DE10161667C1 - Wärmetauscher aus Kunststoff - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher aus Kunststoff, der aus einer Vielzahl von Hohlkammerelementen besteht und sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass die Hohlkammerelemente (11) jeweils aus einem ausgehärteten Fasergewebe (11a) bestehen, wobei zwei Deckschichten (12, 13) über faserförmige Stehfäden (14) beabstandet sind. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher findet vorzugsweise in der chemischen Industrie sowie in der Fahrzeugtechnik Anwendung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher aus Kunststoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Wärmetauscher sind in der Technik sehr weit verbreitet und werden vielfältig eingesetzt. Sie werden benötigt, um die Wärme kontinuierlich von einem Strom an einen anderen Strom zu übertragen. Diese Übertragung soll möglichst effizient er­ folgen, und der Wärmetauscher sollte eine möglichst kleine Oberfläche aufweisen.

Meist werden die Wände der Wärmetauscher aus Metall gefertigt. Eine ausführ­ liche Beschreibung von gängigen Wärmetauschern findet man z. B. in S. Kakac, H. Liu, "Heat Exchangers", CRC Press, New York, 1997. Hierbei ist es generell wichtig, dass alle auftretenden Wärmewiderstände klein gehalten werden. Dies bedeutet, dass für einen Wärmetauscher mit dünnen Metallwänden besonders die internen und die externen Wärmeübergangszahlen α_i und α_a hoch sein müssen, damit der übertragbare Wärmestrom maximal ist. Bei solchen Situationen spielt der Wärmewiderstand im Körper nur noch eine untergeordnete Rolle.

Vielfach werden Wärmetauscher jedoch auch in Bereichen eingesetzt, wo die durchströmenden Medien, zwischen denen Wärme getauscht wird, aggressiv sind und die Metallwände angreifen. Dies führt zu einem schnellen Ausfall der Wärmetauscher. Hier kann man Wärmetauscher aus Kunststoff einsetzen. Ein Beispiel eines solchen Wärmetauschers ist z. B. in EP 0167 938 A1 beschrieben. Wärmetauscher dieser Art haben neben der Verträglichkeit gegenüber aggressi­ ven Medien und einer verminderten Neigung zum Verschmutzen auch noch den Vorteil, dass sie sehr leicht aus einzelnen Segmenten modular aufbaubar sind und in der gesamten Formgebung viel mehr Freiraum einräumen als Wärmetauscher aus Metall. Zudem geht aus DE 199 29 718 A1 eine Wärmespeichermatte aus Kunststoff als bekannt hervor, mit einer Vielzahl von aus Fasergewebe herstellten Hohlkammerelementen, in denen Speichermaterial gemeinsam mit einer Arbeitsmittelführung sowie einem zugehörigen Träger einen flexiblen Verbund bildet.

Bei den oben beschriebenen Wärmetauschern aus Kunststoff treten jedoch auch deutliche Nachteile auf. Zunächst einmal spielt bei Wärmetauschern aus Kunststoff der Wärmewiderstand durch die Kunststoffwand eine wichtige Rolle. Dominiert dieser Wärmewiderstand, so wird der zu übertragende Wärmestrom zu klein und der Wärmetauscher aus Kunststoff ist nicht mehr besonders lohnend. Dieser Nachteil ist insbesondere in der Anordnung gemäß EP 0167 938 A1 ersichtlich, da die Wände bevorzugt durch Extrusion hergestellt werden.

Ein weiterer Nachteil der oben beschriebenen Wärmetauscher aus Kunststoff liegt darin, dass der Wärmeübergang im Inneren des Wärmetauschers nur durch Einbringen von Einbauten angefacht werden kann. Dies ist meist kostenintensiv in der Herstellung.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher aus Kunststoff dahingehend weiter zu entwickeln, dass der Wärmeübertrag im Innern des Wärme­ tauschers verbessert ist, wobei der Wäremtauscher einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Die Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher aus Kunststoff gelöst, der eine Vielzahl von Hohlkammerelementen aufweist, und sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass die Hohlkammerelemente aus einem ausgehärteten Fasergewebe bestehen, wobei jeweils zwei Deckschichten über faserförmige Stehfäden beabstandet sind.

