NO853808L - Kryss-str¯mningsvarmeveksler. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en kryss-strømningsvarmeveksler av keramisk materiale. Ved overføring av varme ved høye temperaturer og/eller korrosive varmevekslere medier er det i den senere tid blitt foreslått oftere bruk av varmevekslere av keramisk materiale. Teknikkens stilling fremgår forøvrig av følgende skrifter:

Da slike varmevekslere er samtidig egnet for høye arbeids-temperaturer inntil 1.400°C og i avhengighet av det keramiske materialet, resistent mot aggressive medier egner de seg spesielt for anvendelse i slike tilfeller hvor aggressive gasser av høy varme blir avkjølt eller hvor disse skal bli oppvarmet. Slike keramiske varmevekslere kan også bli anvendt når aggressive, kondenserte faser oppstår ved kokepunktunderskridelse. Spesielle varmevekslermoduler, som beskrevet i sistnevnte publikasjon gjør seg bemerkbar ved en stor varmevekslerflate og blir billig etter den beskrevne fremstillingsmetoden. Ved vanlig kjente varmevekslere av metall er om overhode mulig, kun mulig å fremstille slike varmevekslere ved anvendelse av materialer av første klasse slik at varmeoverføringen kun er mulig med høye kostnader.

I nevnte DE 26 31 092 er det beskrevet et varmevekslerelement av keramisk materiale oppbygd av en modul. Ved materialvalg og ved valg av sjikttykkelse på skilleveggen mellom de enkelte kanalene, som sjiktvis er anordnet kryssende, er det blitt mulig å redusere skaderisikoen ved teraperaturvekselpåkjenninger, som ved tidligere kjente keramiske varmevekslere ofte oppsto, og samtidig har det vært mulig å maksimalisere varmevekslerflaten som står til rådighet for et gitt volum. For stortekniske anvendelser, spesielt ved gjennomgang av store volumer, fremkommer imidlertid for de enkelte elementene store rommessige dimensjoner. Fremstilling av slike store elementer gir imidlertid vanskeligheter da på ene siden de enkelte modulene består av "grønn" keramisk masse som etter sammensetningen må bli brent til et varmevekslerelement. Det er derfor nødvendig med store brennkammer og nøyaktige av-kjølingsmetoder for å unngå risp som følge av termospennin-ger. Dessuten kan slike store elementer kun bli transportert med store risikoer. Opptrer skader på slike store elementer er hele elementet uten verdi.

I det nevnte patentet er tilveiebrakt en forstørrelse av varmevekslerflaten og en forstørrelse av gjennomgangen av varmevekslermediumet ved at det er tilveiebrakt en dobbel-modul, som ved et system av skillevegger setter seg sammen til en større enhet. I patentpublikasjonen DE 27 07 290 beskrives en varmeveksler som er oppbygd av enkeltelementer, som blir sett sammen til en større enhet ved hjelp av mellomlagring av keramiske fibermaterialer. Her sørges for tildekning av sporene og stegene som varmevekslermediumet strømmer gjennom.

Utlegningsskriftet DE 29 34 973 beskriver ribbelag av keramisk materiale som er klebet sammen og på denne måten er det tilveiebrakt et varmevekslerelement. Dette varmevekslerelementet blir nå omgitt av et metallisk hus bestående av plater. Platene blir trykket mot sideflatene til varmevekslerelementet ved hjelp av bolter, skruer og fjærer idet tetningsmaterialet skal være fjærende og ettergivende. Sammensetningen av flere varmevekslerelement til en stor enhet blir ikke sørget for ved denne innretningen.

DE 25 10 893 beskriver også en rekuperator som er oppbygd av enkelte formstener. Her danner respektive to formstener en kanal for varmevekslermediumet. Først sammen med en tredje formsten fremkommer en kanal for et andre varmevekslermedium. Oppbygningen av en rekuperator foregår nå ifølge dette patentet ved at et tilstedeværende kammer blir muret opp med formstener og veggstener idet formstenene er forsynt med spor og fjærer. Kortslutningsstrømninger mellom begge varmevekslermediumene kan derved bli unngått ved muring med mørtel. Som følge av størrelsen på formstenene er varme-vekslerf laten sett i forhold til rekuperatorens volum forholdsvis lite. En reduksjon av kanalene, som betyr en økning av varmevekslerflaten i et gitt volum, er med de foreslåtte formstenene nærmest umulig da muringen med avtagende størrelse på formstenene blir stadig vanskeligere, og et interessant forhold mellom varmevekslerflåtene og rekuperatorvolumet kan ikke bli tilveiebrakt.

