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Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind ein faserarmierter Körper, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung als ein Rohr oder Rohrboden in einem Wärmetauscher.
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In Wärmetauschern werden oft Bauteile aus Keramikmaterial wie beispielsweise Siliciumcarbid-Rohre eingesetzt. Dichte Siliciumcarbid-Rohre sind als keramische Werkstoffe empfindlich gegen Sprödbruch, bei mechanischem Versagen brechen die Rohre katastrophal, d. h., es liegen Bruchstücke vor. Das Rohr verliert seine Integrität. Ein Wärmetauscher, der aus solchen Rohren hergestellt wurde, kann durch einen derartig verlaufenden Bruch zerstört werden, da korrosive Säuren in den nicht vor Korrosion geschützten Serviceraum des Wärmetauschers gelangen. Zudem können weitere Schäden im Kühlsystem bzw. Heizsystem entstehen, an das der Wärmetauscher angeschlossen ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Werkstoff zur Verfügung zu stellen, der gegen katastrophalen Sprödbruch unempfindlich ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Körper mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren zu seiner Herstellung mit den Merkmalen von Anspruch 7 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Körper ist ein Körper, der ein Keramikmaterial umfasst und zur Verwendung in einem Wärmetauscher und zur Durchleitung von Fluiden geeignet ist. Die Außenseite des Körpers ist zumindest teilweise von mindestens zwei Faserbündeln in Längsrichtung und/oder Umfangsrichtung umspannt und mit ihnen kraftschlüssig verbunden. Die Faserbündel sind vorgespannt. Benachbarte Abschnitte der Faserbündel sind in einem vorbestimmten Abstand angeordnet. Durch die Armierung des Körpers mittels der Faserbündel wird der Körper unempfindlicher gegen Sprödbruch, seine Druckfestigkeit und Belastbarkeit werden gesteigert.
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Die Faserverstärkung verbessert die Eigenschaften von Körpern wie folgt: Erhöhung des Berstdrucks, der Körper wird unempfindlicher gegenüber Sprödbruch, Dampfschlägen und unzulässigen Überschreitungen des Betriebsdrucks. Selbst wenn durch den faserarmierten Körper in einem laufenden Betrieb Fluide geleitet werden und ihm infolge von beispielsweise seinem Alter, einer nicht sachgemäßen Benutzung oder Überbeanspruchung ein Längsriss entsteht, so tritt bei diesem Körper dennoch bis zu einem vorbestimmten Differenzdruck keine nennenswerte Leckage auf. Das Herausschieben oder -brechen von Bruchstücken des Körpers wird aufgrund der Umspannung mit Faserbündeln auf dem Körper in einem bestimmten Umfang derart abgefangen, dass ein sich aus der ursprünglichen Form des Körpers herausschiebendes bzw. -brechendes Stück durch die umgebenden Faserbündel unter Vorspannung in einer vorbestimmten Form zurückgehalten wird. Das Ausbrechen von Stücken aus dem Körper und damit der Austritt großer Fluidmengen werden verhindert. Der Wärmetauscher, in dem der Körper verwendet wird, kann in der Regel ohne Unterbrechung bis zu einem geplanten Stillstand Weiterbetrieben werden. Daher ist der erfindungsgemäße Körper auch in defektem Zustand im Gegensatz zu dem Körper ohne Armierung bis zu einem vorbestimmten Grad dicht.
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Bevorzugt ist der Körper ein rohrförmiger Körper. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter einem rohrförmigen Körper insbesondere ein Körper verstanden, der bevorzugt einen kreisrunden Querschnitt aufweist und, um zur Leitung von Fluiden geeignet zu sein, an den Enden seiner Längserstreckung offen ist. Der rohrförmige Körper kann aber alternativ auch einen eckigen, ovalen oder andersförmigen Querschnitt aufweisen. Bevorzugt ist die Längserstreckung des rohrförmigen Körpers größer als sein Querschnitt. Bevorzugt ist der rohrförmige Körper ein Rohr mit kreisrundem Querschnitt.
