WO2024115285A1 - Wärmetauscher für solarabsorber - Google Patents

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WO2024115285A1
WO2024115285A1 PCT/EP2023/082922 EP2023082922W WO2024115285A1 WO 2024115285 A1 WO2024115285 A1 WO 2024115285A1 EP 2023082922 W EP2023082922 W EP 2023082922W WO 2024115285 A1 WO2024115285 A1 WO 2024115285A1
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WO
WIPO (PCT)
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matrix
sections
metal foil
heat exchanger
structured
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/082922
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian DUNG
Rainer Heinrich
Original Assignee
Emitec Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Emitec Technologies GmbH filed Critical Emitec Technologies GmbH
Publication of WO2024115285A1 publication Critical patent/WO2024115285A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/80—Solar heat collectors using working fluids comprising porous material or permeable masses directly contacting the working fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S70/00—Details of absorbing elements
    • F24S70/10—Details of absorbing elements characterised by the absorbing material
    • F24S70/12—Details of absorbing elements characterised by the absorbing material made of metallic material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S70/00—Details of absorbing elements
    • F24S70/60—Details of absorbing elements characterised by the structure or construction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/32—Packing elements in the form of grids or built-up elements for forming a unit or module inside the apparatus for mass or heat transfer

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for a so-called solar absorber.
  • the heat exchanger has a matrix formed from a metal foil and a frame element in which the matrix is arranged.
  • the matrix forms a plurality of flow channels through which flow can take place from an end face serving as the gas inlet side to an end face serving as the gas outlet side along a main flow direction.
  • the metal foil forming the matrix is smooth in sections and structured in sections.
  • solar absorbers made of silicon carbide (SiSiC) are used.
  • the solar absorbers have a porous, i.e. gas-permeable, structure that forms a large number of preferably square flow channels.
  • the flow channels run in a horizontal and vertical arrangement.
  • a medium flowing in the flow channels e.g. air
  • a medium flowing in the flow channels e.g. air
  • metallic heat exchangers are used that have a matrix that forms a plurality of flow channels through which a medium can flow.
  • the matrix is preferably created by stacking thin metal foils on top of one another.
  • structured and smooth metal foils are stacked alternately on top of one another in order to form flow channels between the individual metal foils through which a medium can flow.
  • a particular disadvantage of the solutions in the state of the art is that the metal matrices are difficult to manufacture. Since the layer packages of the matrix are large and/or unstable, the individual metal layers can shift during production, which would impair the functionality of the matrix. In addition, the connection of the matrix to a casing pipe or For example, a frame element is difficult because the respective edge areas of the metal foils lie essentially perpendicular to the frame element, and thus the contact surface available for a material-locking connection is small.
  • a heat exchanger for a solar absorber contributes to this, with a matrix formed from a metal foil and with a frame element in which the matrix is arranged.
  • the matrix forms a plurality of flow channels through which flow can pass from an end face of the matrix serving as the gas inlet side to an end face of the matrix serving as the gas outlet side along a main flow direction.
  • the metal foil that forms the matrix is smooth in sections and structured in sections.
  • the matrix is formed from a single metal foil.
  • the matrix is formed by folding the metal foil, which is designed as a continuous material.
  • the metal foil is repeatedly folded over to create a stack of layers.
  • the length of the sections between the folds corresponds to the width of the frame element.
  • the number The height of the matrix is determined by the number of folds.
  • the folding takes place at a transition from a smooth section to a structured section of the metal foil. This ensures that each structured section forms a layer of the matrix and the next layer is formed by a smooth section of the metal foil. In this way, a matrix is produced that has alternating smooth layers and structured layers that are formed with a single metal foil.
  • “Folds” are to be understood in particular as a reversal or bending of the course of the metal foil.
  • the flow channels are formed between the smooth layers and structured layers, through which the gas can flow from the gas inlet side to the gas outlet side.
  • the metal foil can be formed as an endless strip made of a high-temperature resistant material.
  • the metal foil may have a width that defines the length of the flow channels in the heat exchanger and a length along which the smooth sections and the structured sections are arranged next to one another.
  • the metal foil extends much further in two spatial directions, the width and the length, than in the third spatial direction, the thickness.
  • the width defines the extension, which in the finished matrix defines the depth of the matrix or the length of the individual flow channels.
  • the smooth sections and the structured sections are arranged alternately along the length of the foil.
  • the length of the foil defines the height of the matrix, taking into account the number of smooth and structured sections and thus the number of layers achieved in the matrix.
  • the length of the smooth sections and structured sections can also be used to define the width of the matrix if one section, smooth or structured, forms a layer of the matrix.
  • the smooth sections and the structured sections can each have a length that corresponds to the width of the frame element transverse to the main flow direction of the flow channels. This is advantageous because one of the smooth or structured sections forms a layer of the matrix.
  • the frame element defines the size that the matrix must have in order to fill the open cross section through its open cross section.
  • the matrix Since there should be no areas within the frame element that are not filled by the matrix in order to prevent the flowable medium from flowing past, the matrix must be dimensioned in such a way that the open cross-section of the frame element is completely filled.
