DE2631092C2 - Keramischer Wechselschicht-Wärmetauscher in Modulbauweise - Google Patents
Keramischer Wechselschicht-Wärmetauscher in ModulbauweiseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen keramischen Wärmetauscher der im Oberbegriff von Anspruch 1 erläuterten
Art.
Solche Wärmetauscher eignen sich insbesondere für den Gasturbinenbau und für die Verfahrenstechnik, wo
mit flüssigen und gasförmigen Medien gearbeitet wird und eine hohe Arbeitstemperatur bis zu 1400° C
verlangt wird.
Vor allem die Weiterentwicklung nach höheren Wirkungsgraden in der Verbrennungstechnik, insbesondere
bei Verbrennungsmotoren, bedingt den Einsatz von keramischen Materialien, da die bekannten
Wärmetauscher aus Metallegierungen eine zu niedrige Arbeitstemperatur zulassen.
In der DE-OS 24 34 887 wird zwar bereits konstruktionsmäßig ein Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher vorgeschlagen,
der zur Wärmeübertragung zwischen gasförmigen und flüssigen Medien unterschiedlicher
Temperatur eingesetzt werden kann, aber ein solcher aus Metall bestehender Wärmetauscher ist sowohl
wegen der geringen Korrosionsfestigkeit bei aggressiven Medien als auch wegen der zu geringen
Temperaturstabilität für die betrachteten Anwendungsgebiete wenig geeignet Deshalb hat man bei Plattenwärmetauschern
für gleiche oder ähnliche Anwendungsgebiete auf den Werkstoff Graphit zurückgegriffen,
wie aus der DE-PS 21 60 240 hervorgeht
Auch die Verwendung von Wärmetauschern aus keramischen Werkstoffen kann zu Problemen führen, da
die meisten keramischen Werkstoffe gegen Kerbspannungen und unterschiedliche Temperatureinwirkungen
ίο verhältnismäßig empfindlich sind. Schädliche Spannungen
als Folge solcher Temperatur-Unterschiede treten insbesondere dann auf, wenn die Wärmedurchlaßwiderstände
zwischen den Kanälen der verschiedenen Gruppen eines Wärmetauschers nicht konstant sind.
Die von Corning zuerst für den Kraftfahrzeuggasturbinenbau entwickelten keramischen Wärmetauscher
zeigen weitere Nachteile. Ein solcher Wärmetauscher besteht aus einer Wabenscheibe, die sich langsam
zwischen dem kalter. Frischluftsystem zur Verbren-
2ü nungskammer und dem heißen Abluftstrom dreht Ein Teil der Scheibe speichert die Wärme aus dem
Verbrennungsgas und trägt sie durch Drehung zum ankommenden Luftstrom, der sie aufnimmt Somit
handelt es sich um einen Wärmetauscher der regenera-
fs liven Form. Als besonderer Nachteil dieser in der
Wickeltechnik hergestellten kreisrunden Wärmetauscherscheiben werden die kontinuierliche Auslaugung
der Liiniumbcstandteile durch die Abgase, die zu geringen Arbeitstemperaturen von kleiner 1000°C, die
rotierende Bewegung und die damit verbundenen Geräusche als auch die Dichtungsprobleme angesehen.
Es ist bisher kein keramischer Wärmetauscher
bekanntgeworden, der ein relativ kleines Bauvolumen hat, die Dichtungsprobleme umgeht sowie bei Arbeitstemperaturen
bis 1400° C verwendbar ist und einen Innendruck von größer als 5 atü aushält. Vor allem muß
ein solcher Wärmetauscher gasdicht und korrosionsfest sein. Die Erfindung bezweckt daher, einen keramischen
Wärmetauscher unter den Einsatz von entsprechenden keramischen Werkstoffen bzw. keramischen Verbundkörpern
zu finden, der für solche höhere Arbe'.istemperaturen
geeignet ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfii;u ng liegt darin,
einen keramischen Wärmetauscher aus kreuzweise gestapelten Platten mit entsprechenden Öffnungen zur
Aufnahme von Wärmetauschermedien für hohe Anwendungstemperaturen zu schaffen, der sowohl korrosionsfest,
temperaturschockbeständig und gasdicht ist, als auch eine hohe Temperaturstabilität besitzt.