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Alternativ ist der Körper ein Deckel, wobei sich in die Längsrichtung des Deckels eine Vielzahl von Löchern erstrecken. Unter einem Deckel wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Körper mit einem bevorzugt kreisrunden Querschnitt verstanden, der nicht einen einzelnen Hohlraum, sondern eine Vielzahl von Hohlräumen aufweist. Um zur Durchleitung von Fluiden geeignet zu sein, weist der Deckel eine Vielzahl von Löchern auf, die sich in die Längsrichtung des Deckels erstrecken und somit Hohlräume darstellen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird der Deckel als rohrförmiger Körper angesehen, dessen Längenabmessung nicht von einem einzelnen Hohlraum, sondern von einer Vielzahl von Hohlräumen durchzogen ist, die innerhalb der Längserstreckung des Deckels in einen einzigen Hohlraum münden können oder sich durchgängig entlang der Längsrichtung des Deckels getrennt erstrecken können. Die Längserstreckung des Deckels ist bevorzugt kleiner als sein Querschnitt. Sie kann beispielsweise so gering sein, dass der Deckel die Gestalt einer runden Scheibe oder Platte aufweist, die von Löchern durchzogen ist, die sich in die Längsrichtung erstrecken. Der gesamte Querschnitt des Deckels kann eine Vielzahl von Löchern aufweisen. Alternativ ist auch denkbar, dass nur mindestens ein Teilbereich eine Vielzahl von Löchern aufweist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bilden die Faserbündel ein Netzwerk. Dazu sind zum Beispiel die mindestens zwei Faserbündel gegeneinander, beispielsweise um ±80°, gegen die Längsachse des Körpers geneigt.
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Die Dichte des Netzwerks hängt von der Art der Anwendung des Körpers, der Belastung, der der Körper ausgesetzt wird, und von der Festigkeit und den Abmessungen des Körpers ab. Wenn erwartet wird, dass der Körper im Falle eines Brechens in kleinere Bruchstücke zerfällt, ist ein dichtes Faserbündel-Netzwerk wünschenswert. Andererseits steigen durch erhöhten Materialeinsatz an Faserbündeln auch die Kosten, sodass die Dichte an eingesetzten und vernetzten Faserbündeln individuell an die gewünschten Effekte im Hinblick auf die entstehenden Materialkosten angepasst werden sollte.
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In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Verhältnis Abstand benachbarter Faserbündel/Durchmesser der Faserbündel 5:1 bis 10:1. Es ist eine Funktion der mechanischen Belastung des Körpers. Der dem Verhältnis proportionale thermische Widerstand des Körpers ist nur unwesentlich verändert. In jeder gegen die Längserstreckung der Faserbündel geneigten Richtung alternieren verhältnismäßig dünne Faserbündel und flächenmäßig breite unbedeckte Streifen an der Außenseite des Körpers.
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Die mindestens zwei Faserbündel können den Körper teilweise oder vollständig umspannen bzw. armieren. Eine vollständige Armierung ist bei hochbelasteten Körpern wünschenswert. Alternativ kann es aus Kostengründen auch sinnvoll sein, nur besonders belastete Teilbereiche des Körpers zu armieren. Beispielsweise sind bei Rohren insbesondere Endbereiche, die mit anderen Bauteilen verbunden werden, in einem Apparat wie einem Wärmetauscher besonders belastete oder für Brüche anfällige Bereiche, die einen besonderen Schutz in Form der Armierung benötigen können. Wenn der Körper ein temperaturbelastetes Bauteil darstellt, sollte weiterhin berücksichtigt werden, dass Körper und Faserbündel unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen können, und Länge und Breite der Anordnung der Faserbündel sollten dementsprechend angepasst sein. Die Faserbündel sollten daher derart auf der mindestens einen Außenseite des Körpers angeordnet sein, dass die Wärmeausdehnung des Körpers von den Faserbündeln kompensiert werden kann bzw. gestattet werden kann und nicht zu ihrer Zerstörung führt.