  • each layer thus extend from one side of the frame element to the opposite side, so that each layer is either (only) smooth or (only) structured.
  • the height of the frame element is filled by a sufficient number of layers of metal foil stacked or folded on top of each other. Essentially, the number of layers, the thickness of the metal foil and the height of the structuring are essential for the final height of the matrix.
  • the three spatial directions of the matrix are the width, which is defined by the length of the respective smooth and structured sections of the metal foil, the height, which is defined by the number of layers, the thickness of the metal foil and the height of the structuring, and the depth, which is defined by the width of the metal foil.
  • the matrix can be formed by folding the metal foil onto one another, with the layers of the matrix being alternately formed by a smooth section and a structured section of the metal foil. This is advantageous in order to have a smooth layer and a structured layer in the matrix in alternating layers.
  • the smooth sections of the metal foil can have a smaller width than the structured sections of the metal foil.
  • the smaller width of the smooth sections can be created by separating material areas, for example by punching or laser cutting, of the continuous material forming the metal foil.
  • the smooth sections and the structured sections can end flush with the end face forming the gas outlet side.
  • the shortening of the smooth sections compared to the structured sections is preferably carried out only on the gas inlet side.
  • the sections preferably end flush with one another, which is particularly advantageous with regard to the manufacturing process, since this allows a common stop to be formed for the smooth sections and the structured sections, and enables easy leveling of the matrix package produced from the sections.
  • the metal foil has a flat surface at the transition from a smooth section to a structured section. Inner surface of the frame element.
  • a folding area is formed on each layer. This is formed in particular by deforming the metal foil by 180 degrees.
  • a bulge is formed along the flow channels through the metal foil, which is aligned towards the frame element. This bulge forms a flat surface with the frame element.
  • the bulge can be the (final and/or starting) part of a structuring.
  • the enlarged contact surface of the embodiment according to the invention advantageously allows a material-locking connection, for example by soldering. But a positive connection between the matrix and the frame element is also favored, since the metal foil has greater stability in the area of the fold, which facilitates fixing using clamping elements, for example.
  • the matrix can be inserted between two projections protruding into the open cross section of the frame element.
  • a material-locking and/or positive connection may be formed all the way around the frame element between the frame element and the metal foil.
  • a material-locking connection with the frame element is advantageous for particularly high durability.
  • the large contact surfaces of the matrix on the frame element enable particularly good soldered connections to be created.
  • tongue and groove connections can be provided.
  • projections can be formed on the frame element, which form a receptacle into which the matrix is inserted.
  • the individual layers of the matrix do not have a material connection to each other.
  • a material bond between the layers is advantageous because this significantly increases the flexibility of the matrix. This allows temperature fluctuations to be better compensated.
  • the matrix in a heat exchanger according to the invention is subject to significantly less mechanical stress than, for example, a matrix of a honeycomb body in an exhaust system of an internal combustion engine, because the vibration loads in particular are significantly reduced. Therefore, according to the invention, a material bond between the layers can be dispensed with, which in particular significantly simplifies production.
  • the metal foil has at least one recess in the transition region between the smooth sections and the structured sections, wherein the recesses in the folded matrix form a groove running in a straight line at the edge of the matrix.
  • a recess can be a hole, for example. Holes can extend into or be provided in both the smooth section and the structured section. A rectangular hole is particularly advantageous.
  • the recesses which are then aligned, form a groove on one or both sides of the matrix, for example.
  • the frame element can preferably have corresponding projections or rails. When the matrix is inserted, the rails of the frame element engage in the grooves formed, which fixes the matrix in the frame element.
  • the frame element preferably has an open side through which the matrix can be inserted into the three closed walls of the matrix.
  • the side that is open for insertion can then be closed via another wall that is connected to the remaining walls.
  • the structure and shape of the solar absorber can be easily adapted to the constraints regarding the installation space of the receiver of the solar power plant.
  • the solar absorber preferably has a square cross-section, but other shapes such as rectangular, oval or hexagonal designs are possible.
  • the intended frame element has essentially the same cross-section as the matrix, so it is also square, rectangular or hexagonal.
  • the matrix protrude (axially protrude) over the frame element with the gas inlet side (which may be open to the environment).
  • a funnel and a drain pipe can be connected in the area of the gas outlet side of the frame element.
  • Air receiver technology is proposed.
  • Fig. 1 is a perspective view of a heat exchanger with a metallic matrix inserted into a frame element
  • Fig. 2 is a plan view of a metal foil with smooth sections and structured sections arranged next to one another
  • Fig. 3 is a side view of a metal foil with smooth sections and structured sections arranged next to one another, and a side view of several sections of the metal foil stacked on top of one another,
  • Fig. 4 is a plan view of the matrix in a frame element with folds formed on the frame element, which create an enlarged contact surface of the matrix on the frame element,
  • Fig. 5 is a plan view of a metal foil with recesses in the transition area between the smooth sections and the structured sections, and a matrix produced from the metal foil, with a groove formed on the side, and
  • Fig. 6. a view of a frame element with two inwardly directed beads formed on opposite walls, which engage in the grooves formed on the matrix of Fig. 5.
