SE443228B - Roterande segmenterad sintrad keramisk vermevexlare och sett for dess framstellning - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 7 9 0 7 9 9 9 - 2 2 släta hos de celler, varigenom fluidum skall ledas, och eftersom vidare döda utrymmen har benägenhet att bildas mellan de korrugerade och plana arken, är det svårt att få fluiduet att strömma enhetligt i de döda utrymmena, vilket leder till stort tryckfall,och en hög värmeväxlingseffektivitet kan inte förväntas. Den sistnämnda konstruktionen är också ofördelaktig i det att delaminering tenderar att inträffa vid bindnings- ställena mellan ribborna och den bakre banan, varför dess mekaniska styrka är otillfredsställande och kon- struktionen tenderar att skadas av den termiska på- känning den utsätts för vid användning.

Föreliggande uppfinning avser att åstadkomma en keramisk värmeväxlare av regeneratortyp, vilken värme- \ växlare saknar nackdelarna vid den kända tekniken och har utmärkt värmeväxlingseffektivitet, litet tryckfall och är motståndskraftig mot värmepåkänningar.

Föreliggande uppfinning kännetecknas av en mono- litiskt integrerad bikakestruktur, som erhålles genom att åstadkomma ett flertal matrissegment, som har bi- kakestruktur och som är gjorda av ett keramiskt material och formade medelst strängpressningsteknik, varvid matrissegmenten sintras, sammanbinds med varandra genom att applicera ett keramiskt bindemedel så att man erhål- ler en tjocklek av 0,1-6 mm efter sintring, varvid det keramiska bindemedlet efter den påföljande sintringen har väsentligen samma mineralsammansättning som matris- segmentet och en skillnad i värmeutvidgning av högst 0,1 % vid 800°C relativt de keramiska segmenten, var- jämte den sammanbundna strukturen underkastas till- fredsställande torkning och sintring. Föreliggande upp- finning åstadkommer också ett sätt att tillverka en roterande keramisk värmeväxlare av den ovannämnda typen.

Föreliggande uppfinning skall beskrivas mera i detalj i det' föijanae.

Ett keramiskt råmaterial, såsom kordierit eller mullit, vilket har relativt liten värmeutvidgningskoef- ficient, strängpressas till bildning av ett matrissegment 10 15 20 25 30 35 7907999-2 3 med bikakestruktur, vilken bikakestruktur har vilken som helst cellulär tvärsektionsform, såsom triangulär, fyrkantig (inbegripet kvadratisk och rektangulär) eller 6-kantig. Därefter solidifieras segmentet genom sintring och ett flertal dylika segment framställs och behandlas för att skapa en konfiguration som är lämplig som roterande keramisk värmeväxlare av den avsedda regeneratortypen. De sålunda framställda segmenten sammanbinds genom att applicera ett keramiskt bindemedel till de delar av segmenten som skall sammanbindas. Det applicerade keramiska bindemedlet bör vid sintring ha väsentligen samma mineralsammansättning som den hos matrissegmentet samt ha en skillnad i värmeutvidgning mellan bindemedlet och det keramiska segmentet av stor-\ leksoraningen högst 0,1 s vid soo°c. Det keramiska binde- medlet appliceras så att tjockleken efter sintring är av storleksordningen 0,1-6 mm. De med bindemedel för- sedda matrisstrukturerna, som är sammanbundna med var- andra, torkas därefter tillräckligt och sintras tills bindemedlet har sintrat tillfredsställande och stelnat för att skapa en monolitisk bikakestruktur. När den sålunda erhållna bikakestrukturen används som roterande värmeväxlare av regeneratortyp har den_befunnits ha utmärkt värmeväxlingseffektivitet, ringa tryckfall och vara motståndskraftig mot termisk påkänning.

