DE102010030780A1 - Heat transfer element for a heat exchanger, method for producing a heat transfer element for a heat exchanger, heat exchangers and Nachrüstverfahren for a heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungselement (10, 20) für einen Wärmeübertrager (100, 200), ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragungselements (10, 20) für einen Wärmeübertrager (100, 200), einen Wärmeübertrager (100, 200) als solchen sowie ein Verfahren zum Nachrüsten eines bestehenden Wärmeübertragers, bei welchen durch Vorsehen einer Beschichtung (30) das Auftreten durch Abrasion erzeugter Verunreinigungen in einem oder mehreren Wärmeübertragungsmedien (M1, M2) und/oder Korrosion verhindert oder zumindest reduziert ist oder wird.The present invention relates to a heat transfer element (10, 20) for a heat exchanger (100, 200), a method for producing a heat transfer element (10, 20) for a heat exchanger (100, 200), a heat exchanger (100, 200) as such and a method for retrofitting an existing heat exchanger, in which the provision of a coating (30) prevents or at least reduces the occurrence of contamination caused by abrasion in one or more heat transfer media (M1, M2) and / or corrosion.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungselement für einen Wärmeübertrager, ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragungselements für einen Wärmeübertrager, einen Wärmeübertrager selbst, nämlich unter Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungselements, sowie ein Nachrüstverfahren für einen Wärmeübertrager. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch CVD-beschichteten und imprägnierten Graphit, der insbesondere für ein Wärmeübertragungselement oder Wärmetauscherelement, insbesondere bei einem Kern für einen Blockwärmetauscher verwendet wird.The present invention relates to a heat transfer element for a heat exchanger, a method for producing a heat transfer element for a heat exchanger, a heat exchanger itself, namely using the heat transfer element according to the invention, and a retrofitting method for a heat exchanger. In particular, the present invention also relates to CVD-coated and impregnated graphite, which is used in particular for a heat transfer element or heat exchanger element, in particular in a core for a block heat exchanger.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
In vielen Bereichen der chemischen und/oder physikalischen Verfahrenstechnik müssen zwischen mindestens zwei fluiden Medien – seien dies Flüssigkeiten, Gase, Gele, pastöse Medien oder dergleichen – Wärmemengen übertragen werden, um z. B. ein vorgesehenes Prozessmedium zu kühlen oder zu erhitzen. Dabei werden Wärmeübertrager oder Wärmetauscher eingesetzt, die mindestens ein Wärmeübertragungselement oder Wärmetauscherelement aufweisen, die ihrerseits von dem eigentlichen Prozessmedium, das erwärmt oder abgekühlt werden soll, und mindestens einem weiteren Medium, welches die Wärmemenge zur Verfügung stellt oder abführt und welches oft als Servicemedium bezeichnet wird, an entsprechenden Kontaktflächen oder Kontaktbereichen angeströmt wird, wobei Wärmemenge in einen der Kontaktbereiche oder in eine der Kontaktflächen eingebracht, über einen Wärmeleitungsmechanismus des Wärmeübertragungselements auf eine andere Kontaktfläche oder einen anderen Kontaktbereich übertragen und dann von diesem an das andere Medium abgegeben wird.In many areas of chemical and / or physical process engineering must be transferred between at least two fluid media - be it liquids, gases, gels, pasty media or the like - quantities of heat to z. B. to cool or heat a designated process medium. In this case, heat exchangers or heat exchangers are used, which have at least one heat transfer element or heat exchanger element, which in turn of the actual process medium to be heated or cooled, and at least one other medium which provides or dissipates the amount of heat and which is often referred to as a service medium is applied to corresponding contact surfaces or contact areas, wherein amount of heat is introduced into one of the contact areas or in one of the contact surfaces, transmitted via a heat conduction mechanism of the heat transfer element to another contact surface or another contact area and then discharged from this to the other medium.