  • Fig. 1 shows a view of a heat exchanger 1, which has a matrix 2 formed from a metal foil.
  • the matrix 2 is accommodated in a (rectangular) frame element 3.
  • the matrix 2 forms a plurality of flow channels 5 along which the matrix 2 can be flowed through.
  • the frame element 3 is followed by a funnel 4 and a connecting pipe 5, through which a medium (e.g. hot air) can flow towards the matrix 2 or (preferably and illustrated here with the gas inlet side) away from it.
  • a medium e.g. hot air
  • Fig. 2 shows a plan view of a metal foil 6, which has alternating smooth sections 7 and structured sections 8.
  • the different sections 7, 8 are arranged alternately along the length L of the metal foil 6. It can be seen that the smooth sections 7 have a smaller width B than the structured sections 8.
  • the structured sections 8 have a (in the matrix 2 then Flow channels 22) delimiting) with the wave crests and wave troughs extending along the width B.
  • the protruding regions of the structured sections 8 can in particular form a gas inlet side of the matrix 2.
  • Fig. 3 shows in the upper area a frontal side view of the metal foil 6 of Fig. 2.
  • the metal foil 6 is repeatedly folded or bent by 180 degrees at the lateral transition areas between the smooth sections 7 and the structured sections 8 and is thus placed on top of one another.
  • a matrix 9 (or a metal foil matrix stack comprising layers) is produced which alternately has smooth layers formed from the smooth sections 7 and corrugated layers formed from the structured sections 8.
  • Fig. 4 shows a sectional view through a matrix 9 that was produced according to the procedure shown in Fig. 3.
  • the matrix 9 is accommodated in a frame element 10. It can be seen that by folding the metal foil 6 in the transition area, a belly 11 is formed, which lies flat against the inner surface of the frame element 10.
  • one layer of the matrix 9 is a smooth layer and a corrugated layer is arranged next to it.
  • Fig. 5 shows a plan view of a metal foil 12 on the left with alternating smooth sections 13 and structured sections 14.
  • a recess 16 is arranged, which is formed by a rectangular hole.
  • the recess 16 engages evenly in the smooth section 13 and the structured section 14.
  • a groove 18 running through the layers is created in the matrix 17.
  • This groove 18 is formed on the two opposite sides of the matrix 17 and runs along the height H of the matrix 17 according to the definition of the spatial directions.
  • Fig. 6 shows a frame element 19 into which the matrix 17 of Fig. 5 is inserted.
  • the engagement of the beads 20 in the grooves 18 fixes the matrix 17 in the frame element 19.
  • the frame element 19 is shown in Fig. 6 in such a way that it is not completely filled with the matrix 17. This serves to better illustrate the engagement of the beads 20 in the grooves 18.
  • the upper wall of the frame element 19 can be designed separately from the rest of the frame element 19.
  • Fig. 1 to 6 have no restrictive character and serve to clarify the inventive concept.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1 ) für einen Solarabsorber, mit einer aus einer Metallfolie (6, 12) gebildeten Matrix (2, 9, 17), mit einem Rahmenelement (3, 10, 19), in welchem die Matrix (2, 9, 17) angeordnet ist, wobei die Matrix (2, 9, 17) eine Mehrzahl von Strömungskanälen ausbildet, die von einer als Gaseinlassseite dienenden Stirnfläche zu einer als Gasauslassseite dienenden Stirnfläche entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbar sind, wobei die Metallfolie (6, 12), welche die Matrix (2, 9, 17) bildet, abschnittsweise glatt (7, 13) ausgebildet ist und abschnittsweise strukturiert (8, 14) ausgebildet ist, wobei die Matrix (2, 9, 17) aus einer einzigen Metallfolie (6, 12) gebildet ist.

Description

Wärmetauscher für Solarabsorber
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für einen so genannten Solarabsorber.
Der Wärmetauscher hat eine aus einer Metallfolie gebildete Matrix und ein Rahmenelement, in welchem die Matrix angeordnet ist. Die Matrix bildet eine Mehrzahl von Strömungskanälen aus, die von einer als Gaseinlassseite dienenden Stirnfläche zu einerals Gasauslassseite dienenden Stirnfläche entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbar ist. Die Metallfolie, welche die Matrix bildet, ist abschnittsweise glatt und abschnittsweise strukturiert ausgebildet.
Im Bereich der solarthermischen Kraftanlagen, insbesondere mit der sogenannten Luft-Receiver-Technologie, werden Solarabsorber aus Siliziumkarbid (SiSiC) eingesetzt. Die Solarabsorber weisen eine poröse, das heißt gasdurchlässige, Struktur auf, die eine Vielzahl von vorzugsweise quadratischen Strömungskanälen ausbildet. Die Strömungskanäle verlaufen in horizontaler und vertikaler Anordnung.
Durch das Fokussieren einer Energiequelle, beispielsweise einem stark gebündelten Lichtstrahl, kann ein in den Strömungskanälen strömendes Medium (z. B. Luft) erhitzt werden, wodurch Energie gewonnen werden kann.