Durch einen derartigen Aufbau wird die Wandstärke der einzelnen Hohlkammerelemente des Wäremetauschers im Vergleich zu den bekannten, mittels Extrusion hergestellten Strukturen deutlich vermindert. Dadurch wird der Wärmeübergang innerhalb des Wärmetauschers effektiv verbessert. Daneben hat die erfindungsgemäße Ausgestaltung den Vorteil, dass durch die Verwendung von Fasergeweben eine leichte Bauweise möglich ist. Ferner führen die innerhalb des Fasergewebes zwischen den Deckschichten angeordneten Stehfäden zu einem hohen Maß an Verwirbelung des durch die Hohlkammerelemente strömenden Mediums, so dass aufgrund von erhöhten Turbulenzen der Wärmeaustausch ebenso verbessert ist.

Vorzugsweise ist das Fasergewebe eine aus Glas-, Polyester- oder Polyamidfasern dreidimensional gewobene oder gestickte Struktur, wobei die Deckschichten über die dreidimensional verwirkte Stehfäden miteinander verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass der erfindungsgemäße Wärmetauscher einfach herstellbar ist, da eine automatische Fertigung derartiger Gewebe möglich ist. Dies hat auch zur Folge, dass die Herstellungskosten im Vergleich zu bekannten Kunststoffwärmetauschern reduziert sind.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform besteht das Fasergewebe aus miteinander vernähten zweidimensionalen Faser-Deckschichten. Dabei können für Deckschichten und Nähfäden unterschiedliche Materalien verwendet werden. Zudem können vorteilhafterweise gezielte Hohlkammerformen eingebracht werden und die Hohlkammerelemente in der Ebene gekrümmt gestaltet werden.

Zweckmäßigerweise ist die Anzahl, Ausrichtung und/oder Anordnung der Stehfäden einstellbar. Dadurch ist ein einfaches Anpassen an gewünschte Strukturanforderungen gewährleistet. Ferner können durch die Wahl der Anzahl, Ausrichtung und/oder Anordnung der Stehfäden die Turbulenzen innerhalb der einzelnen Hohlkammerelemente einfach angepasst werden, ohne dass größere Modifikationen des Aufbaus nötig sind. Dabei kann der zur Verfügung stehende Druckverlust im Wärmetauscher in weiten Bereichen durch die Stehfadendichte ganz gezielt eingestellt werden.

Vorzugsweise ist das Fasergewebe mittels einem duromeren oder thermoplastischen Kunstharz ausgehärtet, so dass eine stabile, dreidimensionale Struktur zur Bildung des jeweiligen Hohlkammerelements zur Verfügung steht. Somit kann durch einen einfachen Arbeitsschritt die gewünschte Festigkeit und Steifigkeit, die zur Bildung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers erforderlich ist, erzielt werden.

Ferner zeichnen sich die Hohlkammerelemente dadurch aus, dass sie durch seitliche Außen­ wände geschlossen sind, so dass ein entsprechender Kanal zur Führung des strömenden Mediums ausgebildet ist. Gemäß einer besonders einfachen Ausführungsform bestehen die Außenwände durch seitlich zusammengedrücktes Fasergewebe. Alternativ können die Außenwände z. B. aus zweidimensionalem Fasergewebe, blechförmigen oder anderen geeigneten Materialien bestehen. Somit sind vorteilhafterweise unterschiedliche Alternativen zur Ausbildung der seitlichen Außenwände möglich.

Wird die zweite Alternative gewählt, ist es zweckmäßig, die Außenwände nachträglich seitlich an dem ausgehärteten Fasergewebe mittels Kleben, Klemmen oder anderen geeigneten Befestigungsmitteln anzubringen.

Vorzugsweise sind die Hohlkammerelemente schicht- und/oder wabenförmig angeordnet. Somit ist ein modularer Aufbau des Wärmetauschers mit einer großen Vielfalt an Variationamöglichkeiten gegeben.

Es ist ferner zweckmäßig, die Hohlkammerelemente durch Kleben, Klemmen oder derglei­ chen miteinander zu verbinden. Damit können die einzelnen Hohlkammerelemente beliebig zu einer Wärmetauscherstruktur angeordnet werden, ohne dass durch das Verbinden der einzelnen Hohlkammerelemente der Wärmeaustausch beeinträchtigt wird.