Eftersom matrissegmenten, som utgör den keramiska värmeväxlaren enligt föreliggande uppfinning, är bildade medelst strängpressningsteknik, är den cellulära struk- turen enhetlig och cellytorna är släta i en axialrikt- ning, längs vilken ett fluidum passerar, vilket medger obehindrad passage av fluidum därigenom med minimerat tryckfall liksom utmärkt värmeväxlingsförmåga. _ _ Ett viktigt drag hos föreliggande uppfinning ligger i en teknik för sammanbindninganrett flertal keramiska segment, som erhållits genom strängpressningen. Enligt uppfinningen sker sammanbindníngen av ett flertal keramiska segment genom användning av keramiskt binde- medel av den ovan angivna typen. Det är väsentligt att 10 15 20 25 30 35 7907999-2 4 det keramiska bindemedlet vid sintring har väsentligen samma mineralsammansättning som matrissegmentet, och en skillnad i värmeutvidgning däremellan av högst 0,1 % vid 800°C samt en tjocklek av 0,1-6 mm efter sintringen. Man har funnit att bindemedelsportionerna efter sintringen har en mekanisk styrka samt en mot- stândskraft mot termisk påkänning som är lika med eller större än för segmentmatrisdelarna, vilket säkerställer framställning av en roterande keramisk värmeväxlare som har utmärkt värmeväxlingsförmâga och litet 'tryck- fall. Det här använda uttrycket "tjocklek" i samband med de sammanbindande delarna är avsett att betyda den totala tjockleken av tunna väggar hos intilliggande matrissegment som skall sammanbindas med varandra samt , tjockleken hos bindemedlet efter sintring. I det fall då ytan hos matrissegmentet som skall sammanbindas är oregelbunden, såsom visas i fig 4-6, kan den samman- bindande tjockleken definieras som den tjocklek som erhålles genom att dividera en tvärsektionsarea hos den sammanbindande delen med dess längd. När hålrum förefinnes i den bindande arean hos ett segment, såsom visas i fig 6, definieras den sammanbindande tjock- leken såsom varande fri från dylika hâlrum.

Vidare avser uttrycket "väsentligen samma mineral- sammanstättning som hos matrissegmentet efter sintring" att det keramiska bindemedlet har samma mineralbe- stândsdelar och halt av sådana beståndsdelar som ma- trissegmentet, bortsett från eventuella föroreningar i en totalmängd av högst l %. Användningen av ett sådant bindemedel säkerställer hög bindningsstyrka till matris- segmenten och liten skillnad i värmeutvidgningskoeffi- cient. En bindningstjocklek av mer än 6 m efter sin- frontarean tringen är inte gynnsam, eftersom den öppna och sektionsarean för passage av fluidum minskar, Vilket resulterar i ett ökat tryckfall och en minskning av värmeväxlingseffektiviteten. På grund av krympningen hos det bindade skiktet vid sintring tenderar dessutom ma- trissegmenten att separera vid de sammanbindande delarna 10 15 20 25 30 35 7907999-2 5 och därför är en större tjocklek hos det sammanbindande skiktet inte gynnsam. När tjockleken hos den samman- bindande delen är större än 6 mm inträffar vidare en skillnad i sintringsförmâgan vid den sammanbindande delen och matrisdelen och den sammanbindande delens värmeutvidgning blir större och motstândskraften mot termisk påkänning sjunker, varför en sådan struktur inte är föredragen. När en sådan struktur används som roterande regenerator förorsakas lokal termisk pâkän- U ning på grund av skillnaden i värmekapacitet hos matris- delen och den sammanbindande delen och motståndskraf- ten mot termisk pâkänning sjunker. Mindre tjocklek än O,l mm har den nackdelen att separation tenderar att äga rum vid síntring i samanbundna områden på grund , av otillräcklig mekanisk styrka i det sammanbundna området och på grund av att motståndskraften mot ter- misk påkänning sjunker, När skillnaden i värmeutvidgning mellan bindemedlet och det keramiska matrissegmentet är större än 0,1 % vid.800°C sjunker motstândskraften mot termisk pâkänning l vid den sammanbindande delen på ett oönskat sätt. Före- trädesvis ligger det sammanbindande skiktets eller delens tjocklek i omrâdet 0,5-3 mm och skillnaden i värmeutvidgning är av storleksordningen högst 0,05 % vid 800°C med hänsyn till värmeväxlingseffektivitet, tryckfall och motståndskraft mot termisk påkänning.