5υ Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß Platten aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen in Modulbauweise gasdicht miteinander verbunden
werden.
Die Erfindung besteht auch :nsofern darin, daß bei
einem keramischen Wärmetauscher der eingangs genannten Art die kreuzstromweise aufeinandergestapelten
Schichtpakete aus unterschiedlichen Werkstoffkombinationen bestehen, wie beispielsweise Siliziumnitrid
mit Cordierit, Siliziumcarbid mit Cordierit, Siliziumnitrid mit Siliziumcarbid, Siliziumnitrid bzw. Siliziumcarbid
mit Metallfolie. In den beiden letzten Fällen besteht die vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes
darin, daß poröse keramische Werkstoffe durch diese Metallfolie gasdicht gegeneinander abgedeckt
werden können.
Siliziumnitrid ist ein keramischer Werkstoff, dem während der letzten Jahre großes Interesse als Material
für Konstruktionsteile gewidmet wurde, die hohen
Temperaturen und korrosiven Atmosphären ausgesetzt sind. Zum Unterschied zu den meisten anderen
keramischen Materialien mit hoher Festigkeit ist bei Siliziumnitrid die Temperaturschockbe^tändigkeit außerordentlich
groß.
Ein anderes keramisches Material ist Cordierit, das sich für die Herstellung von keramischen Substraten
und Katalysatorträgern eignet Der Werkstoff hat im gebrannten Zustand ebenfalls einen relativ niedrigen
Ausdehnungskoeffizienten und. eine hohe Temperatur-Schockbeständigkeit.
Es wurde ferner gefunden, daß die physikalischen Eigenschaften der erhaltenen keramischen
Körper mit der chemischen Zusammensetzung variieren. Dabei hat es sich bei der Herstellung solcher
Wärmetauscherplatten als notwendig erwiesen, die chemische Zusammensetzung des Werkstoffes und die
Herstellungsmethode auszuwählen, um ein leistungsfähiges Produkt zu erhalten.
Siliziumcarbid ist ein Material, welches eine gute Festigkeit und chemische Beständigkeit bei hohen
Temperaturen besitzt. Wegen der geringen Schwindung und der Möglichkeit SiC-Gerüste herzustellen und
durch Tränken mit Si-Metall gasdicht zu machen, ist dieses Material ebenfalls für Hochtemperatur-Anwendungen
geeignet.
Weiterhin können Wärmetauscher-Moduln der erfindungsgemäßen Art mit Materialien aus verschiedenen
Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt werden. Insbesondere ist bei den verwendeten keramischen
Werkstoffen darauf hinzuweisen, daß der Wärmeaus- jo dehnungskoeffizient relativ klein im Vergleich zu den
verwendeten Metallfolien sein kann.
Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise des keramischen Wärmetauschers an drei Ausführungsbeispielen
sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 das keramische Wärmetauscher-Modul in perspektivischer Darstellung,
Fig. 2 Doppel-Modul-Anordnung mit senkrechter Anströmung,
Fig.3 Doppel-Modul-Anordnung mit schräger Anströmung.
Der in F i g. 1 gezeigte Wärmetauscher 1 in Modulbauweise besteht aus mehreren Platten 2 mit
entsprechenden Kanälen 3, die kreuzweise übereinandergestapelt sind. Die Kanäle 3 in den Wärmetauscherplatten
können anstelle eines rechteckigen Querschnittes auch hexagonale, quadratische oder kreisförmige
öffnungen erhalten. Dabei kann die gesamte Form der Platte in Abhängigkeit vom praktischen Einsatz
auch unterschiedliche Kanäle und unterschiedliche Wandstärken aufweisen.
Die würfelförmigen Wärmetauscher-Moauln 1 werden dann zu größeren Einheiten zusammengesetzt.