Også utlegningsskriftet DE 29 37 342 beskriver en enhet sammensatt av varmevekslerelementet, idet de enkelte komponentene blir spent mot hverandre ved hjelp av bolter, skruer og fjærer.

Europeisk patentsøknad nr. 0 043 113 beskriver en kryss-strømningsvarmeveksler som består av keramiske varmevekslermoduler, som eventuelt også blir trykt mot hverandre ved hjelp av en spenninnretning bestående av skruer, fjærer og bolter og således blir brakt i gasstett forbindelse.

Foreliggende oppfinnelse har til oppgave å tilveiebringe en innretning hvor kryss-strømningsvarmevekslerelementer blir sammenfattet til større enheter, slik at seg kryssende kanaler for varmevekslermediumet blir gasstett skilt fra hverandre. Varmeveksleren ifølge oppfinnelsen bygger på varmevekslerelementet beskrevet i patent DE 26 31 092. Dette elementet kjennetegnes ved inntil ca. 60 kryssende kanaler over hverandre ved en høyde på ca. 20 cm, idet respektive 30 kanaler forløper parallelt i forhold til hverandre og ved en lengde på ca. 30 cm opptil 10 kanaler ved siden av hverandre .

Løsningen på denne oppgaven består ifølge foreliggende oppfinnelse ved at ovenfor beskrevne varmevekslerelement blir modifisert slik at sjikttykkelsen til elementets øvre og nedre begrensningsflate samt stegene som danner de loddrettstående kantene forstørres så sterkt at en mekanisk bearbeidelse av alle flatene til varmevekslerelementet er mulig. Bearbeidelsen av de enkelte varmevekslerelementene resulterer deri at den blir forsynt med fordypninger eller forhøyninger omløpende ved kantene til alle sideflatene. Disse fordypningene hhv. forhøyningene er således utformet at fordypningene utgjør matrisen for forhøyningene. Til respektive ovenfor hverandre liggende sideflater av varmevekslerelementet befinner seg på den ene siden fordypninger og på den ovenfor liggende siden tilsvarende forhøyninger. Sideflatene blir dessuten forsynt med utsparinger ved alle dens kanter, hvis snitt danner en fjerdedel av omkretsen til en symmetrisk kanal når flere varmevekslerelementer skal bli sammenføyd. Ved bearbeidelse av sideflatene er de med åpning forsynte indre partier av sideflatene noe tilbakeforskjøvet i forhold til fordypningene hhv. forhøyningene slik at ved sammensetning av to varmevekslerelementer oppstår et omløpende lukket smalt kammer, slik at de enkelte kanalene ikke nødvendigvis må være anordnet nøyaktig dekningslikt foran hverandre. Den keramiske varmeveksleren ifølge oppfinnelsen er bygt opp som følgende: Et egnet hus f.eks. av metallisk materiale med i ett plan anordnede loddrett på hverandre stående gjennomføringer og påsatte stykker med tilslutningsflenser blir muret til med et temperaturbestandig isolerende og lite eller overhode ikke kompresserbart materiale. Bunnen av huset er plant og i husets deksel befinner seg en utsparing av størrelse til f.eks. krysningsflåtene til de seg kryssende gjennomførin-ger. På denne utsparingen er en krave fast forbundet med huset, som ved sin øvre kant er forsynt med en tetningsflate og kan bli gasstett lukket med et egnet deksel. På bunnen av dette huset blir nå anbrakt tørt eller i et mørtelleie de enkelte varmevekslerelementene bearbeidet i samsvar med foreliggende oppfinnelse, ved hvilken krysningsflåtene til gjennomstrømningselementene for elementet blir utfylt, hvorved de alle fire retninger anordningen rager inn i gjennomføringene eller hjørneelementene blir tilpasset i en utsparing i oppmuringen. Etter at det første laget med varmevekslerelementer er fullstendig fremstilt blir kanalen og fugene ved støtkantene lukket med en egnet masse. Det andre laget med varmevekslerelementet blir analogt oppbygd og fremstilt. På denne måten blir fortløpende oppbygningen fortsatt inntil det fullstendige tverrsnittet til alle gjennomgangene blir forsynt med varmevekslerelement. Etter at alle kanalene og fugene ved støtkantene til de enkelte varmevekslerelementene er lukket med en egnet masse, blir også utsparingene ved oversiden til varmeveksleren fylt med et varmebestandig og isolerende utmuringsmateriale og dekslet blir festet på kraven til varmevekslerhuset med en egnet tetning på kjent måte. Spesielt fordelaktig er metoden når det ved anvendelse av egnet materiale og egnet valg av sjikttykkelse kan termiske spenninger bli minimalisert ved eventuelt mer-sjiktig anordning eventuelt ved valg av materialer med forskjellige termiske utvidelseskoeffesien-ter. Varmevekslerhuset holdes forholdsvis kjølig eventuelt blir det til og med tvangskjølt. En utførelsesform retter seg mot at kjølingen av huset medfører at den termiske utvidelsen blir holdt mindre eller lik der enn den til anordningen av varmevekslerelementene. Dermed blir i driftstilfeller utøvd et press på anordningen av varmevekslerelementet, som sikrer at de enkelte elementene blir holdt i en posisjon og dannelse av risser eller andre utette steder, som kunne oppstå uten anvendelse av trykk, vil bli forhindret. Varmevekslerhuset må derfor ikke ha noen som helst slags form for spenninnretninger.