In alternativen Ausführungen werden metallische Wärmetauscher eingesetzt, die eine Matrix aufweisen, die eine Vielzahl von einem Medium durchströmbaren Strömungskanälen ausbildet. Die Matrix wird hierbei bevorzugt durch das Aufeinanderstapeln von dünnen Metallfolien erzeugt. Vorzugsweise werden strukturierte und glatte Metallfolien abwechselnd aufeinandergestapelt, um damit zwischen den einzelnen Metallfolien Strömungskanäle auszubilden, die von einem Medium durchströmt werden können.
Nachteilig an den Lösungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass die metallischen Matrizen schwierig herzustellen sind. Da die Lagenpakete der Matrix großflächig und/oder instabil sind, kann es bei der Fertigung zu Verschiebungen der einzelnen Metalllagen kommen, wodurch die Funktionalität der Matrix gestört werden würde. Darüber hinaus ist die Anbindung der Matrix an ein Mantelrohr beziehungs- weise ein Rahmenelement schwierig, weil die jeweiligen Randbereiche der Metallfolien im Wesentlichen senkrecht an dem Rahmenelement anliegen, und somit die für eine stoffschlüssige Verbindung zur Verfügung stehende Anlagefläche gering ist.
Somit ist es schwierig eine dauerhaltbare stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise durch einen Lötvorgang, prozesssicher zu erreichen.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere, einen Wärmetauscher zu schaffen, der aus Metallfolien in einem Rahmenelement aufgebaut ist und hinsichtlich der Verbindung der Metallfolien untereinander und insbesondere des aus Metallfolien erzeugten Lagenstapels an das Rahmenelement verbessert ist.
Die Aufgabe hinsichtlich des Wärmetauschers wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen einzeln angeführten Merkmale können miteinander und/oder mit Sachverhalten der Beschreibung beliebig kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung und gibt zusätzliche Ausführungsvarianten an.
Hierzu trägt ein Wärmetauscher für einen Solarabsorber bei, mit einer aus einer Metallfolie gebildeten Matrix und mit einem Rahmenelement, in welchem die Matrix angeordnet ist. Die Matrix bildet eine Mehrzahl von Strömungskanälen aus, die von einer als Gaseinlassseite dienenden Stirnfläche der Matrix zu einer als Gasauslassseite dienenden Stirnfläche der Matrix entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbar ist. Die Metallfolie, welche die Matrix bildet, ist abschnittsweise glatt und abschnittsweise strukturiert ausgebildet. Die Matrix ist dabei aus einer einzigen Metallfolie gebildet.
Die Matrix ist durch das Aufeinanderfalten der als Endlosmaterial ausgeführten Metallfolie gebildet. Hierbei wird die Metallfolie immer wieder aufeinandergefaltet, um so einen Lagenstapel zu erzeugen. Die Länge der Abschnitte zwischen den Faltungen entspricht hierbei der Breite des Rahmenelementes. Durch die Anzahl der Faltungen wird die Höhe der Matrix bestimmt. Bevorzugt findet das Falten jeweils an einem Übergang von einem glatten Abschnitt zu einem strukturierten Abschnitt der Metallfolie statt. So wird erreicht, dass jeweils ein strukturierter Abschnitt eine Lage der Matrix ausbildet und die nächste Lage durch einen glatten Abschnitt der Metallfolie gebildet wird. Auf diese Weise wird eine Matrix erzeugt, die abwechselnd glatte Lagen und strukturierte Lagen aufweist, die mit einer einzelnen Metallfolie gebildet sind.
„Faltungen“ sind insbesondere als Umkehrung bzw. Umbiegung des Verlaufs der Metallfolie zu verstehen.
Zwischen den glatten Lagen und strukturierten Lagen bilden sich die Strömungskanäle aus, die von der Gaseinlassseite hin zur Gasauslassseite durchströmt werden können.
Die Metallfolie kann als Endlosband aus einem hochtemperaturfesten Material gebildet sein.
Die Metallfolie kann eine Breite aufweisen, welche die Länge der Strömungskanäle im Wärmetauscherdefiniert, und eine Länge, entlang welchersichdieglatten Abschnitte und die strukturierten Abschnitte aneinander reihen.
Die Metallfolie erstreckt sich in zwei Raumrichtungen, der Breite und der Länge, wesentlich weiter als in der dritten Raumrichtung, der Dicke. Die Breite definiert die Erstreckung, welche in der fertigen Matrix die Tiefe der Matrix beziehungsweise die Länge der einzelnen Strömungskanäle definiert. Entlang der Länge der Folie sind abwechselnd die glatten Abschnitte und die strukturierten Abschnitte angeordnet. Die Länge der Folie definiert unter Beachtung der Anzahl der glatten und strukturierten Abschnitte und somit der in der Matrix erreichten Lagenzahl die Höhe der Matrix. Durch die Länge der jeweils glatten Abschnitte und strukturierten Abschnitte kann außerdem die Breite der Matrix definiert werden, wenn jeweils ein Abschnitt, glatt oder strukturiert, eine Lage der Matrix bildet. Die glatten Abschnitte und die strukturierten Abschnitte können jeweils eine Länge aufweisen, die der Breite des Rahmenelementes querzur Hauptdurchströmungsrichtung der Strömungskanäle entspricht. Dies ist vorteilhaft, da jeweils einer der glatten oder strukturierten Abschnitte eine Lage der Matrix ausbildet. Das Rahmenelement definiert durch seinen offenen Querschnitt die Größe, die die Matrix aufweisen muss, um den offenen Querschnitt auszufüllen.