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Das Keramikmaterial stellt bevorzugt dicht gesintertes Siliciumcarbid dar. Seine Auswahl ist durch die hervorragenden Eigenschaften wie beispielsweise hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit, hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber sauren und basischen Medien und eine hohe Belastbarkeit bedingt. Bevorzugt stellt das Siliciumcarbid drucklos gesintertes Siliciumcarbid dar, welches eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber sauren und basischen Medien, denen es ebenfalls bis zu sehr hohen Temperaturen standhalten kann, eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Verschleißbeständigkeit und eine diamantähnliche Härte aufweist. Weiterhin alternativ kann das Siliciumcarbid flüssigphasengesintertes Siliciumcarbid darstellen, welches aus Siliciumcarbid und verschiedenen oxidischen Keramiken hergestellt ist und sich durch eine hohe Festigkeit auszeichnet.
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Das Siliciumcarbid kann mindestens einen keramischen oder mineralischen Füllstoff enthalten, wobei die Auswahl der Füllstoffe auf die Anwendung abzustimmen ist. Beispiele für Füllstoffe stellen Stoffe aus der Gruppe der natürlich vorkommenden Flockengraphite, der künstlich hergestellten Elektrographite, Ruße oder Kohlenstoffe, Graphit- oder Kohlenstofffasern oder Borcarbid dar. Des weiteren können keramische oder mineralische Füllstoffe in Korn-, Plättchen- oder Faserform wie Silikate, Carbonate, Sulfate, Oxide, Gläser oder ausgewählte Mischungen davon verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform stellen die Faserbündel Kohlenstofffaserbündel dar. Eine Kohlenstofffaser besitzt eine gute Zugfestigkeit, Korrosionsfestigkeit und Steifigkeit, geringe Bruchdehnung und ist bei den Verwendungstemperaturen von belasteten Körpern beständig. Das spezifische Verhalten der Kohlenstofffaserbündel bewirkt, dass auch bei stark wechselnder bzw. schwellender Belastung des Rohres die Vorspannung der Armierung erhalten bleibt. Aufgrund des negativen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten von Kohlenstofffaserbündeln wird die Armierung bei einer Temperaturerhöhung weiter vorgespannt, der Berst- und Dichthaltedruck ist bei höherer Temperatur größer als bei Raumtemperatur. Die Kohlenstofffaserarmierung verbessert die Eigenschaften von Körpern insbesondere bei Siliciumcarbid-Rohren wie folgt: Erhöhung des Berstdrucks, der Körper wird unempfindlicher gegenüber Dampfschlägen und unzulässigen Überschreitungen des Betriebsdrucks, da der Berstdruck des Körpers bei Raumtemperatur je nach Abmessung um 30 bis 40% gegenüber dem nicht verstärkten Körper erhöht wird. Andere Beispiele für die Faserbündel stellen Glasfaserbündel oder Aramidfaserbündel dar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die kraftschlüssige Verbindung zwischen Faserbündeln und Außenseite des Körpers ein Klebersystem dar. Es dient dazu, die Faserbündel auf dem Körper zu fixieren. Das Klebersystem ist ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Klebern, die aus Phenolharz, Epoxidharz oder Polysilazanharzbasis aufgebaut sind. Ggf. kann das Klebersystem einen Silicium- oder Siliciumcarbid-Füllstoff enthalten. Es wird in der vorliegenden Erfindung auch als Kitt bezeichnet. Das Klebersystem kann einen oder mehrere der vorstehend genannten Kleber und/oder Kitts umfassen. Wenn nötig, kann der Kleber oder der Kitt weiterhin einen Härtungskatalysator und/oder ein Plastizierungsmittel enthalten. Derartige Kleber oder Kitts sind in der Regel oxidationsbeständig. Diese Kleber oder Kitts haften zudem gut sowohl an einem Keramikmaterial wie Siliciumcarbid als auch an Faserbündeln wie Kohlenstofffaserbündeln und sind in der Lage, eine Faser gut zu benetzen.