Zwei Möglichkeiten sind in den F i g. 2 und 3 dargestellt.
In der Fig.2 ist eine Anordnung aufgezeichnet, bei
der jeweils zwei Wärmetauscher-Moduln 1 parallel nebeneinanderstehen. Das kalte 4 Medium I strömt
dabei in den Raum 5, der durch die beiden Moduln 1 und eo der Wand 6 gebildet wird. Nach dem Durchtritt des
Mediums I durch die Moduln 1 in der oberen Hälfte der Figur wird es durch Umlenkkanäle 7 durch die unteren
Moduln 1 geführt. Dabei hat jeweils ein Temperaturausgleich mit dem heißen Medium Il stattgefunden, das an (,1
der Stelle 10 in die beiden Moduln 1 eintritt und mit niedriger Temperatur an der Stelle 11 austriit. An der
Stelle 8 dagegen erhält man das Medium I mit erhöhter Temperatur.
In der Fig. 3 sind die einzelnen Moduln 1 schräg angeordnet. Das kalte 4 Medium I tritt in den Raum 5
ein und kommt an der Stelle 8 mit erhöhter Temperatur w'eder heraus. Das heiße Medium II wird von der Stelle
10 durch die beiden Moduln geleitet und tritt mit einer niedrigen Temperatur an der Stelle 11 aus. Die
einzelnen Ein- und Ausströmräume werden durch die Moduln und die Wände 6 gebildet
Die vorliegende Erfindung kombiniert die Werkstoffeigenschaften von unterschiedlichen keramischen
Werkstoffen, wodurch im Modul sowohl eine hohe Temperaturstabilität und Korrosionsfestigkeit gegen
heiße Medien als auch eine ausreichende Gasundurchlässigkeit erreicht wird.
Die Vorteile dieses Wärmetauschers liegen darin, daß Hartlöten und umständliche Formgebung wie bei den
Wärmetauschern aus Metall oder Kunststoffen nicht erforderlich sind. Außerdem ist der vorliegende
Wärmetauscher vielseitig einsetzbar, besitzt eine gute Wärmeübertragungsleistung und ist für korrosive
Medien verwendbar. Vor allem lassen sich solche Wärmetauscher mit verhältnismäßig bescheidenem
Kostenaufwand herstellen.
Als vorteilhaft hat sich auch herausgestellt, die Wärmetauscherplatte durch Strangziehen von keramischem
Material mit entsprechenden Bindemitteln zu erhalten. Solche Platten können aber auch durch andere
Herstellungsmethoden erzeugt werden. Als Werkstoff für solche Platten kommen insbesondere Keramiken auf
der Basis von Silikaten, Oxiden, Carbiden und Nitriden in Frage. Eine keramische Verbundstruktur wird
dadurch erreicht, indem verschiedene keramische Werkstoffe miteinander kombiniert oder durch eine
Metallfolie gasdicht voneinander getrennt werden, wobei der erfinderische Gedanke nachstehend anhand
von Beispielen naher erläutert wird.
Die Materialien Siliziumnitrid und Cordierit besitzen
den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine ausreichende Benetzbarkeit, so daß ein Zusammensintern
möglich ist. Diese Art des Zusammenbaues aus Siliziumnitrid und Cordierit-Wärmetauscherplatten hat
den Vorteil, daß durch die plastische Verformung des Cordieritanteils im Brand eine genaue Angleichung
ohne Zwischenraum zwischen den einzelnen Wärmetauscherplatten möglich und somit ein guter Wärmegang
gewährleistet ist.
Ein nitrierter, stranggezogener keramischer Wärmetauscher besteht dann aus Siliziumnitrid und Cordierit
mit etwa folgenden Abmessungen:
Deckschicht
Wandstärke
Lochstärke
Wandstärke
Lochstärke
0,2 bis 5 mm
0,4 bis 5 mm
0,7 bis 2 mm
0,4 bis 5 mm
0,7 bis 2 mm
Bei einem solchen Kreuzstromwärmetauscher strömt das Kaltgas durch die gasdichte Cordieritschicht und
das heiße, korrosive Abgas durch die Siliziumnitrid-Schicht. Letztere Schicht ist zwar porös, besitzt jedoch
einen wesentlich höheren Widerstand gegenüber den
korrosiven Abgasen als das Cordierit. Bei dieser Kombination benutzt man die Gasdichtigkeit des
Cordierits, wobei der geringere Arbeitstemperaturbereich gegenüber Siliziumnitrid in Kauf genommen wird.
