DE2841571A1

DE2841571A1 - Einflutiger keramischer rekuperator und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2841571A1
Application number: DE19782841571
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl Ing Dr Foerster; Manfred Dipl Ing Dr Kleemann; Axel Dipl Ing Dr Krauth; Horst R Dr Maier; Hans-Juergen Dipl Ing Pohlmann
Original assignee: Ceramtec GmbH; Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 1978-09-23
Filing date: 1978-09-23
Publication date: 1980-04-03
Also published as: GB2033570B; NO147224C; DE2841571C2; FR2436956A1; ATA623179A; NO147224B; SE444072B; GB2033570A; CH643349A5; FR2436956B1; SE7906715L; AT366494B; NO793039L

Description

Eosenthai Technik AG Selb, den 21„09.1978

Kernforschungsanlage Jiilich GmbH He/li

BT.P. 1324
PT 0.429

Beschreibung

Einflutiger keramischer Rekuperator und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen rekuperativen Wärmeübertrager aus keramischem Material mit mehreren, in der Reihe nebeneinander angeordneten und parallel zueinander geführten Strömungskanälen mit Zu- und Abströmöffmuigen für im Wärmeaustausch stehende Medien, wobei jeweils benachbarte Strömungskanäle eine gemeinsame Trennwand aufweisen und von einem anderen der im Wärmeaustausch stehenden Medien durchströmt sind, und wobei die Strömungskanäle abwechselnd gegeneinander in Richtung der Zuströmöffnung versetzt sind sowie Verfahren zu seiner Herstellung.

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Solche rekuperativen Wärmeübertrager sind besonders für Gas turbinen geeignet, wobei keramische Werkstoffe wie SiC, Siliziuionitrid und Cordierit eingesetzt werden. Auch wird ein solcher Wärmetauscher bereits in der DE-OS 27 07 290 vorgeschlagen; er weist eine U-förmige Medienführung auf· weiteren wird in der DE-OS 24 53 961 ein rekuperativer Wärmetauscher insbesondere für Gasturbinen mit einer vorzugsweise kreuz- oder Z-förmigen Medienführung aus Metall oder Keramik beschrieben. Ebenfalls ist ein röhrenförmiger Plattenwärmetauscher aus Metall mit L-förmiger Medienführung aus dem US-PS 2,430,270 bekannt geworden. Letzterer Wärmetauscher wird insbesondere zum Erhitzen von Luft oder Flüssigkeiten eingesetzt, wobei man heiße Verbreimungsgase als Heizniedium benutzt. Der Wärmetauscher ist von einfacher Konstruktion und kann für Eeinigungszwecke leicht zerlegt werden. Für eine Hochtemperaturanwendung ist ein aolclier w'äraist-aascher aber nicht geeignet.

Insbesondere in der Autoiaobilbx*anche zur Entwicklung von wirtschaftlichen Fahrseuggas turbinen braucht man aber Wärmetauscher, die Gastemperaturen von etwa 1300° C vertragen. Deshalb kommen als Wärmeuberti.'agungsmäterialien hierfür nur keramische Werkstoffe inirage₃ Auch konnte man bei dem Hegenerator-Wärmetauschern mii seinen drehenden, keramischen Scheiben die Probleme niello vollständig lösen, so daß. man nun auf den Bekuperatortyp zurückgreift. Für solche oder für andere Verwendungszwecke geeignete Wärmetauscher sollen dabei einen hohen Ausnutzungsgrad, kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht aufweisen« Ferner wird verlangt, daß solche keramischen rekuperativen Wärmetauscher zuverlässig arbeiten und billig herzustellen sind.

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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen keramischen rekuperativen Wärmeübertrager zu schaffen, der in einfacher Weise mit Anschlüssen für die im Wärmeaustausch stehenden Medien zu versehen ist. Darüber hinaus sollen die keramischen Wärmeübertrager mit möglichst geringem Pertigungsaufwand herstellbar sein_o

Diese Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß die Öffnungen an der Längsseite benachbarter Strömungskanäle jeweils im Bereich entgegengesetzter Stirnseiten liegen und das andere Ende der Strömungskanäle stirnseitig geöffnet ist.

Varianten hinsichtlich der Öffnungen auf den Deckwandungen sind in den Unteranspt-üchen näiner SescLx-ieben. Des weiteren können zumindest die unter Niedercr-aek stehenden Strönmngskanäle Abstützungen aufweisen. Für die Herstellung solcher keramischer Wärmeübertrager mit L-förriiger Medienführung eignet sich die Säge-, Strangpreß- und Folientechiiik.