Da es keine Bereiche innerhalb des Rahmenelementes geben soll, die nicht von der Matrix ausgefüllt sind, um ein Vorbeiströmen des strömbaren Mediums zu verhindern, muss die Matrix derart dimensioniert sein, dass der offene Querschnitt des Rahmenelements vollständig ausgefüllt wird.
Die einzelnen Lagen erstrecken sich somit jeweils von einer Seite des Rahmenelementes zur gegenüberliegenden Seite, so dass jede Lage entweder (nur) glatt oder (nur) strukturiert ist. In der Höhe wird das Rahmenelement durch eine ausreichende Anzahl von aufeinander gestapelten bzw. aufeinandergefalteten Lagen der Metallfolie ausgefüllt. Im Wesentlichen ist also die Anzahl der Lagen, die Dicke der Metallfolie und die Höhe der Strukturierung wesentlich für die endgültige Höhe der Matrix.
Die drei Raumrichtungen der Matrix sind die Breite, welche durch die Länge der jeweiligen glatten und strukturierten Abschnitte der Metallfolie definiert wird, die Höhe, welche durch die Anzahl der Lagen, der Dicke der Metallfolie und die Höhe der Strukturierung definiert wird, und die Tiefe, welche durch die Breite der Metallfolie definiert wird.
Die Matrix kann durch ein Aufeinanderfalten der Metallfolie ausgebildet sein, wobei die Lagen der Matrix abwechselnd jeweils durch einen glatten Abschnitt und einen strukturierten Abschnitt der Metallfolie gebildet sind. Dies ist vorteilhaft, um jeweils alternierend eine glatte Lage und eine strukturierte Lage in der Matrix zu haben.
DadurchwerdenjeweilszwischenzweizueinanderbenachbartenLagendieStrömungs- kanäle ausgebildet. Darüber hinaus wird erreicht, dass die Struktur der strukturierten Lage jeweils auf einer glatten Lage aufliegt und so das Ineinanderrutschen der strukturierten Lagen verhindert wird. Die glatten Abschnitte der Metallfolie können eine geringere Breite aufweisen als die strukturierten Abschnitte der Metallfolie. Die geringere Breite der glatten Abschnitte kann durch ein Abtrennen von Materialbereichen, beispielsweise durch Stanzen oder Laserschneiden, des die Metallfolie bildenden Endlosmaterials erzeugt werden.
Die glatten Abschnitte und die strukturierten Abschnitte können an der die Gasauslassseite bildenden Stirnfläche bündig enden.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die glatten Abschnitte und die strukturierten Abschnitte an der die Gaseinlassseite bildenden Stirnfläche entlang der Hauptdurchströmungsrichtung versetzt zueinander enden.
Dadurch ergibt sich eine Gaseinlassseite, welche im Wesentlichen durch die strukturierten Abschnitte gebildet ist. Durch den Wegfall der glatten Abschnitte im Bereich des Gaseinlasses kann ein besseres Einströmverhalten in die Matrix hinein erzeugt werden. Zusätzlich wird die Porosität im Bereich des Gaseinlasses vergrößert.
Dadurch können insbesondere unter einem Winkel einfallende Sonnenstrahlen besser vom Absorber aufgenommen werden. Weiterhin wird der Verlust von Strahlungsenergie auf der Gaseinlassseite durch das Kürzen der glatten Abschnitte reduziert, dadurch verbessert sich der thermische Wirkungsgrad des Absorbers.
Das Kürzen der glatten Abschnitte gegenüber den strukturierten Abschnitten ist bevorzugt nur auf der Gaseinlassseite ausgeführt. An der Gasauslassseite schließen die Abschnitte bevorzugt bündig miteinander ab, was insbesondere hinsichtlich des Fertigungsprozesses vorteilhaft ist, da dadurch ein gemeinsamer Anschlag für die glatten Abschnitte und die strukturierten Abschnitte ausgebildet werden kann, und ein einfaches Ebnen des aus den Abschnitten erzeugten Matrixpaketes ermöglicht wird.
Auch kann es zweckmäßig sein, wenn die Metallfolie am Übergang von einem glatten Abschnitt zu einem strukturierten Abschnitt eine flächige Anlage an der Innenfläche des Rahmenelementes ausbildet. Durch die Faltung der Metallfolie wird erreicht, dass jeweils ein Faltbereich an jeder Lage ausgebildet wird. Dieser ist insbesondere durch die Umformung der Metallfolie um 180 Grad ausgebildet. Es wird in der Aufsicht entlang der Strömungskanäle durch die Metallfolie ein Bauch ausgebildet, welcher hin zum Rahmenelement ausgerichtet ist. Dieser Bauch bildet eine flächige Anlage mit dem Rahmenelement. Der Bauch kann (abschließender und/oder startender) Teil einer Strukturierung sein.