Det keramiska bindemedel som appliceras på matris- segmenten, har formen av en keramisk pasta, som är sam- mansatt av keramiskt pulver, ett organiskt bindemedel samt ett lösningsmedel. Lösningsmedlet kan vara ett' vattenhaltigt eller organiskt lösningsmedel, beroende på typen av organiskt bindemedel som används. Det kera- miska pulvret kan utgöras av ett pulver, som efter sin-- tring har väsentligen samma mineralsammansättning som matrissegmentet samt en skillnad i värmeutvidgning mot matrissegmentet av högst 0,1 % vid 800°C. Exempel på keramiska pulver är obehandlade pulver, såsom talk, kaolin och aluminiumhydroxid, kalcinerade pulver, såsom 10 15 20 25 30 35 7907999-2 6 kalcinerad talk, kalcinerad kaolin och kalcinerad alu- miniumoxid, sintrade pulver, såsom kordierit, mullit och aluminiumoxid, samt blandningar därav.

För att förbättra bindningsstyrkan föredrages det att den sammanbindande arean ökas genom att göra matri- sens sammanbindande yta rå eller oregelbunden, såsom visas i fig 4-6.

Om hålrum förefinnes i vissa sektioner hos den sam- manbindande delen eller genom den sammanbindande delen utmed cellens längd, såsom visas i fig 6, är det önsk- värt att hålrumsarean är högst hälften av den samman- bindande arean i den sammanbindande delen hos varje sektion.

Följande exempel belyser ytterligare föreliggande. uppfinning.

EXEMPEL 1 Ett kordieritrâmaterial användes för att genom strängpressning bilda keramiska segment med'cellulär struktur med triangulär form och en delning av 1,4 mm samt en väggtjocklek av 0,12 mm, följt av sintring i en tunnelugn vid 140000 under 5 h för bildning av 35 matrissegment, som vardera hade en storlek av 130 x 180 x 70 mm. De 35 segmenten arrangerades och behandlades delvis på den yttre omkretskanten så att man efter sammanbindning erhöll en värmeväxlare av roterande regeneratortyp med avsedd form. Därefter applicerades ett pastaformigt keramiskt bindemedel, som efter sintring alstradeettkordieritmineral, på de individuella segmenten så att det bindande skiktets tjocklek efter sintring var 1,5 mm, varpå det hela sammanfogades. Den erhållna, sammanfogade kroppen tor- kades tillräckligt och sintrades i en tunnelugn vid 140000 i 5 h till bildning av en roterande värmeväxlare av integrerad struktur med en diameter av 700 mm samt en tjocklek av 70 mm.

Den så erhållna värmeväxlaren befanns ha en öppen” frontarea av 70'% och en skillnad i värmeutvidgning mellan matrissegmentet och det sammanbindande materialet 10 15 20 25 30 35 7907999-2 7 av 0,005 % vid 800°C. Böjstyrkan hos matrisstrukturen befanns vara 13,7 kp/cm2 med eller utan inbegripande av de sammanbindande delarna, bestämt medelst ett 4-punktsböjningstest, som icke visade någon sänkning av bindningens styrka. När värmeväxlaren utsattes för ett termiskt test med snabb upphettning och snabb av- kylning, placerades den i en elektrisk ugn, som hölls vid en förutbestämd temperatur, och hölls där under 30 min för att sedan uttagas ur ugnen och luftkylas.