Im folgenden werden Aufbau des erfindungsgemäßen keramischen Wärmeübertragers mit L-föriaiger Mediumführung sowie Verfahren zu seiner Herstelliing anhand der Figuren im einzelnen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Ein Ausführungsbeiepiel in perspektivischer Darstellung mit den Schnitten A und B,

Fig. 2: Aufsicht und Längsschnitte C-D und E-F eines in der Sägetechnik hergestellten Wärmeübertragers,

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Fig. 3: eine perspektivische Ansicht eines in der Strangpreßtechnik gefertigten Wärmeübertragers,

Fig. 4: ein in der Folientechnik hergestellter Wärmeübertrager mit den Schnitten A-A und B-B.

In Figo 1 ist die L-f örinige Medienführttng in einem Wärmeübertragerblock I^ dargestellt. Aufbaumäßig zeigt der rekuperative Wärmeübertrager nebeneinander angeordnete parallel verlaufende Strömungskanäle j2, 3_» wobei die jeweils benachbarten Strömungskanäle eine gemeinsame Trennwand _7 aufweisen. Hinsichtlich der Abmessungen der Strömungskanäle hat sich für die Hochdrucksexte 2 die Schlitzbreite mit 0,8 nna und für die Niederdruckseite 3 mit 1,6 mm als günstig erwiesen_o Zusätzlich können die Strömungskanäle 3 der Niederdruckseite mit Abstützungen 1J3 verstärkt werden«, Dadurch treten auch irfcl^e der mehrfachen Querschnittsverengungen höhere Strömungsgeschwindigkeiten und Wirbelbindungen auf, die eine wiirksame Steigerung des Wärmeübergangs mit sich bringen«, Weitere Teile sind die Deckwandungen j8, Q sowie die kammax'txgen Endstücke 3J), die zusammen die eigentlichen Bauelemente des Wärmeübertragers bilde». Des weiteren werden die offenen Stixraseiten Ji, JJ mit kammartigen Endstücken 10 so verschlossen, daß die Strömungskanäle 2, 3 eine L-förmige Medienführung bilden. Durch Anschlüsse an den Öffnungen IJ₁ und Ij2 erfolgt der Zustrom von Gasen oder Flüssigkeiten in der Pfeilrichtung gekennzeichneten Art und Weise, womit der Wärmeaustausch im Gegenstromprinzip erfolgto Dabei können sich die Zuströmöffnungen 11 und 12 sowohl nur auf der einen oder jeweils auf den entgegengesetzten Seiten der Deekwandungen 8, 9 befinden.

Grundsätzlich läßt sich noch anführen, daß sich die einzelnen. Teile für den einflutigen Wäx*meübertrager vorteilhaft aus den keramischen Massen Siliziumnitrid, Siliziumcarbid und Cordierit herstellen lassen, die im gebrannten Zustand eine hohe Temperatur-

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beständigkeit "bis I3OO C und mehr aufweisen als auch durch eine gute Temperaturschockbeständigkeit gekennzeichnet sind. Insbesondere werden durch die höhere Temperaturbelastbarkeit Anwendungsmöglichkeiten ei'öffnet, die mit metallischen Wärmeübertragern nicht möglich sind. Dagegen läßt sich mit Keramik ein feingliedriger Aufbau von Rekuperatoren wie es "von den Metallen bekannt ist, nicht ohne weiteres durchführen. Deshalb müssen einzelne Herstellungsschritte und Abmessungen so aufeinander abgestimmt werden, daß man sowohl' eine optimale technische als auch wirtschaftliche Fertigung erhalt.

Der Wärineüberti-ager nach Fig 3 2 ist mit Hilfe der Sägetechnik gefertigt, wobei Siliziumnitrid als Werkstoff besonders geeignet ist. Ausgegangen wird von einem isostatisch gepreßten und vornitrierten Bloclc, in ä&n νοη der Seite mit der späteren Deckwandung 8 die Ströraungskai-Iile 2 mittels Diamant schleifscheiben eingefräst werden, so daS die Stirnseite 5 vorerst verschlossen bleibt. Um möglichst gleichbleibende Schlitzbreiten zu erhalten und ein Ausbrechen der Trennwandungen 7 zu vermeiden, wird der Schleifstaub mit einer Bmickluf tdüse nahe an der Schnittstelle sofort ausgeblasene Damit tritt auch eine zusätzliche Kühlung ein, wodurch die Warmespannung in"der Scheibe vermindert wird. Sowohl die einzelnen Deckwandungen 8, 9 als auch der Block 1 sind vorher pla.uparallel geschliffen worden. In die Deckwandung 8 wird zusätzlich eine Ausnehmung eingearbeitet, die als Eintrittsöffnung 11 in Form eines Fensters J5 für das Hochdruck-Medium diente Anschließend wird die Deckwandung 8 so aufgarniert, daß sich das Fenster 6 an der noch geschlossenen Stirnseite 5 befindet» Der Körper wird dann mit der Deckseite nach unten auf die Fräse gelegt und die Gegenseite wird durchgehend mit Strömungskanälen 3 der Niederdruckseite versehen, wobei die Sägeblätter am Ende der Stirnseite h so abgesenkt werden, daß die Schlitze 17. für die Niederdruckseite in der