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Bevorzugt stellt das Klebersystem ein Phenolharz dar. Bevorzugter stellt das Phenolharz ein Resol dar. Alternativ kann das Phenolharz auch ein Novolak darstellen. Als Epoxidharz eignen sich Harzsysteme, die Bispenhol A-diglycidylether oder Bispenhol F-diglycidylether enthalten. Insbesondere eignen sich als Expoxidharz, Harzsysteme, die neben mehr als 50 Gew.-% Bispenhol A-diglycidylether oder Bispenhol F-diglycidylether Methylhexahydrophthalsäureanhydrid insbesondere in einer Menge von 25 bis 50 Gew.-% enthalten, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht. Bevorzugt kann auch ein Polysilazanharzsystem als Klebersystem verwendet werden.
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Alle vorstehend genannten Kleber können weiterhin Silicium oder Siliciumcarbid als Füllstoff enthalten. Die Plastizität des Kitts kann über den Harzanteil im Gemisch oder durch Zugabe von Plastizierungsmitteln der gewünschten Klebebindung angepasst werden. Der Einsatz eines Kitts, der neben dem Kleber aus Harz Silicium oder Siliciumcarbid als Füllstoff enthält, eignet sich insbesondere, wenn er auf die Faserbündel aufgebracht ist. Durch eine Imprägnierung der Faserbündel mit dem Kitt und anschließenden Brennen kann Silicium mit Kohlenstofffasern Siliciumcarbid ausbilden bzw. durch Siliciumcarbid als Füllstoff weist die imprägnierte und gebrannte Kohlenstofffaser Siliciumcarbid auf.
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Die Wahl des Klebersystems hängt von der gewünschten Bindung und im Wesentlichen von der Art des Einsatzgebietes des erfindungsgemäßen Körpers ab. Bei der Auswahl von einem Epoxidharz als Klebersystem, das auf den Körper aufgetragen oder mit dem die Faserbündel imprägniert und gehärtet wird, ist beispielsweise wegen der Sprödigkeit der gehärteten Schicht ein größerer Spannungsabbau eher nicht möglich, es wird eine starre Verbindung zwischen Faserbündeln und Körper erhalten. Durch den Zusatz von Plastizierungsmitteln kann diese Verbindung verformbarer gemacht werden, beispielsweise um mögliche Schubspannungen oder unterschiedliche Ausdehnungen von Faserbündeln und Körper bei Temperaturänderungen abzufangen.
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Der Körper und die Faserbündel können mittels eines Klebersystems fixiert sein, wobei das Klebersystem entweder auf den Körper, die Faserbündel oder auf beide aufgebracht und anschließend gehärtet oder gebrannt wurde. Alternativ können der Körper und die Faserbündel unabhängig voneinander jeweils mit einem Klebersystem versehen sein und miteinander fixiert sein. Das jeweilig aufgebrachte Klebersystem kann in diesem Fall identisch oder verschieden sein. Die Auswahl ist von der gewünschten Haftfähigkeit abhängig und kann von dem Fachmann geeignet ausgewählt und angepasst werden.
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Das Klebersystem kann zwischen Körper und Faserbündel punktuell oder abschnittsweise angeordnet sein, sodass eine Anzahl an vorbestimmten Stellen der Faserbündel an dem Körper fixiert ist. Alternativ können die Faserbündel an dem Körper mittels Verklebung vollständig fixiert sein. Bevorzugt sind die Faserbündel an dem Körper vollständig fixiert.
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Die Faserbündel können in Form eines Garns vorliegen, dies ist insbesondere der Fall, wenn die Faserbündel auf Körper aufgewickelt und ggf. fixiert vorliegen. Als Garn gilt ein Faserbündel aus einer Vielzahl an Filamenten. Das Garn kann gerade, diagonal und/oder geschwungen verlaufende Abschnitte aufweisen. Um ein Netzwerk auszubilden, kreuzt sich mindestens ein, vorzugsweise zwei, Garne an vorbestimmten Stellen in einem gewünschten Winkel, bevorzugt ±80°. Garnabschnitte können auch verschlugen, vermascht oder auf sonstige Weise vernetzt sein.