Ferner ist es vorteilhaft, dass die Hohlkammerelemente zweifachgekrümmt oder lokal verformt herstellbar sind, so dass die Struktur des Wärmetauschers an bestimmte Abmessungen oder Platzgegebenheiten anpassbar ist. Dies wird vorzugsweise dadurch realisiert, dass das dreidimensionale Fasergewebe vor dem Aushärten an die gewünschte Form bzw. Krümmung angepasst wird, so dass die ausgehärtete Struktur die gewünschte Form aufweist.

Besonders zweckmäßig ist es, dass mehrere Hohlkammerelemente in integraler Verbundbauweise herstellbar sind, wobei das mittels Weben oder Sticken hergestellte Faserverbundgewebe gleich mehrere Deckschichten aufweist, die jeweils über faserförmige Stehfäden verbunden sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet insbesondere in der chemischen Industrie sowie in der Fahrzeugtechnik Anwendung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Abbildungen in näheren Einzel­ heiten erläutert. In denen zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Wärmetauschers aus Kunststoff gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers in Schichtanordnung;

Fig. 3a-d verschiedene Ausgestaltungen der den erfindungsgemäßen Wärmetauscher bildenden Hohlkammerelemente;

Fig. 4 ein formanpassbares, gekrümmtes Hohlkammerelement;

Fig. 5 eine Schnittansicht eines Hohlkammerelementes mit zusammengedrückten Außenwänden;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Fasergewebes gemäß einer alternativen Ausführungsform; und

Fig. 7 eine Draufsicht auf das in Fig. 6 dargestellte Fasergewebe.

Fig. 1 zeigt einen bekannten Wärmetauscher aus Kunststoff 1, der aus einer Vielzahl gestapelter Hohlkammerplatten 2 besteht. Die Hohlkammerplatten 2 sind mittels Extrusion hergestellt und weisen jeweils eine Vielzahl von Hohlkammern 3 auf. Dabei berühren sich jeweils die Wände 4, 5 der Hohlkammerplatten 2, und die einzelnen Hohlkammern 3 stehen über Stege 6 miteinander in Verbindung. Dabei sind die einzelnen Hohlkammerplatten 2 vorzugsweise lediglich im Bereich der Stirnseite miteinander verbunden.

Der Wärmewiderstand dieses bekannten Wärmetauschers 1 wird aufgrund der Herstellungsweise der Hohlkammerplatten 2 mittels Extrusion durch die Wände 4, 5 dominiert. Ferner kann der Wärmeübergang innerhalb des Wärmetauschers nur durch Einbringen von zusätzlichen Einbauten angefacht werden.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Wärmetauscher aus Kunststoff gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Wärmetauscher 10 besteht aus einer Vielzahl von Hohlkammerelementen, die in Fig. 2 jeweils mit Bezugszeichen 11 bezeichnet sind. In Fig. 2 sind die Hohlkammerelemente 11 schichtförmig angeordnet. Selbstverständlich kann auch eine wabenförmige oder eine andere geeignete Anordnung gewählt werden. Ferner kann, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, die Struktur, Dicke etc. der jeweiligen Holkammerelemente 11 variieren. Jedes einzelne Hohlkammerelement 11 stellt einen Kanal zum Führen des durch den Wärmetauscher strömenden Mediums dar.

Zur Verdeutlichung der Ausgestaltung der Hohlkammerelemente 11 zeigt Fig. 3 in schematischer Darstellung unterschiedlicher Ausführungsformen. Die jeweiligen Hohlkammerelemente 11 bestehen aus einem dreidimensionalen Abstandsgewebe, das primär aus einem gewobenen oder gestickten Fasergewebe 11a hergestellt wird. Die Fasern des Gewebes bestehen dabei vorzugsweise aus Glas-, Polyester- oder Polyamidfasern. Bekanntlicherweise wird z. B. beim Weben durch abwechselndes Heben und Senken von Kettfäden sowie durch ein Einführen eines Schussfadens in den durch die gesenkten bzw. gehobenen Kettfäden gebildeten Zwischenraum eine entsprechende Verkreuzung von Kett- und Schussfäden erzeugt. Dies führt zu den bekannten zweidimensionalen Geweben. Werden nun in regelmäßigerweise bestimmte Kettfäden dreidimensional verwirkt, entsteht eine dreidimensionale Struktur, wobei jeweils zwei zweidimensionale Deckschichten 12, 13 über die verwirkten Kettfäden, die im folgenden als Stehfäden 14 bezeichnet werden, miteinander verbunden sind. Folglich weisen die die Hohlkammerelemente 11 begrenzenden Deckschichten 12, 13 eine deutlich geringere Dicke als bei herkömmlichen Kunststoffwärmetauschen aus. Die Dicke der Deckschichten 12, 13 beträgt typischerweise 0,5-2 mm, so dass der Wärmeaustausch innerhalb des Wärmetauschers nicht durch die Wandstärke in ungewünschterweise limitiert ist. Ferner kann die Anzahl, Ausrichtung und/oder Anordnung der Stehfäden 14 auf einfache Weise variiert werden, wie das sowohl in Fig. 2 als auch in Fig. 3a bis 3c schematisch dargestellt ist. Alternativ kann eine kreuzförmige Anordnung der Stehfäden 14 zur Beabstandung der Deckschichten 12, 13 gewählt werden (Fig. 3d). Dies ermöglicht ein einfaches Anpassen an gewünschte Anforderungen. Die in Fig. 3a-d dargestellten Ausführungsformen dienen jedoch nur der beispielhaften Erläuterung und schränken den Gegenstand der vorliegenden Erfindung nicht ein.

