DE2937342A1

DE2937342A1 - Keramischer waermetauscher und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2937342A1
Application number: DE19792937342
Authority: DE
Inventors: Louis Minjolle
Original assignee: Ceraver SA
Current assignee: Ceramiques et Composites SA
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1979-09-14
Publication date: 1980-04-10
Also published as: US4271110A; IT7968849A0; GB2032609A; CA1118988A; FR2436958B2; JPS55102891A; AU531203B2; AU5101379A; NL7907058A; FR2436958A2; SE7907802L; GB2032609B; BE878683A; IT1121038B

Description

1Ί. Sep. 1979 293734?

KERAMISCHER WÄRMETAUSCHER UND VERFAHREN ZU SEINER HERSTELLUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen keramischen Wärmetauscher, bei dem zwei Scharen zueinander paralleler Kanäle reihenweise abwechselnd ineinander verschachtelt sind und einen parallelepipedischen Block ergeben, wobei an den beiden Stirnseiten des Blocks, an denen die Kanäle münden, die Kanäle jeweils einer der Scharen verschlossen sind und dafür in senkrecht zur Achse der Kanäle verlaufende und in der Nähe der Stirnseite liegende Bohrungen münden, die mehrere oder alle Kanäle einer Reihe miteinander querverbinden und an mindestens einer Seitenwand des Blocks zutagetreten. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers.

In der FR-OS 78 01 348 ist ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Wärmetauschers beschrieben, bei dem eine Rohkeramik gemäß einer Konfiguration mit parallelen Kanälen ausgeformt wird und bei dem dann an den Enden einer ersten Schar von Kanälen, die von einem der Wärmeträgermedien durchflossen werden sollen, Zutritts- und Ableitungsbohrungen angebracht werden, deren Achsen senkrecht zur Achsrichtung der Kanäle verlaufen. Abschließend wird der Block hartgebrannt, um die gewünschte mechanische Festigkeit zu erreichen.

Bei diesem Verfahren werden die Bohrungen dadurch erreicht, daß die seitlichen Trennwände durchstoßen werden, und zwar nicht nur die Außenwände des Blocks, sondern auch die

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inneren Trennwände zwischen benachbarten Kanälen derselben Schar. Bei diesem Durchstoßen der Zwischenwände bestehtpie Gefahr einer Verformung der Zwischenwände, falls das Durchstoßen vor dem Brennen erfolgt. Andererseits ist es auch schwierig und teuer, die Wände nach dem Hartbrennen zu durchstoßen. Ein anderer Nachteil dieser Wärmetauscher besteht in den großen Druckverlusten in dem Wärmetauscherkreis, der durch die Bohrungen verläuft.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen keramischen Wärmetauscher der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Druckverluste verringert werden und die Herstellung einfacher wird.

Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 gekennzeichneten Wärmetauscher gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen des Wärmetauschers sowie des Verfahrens zur Herstellung dieses Wärmetauschers wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele mithilfe der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt teils aufgeschnitten einen Wärmetauscher gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab eine Ecke des Wärmetauschers aus Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Variante zu Fig. 1, bei der die Druckverluste der beiden Scharen von Kanälen gleich sind.

Fig. 4 zeigt eine weitere Variante zu Fig. 1.

Fig. 5 zeigt im Querschnitt eine aus vier Blöcken zusammengesetzte Wärmetauschereinheit, bei der größere Quer-

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schnitte für die von dem heißeren Wärmeträgermedium durchflossenen Kanäle als für die anderen Kanäle vorgesehen sind.

Der Wärmetauscher gemäß Fig. 1 besitzt zwei Scharen von Kanälen, die reihenweise abwechselnd einen parallelepipedischen Keramikblock parallel durchziehen. Die eine Schar von Kanälen 2 mündet in Öffnungen 3 in den Stirnseiten, so daß das entsprechende Wärmeträgermedium diese Kanäle ohne Richtungswechsel durchströmt. Die Kanäle 4 der anderen Schar sind stirnseitig verschlossen und münden in der Nähe dieser Stirnseite in Bohrungen 6 und 9 in Seitenwänden des Blocks, derart, daß das entsprechende Wärmeträgermedium an einer Seitenwand über die Bohrungen 6 in die Kanäle 4 eindringt (Pfeile 5) und an der gegenüberliegenden Seitenwand aus Bohrungen 9 wieder austritt (Pfeil 8).