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Andernfalls können die Faserbündel auch als Geflecht, Gelege, Gestrick, Gewebe oder Gewirke, bevorzugt Gewebe oder Gewirke, vorliegen, das auf Körper unter Vorspannung aufgeschoben und ggf. fixiert ist. Unter einem Geflecht wird ein Flächengebilde verstanden, das durch Kreuzen gegenläufig diagonal verlaufender Flecht-Fadensysteme entsteht, wobei sich die Flechtfäden in einem einstellbaren Winkel zur Warenkante verkreuzen. Ein Gelege wird als Flächengebilde aus einem oder mehreren gestreckten, übereinander liegenden Fadensystemen verschiedener Orientierungsrichtungen ohne oder mit Fixierung der Kreuzungspunkte verstanden. Ein Gestrick ist ein Flächengebilde, bei dem die Maschen aus einem horizontal vorgelegten Faden einzeln und nacheinander gebildet werden, zusätzlich können zur Verstärkung weitere Fadensysteme eingebunden sein. Als Gewebe gilt ein Flächengebilde, das mindestens zwei sich in der Regel rechtwinkelig kreuzende Fadensysteme enthält. Ein Gewirke ist ein Flächengebilde, das aus einem oder mehreren Fäden durch gleichzeitiges Bilden von Maschen in Längsrichtung erzeugt wird, zusätzlich zur Verstärkung können selbstverständlich weitere Fäden eingearbeitet sein. Als Faden gilt hier mindestens ein Faserbündel von vorbestimmter Länge. Unter einem Fadensystem werden mehrere Fäden verstanden.
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Selbstverständlich ist es im Fall der Anordnung der Faserbündel in Form eines Gewebes oder Gewirkes auch möglich, dass das Gewebe oder Gewirke eine größere Länge aufweist als der Körper, sodass das Gewebe oder Gewirke gegebenenfalls den Anschluss des Körpers an ein weiteres Bauteil durch seine Anordnung auf demselben schützt.
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Der erfindungsgemäße Körper ist durch das folgende Verfahren herstellbar, das die Schritte
- a) Bereitstellen von einem Körper, der ein Keramikmaterial umfasst und zur Verwendung in einem Wärmetauscher und zur Durchleitung von Fluiden geeignet ist, und
- b) Umspannen von zumindest Abschnitten der Außenseite des Körpers mit mindestens zwei Faserbündeln unter einer vorbestimmten Vorspannung unter Ausbildung einer kraftschlüssigen Verbindung, wobei benachbarte Abschnitte der Faserbündel in einem vorbestimmten Abstand angeordnet werden.
Durch dieses Verfahren wird die in der Regel im Apparatebau erforderliche Druckfestigkeit des Körpers durch die Armierung des Körpers mit Faserbündeln erreicht. Die erfindungsgemäß verwendete Vorspannung kann vom Fachmann entsprechend dem Fasermaterial und dem Anwendungsfeld des Körpers eingestellt werden.
