DE102004005832A1

DE102004005832A1 - Verbundwärmetauscher

Info

Publication number: DE102004005832A1
Application number: DE200410005832
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr.rer.nat.habil. Than; Matthias Dr.-Ing. Reitz; Andreas Dipl.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. Wilk
Original assignee: Schnabel & Co KG Dr GmbH
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2024-02-07
Also published as: DE102004005832B4

Abstract

Der Verbundwärmetauscher für den Einsatz im chemischen Apparatebau sowie auf weiteren Gebieten, beispielsweise der Energietechnik, besteht aus einem metallischen Rahmenkörper (1) und einem Plattenstapel (2) aus faserverstärkter Keramik, wobei der Plattenstapel (2) aus einer Vielzahl von ebenen Platten (3 und 3') ausgeführt wird und die Platten (3 und 3') derart ausgebildet sind, daß diese aus einer unprofilierten ebenen Grundplatte (4) und eine auf dieser aufgesetzten ebenen Rahmenplatte (5) bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwärmetauscher für den Einsatz im chemischen Apparatebau sowie auf weiteren Gebieten, beispielsweise der Energietechnik, bestehend aus einem metallischen Rahmenkörper und einem Plattenstapel aus faserverstärkter Keramik, wobei die gestapelten Platten mindestens zwei Kanalsysteme bilden, die übereinander durch mindestens eine Platte getrennt in beliebig vielen Schichten angeordnet sind und an gegenüberliegenden Seiten des Plattenstapels durch Deckplatten, die Zulauf- und Ablaufeinrichtungen aufnehmen, begrenzt sind.

Bekannt ist aus der DE 42 38 190 C2 ein Keramikmodul, bei dem durchgehende Kanäle in Reihen angeordnet und zwischen den Kanalreihen Strömungsräume ausgebildet sind, die an gegenüberliegenden Seiten durch Deckplatten begrenzt sind. In den Strömungsräumen sind mindestens zwei Querstege hintereinander auf gleicher Ebene angeordnet. Mindestens die Hälfte der Strömungsräume sind durch Querstege unterschiedlicher Länge voneinander getrennt, und die Kanäle erstrecken sich im wesentlichen senkrecht zu den Strömungskanälen.

Durch Variieren der Länge der Stege kann der Wärmetausch sowie die Medienverwirbelung in den Strömungsräumen beeinflußt werden. Die einzelnen Karten zum Aufbau des Keramikmoduls können aus einer endlos herstellbaren Karte geschnitten werden, wodurch sich die Struktur der einzelnen Karten variieren läßt. so daß innerhalb des Keramikmoduls mindestens 3 bis 20 verschiedene Kartenstrukturen zu dessen Aufbau verwendet werden können. Es lassen sich ferner Module für parallel strömende Medien durch Gestaltung der Deckplatten bzw. durch Verwendung von Blindkarten aufbauen. Durch Abweichung der Lochmittelpunkte von der gemeinsamen Lochreihenachse können Module aufgebaut werden, bei denen die durch die Löcher gebildeten Kanäle eine stufen- bis schraubenförmige Oberfläche erhalten.

Nachteilig ist die große Anzahl unterschiedlicher Kartenmuster für den Aufbau des Keramikmoduls, sowie die begrenzte Reinigungsmöglichkeit der Kanäle.

Weiterhin ist aus der DE 36 43 750 A1 ein Wärmetauschermodul aus gebranntem keramischem Material, der aus einem Stapel gestanzter und laminierter grüner keramischer Karten hergestellt ist. Der Stapel besteht aus mindestens zwei Karten. Die Karten weisen erste Ausnehmungen auf, die bei gestapelten Karten rohrförmige Kanäle bilden und zweite Ausnehmungen, die um die ersten Ausnehmungen angeordnet sind, und die sich bei gestapelten Karten mit den zweiten Ausnehmungen benachbarter Karten teilweise überlappen. Dabei bilden sich in Kartenebene liegende Kanäle aus, die die rohrförmigen Kanäle umgeben.