Dies ist insbesondere im Vergleich zu einer Matrix, die durch das Aufeinanderstapeln von einzelnen Folien gebildet ist, vorteilhaft, da diese jeweils keine flächige Anlage an dem Rahmenelement aufweisen würden, da die Folienenden jeweils senkrecht auf dem Rahmenelement fußen würden. Die vergrößerte Anlagefläche der erfindungsgemäßen Ausführung lässt vorteilhaft eine stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise durch Löten, zu. Aber auch eine formschlüssige Verbindung zwischen der Matrix und dem Rahmenelement ist begünstigt, da im Bereich der Faltung die Metallfolie eine höhere Stabilität aufweist, was beispielsweise ein Fixieren mittels Klemmelementen begünstigt. Die Matrix kann zwischen zwei in den offenen Querschnitt des Rahmenelementes hineinragende Vorsprünge eingesetzt werden.
Weiter ist möglich, dass eine stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung umlaufend am Rahmenelement zwischen dem Rahmenelement und der Metallfolie ausgebildet ist. Eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Rahmenelement ist vorteilhaft für eine besonders hohe Dauerhaltbarkeit. Durch die großen Anlageflächen der Matrix an das Rahmenelement können besonders gute Lötverbindungen erzeugt werden.
Für formschlüssige Verbindungen können Feder/Nut Verbindungen vorgesehen werden bzw. sein. Alternativ können an dem Rahmenelement Vorsprünge ausgebildet sein, die eine Aufnahme ausbilden, in welche die Matrix eingesetzt wird.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn die einzelnen Lagen der Matrix untereinander keine stoffschlüssige Verbindung zueinander aufweisen. Der Verzicht auf eine stoffschlüssige Verbindung der Lagen untereinander ist vorteilhaft, da dadurch die Flexibilität der Matrix deutlich erhöht wird. Dadurch können Temperaturschwankungen besser ausgeglichen werden. Die Matrix in einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher ist deutlich weniger mechanisch belastet als etwa eine Matrix eines Wabenkörpers in einer Abgasstrecke eines Verbrennungsmotors, da insbesondere die Schwingungsbelastungen deutlich reduziert sind. Daher kann erfindungsgemäß auf eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Lagen verzichtet werden, was insbesondere die Herstellung deutlich vereinfacht.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Metallfolie am Übergangsbereich zwischen den glatten Abschnitten und den strukturierten Abschnitten zumindest eine Aussparung aufweist, wobei die Aussparungen in der aufeinander gefalteten Matrix eine am Rand der Matrix geradlinig verlaufende Nut ausbilden.
Eine Aussparung kann beispielsweise ein Loch sein. Löcher können sowohl in den glatten Abschnitt als auch den strukturierten Abschnitt hineinreichen bzw. vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft ist ein rechteckiges Loch. In der fertigen Matrix mit den aufeinander gefalteten Lagen bilden die dann in einer Flucht liegenden Aussparungen beispielsweise eine Nut an einer oder beiden Seiten der Matrix aus. Das Rahmenelement kann bevorzugt korrespondierende Vorsprünge oder Schienen aufweisen. Durch das Einsetzen der Matrix greifen in die ausgebildeten Nuten die Schienen des Rahmenelementes ein, wodurch eine Fixierung der Matrix im Rahmenelement erzeugt wird.
Das Rahmenelement weist hierzu bevorzugt eine offene Seite auf, über welche die Matrix in die drei geschlossenen Wandungen der Matrix eingesteckt werden kann. Die zum Einstecken offene Seite kann dann über eine weitre Wandung, welche mit den restlichen Wandungen verbunden wird, geschlossen werden.
Der Aufbau und die Formgebung des Solarabsorbers lässt sich einfach an die Randbedingungen hinsichtlich des Bauraums des Receivers der Solarkraftanlage anpassen. Besonders bevorzugt weist der Solarabsorber einen quadratischen Querschnitt auf, aber auch andere Bauformen wie beispielsweise rechteckige, ovale oder hexagonale Bauformen sind möglich. Das vorgesehene Rahmenelement weist im Wesentlichen den gleichen Querschnitt wir die Matrix auf, ist also insbesondere ebenfalls quadratisch, rechteckig, hexagonal ausgeführt.
Es ist möglich, dass die Matrix mit der (hin zur Umgebung ggf. offenen) Gaseinlass- seitedas Rahmenelement (axial hervorstehend) überragt. Im Bereich derGasauslass- seite des Rahmenelements kann ein Trichter und ein Ablaufrohr angeschlossen sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Verwendung eines Solarabsorbers mit einem Wärmetauscher der hier vorgestellten Art zur Energiegewinnung in solarthermischen Kraftanlagen, insbesondere mit der sogenannten
Luft-Receiver-Technologie, vorgeschlagen. Zurweiteren Konkretisierung derVerwen- dung kann auf die beschriebenen Anwendungsspezifikationen und/oder Effekte bzw. Vorteile vollumfänglich Bezug genommen werden.