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Bevorzugt kann Schritt b) Umspannen von zumindest Abschnitten der Außenseite des Körpers mit mindestens zwei Faserbündeln umfassen, sodass die Faserbündel in der Form eines Netzwerkes vorliegen. Dazu können Faserbündel geeignet um Körper gewickelt werden. Alternativ ist denkbar, die Faserbündel in Form eines Flächengebildes um den Körper zu ziehen. Bevorzugt wird der Schritt b) derart ausgeführt, dass das Verhältnis Abstand benachbarter Faserbündel/Durchmesser der Faserbündel 5:1 bis 10:1 beträgt. Die Erhöhung der Festigkeit des Körpers wird so mit einer relativ kleinen Bedeckung der Außenseite des Körpers erreicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird vor dem Schritt b) auf die Faserbündel und/oder den Körper ein Klebersystem zumindest teilweise aufgebracht und anschließend gehärtet oder gebrannt. Dadurch wird die Anordnung der Faserbündel auf der Außenseite des Körpers fixiert. Das zur Fixierung verwendete Klebersystem ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Klebern, die aus Phenolharz, Epoxidharz oder Polysilazanharzbasis aufgebaut sind und ggf. mit Silicium- and Siliciumcarbid-Füllstoff gemischt sind. Derartige Klebersysteme sind gut formbar und an die Gestalt des Körpers anpassbar bzw. gut zur Imprägnierung einer Faser geeignet, weisen nach Wärmehärtung oder Brennen eine gute Haftfähigkeit zu einem Keramikmaterial wie Siliciumcarbid und vielen Faserarten und insbesondere zu einer Kohlenstofffaser auf.
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Der Körper und die Faserbündel können mittels eines Klebersystems fixiert werden, wobei das Klebersystem entweder auf den Körper, die Faserbündel oder auf beide aufgebracht wird und anschließend gehärtet oder gebrannt wird. Ein Klebersystem, das nicht Silicium oder Siliciumcarbid als Füllstoff enthält, wird gehärtet, während ein Klebersystem, das Silicium oder Siliciumcarbid als Füllstoff enthält, gebrannt wird. Die Härtung wird bevorzugt bei Temperaturen von 120 bis 180°C innerhalb von bis zu zwei Stunden, drucklos oder bei Drücken von 0,5 bis 1,5 bar durchgeführt. Bei hohen Temperaturen, d. h. bei 170 bis 180°C, genügt im Allgemeinen eine Härtungszeit bis zu 15 Minuten. Je höher die Temperatur, desto geringer ist die Härtungszeit. Wenn das Klebersystem einen Härtungskatalysator enthält, kann die Härtung auch bei Raumtemperatur erfolgen. Das Brennen wird bevorzugt bei Temperaturen von über 1500°C innerhalb von bis zu 2 Stunden, drucklos oder bei Drücken von 0,5 bis 1,5 bar, durchgeführt. Nach dem Härten des Klebers oder Brennen des Kitts werden die Faserbündel auf der Außenseite des Körpers angeordnet.
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Der Körper und die Faserbündel können unabhängig voneinander jeweils mit einem Kleber oder Kitt versehen und dann fixiert werden. Der jeweilig aufgebrachte Kleber oder Kitt kann in diesem Fall identisch oder verschieden sein. Der Fachmann kann geeignete Kleber bzw. Kitts auswählen, die gut aneinander haften.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Faserbündel mit einem Kleber oder Kitt imprägniert, anschließend gehärtet oder gebrannt und anschließend auf dem Körper angeordnet.
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Das Klebersystem kann zwischen Körper und Faserbündeln punktuell oder abschnittsweise angeordnet werden, sodass eine Anzahl an vorbestimmten Stellen der Faserbündeln an dem Körper fixiert werden. Alternativ können die Faserbündel an dem Körper mittels Kleber oder Kitt vollständig fixiert werden. Bevorzugt werden die Faserbündel an dem Körper vollständig fixiert.
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Bevorzugt ist der in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Körper ein rohrförmiger Körper oder Deckel, wobei sich in die Längsrichtung des Deckels eine Vielzahl von Löchern erstrecken.