Durch Brennen eines Stapels gestanzter und laminierter grüner keramischer Karten wird ein Wärmetauschermodul hergestellt. Die Wärmetauschermodule eignen sich zum Aufbau von Wärmetauschersystemen, wobei diese zweckmäßig zu Säulen zusammengesetzt werden.

Der Nachteil der Lösung besteht darin, daß die einzelnen Karten ein relativ kompliziertes Muster von kreisförmigen und schlitzförmigen Ausnehmungen aufweisen. Zwar können einzelne Module (Kartenstapel) innerhalb des Wärmetauschersystems ausgetauscht werden, aber nicht einzelne Karten des Moduls bzw. Kartenstapels.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen Verbundwärmetauscher zu schaffen, dessen keramische Platten in einfacher Form ausgebildet sind, wobei diese ohne zusätzliches Brennen bzw. Laminieren zu einem Plattenstapel und somit zu einem Verbundwärmetauscher zusammenfügbar sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem der Verbundwärmetauscher aus einem Plattenstapel mit einer Vielzahl von ebenen Platten besteht, wobei die Platten derart ausgebildet sind, daß diese aus einer unprofilierten ebenen Grundplatte und einem auf dieser aufgesetzten ebenen Rahmenplatte besteht, wobei zwischen den einzelnen ebenen Platten umlaufende, gleichzeitig als Abstandshalter ausgebildete Dichtelemente angeordnet sind.

Die ebene Grundplatte und die Rahmenplatte bestehen aus einem faserverstärkten Keramikwerkstoff, wobei in einer keramischen Matrix beschichtete Endlosfasern in einem geordneten Zustand angeordnet sind.

Keramische Werkstoffe sind in der Regel spröde und bruchintolerant. Dies hat zur Folge, daß Bauteile aus Keramik meist klein oder dickwandig ausgeführt werden müssen. Großflächige und dünnwandige Strukturen können aus monolithischer Keramik nicht hergestellt werden. Um diesen Mangel zu beheben, werden Fasern in eine keramische Matrix eingebracht. Um die Bindung zwischen Fasern und Matrix positiv zu beeinflussen, werden die Fasern beschichtet.

Um die keramische Matrix zwischen die einzelnen Filamente zu bringen, bedarf es eines Infiltrationsverfahrens.

Die beschichteten Fasern (Rovings) werden in ein textiles Gebilde überführt, das mit einem Precursor infiltriert wird.

Der Ordnungszustand für die beschichteten Fasern ist durch Ablegen, Wickeln oder Verweben von Rovings herstellbar.

Die infiltrierten textilen Gebilde durchlaufen anschließend folgende Prozeßschritte:

– Laminieren der infiltrierten Gewebelagen zu einer Platte bzw. Rahmenplatte
– Trocknen und Härten des infiltrierten Precursors zu einem vorkeramischen Netzwerk
– Pyrolyse des vorkeramischen Netzwerkes zu einer amorphen, kovalenten Keramik
– Wärmebehandlung der amorphen, kovalenten Keramik.

Die keramischen ebenen Platten bzw. Formen können in beliebiger Dicke hergestellt werden.

Die ebene Grundplatte wird mit der Rahmenplatte mittels eines artgleichen keramischen Materials verbunden.

Nach Auftragen eines Keramikklebers, vorzugsweise aus einem artgleichen Material wie die zu verbindenden Teile, auf die Rahmenplatte wird diese auf die Grundplatte aufgesetzt und durch Einwirkung von Druck und Temperatur miteinander verbunden.

Die hergestellten Platten weisen eine offene Porosität auf. Die Poren werden anschließend durch eine keramische Imprägnierung geschlossen, um so eine mediendichten Platte für den erfindungsgemäßen Verbundwärmetauscher zu erhalten.