Das so hergestellte Fasergewebe weist zunächst eine stoffartige Struktur auf, so dass es problemlos an gewünschte Formen anpassbar ist. Um eine für einen Wärmetauscher geeignete stabile bzw. feste, dreidimensionale Struktur zu erhalten, wird das Fasergewebe ausgehärtet. Das Aushärten erfolgt typischerweise mit einem duromeren oder thermoplastischen Kunstharz bei Temperaturen zwischen 60-120°C. Beim Aushärten stellen sich die Stehfäden automatisch auf, so dass nach dem Aushärten die zweidimensionalen Deckschichten 12, 13 über die Stehfäden 14 beabstandet sind. Dabei können zu Hilfszwecken Kunststoffplatten verwendet werden, an denen die zweidimensionalen Deckschichten vorübergehend befestigt sind, so dass eine Wellenbildung der Deckschichten wirksam vermieden wird. Alternativ kann, wie bereits erwähnt, die Flexibilität des nicht ausgehärteten Fasergewebes dazu ausgenutzt werden, formangepasste Hohlkammerelemente herzustellen. Hierzu wird das Fasergewebe vor dem Aushärten in die gewünschte Form gebracht, mit geeigneten Mitteln in dieser Form fixiert und anschließend ausgehärtet, so dass beispielsweise das in Fig. 4 dargestellte gekrümmte Hohlkammerelement entsteht.

Zum Transport des durch den Wärmetauscher strömenden Mediums müssen die Hohlkammerelemente 11 selbstverständlich seitlich geschlossen sein. Diese seitlichen Außenwänden sind in Fig. 3 mit Bezugszeichen 15 und 16 bezeichnet. Die Außenwände könne dabei auf unterschiedliche Weise ausgeführt sein. Besonders einfach ist es, vor dem Aushärten das Fasergewebe seitlich zusammenzudrücken, so dass das in Fig. 5 schematisch dargestellte seitlich geschlossene Hohlkammerelement entsteht. Alternativ können zweidimensionale Fasergewebe, blechförmige oder andere gleichermaßen geeignete Materialien und Strukturen verwendet werden, die in der Regel nach dem Aushärten des Fasergewebes seitlich an diesem angebracht sind. Dies kann durch Kleben, Klemmen oder mit Hilfe geeigneter Befestigungsmittel geschehen.

Die so durch die einzelnen Hohlkammerelemente gebildeten Kanäle für das strömende Medium unterscheidet sich folglich von dem in Fig. 1 skizzierten Stand der Technik zusätzlich darin, dass innerhalb der Kanäle die Stehfäden 14 verlaufen. Dadurch wird ein gewisses Maß an Verwirbelung des strömenden Mediums hervorgerufen. Der Grad der Turbulenzen ist durch Wahl der Anzahl, Ausrichtung, Anordnung der Stehfäden auf einfache Weise einstellbar. Dies bedeutet aber auch, dass der zur Verfügung stehende Druckverlust im Wärmetauscher in weiten Bereichen durch die Stehfadendichte gezielt eingestelltbar ist.