Die Bohrungen ergeben sich durch einen Schrägschnitt 7 bzw. 10 quer durch alle Kanäle einer Reihe, wobei dieser Schnitt einen spitzen Winkel 7A mit der Stirnfläche des Blocks einschließt. Vorzugsweise erfolgt dieser Schnitt vor dem Brennen der Keramik. Je nach Verhältnissen kann er aber auch später erfolgen, beispielsweise nach einem ersten von zwei Brennvorgängen oder gar nach dem Hartbrennen.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, wird der Wärmetauscher im Gegenstrom betrieben, da die Strömungsrichtungen der beiden Medien einander entgegengesetzt sind (Pfeile 1 und 11) .

Die Reihen von Kanälen, in denen das in seiner Richtung abgelenkte Wärmeträgermedium nach dem Herstellen der seitlichen öffnungen 6 fließt, werden stirnseitig durch Stäbe 12 und 13 verschlossen (der Stab 13 ist getrennt herausgezeichnet

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dargestellt) . Diese Stäbe werden entweder getrennt hergestellt und dann mit Hilfe eines geeigneten Klebers eingefügt, oder sie ergeben sich, indem man die Stirnseiten des Blocks in eine

nicht
Keramikmasse eintaucht, wobei die ("zu" verschließenden Öffnungen 3 durch weiche Masken verschlossen werden. Wenn die Keramikmasse auf der Basis desselben Materials wie der Block oder auf der Basis eines hitaebeständigen Klebers hinreichend zähflüssig ist, dann ergibt sich ein wirksamer Verschluß der Öffnungen nach dem späteren Hartbrennen des Blocks bei einer Temperatur, die mindestens gleich der späteren Betriebstemperatur ist.

Fig. 3 zeigt einen Wärmetauscher, bei dem jedes Wärmeträgermedium einmal abgelenkt wird. Das erste Medium (Pfeile 1) dringt parallel zu den Achsen der Kanäle ein (Pfeile 1, Öffnungen 3) und wird senkrecht hierzu wieder abgegeben (Pfeil 16, Öffnung 14), während das andere Medium senkrecht zur Kanalachse eingespeist wird (Pfeile 5, Öffnungen 6) und parallel zur Kanalachse austritt (Pfeile 17) . Der Schrägschnitt 15 und die Öffnung 14 befinden sich also im Verlauf der ersten Schar von Kanllen und nicht, wie im vorhergehenden Fall, im Verlauf der zweiten Schar.

Fig. 4 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, bei dem der Einlaß und der Auslaß für das zweite Wärmeträgermedium (Pfeile 5 und 19 bzw. 24 und 25) nach einer Richtungsumkehr zu beiden Seiten einer waagerechten Symmetrieebene in den Seitenwänden erfolgt (Öffnungen 6 und IB bzw. 22 und 2 3). Der Querschnitt der Bohrungen verringert sich

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also von den Öffnungen ausgehend bis zu dieser Symmetrieebene, die durch eine durchgehende Trennwand 2IA bzw. 2IB gebildet wird. Der Schrägschnitt 20-21 bzw. 26-27 verläuft also nur bis zu dieser Trennwand.

Die Wärmetauschereinheit, die im Schnitt in Fig. dargestellt ist, besteht aus vier gleichen Wärmetauschern 30, die im Querschnitt zu einem Quadrat zusammengefügt sind und Kanäle geringeren Querschnitts 31 für das kältere Wärmeträgermedium sowie Kanäle größeren Querschnitts 32 für das heißere Wärmeträgermedium aufweisen. Die Gesamtquerschnittsfläche der Kanäle 32 ist größer als die der Kanäle 31. Die vier Blöcke 30 befinden sich in einer Keramikhülle 33 aus demselben Material wie die Blöcke 30. Diese Hülle ist wiederum von einem Isolationsmaterial 34 umgeben, das von einem Metallmantel 35 umschlossen wird. Dieser Mantel wird gegen das Isoliermaterial mit Hilfe von nicht dargestellten Bolzen, Schrauben und Kraftbegrenzerfedern gedrückt, die sich an den Ecken 36 der Anordnung befinden. Seitliche öffnungen 37, 38 oben und unten in der Hülle dienen der Zufuhr und der Abführung des Wärmeträgermediums, das die Rohre umströmt bzw. die rechten und die linken Wärmetauscherelemente versorgt. Selbstverständlich kann der Wärmetauscher mehr als vier Einheiten 30 enthalten, die senkrecht zur Ebene der Fig. 5 übereinandergestapelt sind und mit Hilfe von abdichtenden Zwischengliedern zusammengesetzt werden.

