lediglich an den Dichtkanten 11a, 11b, 12a, 12b (vgl. Fig. 1a) zu ver- schweißen und auf eine Veriötung völlig zu verzichten. Damit wird eine noch stärkere Beweglichkeit des Schichtblockes 2 bzw. seiner Schichtbleche 11 , 12 erreicht.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es möglich, den gleichen Werkstoff für das Gehäuse 7 und die Deck- und Schichtbleche θ, 10, 11. 12 zu wählen, wenn gleichzeitig sichergestellt ist, dass das Gehäuse 7 eine hinreichend größere Warmfestigkeit als der Schichtblock 2 bzw. die Deck- und Schichtbleche 9, 10, 11 , 12 aufweist. Dies kann - wie oben ausgeführt - durch entsprechende Wahl der Wandstärken und/oder der geeigneten Füge- technik erreicht werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ϋ c h e
1. Schichtwärmeübertrager (1 ) für hohe Temperaturen, umfassend einen
Schichtbleche (11 , 12) und Deckbleche (9, 10) aufweisenden Schichtblock (2) sowie ein den Schichtblock (2) aufnehmendes Gehäuse (7), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) eine hohe Warmfestigkeit, verbunden mit einer hohen Steifigkeit, und der Schichtblock (2) einen relativ zum Gehäuse (7) weichen und zähen
Kern aufweisen.
2. Schichtwärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) aus einem Werkstoff mit hoher Warmfes- tigkeit hergestellt ist.
3. Schichtwärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Gehäuses (7) eine Nickellegierung mit der Werkstoff-Nr. 2.4856 gemäß DIN EN 10095 und der Werkstoffbe- Zeichnung NiCr22Mo9Nb ist oder ein ferritischer Hochtemperaturedelstahl mit der Wβrkstoff-Nr. 1.4750.
4. Schichtwärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Gehäuses (7) ein austenitischer Hoch- temperaturedelstahl mit der Werkstoff-Nr. 1.4876 und mit der Werk- stoffbezeichnung XIONICrAITi 32-20 oder mit der Werkstoff-Nr. 1.4835 und mit der Werkstoffbezeichnung X9CrNiSiNCe 21-11-2 ist.
5. Schichtwärmeübertrager nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Deck- und Schichtbleche (9, 10, 11, 12) aus einem Werkstoff mit geringerer Warmfestigkeit als der Gehäusewerkstoff hergestellt sind.
6. Schichtwärmeübertrager nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Werkstoff für die Deck- und Schichtbleche (9,
10, 11 , 12) ein Hochtemperaturedelstahl mit der Werkstoff-Nr. 1 ,4876 mit der Werkstoffbezeichnung XIONiCrAITi 32-20 ist oder ein Ni- Basis Material mit der Werkstoff-Nr. 2.4851 mit der Werkstoffbezeich- nung NiCr23Fe.
7. Schichtwärmeübertrager nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff für die Deck- und Schichtbleche (9,
10, 11 , 12) ein ferritischer Werkstoff mit der Werkstoff-Nr. 1.4725 gemäß DIN 17470 und der Werkstoffbezeichnung CrAH 4 4 oder der Werkstoff-Nr. 1.4767 gemäß DIN 17470 mit der Werkstoffbezeich- nung CrAI20 5 ist.
8. Schichtwärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff für die Deck- und Schichtbleche AI mit einem Gehalt von ≥ 2 %, besonders bevorzugt von ≥ 3 % enthält.
9. Schichtwärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Gehäuses (7) im Hinblick auf die Wandstärke der Deck- und Schichtbleche (9, 10, 11 , 12) möglichst groß ist.
10. Schichtwärmeübertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Gehäuses (7) ca. 1,5 mm beträgt.
11. Schichtwärmeübertrager nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Deck- und Schichtbleche (9, 10,
11, 12) ca. 0,5 mm, bevorzugt 0,4 mm, besonders bevorzugt 0,3 mm beträgt.
12. Schichtwärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusewerkstoff aus einem besonders hochwarmfesten Material niedriger Wandstärke, insbesondere 2.4856 mit einer Dicke von 1 ,0 mm oder 0,5 mm, besteht und das Schicht- und Deckblechmaterial aus besonders welchem und dünnem Material, insbesondere einem ferritischen Werkstoff mit einer Dicke von 0,3 mm oder 0,4 mm, besteht.
Schichtwärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Gehäuse- und Deckblechmaterial aus demselben hochwarmfesten Material sind und die Schichtbleche aus dem weichen Werkstoff sind.
Schichtwärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deck- und Schichtbteche (9, 10, 11 , 12) des Schichtblockes (2) stirnseitig stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Schichtwärmeübertrager nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Deck- und Schichtbleche (9, 10, 11, 12) stirnseitig miteinander verlötet sind.
Schichtwärmeübertrager nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtbleche (11 , 12) Dichtkanten (11a, 11b, 12a, 12b) aufweisen und dass die Schichtbleche (11 , 12) im Bereich ihrer Dichtkanten (11a, 11b, 12a, 12b) miteinander verschweißt sind.
Schichtwärmeübertrager nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) und der Schichtblock (2) aus dem gleichen Werkstoff hergestellt sind.
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