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Deckwandung 8 entstehen. Falls notwendig, werden auch von " dieser Seite in die Strömungskanäle 3 die Abstützungen 18 eingebracht,. Danach werden die Strömungskanäle 3 auf der Stirnseite 4 mit einem Endstück 10 verschlossen, so daß an dieser Seite nur noch die Strömungskanäle 2 geöffnet sind. Als letztei* Formgebungsschritt erfolgt das Aufgarnieren der geschlossenen Abdeckung 9» Der so gefertigte Wärmetauscher wird dann zwischen 1350 und 1500° C fertig nitriert.

In der weiteren Fig. 3 ist der erfindungsgemäße einflutige keramische Warmeuberträger nach der Strangpreßteehnik dargestellt. Die besondere Ausbildung der Strömungskanäle erzielt man durch entsprechende Kerne im Mundstück der Vakuumpresse, Beispielsweise kann das Mundstück so ausgebildet sein, daß breite ätröüii^gskaiiäle 3 ttnd etwas längere dünne Strömungskanäle 2 geiorrrc T/erden» Der Preßstrang wird dann auf die entsprechende Länge des Wärmeübertragerblockes geschnitten. Die Zuströinöffnimg 11 für die Hochdruckseite erhält man, indem man die Strcüuungskanäle 2 durch die Deckwandung 8 in Form eines Fensters 6 freilegt. Die Öffnung der Strömungskanäle 3 für die Niederdruckseite auf der Deckwandung 8 erfolgt durch Einfräsen von Schlitzen 17 in Richtung der Strömungskanäle 3 in ά<α· Nähe der Stirnseite 4. Schließlich werden die kammartigen EmIa i.ik-ke 10 auf den beiden Stirnseiten 4, 5 angarniert, die so ausgebildet sind, daß eine L-förmige Medienführung vorliegt. Anschließend wird der so hergestellte Wärmeübertrager dem Sinterprozeß unterworfen.

Der blockförmige Wärmeübertrager 1 gemäß der Erfindung kann auch aus einzelnen rechteckigen oder quadratischen Folien hergestellt werden, wie aus Fig. 4 hervorgeht. Den Wärmeübertragerblock erhält man, indem man beispielsweise wechselweise auf dünnere 3J5 und dickere l6 Abstandshalter ausgestanzte

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Folien Ij) legt und den Stapel durch die beiden Grundplatten 13 lind 14 seitlich "begrenzt. Durch die äußeren Ränder der Abstandshalter 15j l6 und der Folien 19 entstehen die Deckwandungen 8 und 9. Die Abstandshalter 15 und l6 sind entweder stranggezogen oder isostatisch gepreßte Fertigungstechnisch ist es dabei günstiger, das Fenster 6 einzufrasen als die Abstandshalter 15 und l6 in diesem Bereich zu unterbrechen, Die EintrittsÖffnung 12 für die Niederdruckseite mit den breiten Schlitzen 17 wird durch Unterbrechung der Deckwand 8 in den Abstandshaltern 16 erreicht. Die Rohfestigkeit des ffärmeübertragerblockes wird erhalten, indem man ihn entweder einem Kalt- oder einem Eeißiuiaellierungsprozeß unterwirft. Beim Heißlamellieren werden Temperaturen zwischen 80 und 150° C erreicht und ein mäßiger Druck von ca» 20 kg/cm" angewendet, um ein Zusammenkleben der einzelnen Teile zu erreichend Beim KaItlamellieren dagegen muß der TjtmhL· arheblich gesteigert werden; er liegt zwischen 40 und 2ΰΟ kp'cra"", wobei die einzelnen Schichten noch vorher mit einer Kunststoffschicht versehen werden müssen, damit der IQebe-Effekt eintritt«, Anschließend wird der Körper dem üblichen Sinterprozeß ausgesetzt. Obwohl hier etwas höhere Herstellungskosten als beim Strangziehen vorliegen, ergibt sich der Vorteil, daß die gebildeten Abstützungen 18 in Gasfülxrmigsrichtung eingebracht werden können, wie aus dem Schnitt B-B ά··.ν Fig» 3 hervorgeht»

