Entwicklung keramischer Plattenwärmeübertrager für Einsatztemperaturen bis 1250 °C

Kurzfassung

Der Einsatz derzeitig verfügbarer, rekuperativ betriebener Wärmeübertrager ist aufgrund der thermischen Belastbarkeit metallischer Werkstoffe auf Materialtemperaturen bis ca. 950 °C begrenzt. Durch die Überwindung dieser Einsatzgrenze ließe sich der Wirkungsgrad zahlreicher Prozesse signifikant steigern. Dies erfordert die Verwendung rein keramischer Wärmeübertrager. Im Bereich der Kraftwerkstechnik könnten solche Rekuperatoren die Exergieverluste bei den Kombiprozessen mit Integrierter Vergasung (IGCC) signifikant senken. Ein Prozess, der ohne einen keramischen Rekuperator kaum sinnvoll betrieben werden kann, ist die externe Befeuerung von Gasturbinen (EFGT). Hierbei treten neben den hohen Temperaturen auch Druckdifferenzen von bis zu 20 bar zwischen beiden Gasströmen auf. Weitere Einsatzfelder sind im Bereich der Wärmerückgewinnung bei extremen Temperaturen oder bei der Wasserstoffgewinnung mittels thermochemischer Prozesse zu finden. Für diese Anwendungen der Hochtemperaturwärmeübertragung wird am DLR-Institut für Technische Thermodynamik ein keramischer Plattenwärmeübertrager auf der Basis des "Offset Strip Fin“ (OSF)- Designs entwickelt. In diesem Beitrag wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Entwicklung gegeben. Zunächst wird beschrieben, wie eine Massenherstellung aus Siliciumkarbid (SiC) realisiert werden kann, die die Einbringung eines Korrosionsschutzsystems auch im Inneren des Wärmeübertragers ermöglicht. Anhand eines beispielhaften EFGT- Prozesses wird anschließend die wärmetechnische und strukturmechanische Auslegung vorgestellt. Eine Wirtschaftlichkeitsanalyse demonstrierte, dass diese Rekuperatoren in unterschiedlichen Prozessen ökonomisch eingesetzt werden können. Aufgrund der besonderen EEG- Förderung für Biomasse- Verstromung im Leistungsbereich kleiner 5 MWel bietet sich ein solcher EFGT- Prozess als Markteintritts- Anwendung an.