Die als Abstandshalter ausgebildeten und zwischen den Platten angeordneten Dichtungselemente sind so beschaffen, daß die Randbereiche der Dichtungselemente die einander benachbarten Platten in etwa bis zu ihrer halben Materialdicke umgreifen, so daß beim Verspannen des Plattenstapels im Rahmenkörper sich eine nahezu geschlossene Außenhaut um den Umfang des Plattenstapels ergibt.

Die ebenen Platten sind an ihrem Ende gekröpft ausgeführt, so daß sich im Zusammenbau eine ansteigende bzw. abfallende Kammer ergibt.

Die ebenen Platten weisen in ihren Eckbereichen jeweils zwei diametral gegenüberliegende Bohrungen auf, die den Einlaß bzw. den Auslaß für die jeweilige Kammer bilden.

Die auf der ebenen Grundplatte angeordnete Rahmenplatte besitzt jeweils an zwei gegenüberliegenden Eckbereichen Materialanhäufungen, welche innerhalb des Plattenstapels von Platte zu Platte wechseln.

Im Bereich der Einlaßbohrungen auf der Grundplatte sind Verteilerelemente in Form von Stegen angeordnet.

Auf der Grundplatte sind Turbulenzelemente beliebiger Geometrie und Anordnung vorgesehen.

Die Kammern innerhalb des Plattenstapels bilden sich durch Aufsetzen der Platten aufeinander, wobei die Unterseite der jeweils aufgesetzten Platte die Abdeckung der darunterliegenden Kammer bildet.

Das Kammervolumen wird zum einen durch die Dicke der Rahmenplatte sowie des Dichtelementes und zum anderen vom ausgeschnittenen Bereich der Rahmenplatte bestimmt.