Im Folgenden wird die Erfindung sowie deren Umfeld anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen detailliert erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass in den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnete Element dieselben Eigenschaften aufweisen können, soweit das hier nicht explizit anderes erläutert ist. Die veranschaulichten Elemente der Zeichnungen können durch Sachverhalte aus anderen Zeichnungen und/oder der Beschreibung und/oder den Ansprüchen weiter charakterisiert werden (und umgekehrt), soweit das nachfolgend nicht explizit ausgeschlossen wird. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eineperspektivischeAnsichteinesWärmetauschersmiteinerme- tallischen Matrix, welche in ein Rahmenelement eingesetzt ist,
Fig. 2 eine Aufsicht auf eine Metallfolie mit aneinandergereihten glatten Abschnitten und strukturierten Abschnitten, Fig. 3 eine Seitenansicht einer Metallfolie mit aneinandergereihten glatten Abschnitten und strukturierten Abschnitten, und eine Seitenansicht von mehreren aufeinander gestapelten Abschnitten der Metallfolie,
Fig. 4 eine Aufsicht der Matrix in einem Rahmenelement mit am Rahmenelement ausgebildeten Faltungen, die eine vergrößerte Anlagefläche der Matrix am Rahmenelement erzeugen,
Fig. 5 eineAufsichtaufeine Metallfolie mitAussparungen im Übergangsbereich zwischen den glatten Abschnitten und den strukturierten Abschnitten, und eine aus der Metallfolie erzeugte Matrix, mit einer seitlich ausgebildeten Nut, und
Fig 6. eine Ansicht eines Rahmenelementes mit zwei an gegenüberliegenden Wandungen ausgebildeten nach innen gerichteten Sicken, welche in die an der Matrix der Fig. 5 ausgebildeten Nuten eingreifen.
Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Wärmetauschers 1 , der eine aus einer Metallfolie gebildete Matrix 2 aufweist. Die Matrix 2 ist in einem (rechteckigen) Rahmenelement 3 aufgenommen. Die Matrix 2 bildet eine Vielzahl von Strömungskanälen 5 auf, entlang welcher die Matrix 2 durchströmt werden kann. An das Rahmenelement 3 schließt sich ein Trichter 4 und ein Anschlussrohr 5 an, durch welche ein Medium (z. B. heiße Luft) hin zur Matrix 2 oder (bevorzugt und hier mit der Gaseinlassseite veranschaulicht) von dieser weg geströmt werden kann.
Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf eine Metallfolie 6, welche abwechselnd glatte Abschnitte 7 und strukturierte Abschnitte 8 aufweist. Der Länge L der Metallfolie 6 nach sind die unterschiedlichen Abschnitt 7, 8 abwechselnd angeordnet. Es ist zu erkennen, dass die glatten Abschnitte 7 eine geringere Breite B aufweisen als die strukturierten Abschnitte 8. Die strukturierten Abschnitte 8 weisen eine (in der Matrix 2 dann Strömungskanäle 22 begrenzende) Wellung auf, wobei die Wellenberge und Wellentäler sich entlang der Breite B erstrecken.
Die überstehenden Bereiche der strukturierten Abschnitte 8 können insbesondere eine Gaseinlassseite der Matrix 2 bilden.
Fig. 3 zeigt im oberen Bereich eine frontale Seitenansicht der Metallfolie 6 der Fig 2. Im unteren Bereich ist von links nach rechts gezeigt, wie die Metallfolie 6 wiederholt an den lateralen Übergangsbereichen zwischen den glatten Abschnitten 7 und den strukturierten Abschnitten 8 um 180 Grad gefaltet bzw. umgebogen und derart aufeinandergelegt ist. Auf diese Weise wird eine Matrix 9 (bzw. ein Lagen aufweisender Metallfolie-Matrixstapel) erzeugt, die abwechselnd aus den glatten Abschnitten 7 gebildete Glattlagen und aus den strukturierten Abschnitten 8 gebildete Welllagen aufweist.
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht durch eine Matrix 9, die nach dem Vorgehen, welches in Fig. 3 gezeigt ist, erzeugt wurde. Die Matrix 9 ist in einem Rahmenelement 10 aufgenommen. Es ist zu erkennen, dass durch das Falten der Metallfolie 6 im Übergangsbereich ein Bauch 11 ausgebildet ist, welcher flächig an der Innenfläche des Rahmenelementes 10 anliegt.
In Fig. 4 ist weiterhin zu erkennen, dass jeweils eine Lage der Matrix 9 eine Glattlage ist und darauffolgend eine Welllage angeordnet ist.
