DE3430891A1

DE3430891A1 - Waermeaustauscher mit querstrom-keramikkern

Info

Publication number: DE3430891A1
Application number: DE19843430891
Authority: DE
Inventors: Ray L. Towanda Pa. Newman
Original assignee: GTE Products Corp
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1983-09-19
Filing date: 1984-08-22
Publication date: 1985-05-30
Also published as: JPS6066098A; GB2147095B; US4776387A; GB8423557D0; CA1282055C; GB2147095A

Description

Wärmeaustauscher mit Querstrom-Keramikkern

Beschreibung

Diese Erfindung betrifft Wärmeaustauscher mit Querstrom-Keramikkernen. Solche Wärmeaustauscher sind in den US-Patenten 4 083 400, 4 130 160, 4 279 297, 4 300 627 und 4 362 209 gezeigt. Jeder Kern weist verrippte Keramikschichten auf, wobei der Raum zwischen den Rippen Kanäle für den Gasstrom vorsieht. Die Schichten liegen abwechselnd senkrecht zueinander, wie in Fig. 1 der US-Patentschrift 4 130 160 und Fig. 3 der USrPatentschrift 4 300 627 gezeigt, um den Querstrom zu ermöglichen. Somit ist von den drei Flächenpaaren des Kerns eines für den Durchstrom des zu heizenden Gases durch den Kern vorgesehen, das typischerweise Luft zur Verbrennung ist. Ein zweites Flächenpaar ist für den.Durchstrom der heißen Auspuffgase durch den Kern vorgesehen. Das dritte Flächenpaar ist massiv ,es sind darin keine öffnungen für den Gasfluß.

Bei dem Kernaufbau in dem Gehäuse ist die Lufteinlaßfläche des Kerns nach der Lufteinlaßöffnung oder -leitung des Gehäuses ausgerichtet. Bei dem Durchstrom der Luft aus der Gehäuseleitung in die Kanalöffnungen an der Lufteinlaßfläche des Kex^ns ist es wünschenswert, daß die ganze Luft durch den Kern strömt und daß nichts von ihr an den Kanten oder der äußeren Begrenzung der Lufteinlaßfläche herausleckt. Demgemäß ist gewohnlich eine Dichtung an oder nahe an der äußeren Begrenzung der Lufteinlaßfläche plaziert, um gegen eine passende Oberfläche des Gehäuses zu drücken und dabei

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eine Dichtung zur Verhinderung von Luftleckagen um den Kern zu bilden. Solch eine Dichtung ist in der US-Patentschrift 4 083 400 als Kombination aus Keramikmaterial und Kunststoffdochtmaterial 14 in Fig. 1 gezeigt. Falls gewünscht, kann das Kunststoffdochtmaterial 14 durch eine in Fig. 7 gezeigte kompressive Metalldichtung 70 ersetzt werden. Dennoch kann, wie in der US-Patentschrift 4 279 297 offenbart, die Temperaturwechselbeanspruchung des Wärmeaustauschers eine Leckage um die Dichtung herum aufgrund von Unterschieden in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kerns, der Dichtung und des Gehäuses verursachen. Dieses Problem wurde in der US-Patenschrift 4 279 297 durch den Einsatz von Druckeinrichtungen, speziell Federn 28, gelöst, damit diese eine Dichtung zwischen dem Gehäuse und den Kernflächen mit öffnungen für den Gasstrom halten. Somit offenbart der Stand der Technik den Einsatz von Druckeinrichtungen an den vier Kernflächen, welche öffnungen für den Gasstrom besitzen. Der Stand der Technik schlägt den Einsatz von Druckeinrichtungen an den verbleibenden zwei festen Flächen nicht vor.

Es hat sich jedocn gezeigt, daß bei dem in der US-Patentschrift 4 279 297 offenbarten Wärmeaustauscher ein Problem besteht. Wenn angenommen der Betrieb des Wärmeaustauschers durch z.B. eine plötzliche Verringerung des Verbrennungsluftstroms (welcher üblicherweise Raumtemperatur besitzt) aus dem Gleichgewicht kommt_; kann es ° zu einer ungewöhnlichen thermischen Belastung an dem Kern aufgrund der heißen Auspuffgase kommen, die weiterhin dadurch fließen. Das kann ein Aufblättern oder eine Trennung der gerippten Schichten bewirken. Aufgrund der Natur der Kernkonstrukticn verläuft die Trennung der gerippten Schichten in Richtung der festen Flächen. Diese Erfindung vermindert so die Tren-

nung der gerippten Schichten durch Aufbringen einer Druckkraft auf die massiven Kernflächen.