Der unter Verwendung von faserverstärkten keramischen Platten hergestellte Verbundwärmetauscher weist eine hohe Stabilität gegenüber korrosiven Medien und/oder hoher Temperatur auf. Als weitere vorteilhafte Eigenschaft sind eine erhöhte Bruchzähigkeit sowie Temperaturwechselbeständigkeit zu nennen.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher beschrieben werden. Es zeigen
1 – Vorderansicht des Verbundwärmetauschers
2 – Seitenansicht des Verbundwärmetauschers
3 – Draufsicht auf den Plattenstapel – Deckelemen
4 – Grundplatte des Verbundwärmetauschers – Bodenelement
5 – perspektivische Darstellung der Grund- und Rahmenplatte
6a – Draufsicht auf die Platte mit Einzelheiten
6b – Draufsicht auf die Platte mit Einzelheiten
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher, als Plattenwärmetauscher im Gegenstromprinzip ausgeführt, ist in 1 – Vorderansicht – und 2 – Seitenansicht – dargestellt. Er besteht im wesentlichen aus einem Plattenstapel 2, der in einem metallischen Rahmenkörper 1 angeordnet ist.
Der Plattenstapel 2 besteht aus den Platten 3 und 3', wobei zwischen einzelnen Platten 3 und 3' jeweils ein Dichtelement 6 angeordnet ist.
Auf dem Bodenelement 13 – 4 – werden im Wechsel die Platten 3 und 3' angeordnet. Ist die gewünschte Anzahl der Kammern erreicht, wird das Deckelement 14 – 3 –, das mit Einrichtungen für den Einlaß 8, 9' und den Auslaß 9, 8' versehen ist, aufgesetzt und mittels der Stegbolzen 12 verspannt.
Der zwischen Bodenelement 13 und Deckelement 14 verspannte Plattenstapel 2 wird in den Rahmenkörper 1 eingebracht. Dieser dient zur Montage des Verbundwärmetauschers in der entsprechenden Anlage.
Die 5 zeigt eine perspektivische Darstellung der Grundplatte 4 und der Rahmenplatte 5. Die Grundplatte 4 ist als dünne faserverstärkte Keramikplatte ausgebildet und weist in den Eckbereichen jeweils den Einlaß 8 und 9' sowie den Auslaß 9 und 8' auf. Auf diese Grundplatte 4 wird jeweils eine Rahmenplatte 5 aufgesetzt. Die Rahmenplatte 5 ist ebenfalls aus einem faserverstärkten Keramikmaterial hergestellt.
Über die Dicke der Rahmenplatte 5 kann das Kammervolumen variiert werden. In zwei diametral gegenüberliegenden Eckbereichen sind Materialanhäufungen 7 vorgesehen, in denen ein Einlaß 8' und ein Auslaß 9' für die darüber- bzw. darunterliegende Kammer angeordnet ist.
Diese Rahmenplatten 5 werden nun mit Grundplatten 4 durch Kleben verbunden und zwar derart, daß die Rahmenplatte 5 abwechselnd um 360° verdreht aufgebracht ist.
In den 6a und 6b sind die jeweils so ausgeführten Platten 3 und 3' dargestellt.
Auf der Grundplatte 4 sind im Bereich des Einlasses 8' Verteilerelemente 11 und im Mittelbereich Turbulenzelemente 15 angeordnet (6a).
Bei der Platte 3' – 6b – sind auf der Grundplatte 4 die Verteilerelemente im Bereich des Einlasses 8 angeordnet. Im Mittelbereich sind hier ebenfalls Turbulenzelemente 15 angeordnet.
Durch den inneren ausgeschnittenen Bereich und die Dicke der Rahmenplatte 5 sowie des Dichtelementes 6 wird das Kammervolumen bestimmt.
Bei einer Möglichkeit zur Herstellung der Grundplatten 4 und Rahmenplatten 5 werden die vorliegenden Faserbündel (Rovings) mit einer Schicht, beispielsweise aus C, SiC oder anderen kohlenstoffhaltigen Materialien beschichtet. Die Fasern sind in Rovings von 1000 und mehr Filamenten zusammengefaßt, wobei die Fasern einen Durchmesser < 10 μm aufweisen.
Die Rovings werden als Ganzes durch einen CVD-Prozeß (Chemical Vapour Deposition) beschichtet. Nach der Beschichtung werden diese Rovings als Gelege oder Gewebe eingesetzt.
Die Gelege oder Gewebe werden geschnitten und mit einem Schlicker, bestehend zum Beispiel aus Carbosilan (Precursor für die SiC-Matrix), einem Lösungsmittel, beispielsweise Xylol, und SiC-Pulver getränkt. Die getränkten Gelege bzw. Gewebe in einer Form zu einem Laminat übereinander gelegt und unter Druck bei ca. 200 °C zu einer Preform umgewandelt. Während dieser Umwandlungsphase wird das Carbosilan in Polycarbosilan umgewandelt und das Lösungsmittel ausgetrieben.
Anschließend wird der so erhaltenen Körper auf eine Temperatur von 1100 °C gebracht und so lange auf diesem Temperaturniveau gehalten, bis sich das Polycarbosilan zu SiC zersetzt hat (Pyrolyse).
Die erhaltene Grundplatte 4 bzw. die Rahmenplatte 5 weisen noch Poren im Werkstoff auf. Um diese weitgehend zuschließen, werden Grundplatte 4 und Rahmenplatte 5 mit einer keramischen Imprägnierung versehen. Eine derartige Nachimprägnierung kann beispielsweise auf keramischem Wege über Infiltration von prä-keramischen Polymeren in die Poren und ihrer anschließenden Keramisierung unter Luftausschluß erfolgen.
Neben der vorbeschriebenen Herstellung der Rahmenplatte 5 besteht auch die Möglichkeit, nur Grundplatten herzustellen und dann aus diesen die entsprechenden Rahmen durch Aussägen des inneren Teils herzustellen.
Nachdem Grundplatte 4 und Rahmenplatte 5 hergestellt sind, werden diese durch Kleben miteinander verbunden, wobei als Kleber beispielsweise ein siliziumhaltiges Material zu Anwendung kommt.
Bei allen Platten 3 und 3' des Plattenstapels 2 haben Grundplatte 4 und Rahmenplatte 5 die gleiche Form. Nur durch Wenden der Rahmenplatte 5 auf der Grundplatte 4 um 360° werden die entsprechenden Platten 3 und 3', die für den Aufbau des Plattenwärmetauschers benötigt werden, hergestellt.