Ferner sei angemerkt, dass der Wärmetauscher gemäß einer alternativen Ausführungsform in Verbundbauweise bzw. integral hergestellbar ist. Das heißt, dass ein Fasergewebe hergestellt wird, so gleich mehrere der Deckschichten 12, 13 in alternierender Anordnung aufweist, die jeweils wiederum über verwirkte Stehfäden 14 miteinander verbunden sind. Somit sind die einzelnen Hohlkammerelemente 11 bereits durch den Herstellungsprozeß miteinander verbunden. Anschließend wird das mehrfachschichtförmige Fasergewebe in seiner Gesamtheit ausgehärtet, so dass eine entsprechende schichtförmige Anordnung entsteht, ohne dass einzelne Hohlkammerelemente gestapelt oder in anderer Weise miteinander verbunden werden müssen.

Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das wie oben beschriebe ausgehärtete Fasergewebe auch aus miteinander vernähten herkömmlichen, zweidimensionalen Fasergeweben bestehen. Dies ist in Fig. 6 schematisch dargestellt, wobei die aus zweidimensionalem Fasergewebe bestehenden Deckschichten wiederum mit Bezugszeichen 12 und 13 bezeichnet sind und der Näh- bzw. Stehfaden wiederum mit Bezugszeichen 14. Dabei kann das Vernähen der Deckschichten 12, 13 gezielt erfolgen, so dass beispielsweise eine wie in Fig. 7 dargestellt Kanalform mit entsprechender Düsenwirkung erzielt wird. Dabei können unterschiedliche Materialien für Deckschichten und Fäden verwendet werden. Eine Variation der Anzahl, Ausrichtung, Anordnung etc. der Fäden 14 ist genauso wie bei der im Zusammenhang mit Fig. 2 bis 5 beschriebenen Ausführungsform möglich. Daneben ist auch eine in der Ebene gekrümmte Ausgestaltung der Hohlkammerelemente auf einfache Weise möglich.

Claims (15)

1. Wärmetauscher aus Kunststoff bestehend aus einer Vielzahl von Hohlkammerelementen (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammerelemente (11) aus einem ausgehärteten Fasergewebe (11a) bestehen, wobei jeweils zwei Deckschichten (12, 13) über faserförmige Stehfäden (14) beabstandet sind.

2. Wärmetauscher aus Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasergewebe (11a) eine aus Glas-, Polyester- oder Polyamidfasern dreidimensional gewobene oder gestickte Struktur ist, wobei die faserförmigen Stehfäden (14) dreidimensional verwirkte Kettfäden sind.

3. Wärmetauscher aus Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasergewebe (11a) aus miteinander vernähten zweidimensionalen Faser-Deckschichten (12, 13) besteht.

4. Wärmetauscher aus Kunststoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anzahl, Ausrichtung und Anordnung der Stehfäden (14) einstellbar ist.

5. Wärmetauscher aus Kunststoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasergewebe (11a) mittels einem duromeren oder thermoplastischen Kunstharz ausgehärtete ist, so dass die Hohlkammerelemente (11) eine stabile, dreidimensionale Struktur aufweisen.

6. Wärmetauscher aus Kunststoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammerelemente (11) seitlich durch Außenwände (15, 16) abgeschlossen sind.

7. Wärmetauscher aus Kunststoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwände (15, 16) aus seitlich zusammengedrücktem Fasergewebe (11a) bestehen.

8. Wärmetauscher aus Kunststoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwände (15, 16) aus Fasergewebe, blechförmigen oder anderen geeigneten Materialien bestehen.

9. Wärmetauscher aus Kunststoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwände (15, 16) mittels Kleben, Klemmen oder anderen geeigneten Befestigungsmitteln an dem ausgehärtetem Fasergewebe (11a) angebracht sind.

10. Wärmetauscher aus Kunststoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammerelemente (11) schicht- und/oder wabenförmig angeordnet sind.

11. Wärmetauscher aus Kunststoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Hohlkammerelementen (11) durch Kleben, Klemmen oder dergleichen miteinander verbunden sind.

12. Wärmetauscher aus Kunststoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammerelemente (11) eine gekrümmte Form aufweisen.

13. Wärmetauscher aus Kunststoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammerelemente (11) zweifach gekrümmt und/oder lokal verformt herstellbar sind.

14. Wärmetauscher aus Kunststoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Hohlkammerelemente integral in Verbundbauweise herstellbar sind.

15. Verwendung des Wärmetauschers aus Kunststoff gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in der chemischen Industrie oder in der Fahrzeugtechnik.