Fig. 5 zeigt links eine Aufsicht auf eine Metallfolie 12 mit abwechselnden glatten Abschnitten 13 und strukturierten Abschnitten 14. Im Übergangsbereich 15 zwischen den Abschnitten ist jeweils eine Aussparung 16 angeordnet, welche durch ein rechteckiges Loch gebildet ist. Die Aussparung 16 greift gleichmäßig in den glatten Abschnitt 13 und den strukturierten Abschnitt 14 ein. Durch das Aufeinanderfalten der Metallfolie 12 zur rechts gezeigten Matrix 17 wird in der Matrix 17 eine durch die Lagen verlaufende Nut 18 erzeugt. Diese Nut 18 wird an den beiden sich gegenüberliegenden Seiten der Matrix 17 ausgebildet und verläuft gemäß der Definition der Raumrichtungen entlang der Höhe H der Matrix 17. Fig. 6 zeigt ein Rahmenelement 19, in welches die Matrix 17 der Fig. 5 eingesetzt ist. In die Nuten 18 der Matrix 17 greifen Sicken 20 des Rahmenelementes 19 ein, die an sich gegenüberliegenden Innenflächen des Rahmenelementes 19 ausgebildet sind. Durch den Eingriff der Sicken 20 in die Nuten 18 ist eine Fixierung der Matrix 17 im Rahmenelement 19 erreicht. Das Rahmenelement 19 ist in Fig. 6 derart dargestellt, dass es nicht vollständig mit der Matrix 17 ausgefüllt ist. Dies dient der besseren Darstellung des Eingriffs der Sicken 20 in die Nuten 18. Zum Einsetzen der Matrix 17 kann die obere Wandung des Rahmenelementes 19 vom restlichen Rahmenelement 19 getrennt ausgeführt sein.
Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden.
Die Ausführungsbeispiele der Fig. 1 bis 6 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
Bezugszeichenliste
1 Wärmetauscher
2 Matrix
3 Rahmenelement
4 Trichter
5 Anschlussrohr
6 Metallfolie
7 glatter Abschnitt
8 strukturierter Abschnitt
9 Matrix
10 Rahmenelement
11 Bauch
12 Metallfolie
13 glatter Abschnitt
14 strukturierter Abschnitt
15 Übergangsbereich
16 Aussparung
17 Matrix
18 Nut
19 Rahmenelement
20 Sicke
21 Gaseinlassseite
22 Strömungskanal
L Länge
B Breite
H Höhe

Claims

Patentansprüche . Wärmetauscher (1 ) für einen Solarabsorber, mit einer aus einer Metallfolie (6,
12) gebildeten Matrix (2, 9, 17) und mit einem Rahmenelement (3, 10, 19), in welchem die Matrix (2, 9, 17) angeordnet ist, wobei die Matrix (2, 9, 17) eine Mehrzahl von Strömungskanälen ausbildet, die von einer als Gaseinlassseite dienenden Stirnfläche zu einer als Gasauslassseite dienenden Stirnfläche entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbar sind, wobei die Metallfolie (6, 12), welche die Matrix (2,9,17) bildet, abschnittsweise glatt (7, 13) und abschnitts- weisestrukturiert(8,14)ausgebildetist,d a d u r c h g e k e n n z e i c h - n e t , dass die Matrix (2, 9, 17) aus einer einzigen Metallfolie (6, 12) gebildet ist. . Wärmetauscher(l) nach Anspruch 1,d a d u r c h g e k e n n z e i c h - n e t .dass die Metallfolie (6, 12) eine Breite aufweist, welche die Länge der Strömungskanäle im Wärmetauscher (1) definiert und eine Länge, entlang welcher sich die glatten Abschnitte (7, 13) und die strukturierten Abschnitte (8, 14) aneinander reihen. . Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die glatten Abschnitte (7, 13) und die strukturierten Abschnitte (8, 14)jeweils eine Länge aufweisen, die der Breite des Rahmenelementes (3, 10, 19) quer zur Hauptdurchströmungsrichtung der Strömungskanäle entspricht. . Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Matrix (2, 9, 17) durch ein Aufeinanderfalten der Metallfolie (6, 12) ausgebildet ist, wobei die Lagen der Matrix (2, 9, 17) abwechselnd jeweils durch einen glatten Abschnitt (7, 13) und einen strukturierten Abschnitt (8, 14) der Metallfolie (6, 12) gebildet ist. . Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die glatten Abschnitte (7, 13) der Metallfolie (6, 12) eine geringere Breite aufweisen als die strukturierten Abschnitte (8, 14) der Metallfolie (6, 12). Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die glatten Abschnitte (7, 13) und diestrukturierten Abschnitte (8,14)anderdieGasauslassseite bildenden Stirnfläche bündig enden. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die glatten Abschnitte (7, 13) und die strukturierten Abschnitte (8, 14) an derdie Gaseinlassseite bildenden Stirnfläche entlang der Hauptdurchströmungsrichtung versetzt zueinander enden. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Metallfolie (6, 12) am Übergang von einem glatten Abschnitt (7, 13) zu einem strukturierten Abschnitt (8, 14) eine flächige Anlage an der Innenfläche des Rahmenelementes (9) ausbildet. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung umlaufend am Rahmenelement (3, 10, 19) zwischen dem Rahmenelement (3, 10, 19) und der Metallfolie (6, 12) ausgebildet ist. Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die einzelnen Lagen der Matrix (2,9,17) untereinander keine stoffschlüssige Verbindung zueinander aufweisen. Wärmetauscher (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Metallfolie (12) am Übergangsbereich (15) zwischen den glatten Abschnitten (13) und den strukturierten Abschnitten (14) zumindest eine Aussparung (16) aufweist, wobei die Aussparun- gen (16) in der aufeinander gefalteten Matrix (17) eine am Rand der Matrix (17) geradlinig verlaufende Nut (18) ausbilden.
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