Eine gleichzeitig anhängige US-Patentanmeldung mit der Mummer 528 492 ( US- Serial Number )

betrifft auch das gleiche Problem der Trennung der gerippten Schichten und offenbart auch die Aufbringung einer Druckkraft auf die festen Kernflächen. Dennoch sieht die vorliegende Erfindung eine einfachere und billigere Einrichtung der Druckkraftaufbringung als die durch die spezielle Ausführungsform, offenbart in jener Anmeldung ,vor. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Druckeinrichtung in dem Gehäuse enthalten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen ausführlich erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querstrom-Keramikkern mit gerippten

Schichten und vier Flächen, die Öffnungen für den Gasstrom enthalten, und zwei massiven Flächen,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene perspektivische

Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschapparates,

Fig. 3 einen Querschnitt aus Fig. 2 entlang der Linie 3-3., und

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung einer bevorzugten Form der Druckeinrichtung zum Aufbringen einer Druckkraft.
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In Fig. 2 ist eine teilweise geschnittene perspektivi-

sehe Ansicht eines bevorzugten Wärmeaustauschers 5 mit einem in einem Gehäuse 9 angeordneten Querstrom-Keramikkern 7. Der Querstrom-Keramikkern 7 ist vorzugsweise aus einer Vielzahl von dünnen gerippten Keramikplatten gebildet, die derart zueinander angeordnet sind, daß sich die mit Kanälen versehenen Schichten 11 und 13 abwechseln. Die abwechselnden Schichten 11 und 13 sind gegeneinander abgedichtet, um zueinander senkrechte Durchflüsse für die Durchleitung eines ersten bzw. zweiten Gases vorzusehen.

Der Querstrom-Keramikkern 7 kann, wie ausführlich in der vorher erwähnten US-Patentschrift 4 130 i60_f durch Gie- .. ßen., Spritzgießen oder eine andere Art von bekannten Keramikformtechniken hergestellt werden.

Das Gehäuse 9 ist vorzugsweise aus geschweißtem oder gezogenem Metall mit einem an dessen innerer Oberfläche befestigten und zum Anpassen an den Querstrom-Keramikkern 7 geformten Zwischenstück 23. Somit dient das Keramikzwischenstück 23 dazu, während des Betriebs der Feuerungsanlage, z.B. Ofen oder Kalzinierofen, das Metallgehäuse 9 von der an dem Querstrom-Keramikkern 7 vorliegenden Hitze zu isolieren. Der Querstrom-Keramikkern 7 hat erste, zweite und dritte Paare gegenüberliegender Flächen 25, 27 bzw. 29.

Das erste Paar gegenüberliegender Flächen 25 des Kerns 7 umfaßt Durchgänge zum Durchlassen eines ersten Gases, während das Gehäuse 9 passend zur Befestigung angeflanschte, konische Teile 31 und 33 besitzt, um entsprechend den Strom des ersten Gases, z.B. Verbrennungsluft, zu der Feuerstelle zu leiten. Es können auch mehrere Druckeinrichtungen 35 an dem Gehäuse 9 befestigt sein.

um eine Druckkraft auf das gegenüberliegende Flächenpaar 25 aufzubringen.

Das zweite Paar gegenüberliegender Flächen 27 des Kerns 7 umfaßt Durchgänge zum Durchlassen eines zweiten Gases, wie z.B. heiße Auspuffgase. Die heißen Auspuffgase werden in dem Wärmeaustauscher benötigt, um die durch den Kern 7 strömende Verbrennungsluft zu erwärmen. Das Gehäuse hat auch öffnungen 37 der Größe und Gestalt,daß sie das Einbringen des Kerns 7 in das Gehäuse 9 während der Montage des Wärmeaustauschers 5 . gestatten.. Die heißen Auspuffgase strömen durch die öffnung 37 in die öffnungen an der Fläche 27, durch den Kern 7, aus der gegenüberliegenden Fläche 27 und aus der angeflanschten öffnung 39.