I tråd med oppfinnelsen blir også en keramisk lederanord-ning, som vist på fig. 3, anordnet foran sideplatene til anordningen av varmevekslerelementer, som avstøtter seg mot isolasjonssjikt hhv. mot huset og er egnet til overføring av presskrefter på de sentralt anordnede elementer.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et varmevekslerelement i samsvar med det som er vist i DE 26 31 092, men som er modifisert i samsvar med oppfinnelsen og ved over-flatebearbeidelse utformet på egnet måte. Fig. 2 viser til hverandre støtende hjørner av fire elementer i et snitt, idet snittet går gjennom en flate, som er antydet på fig. 1 ved linjen

A-A.

Fig. 3 viser en keramisk varmeveksler ifølge oppfinnelsen i snitt. Fig. 4 viser et horisontalsnitt gjennom et varmevekslerelement ifølge oppfinnelsen. Fig. 5 viser et snitt gjennom varmeveksleren ifølge

oppfinnelsen.

Fig- 6 viser de anordnede fordypninger og forhøyninger ifølge oppfinnelsen speilbildemessig anordnet i motsetning til den vist på fig. 2. Fig. 7 viser sentreringen av de enkelte varmevekslerelementene ved hjelp av en sentreringshylse. Fig. 8 viser en utførelsesvariant av støtkantene til de

fire varmevekslerelementene.

Varmevekslerelementet 3 som er vist skjematisk på fig. 1 har en terningsform. Synelig er vist to loddrettstående sideflater og den øvre vannrette sideflaten. I varmevekslerelement-råemnet forløper sideflatene før bearbeidelsen ifølge oppfinnelsen gjennom planene i hvilke ved ferdig bearbeidet varmevekslerelement overflaten til forhøyningene 14 ligger. De med åpninger for kanalene 5 hhv. 4 anbrakte deler ligger i de nye tilveiebrakte sideflatene med en avstand 15 fra den opprinnelige sideflaten innover forskjøvet. Disse sideflatene ligger i planene, antydet ved de stiplede linjene 7. Forhøyningen på den loddrettstående sideflaten har til å begynne med rettviklede tverrsnitt 6b og videre utover prismetverrsnitt 6a, idet forhøyningene avtar utover. Ved innløpsåpningen til mediumet 1, 2 ligger den rette vinkelen i prismetverrsnitt til forhøyningen på innsiden, mens den ved utløpssiden til mediumet 1, 2 ligger ved utsiden av forhøyningen.

Ved utløpssiden er det firkantede tverrsnittet til forhøy-ningen 12b og det prismeformede tverrsnittet betegnet med 12a. Den ytre flaten til uttreksplanet er forskjøvet bakover med en avstand 13 bak den prismeformede delen til forhøynin-gen. Mens flatene 6a, 12c går frem over utløpsflåtene er fordypningen kjennetegnet av benet til vinkelen 8, 9. Oversiden og undersiden til varmevekslerelementet har ingen åpning av strømningskanalene. Her f.eks. oversiden kjennetegnet av en fordypning, som er begrenset av kantlinjene 10 og nedsenket med en avstand 11. På undersiden er en ikke vist forhøyning, likeledes begrenset av kantene 10 og den rager med avstand 11 over undersiden. Fordypningen hhv. forhøyningen er for at flere varmevekslerelementer kan bli sett mot hverandre formsluttende.