Die Herstellung des erfiiidnngsgemäßen keramischen Warmeüh er tragers beschränkt sich nicht nur auf die beschriebenen Herstellungsmethoden, sondern es kann auch eine kombinierte Säge- und Strangpreßtechnik angewandt wex^wden. Solche Herstellungsmethoden ermöglichen eine billige und zuverlässige Produktion solcher ¥armeübertragei" in Keramik. Durch spezifische Ausbildungen der Ein- und Austritts öffnungen kann der Wärmeübertrager ohne Anox'dnung eines federnden, dehnungsaufnehmenden Mittels, z. B. direkt an die Leitung einer Gasturbine, angeschlossen werden. Als weiteres ist er wegen des relativ billigen Ausgangsmaterials kostengünstig herzustellen«,

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Claims

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Patent- bzw_o Schutzansprüche

10} Rekuperativer Wärmeübertrager aus keramischem Material mit mehreren in der Reihe nebeneinander angeordneten und parallel zueinander geführten Strömungskanälen mit Zu- und Abströmöffnungen für im Wärmeaustausch stehende Medien, wobei jeweils benachbarte Strömungskanäle eine gemeinsame Trennwand aufweisen und von einem anderen der im Wärmeaustausch stehenden Medien durchströmt sind xmd wobei die Strömungskanäle abwechselnd gegeneinander in Richtung der Zuströmöffnung versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (ll, 12) an der Längsseite benachbarter Strömungskanäle (2, 3) jeweils im Bereich entgegengesetzter Stirnseiten (4, 5) liegen und das andere Ende der Ströraungskanäle (2, 3) stirnseitig ist„
2. Rekuperativer Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Öffnungen (ll, 12) auf der Deelcwandimg (β) befinden.
3. Rekuperativer Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Öffnung (ll, 12) auf den Deekwandungen (8, 9) angebracht ist.

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4. Rekuperativer Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest im Niederdruckteil der Strömungskanäle (3) Abstützungen (l8) zwischen den Trennwandungen (7) vorgesehen sind.

5· Verfahren zur Herstellung eines rekuperativen Wärmeübertragers nach Anspruch 1 mittels der Sägetechnik, dadurch gekennzeichnet, daß von der einen Seite des Blockes (l) die Strömungskanäle (2) für die Hochdruckseite so eingefräst werden, daß die Stirnseite (5) vorerst verschlossen bleibt, danach wird die Deckwandung (δ) mit dem Fenster (6) bei der Stirnseite (5) aufgarniert, dann wird der Block (l) gewendet und mit durchgehenden Strömungskanälen (3) der Niederdrucksexte versehen, wobei im Bereich der Öffnungen (12) die Fräse so abgesenkt wird, daß am Ende der Beck^and-Qiig (8) Schlitze (17) entstehen, anschließend werden die Ströamngskanäle (3) auf der Stirnseite (4) mit einem kamtnartigen Endstück (lO) verschlossen und als letztes wird die Deekwandung (9) aufgarniert.

Verfahren zur Herstellung eines relcuperativen Wärmeübertragers nach Anspruch 1 mittels der Strangpreßtechnik, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung der Strömungskaüäle (2, 3) durch entsprechende Kerne im Mundstück der Vakuumpresse herbeigeführt werden, wobei die breiten Niederdruckkanäle (3) kürzer und die dünneren Hochdruckkanäle (2) länger in ihrer Abmessung sind, der blockartige Strang wird dann auf Maß geschnitten und die Öffnung (ll) für die Strömungskanäle (2) wird in Form eines

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Fensters (6) in die Deckwandung (δ) eingefräst, das Öffnen der Strömungskanäle (3) auf der Deckwandung (β) erfolgt dagegen durch Einfrasen der Schlitze (17), danach werden die beiden kammartigen Endstücke (lO) auf die Stirnseiten (4, 5) angarniert, und zwar in der Weise, daß man jeweils eine L-förmige Medienführung erhält.

7· Verfahren zum Herstellen eines relcaperativen Wärmetauschers nach Anspruch 1 mittels Folientechnik, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Grundplatten (l3» 14) ausgestanzte Folien mit den Abstandshaltern (15, l6) aufeinandergestapelt werden, und zwar in der Art und Weise, daß die Strömungskanäle (3) durch die Abstandshalter (i5) und die Strömungskanäle (2) durch die Abstandshalter (l6) entstehen, zusätzlich wird das Fenster (6) in die Beekvacchm^ (S) eingefräst, ebenfalls die Schlitze (17) hei der Öffnung (l2), anschließend wird der bloekförmige Wärmeübertrager (l) einem Kalt- oder Hexßlaminierungsprozeß unterworfen.

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