Die erfindungsgemäßen Wärmetauscher eignen sich aufgrund ihrer modularen Struktur,durch die sie an die vor-

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handenen Raumbedingungen angepaßt werden können, besonders gut als Wärmetauscher für Turbinenmotoren, bei denen das Material des Wärmetauschers hohe Temperaturen in der Größenordnung von 1200 bis 1400 C aushalten muß. Als Keramikmaterial kann beispielsweise Siliziumnitrit, aber auch Mullit, Kordierit oder ein durch Aluminium und Sauerstoff modifiziertes Siliziumnitrit vom Typ SiAlON Verwendung finden. Die Erfindung ist aber auch bei anderen industriellen Vorgängen verwendbar, beispielsweise bei der Wärmerückgewinnung aus Verbrennungsgasen.

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Claims

Fo 11 334 D

H. Sep. 1979 2937343

CERAVER S.A.
12, rue de la Baume 75008 PARIS, Frankreich

KERAMISCHER WÄRMETAUSCHER UND VERFAHREN ZU SEINER HERSTELLUNG

PATENTANSPRÜCHE

Keramischer Wärmetauscher, bei dem zwei Scharen zueinander paralleler Kanäle reihenweise abwechselnd ineinander verschachtelt sind und einen parallelepipedischen Block ergeben, wobei an den beiden Stirnseiten des Blocks, an denen die Kanäle münden, die Kanäle jeweils einer der Scharen verschlossen sind und dafür in senkrecht zur Achse der Kanäle verlaufende, und in der Nähe der Stirnseite liegende Bohrungen münden, die mehrere oder alle Kanäle einer Reihe miteinander verbinden und an mindestens einer Seitenwand des Blocks zutagetreten, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen von der Seitenwand ausgehend einen von Kanal zu Kanal verringerten Querschnitt bis zum Grund der Bohrung aufweisen.

2 - Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Reihe von an einer Stirnseite verschlossenen Kanälen (4) in der Nähe dieser Stirnseite zwei zueinander fluchtende Bohrungen (6 und 18 bzw. 22 und 23) vorgesehen sind, die an zwei einander gegenüberliegenden

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Seitenwänden zutagetreten und je bis zu einer den gemeinsamen Grund bildenden zentralen Trennwand (2IA, 21B) vordringen.

3 - Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen an beiden Enden der der einen Schar angehörenden Kanäle vorgesehen sind.

4 - Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen in der Nähe einer der Stirnseiten zu der einen Schar von Kanälen führen, während die Bohrungen in der Nähe der anderen Stirnseite zu der anderen Schar von Kanälen führen.

5 - Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle der einen Schar einen größeren Querschnitt als die Kanäle cer anderen Schar aufweisen und zur Aufnahme des heißeren der beiden Wärmetauschermedien vorgesehen sind.

6 - Verfahren zur Herstellung eines keramischen Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst durch Ziehen von Rohkeramik ein zylindrischer Block mit zahlreichen, zueinander parallelen Kanälen erzeugt wird, daß dann an den beiden Stirnseiten die öffnungen der Kanäle der Hälfte der Reihen in Wechselanordnung verschlossen werden, daß dann die Bohrungen durch schräge Schnitte von der Seitenwand aus hergestellt werden und

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daβ der Block vor oder nach der Herstellung der Bohrungen hartgebrannt wird.

7 - Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschließen der Öffnungen der Kanäle der Hälfte der Reihen in Wechselanordnung durch Eintauchen dieser Stirnseite in eine Keramikmasse erfolgt.

8 - Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daβ die schrägen Schnitte vor dem Hartbrennen des Blocks vorgenommen werden.

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