1: Rahmenkörper
2: Plattenstapel
3; 3': Platten
4: Grundplatte
5: Rahmenplatte
6: Dichtelement
7: Materialanhäufung
8; 8': Einlaß
9; 9': Auslaß
10: Kammer
11: Verteilerelemente
12: Stegbolzen
13: Bodenelement
14: Deckelement
15: Turbulenzelemente

Claims

Verbundwärmetauscher für den Einsatz im chemischen Apparatebau, bestehend aus einem metallischen Rahmenkörper und einem Plattenstapel aus faserverstärkter Keramik, dadurch gekennzeichnet, daß Plattenstapel (2) aus einer Vielzahl von ebenen Platten (3 und 3') besteht, wobei die Platten (3 und 3') derart ausgebildet sind, daß diese aus einer unprofilierten ebenen Grundplatte (4) und einem auf dieser aufgesetzten ebenen Rahmenplatte (5) besteht, wobei zwischen den einzelnen ebenen Platten (3 und 3') umlaufende, gleichzeitig als Abstandshalter ausgebildete Dichtelemente (6) angeordnet sind.
Verbundwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene Grundplatte (4) und die Rahmenplatte (5) aus einem faserverstärkten Keramikwerkstoff bestehen, wobei in einer keramischen Matrix beschichtete Endlosfasern in einem geordneten Zustand angeordnet sind.
Verbundwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ordnungszustand für die beschichteten Fasern durch Ablegen, Wickeln oder Verweben von Rovings herstellbar ist.
Verbundwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene Grundplatte (4) mit der Rahmenplatte (5) mittels eines artgleichen keramischen Materials verbunden ist.
Verbundwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die als Abstandshalter ausgebildete und zwischen den Platten (3 und 3') angeordneten Dichtungselemente (6) derart ausgebildet sind, daß die Randbereiche der Dichtungselemente (6) die einander benachbarten Platten (3 und 3') in etwa bis zu ihrer halben Materialdicke umgreifen, so daß beim Verspannen des Plattenstapels (2) im Rahmenkörper (1) sich eine nahezu geschlossene Außenhaut um den Umfang des Plattenstapels (2) ergibt.
Verbundwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Platten (3 und 3') an ihren Endbereichen gekröpft ausgeführt sind, so daß sich im Zusammenbau eine ansteigende bzw. abfallende Kammer (10) ergibt.
Verbundwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Platten (3 und 3') in ihren Eckbereichen jeweils zwei diametral gegenüberliegende Bohrungen aufweisen, die den Einlaß (8; 8') bzw. den Auslaß (9, 9') für die jeweilige Kammer (10) bilden.
Verbundwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der ebenen Grundplatte (4) angeordnete Rahmenplatte (5) jeweils an zwei gegenüberliegenden Eckbereichen Materialanhäufungen (7) besitzt und diese innerhalb des Plattenstapels (2) von Platte zu Platte wechseln.
Verbundwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Einlaßbohrungen (8; 8') auf der Grundplatte (4) in Form von Stegen Verteilerelemente (11) angeordnet sind.
Verbundwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Grundplatte (4) Turbulenzelemente (15) beliebiger Geometrie und Anordnung vorgesehen sind.
Verbundwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kammern (10) innerhalb des Plattenstapels (2) durch Aufsetzen der Platten (3 und 3') aufeinander bilden, wobei die Unterseite der jeweils aufgesetzten Platte (3 und 3') die Abdeckung der darunterliegenden Kammer (10) bildet.