Man fann då att inga sprickor bildats i den sammanbin- dande delen, fastän nâgra sprickor alstrats i matris- delarna vid en temperaturskillnad av 70000. Den rote- rande keramiska värmeväxlaren av regeneratortyp som sålunda erhållits, var användbar som värmeväxlare för \ gasturbinmotorer och Stirlingmotorer.

EXEMPEL 2 Mullitsegment med bikakestruktur och celler med kvadratisk form med en delning av 2,8 m och en vägg- tjocklek ay 0,25 mm strängpressades och sintrades sedan i en elektrisk ugn vid l350oC i 5 h till bildning av 16 matrissegment med en storlek av 250 x 250 x 150 mm.

De keramiska segmenten behandlades delvis på ytter- . omkretsen och på de sammanbindande delarna applicera- des en keramisk pasta, som efter sintring alstrade ett mullitmineral, i en tjocklek efter sintring av 2,5 mm, följt av tillräcklig torkning och sintring i en elek- trisk ugn via 13so°c 1 5 n för erhållande av en rote- rande keramisk värmeväxlare med integral konfiguration och en diameter av 1000 mm samt en tjocklek av 150 mm bestående av mullit.

Denna värmeväxlarematris befanns ha en öppen front- area av 80 % och en skillnad i värmeutvidgning mellan_ matrissegmentet och det bindande skiktet av 0,02 % vid soo°c. :att termiskt påkänningstest med snabb upp- hettning och snabb-avkylning, vilket test utfördes på sama sätt som i exempel l, visade inga sprickor i den sammanbindande delen vid en temperaturskillnad av 40000, fastän sprickor bildades i matrisdelarna. Den sålunda 10 15 7907999-2 -~ 8 erhållna, roterande värmeväxlarmatrisen av mullit , befanns vara användbar som en industriell värmeväxlare.

Det inses av det föregående att den mot termisk påkänning motstândskraftiga, roterande, keramiska vär- meväxlaren av regeneratortyp enligt föreliggande upp- finning med integrerad konfiguration har enhetlig och jämn cellulär struktur, tillräckligt stor öppen front- area, litet tryckfall och utmärkt värmevâxlingseffek- tivitet samt motståndskraft mot termisk påkänning.

Följaktligen är värmeväxlaren mycket användbar som värmeväxlare av roterande regeneratortyp för gasturbin- motorer och Stirlingmotorer och även som industriell värmeväxlare för att spara bränslekostnader, vilket man för närvarande har stort behov.

På ritningarna visar fig l-3 en utföringsform av en keramisk värmeväxlarmatris med sammanbindande delar i enlighet med uppfinningen. Fig 4-6 är förstorade vyer av sektioner av en sammanbindande del och en intill- liggande matrisdel.

Claims (2)

10 15 20 7907999-2 PATENTKRAV

1. Keramisk värmeväxlare av roterande regenerator- typ, k ä n n e t e c k n a d därav att den innefattar ett flertal keramiska bikakeformade matrissegment, som är sammanbundna av ett keramiskt bindemedel, vilket efter påföljande sintring har väsentligen samma mineral- sammansättning som de keramiska matrissegmenten samt en tjocklek av O,l-6 mm och en skillnad i värmeutvidg- ning av högst 0,1 % vid 800°C relativt de keramiska matrissegmenten.

2. Sätt att framställa en keramisk värmeväxlare av roterande regeneratortyp, k ä n n e t e c k n a t , därav, att ett flertal keramiska bikakeformade matris- segment strängpressas, att segmenten brännes, att seg- menten sammanbinds med varandra genom applicering av ett keramiskt bindemedel, som efter påföljande sintring har väsentligen samma mineralsammansättning som de keramiska matrissegmenten och en tjocklek av 0,1-6 mm samt en skillnad i värmeutvidgning av högst 0,1 % vid 800°C relativt de keramiska matrissegmenten, att de sammanbundna segmenten torkas, och att de torkade, sam- manbundna segmenten brännes.