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Bevorzugt stellt das in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Keramikmaterial gesintertes Siliciumcarbid dar, das optional mindestens einen keramischen oder mineralischen Füllstoff enthält.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren stellen die Faserbündel bevorzugt Kohlenstofffaserbündel dar. Die Kohlenstofffaserbündel können unter einer vorbestimmten Vorspannung in Form eines Garns um den Körper gewickelt werden. Alternativ liegen die Kohlenstofffaserbündel in Form eines Geflechts, Geleges, Gestricks, Gewebes oder Gewirkes, bevorzugt Gewebes oder Gewirkes, vor und werden über die mindestens eine Außenseite des ggf. mit einem ausgehärteten Kleber oder gebrannten Kitt versehenen Körpers gezogen. Zum anderen ist denkbar, dass die Kohlenstofffaserbündel in dem erfindungsgemäßen Verfahren als mit einem ausgehärteten Kleber oder gebrannten Kitt versehene Faserbündel eingesetzt werden. Insbesondere im Fall von Kohlenstofffaserbündeln eignet sich die Verwendung eines Kitts mit Silicium als Füllstoff, da durch den Brennvorgang Silicium mit der Kohlenstofffaser zu Siliciumcarbid reagieren kann und so eine festere Bindung zwischen Kohlenstofffaser und Kitt erzielt wird.
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Besonders geeignet ist der erfindungsgemäße Körper zur Verwendung als ein Rohr beispielsweise für Wärmetauscher bei erhöhter mechanischer Beanspruchung und/oder extrem korrosiven Medien und Lösungsmitteln sowie alle sonstigen druck- und temperaturbelasteten Bauteile. Er ist insbesondere ein idealer Werkstoff für den Bau von Wärmetauschern, weil er hoch wärmeleitend, druckfest und unempfindlich gegen Sprödbruch ist. Besonders bevorzugt findet der erfindungsgemäße Körper als Rohr in einem Wärmetauscher Verwendung, weil er errosionsbeständig ist und hohe Strömungsgeschwindigkeiten zulässt und daher ein Selbstreinigungseffekt des Rohrs durch schnell strömende Medien, die ggf. mit Partikeln beladen sind, realisierbar ist. Zusätzlich oder alternativ wird der erfindungsgemäße Körper bevorzugt als Rohrboden in einem Wärmetauscher verwendet. Zusammengesetzt finden mehrere erfindungsgemäße rohrförmige Körper und Deckel als ein Rohrbündelwärmetauscher Verwendung.
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Ein Wärmetauscher, der einen erfindungsgemäßen Körper umfasst, weist beispielsweise den folgenden Aufbau gemäß der
DE 197 14 423 auf: Der Wärmeaustauscher umfasst einen Mantel, einen Boden mit Stutzen, ein Distanzstück zur Schaffung eines Verteilerraumes, ein Verteilerboden mit den inneren und äußeren Rohrböden und in den Bohrungen der Rohrböden angeordneten und mittels einer Dichtung darin eingedichteten Rohren. Boden und Mantel sind üblicherweise verschraubt, wobei zur Schaffung des Verteilerraumes das Distanzstück zwischengesetzt wird. Der innere Rohrboden des Verteilerbodens ist im Durchmesser kleiner als der Mantelinnendurchmesser ausgebildet. Der äußere Rohrboden ist im Durchmesser größer ausgebildet und übernimmt somit die Dichtfunktion zwischen Mantel- und Verteilerraum. Die Rohre stellen den erfindungsgemäßen Körper in Form eines Rohrs aus drucklos gesintertem Siliciumcarbid dar, dessen Außenseite von Kohlenstofffaserbündeln unter Vorspannung umspannt ist. Bei Temperaturerhöhung wird durch den negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kohlenstofffaser die Vorspannung der Armierung vorteilhaft gesteigert. Der Wärmetauscher arbeitet nun zuverlässiger und sicherer. Zusätzlich oder alternativ kann weiterhin der äußere und/oder innere Rohrboden aus drucklos gesintertem Siliciumcarbid bestehen, welches von Kohlenstofffaserbündeln unter Vorspannung umspannt ist. Alternativ weisen die Rohre neben dem Siliciumcarbid-Rohr und dem Netzwerk Kohlenstofffaserbündeln zur Fixierung der beiden Elemente weiterhin ein vorstehend beschriebenes Klebersystem auf. Wenn das Klebersystem oxidationsbeständig ist, können im Serviceraum des daraus aufgebauten Wärmeüberträgers auch oxidierende Medien zur Kühlung oder Aufheizung genutzt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren erläutert, ohne diese auf sie einzuschränken.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Körpers;
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2 eine weitere schematische Seitenansicht des in 1 gezeigten, erfindungsgemäßen Körpers, in der teilweise ein Querschnitt gezeigt ist;
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3 einen vergrößerten Ausschnitt aus 2, der in 2 mit einer Strich-Punkt-Linie eingekreist und als III-III gekennzeichnet ist; und
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4 einen Querschnitt durch einen Teilbereich eines weiteren erfindungsgemäßen Körpers.