Das dritte Paar gegenüberliegender Flächen 29 des Kerns 7 igt massiv_/WObei die Flächen 29 keine öffnungen für den Durchgang von Gasen dadurch haben. Dennoch wird er.;riiridu-rrgsgemäß Druck auf die Flächen 29 aufgebracht. Wie aus der Fig. 4 ersichtlich, ist ein kompressibles Teil 21, z.B. Mullitpapier, unmittelbar angrenzend an jede feste Fläche 29 plaziert. Ein Trägerteil 22, z.B. eine nichtrostende Stahlplatte, ist in Kontakt mit jedem Teil 21. Die Flächen 29 und die Teile 21 und 22 haben im wesentlichen die gleiche Fläche. Druckeinrichtungen üben eine Druckkraft auf die festen Flächen 29 aus.

Eine Art von Druckeinrichtung ist in Fig. 3 und 4 gezeigt und umfaßt eine Feder 43, vorzugsweise eine Schraubenfeder, die zusammengedrückt zwischen der Platte 22 und dem Gehäuse 9 in einer öffnung 41 durch das keramische Abstandsstück 23 gehalten wird. Um diese Einheit zusam-

menzubauen, wird eine röhrenförmige, innen mit Gewinde versehene Kupplung 44, z.B. durch Schweißen, an der Platte 22 befestigt. Die Schraubenfeder 43 wird dann um die Kupplung 44 herum angeordnet. Dann wird die Platte 22 mit der Feder 43 in das Loch 41 gegen das Keramikabstandsstück 23 gesetzt . Dann wird eine Schraube 45 mit einem Kopf durch das Loch 46 in da:s Gehäuse 9 gesteckt und in die Kupplung 44 eingeschraubt. Die Schraube 45 wird dann angezogen, um die Platte 22 gegen das keramische Abstandsstück 23 zu ziehen und um die Feder 43 zwischen der Platte 22 und dem Gehäuse 9 zu spannen. Nachdem der Kern 7 in das Gehäuse 9 eingesetzt ist, wird die Schraube 45 vollständig losgeschraubt, wobei sich die Feder 43 entspannt und die Feder 43 die Platte 22 gegen das kompressible Teil 21 gegen die feste Fläche 29 des Kerns 7 drücken kann. Das hinterläßt normalerweise einen engen Luftspalt 47 zwischen der Platte 22 und dem keramischen Abstandsstück 23, welcher den Wärmeübergang von dem Kern 7 zu der Feder 43 zu reduzieren hilft.

Um die Wärmemenge, der die Feder 43 ausgesetzt ist, zu reduzieren und dadurch den Erhalt ihrer Elastizität während der Lebensdauer zu unterstützen, ist es wünschenswert, die erste am nächsten an der festen Fläche 29 mit Kanälen versehene Schicht 48 so abzudichten, daß kein Gas durch die Schicht 48 strömt. Es ist dann auch wünschenswert, daß in der angrenzenden mit Kanälen versehenen Schicht 49 anstelle der heißen Auspuffgase die Kalte Verbrennungsluft als Gas strömt.

Zwischen einem Wärmeaustauscher mit seinen festen Flächen unter Druck und dem gleichen Wärmeaustauscher ohne Druck an den festen Flächen des Kerns wurde ein Vergleich

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durchgeführt. Der Kern faßte 197 cm³ (12 inch cube). Die Durchgänge für die Verbrennungsluft waren O,318 cm (1/8 inch) hoch und 1,9 cm (3/4 inch) breit. Die Durchgänge für die heißen Auspuffgase waren 0,76 cm (0,3 inch) hoch und 1,9 cm (3/4 inch) breit. Die Temperatur des heißen Auspuffgases betrüg 899 ⁰C (165O°F) Und seine Durchströmrate durch den Kern lag.bei 283 m³/h unter Standardbedingungen (10 000 SCFH) - Der Ladedruck war 0,0689 bar( 16 ounces per square inch) . Der Kern wurde durch plötzliches Verringern des Stroms an kalter Verbrennungsluft in den Kern. ungefähr 5 Minuten auf 20% seiner Normalmenge ungewöhnlichen thermischen Belastungen ausgesetzt. Am Schluß des Testes hatte der Wärmeaustauscher ohne Druckaufbringung auf die festen Flächen des Kerns eine Leckrate von 54%, und die Schichten des Kerns wurden getrennt oder abgeblättert vorgefunden. Im Gegenteil dazu hatte der erfindungsgemäße Wärmetauscher nur eine Leckrate von 2,6%, und die Schichten des Kerns hatten sich nicht getrennt oder abgeblättert. Die Ab'blätterungskraft betrug ungefähr 6UO N ( 144 pounds) , da die Fläche jeder Schicht ungefähr 930 cm³ ( 144 square inches) und der Ladedruck 0,0689 bar ( 1 pound per square inch) betrug.