På fig. 2, 4, 6 og 7 er vist et antall mulige utførelsesfor-mer av forhøyningen hhv. fordypningen 3. På fig. 7 er i motsetning til de tidligere beskrevne formene varmevekslerelementet forsynt ved loddrettstående sideflater feilsymmet-risk med i profil firkantede forhøyninger. En ring 16 ordner de enkelte varmevekslerelementene fluktende i forhold til hverandre. Ved til hverandre føying av de enkelte varmevekslerelementene oppstår en kanal 17b hhv. 17a som er utformet med et f.eks. i tverrsnitt rettvinklet kryss, idet kanalene blir lukket med tetningsmasse.

Fig. 5 viser f.eks. utformingen av en krysstrømningsvarme-veksler som inneholder en anordning av krysstrømningsvarme-vekslerelementer 3. Det er vist fire inn- hhv. utløpsstusser 18 med tilhørende flenstilslutninger 19 og et deksel 20, som

er forbundet fast og gasstett ved hjelp av skruer 21 med varmevekslerens legeme. Strømningspiler 1 og 2 antyder strømningsretningen til to seg kryssende varmevekslermedium. Varmevekslerelementene 3 er forbundet med hverandre i en strømningsretning via respektive kanaler 17 hhv. 17a. Kanalene til en strømningsretning er tettet ovenfor den andre strømningsretningen.

Fig. 8 viser en ytterligere utførelsesform skjematisk vist med snitt gjennom støtkantene til fire varmevekslerelementer 3. Mellom egnede utformede forhøyninger 14 hhv. utstrøm-ningsflater til hvert element, som er anordnet omløpende på alle sidene, blir lagt en tetningsstrimmel 23 hhv. et sjikt av rå keramisk masse og senere trykkløst eller under trykkstempeltrykk eller f.eks. ved hustrykk ved sentrerings-temperatur på egnet måte temperert, hvorved det oppstår en fast fugeløs og tett forbindelse av elementene (egnet er f.eks. en varm avgasstrøm).

Claims (3)

1. Kryss-strømningsvarmeveksler bestående av a) et metallhus med to gassinnløps- og gassutløpsstus-ser, b) minst et innbygningsdeksel på oversiden av huset, c) en blokk av et antall keramiske varmevekslerelementer forskyvningsfritt anbrakt i kvadratform med de seg kryssende overforhverandre sjiktanbrakte gasskanaler, hvorved fire sideflater har gasskanalåpninger og hvor bunnen- og dekselflater er åpningsfrie, d) en varmeisolasjon mellom metallhuset og blokken med de keramiske varmevekslerelementene, karakterisert ved at e) hvert varmevekslerelement ved alle fire kanalfrie sidekanter til respektive sideflater er forsynt med fordypninger hhv. forhøyninger, slik at ovenforhverandre liggende varmevekslerelementer presses inn i hverandre og sideflatene i gasskanalområdet ikke berører hverandre, slik at det oppstår et flatt hulkammer mellom tilliggende varmevekslerelementer, f) mellom respektive overforhverandre liggende fordypninger og forhøyninger er anordnet en tetningsstrimmel, g) hvert varmevekslerelement er ved bunn- og dekselflaten forsynt med minst en forhøyning hhv. fordypning med lik form for å kunne passe formsluttende inn i hverandre, h) varmeisolering mellom metallhuset og blokken til det keramiske varmevekslerelementet omslutter blokken formsluttende ved bunnen av dekslet og kraftsluttende i retning av gassinnløps- og gassutløpsstussene.

2 . Varmeveksler ifølge krav 1, karakterisert ved at fordypningen hhv. forhøyningen ved sidekanten til en sideflate er profilert og mellom dem oppstår en kanal, som er utført med et varmebestandig materiale.

3. Varmeveksler ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at foran hver blokk til varmevekslerelementet ved sideflatene er anordnet respektive støttegitterverk.