Das Siliziumnitrid wird durch die Zwischenschicht des
Cordierits abgedichtet und bildet gleichzeitig das starre hochtemperaturfeste Gerüst, wobei auch Überhitzungen
im Cordierit dem Gesamtwärmetauscher keinen Schaden zufügen.
In diesem Fall werden stranggezogene Siliziumnitrid-Platten wechselweise mit Metallfolien aus Wolfram
oder Silizium gestapelt und unter geringem Druck bei 14000C im Elektroofen gebrannt. Dadurch werden die
porösen keramischen Werkstoffe gegeneinander gasdicht abgedichtet.
Zum Siliziumpulver werden ca. 10 Gew.-% Cordieritmassen
und entsprechende Bindemittel homogen zugemengt. Anschließend wird die Masse zu plattenförmigen
Hohlkörpern verzogen und zwischen 1000 bis 15000C nitriert. Dabei entsteht aber noch keine
Glasphase durch das anwesende Cordierit. Diese erhält man erst, wenn der Körper in Sauerstoffatmosphäre bis
ca. 14000C erhitzt wird. Das Entstehen einer oberflächlichen
Glasurschicht wird zum Zusammensintern der einzelnen Platten zu einem Wärmetauscher-Modul
genutzt.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Keramischer Wärmetauscher aus einer Mehrzahl von kreuzweise gestapelten plattenförmigen
Hohlkörpern mit entsprechenden öffnungen zur Aufnahme von Wärmetauschermedien, dadurch
gekennzeichnet, daß Platten aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen in Modulbauweise
gasdicht miteinander verbunden werden.
2. Keramischer Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in kreuzstrombauweise
aufeinandergestapelten Platten wechselweise aus porösem Siliziumnitrid und dichtem Cordierit
bestehen.
3. Keramischer Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Siliziumca/bid- und
Cordierit-Platten wechselweise und kreuzweise aufeinandergestapelt sind.
4. Keramischer Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zwischenschichten
aus Siliziumnitrid und Siliziumcarbid aufgebaut sind.
5. Keramischer Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich kreuzenden
Platten aus Siliziumcarbid mit einer Metallfolie aus Wolfram gasdicht abgedichtet sind.
6. Keramischer Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schichten
aus porösem Siliziumnitrid mit Siliziummetallfolien abgedeckt sind.
7. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Wärmetauschers mit Platten aus unterschiedlichen
Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß man extrudierbare keramische Materialien mit Hilfe
eines Mehrfachwerkzeuges zu einem plattenförmigen Hohlkörper mit einer Vielzahl von Kanälen mit
parallelen und dünnen Wänden strangzieht, trocknet und eventuell vorbrennt, und anschließend die
einzelnen aus den unterschiedlichen Materialien kreuzweise gestapelten Platten zu einem festen
Modul zusammensintert.
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1977
- 1977-02-10 SE SE7701498A patent/SE430433B/xx not_active IP Right Cessation
- 1977-03-10 FR FR7707053A patent/FR2357853A1/fr active Granted
- 1977-03-25 IT IT21661/77A patent/IT1075944B/it active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2706253A1 (de) * | 1977-02-15 | 1978-08-17 | Rosenthal Technik Ag | Keramischer, rekuperativer gegenstromwaermetauscher |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2357853B3 (de) | 1980-01-11 |
| SE7701498L (sv) | 1978-01-11 |
| FR2357853A1 (fr) | 1978-02-03 |
| SE430433B (sv) | 1983-11-14 |
| IT1075944B (it) | 1985-04-22 |
| DE2631092A1 (de) | 1978-01-12 |
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