Nachdem die Schrauben 45 herausgeschraubt und aus dem Gehäuse 9 entfernt sind,ist es nicht nötig , daß dieM Löcher 46 gefüllt oder abgedeckt werden. Es ist gewohnlich wünschenswert, daß mehrere Federn 43, z.B. drei oder fünf , an jeder Platte 22 benutzt werden, um die Druckkräfte überall auf der Fläche der Platte 22 zu verteilen.

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

1. Wärmeaustauscher mit einem Querstrom-Keramikkern in einem Gehäuse, worin der Kern versippte Keramikschichten mit abwechselnd zueinander senkrecht liegenden Schichten umfaßt, die Abstände zwischen den Rippen jeder Schicht Kanäle für den Gasstrom

ausbilden, und der Kern drei Paare gegenüberlie-" gender Flächen aufweist, wobei ein Paar gegenüberliegender Flächen öffnungen aufweist, um den Strom eines zvi erwärmenden Gases in und aus dem Kern zu ermöglichen, das zweite Paar gegenüberliegender Flächen öff-

nungen aufweist, um den Strom eines heißen Gases in und aus dem Kern zu ermöglichen,und das dritte Paar flächen massiv ist,

gekennzeichnet durch eine Einrichtung (43,44,45) zum Aufbringen einer Druckkraft auf eine ■ massive Fläche (29), wobei die Einrichtung (43.44,45) in dem Gehäuse (9) angeordnet ist.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es zwischen der massiven Fläche (21) und dem Gehäuse. (9) einen keramischen Abstandshalter (24) gibt und die Einrichtung (43,44,45) in einer öffnung (41) des keramischen Abstandshalters

(23) angeordnet ist.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2 , dadurch g ekennze ichnet , daß die Einrichtung (43,44, 45) eine Schraubenfeder (43) umfaßt.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste mit Kanälen versehene, unmittelbar an der massiven Fläche (21) angrenzenden Schicht (48) abgedichtet ist, um zur Verringerung des Wärmeübergangs auf die Einrichtung zum Aufbringen der Druckkraft den Gasstrom durch die Schicht (48) zu verhindern. ' ■

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch g e kennzeichnet, daß die nächste mit Kanälen versehene , unmittelbar an die erste mit Kanälen versehene Schicht (48) angrenzende Schicht (49) eine Schicht für den zu erwärmenden Gasstrom ist, ebenfalls zur Verringerung des Wärmeübergangs auf die Einrichttung zur Aufbringung der Druckkraft.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3 , dadurch'g ekennzeichnet, daß die Schrau -

benfeder (43) zwischen dem Gehäuse (9) und einer Platte (22) angeordnet ist und sich gegen das Gehäuse (9) und die Platte (22) abstützt, wobei die Platte (22) zwischen der massiven Fläche (21) und dem keramischen Abstandshalter (23) angeordnet ist und die Platte (22) die von der Feder (43) darauf ausgeübte Kraft auf die massive Fläche (21) über^ trägt.

7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der Platte (22) und dem Abstandshalter (23) ein Spalt (47) ist.

8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet ,daß ein kompres- sibles Teil (21) zwischen der Platte (22) und der massiven Fläche (29) angeordnet ist.

^^w 9- Verfahren zur Herstellung des Wärmeaustauschers nach Anspruch 6, dadurch geke-nnzeichnet , daß die Platte (22) zu dem keramischen Abstandshalter (23) hingezogen wird und dabei die Feder (43) zusammengedrückt wird, um die Einbringung des Kerns (7) in das

^° Gehäuse (9) zu gestatten.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Platte (22) dadurch zu dem keramischen Abstandshalter (23) gezogen wird, daß eine mit Gewinde versehene Schraube, welche sich durch das Gehäuse in eine mit Gewinde versehene und auf der Platte (22) befestigte Kupplung (44) erstreckt, angezogen wird.