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In 1 ist eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Körpers 1 gezeigt. Körper 1 umfasst ein glattwandiges Rohr 3 aus drucklos gesintertem Siliciumcarbid. An seinen beiden Enden 5, 7 weist das Rohr 3 jeweils eine Öffnung auf, um zum Durchleiten von Fluiden geeignet zu sein. Das Rohr 3 ist mit Garnen 9 aus Kohlenstofffaserbündeln umwickelt, die unter hoher Vorspannung stehen und als Armierung des Rohres 3 dienen. Die Garne 9 weisen eine Phenolharzschicht (nicht gezeigt) auf, die als Haftschicht wirkt. Die Garne 9 sind derart um das Rohr 3 gewickelt, dass sie sich an vorbestimmten Stellen kreuzen, sodass sie ein Netzwerk ausbilden.
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In 2 ist eine weitere schematische Seitenansicht des in 1 gezeigten, erfindungsgemäßen Körpers 1 dargestellt, in der teilweise ein Querschnitt gezeigt ist. In 2 werden für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet. In 2 ist ebenfalls das glattwandige Rohr 3 mit den Rohrenden 5, 7 gezeigt, das von Garnen 9 aus Kohlenstofffaserbündeln mit Phenolharzschicht unter Vorspannung umwickelt ist. Der Teil der Querschnittsansicht zeigt weiterhin eine Rohrwand 13 des Rohres 3, die eine Innenseite 14 und eine Außenseite 15 aufweist. Die Innenseite 14 begrenzt den Hohlraum 11 des Rohrs 3, der in Längsrichtung unbegrenzt ist und an den Rohrenden 5, 7 in jeweils einer Öffnung endet. Durch den durch die Innenseite 14 begrenzten Hohlraum 11 kann ein Fluid geleitet werden. Die Garne 9 sind an der Außenseite 15 der Rohrwand 13 angeordnet.
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3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 2, der in 2 mit einer Strich-Punkt-Linie eingekreist und als III-III gekennzeichnet ist. In 3 werden für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in 2 verwendet. Durch die vergrößerte Ansicht ist erkennbar, dass die Garne 9 auf der Außenseite 15 der Rohrwand 13 angeordnet sind, während durch die Innenseite 14 der Rohrwand 13 der Hohlraum 11 gebildet wird.
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4 zeigt einen Querschnitt durch einen Teilbereich eines weiteren erfindungsgemäßen Körpers 41. Der erfindungsgemäße Körper 41 stellt ein glattwandiges Rohr 43 aus drucklos gesintertem Siliciumcarbid dar. Das Rohr 43 weist eine Rohrwand 413 auf, die eine Innenseite 414 und eine Außenseite 415 aufweist. Auf der Außenseite 415 der Rohrwand 413 ist ein Kleber 417 aus Phenolharz angeordnet, auf dem Garne 49 aus Kohlenstofffasern angeordnet sind. Der Kleber 417 befindet sich nur in Bereichen der Außenseite 415 der Rohrs 413, in denen die Garne 49 angeordnet sind. Der Kleber 417 dient zur Fixierung der Garne 49 auf der Außenseite 415 der Rohrwand 413. Das Rohr weist einen Hohlraum 411 auf, der durch die Innenseite 414 der Rohrwand 413 des Rohrs 43 begrenzt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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