Häufig werden dabei Wärmeübertragungselemente eingesetzt, die im Wesentlichen aus einem Graphitmaterial bestehen, das an der mit einem jeweiligen Medium in Kontakt tretenden Kontaktfläche mit einem Harzmaterial imprägniert ist, um z. B. ein Eindringen des jeweiligen Mediums in den porösen Komplex des dem Wärmeübertragungselement zu Grunde liegenden Materials einzuschränken oder gar zu verhindern.Frequently heat transfer elements are used, which consist essentially of a graphite material which is impregnated at the passing with a respective medium in contact surface with a resin material, for. B. restrict penetration of the respective medium in the porous complex of the heat transfer element underlying material or even prevent.
Es kommt dabei häufig vor, dass beim Anströmen durch das jeweilige Medium, insbesondere durch das Prozessmedium, Partikel der Harzimprägnierung und/oder des dem Wärmeübertragungselements zu Grunde liegenden Materials, z. B. des Graphitmaterials, physikalisch und/oder chemisch abgelöst werden, im eigentlichen Prozessmedium verbleiben und dieses dadurch verunreinigen. Dies kann oft nicht hingekommen werden.It often happens that when flowing through the respective medium, in particular by the process medium, particles of the resin impregnation and / or the material underlying the heat transfer element, for. As the graphite material, physically and / or chemically detached, remain in the actual process medium and thereby contaminate it. Often this can not be done.
Auch können eine Korrosion am Material des Wärmeübertragungselements und/oder ein Ablösen von korrodiertem Material und ein Kontaminieren des oder der Wärmeübertragungsfluide mit korrodiertem Material des Wärmeübertragungselements oft nicht toleriert werden.Also, corrosion on the material of the heat transfer member and / or peeling off corroded material and contaminating the heat transfer fluid (s) with corroded material of the heat transfer member can often not be tolerated.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Wärmeübertragungselement für einen Wärmeübertrager, ein Herstellungsverfahren für ein Wärmeübertragungselement für einen Wärmeübertrager, einen Wärmeübertrager selbst sowie ein Nachrüstverfahren für einen Wärmeübertrager anzugeben, bei welchen auf besonders einfache und doch zuverlässige Art und Weise eine Verunreinigung des oder der Wärmeübertragungsmedien durch Material des zu Grunde liegenden Wärmeübertragungselements und eine Korrosion des Materials des oder der Wärmeübertragungselemente und eine Kontamination des oder der Wärmeübertragungsfluide mit korrodiertem Material reduziert oder gar verhindert werden kann.The invention is based on the object to provide a heat transfer element for a heat exchanger, a manufacturing method for a heat transfer element for a heat exchanger, a heat exchanger itself and a retrofit method for a heat exchanger, in which in a particularly simple yet reliable manner contamination of the or Heat transfer media can be reduced or even prevented by material of the underlying heat transfer element and corrosion of the material or of the heat transfer elements and contamination of the or the heat transfer fluids with corroded material.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird einem Wärmeübertragungselement erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1, bei einem Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragungselements erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 11, bei einem Wärmeübertrager erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 21 sowie bei einem Verfahren zum Nachrüsten eines Wärmeübertragers erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 22 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils in den Unteransprüchen definiert.The object underlying the invention is a heat transfer element according to the invention with the features of
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiges Wärmeübertragungselement für einen Wärmeübertrager geschaffen, welches zur strömungsmäßig getrennten Wärmeübertragung zwischen einem ersten Wärmeübertragungsmedium als Prozessmedium und einem zweiten Wärmeübertragungsmedium als Servicemedium einen ersten Kontaktbereich und einen zweiten Kontaktbereich zum strömungsmäßig getrennten Kontakt mit dem ersten Wärmeübertragungsmedium bzw. mit dem zweiten Wärmeübertragungsmedium aufweist, welches im Wesentlichen mit oder aus einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe von Materialien ausgebildet ist, die Graphitmaterialien, Graphite und offenporige und nicht gesinterte SiC- oder Siliziumcarbidmaterialien aufweist, und bei welchem mindestens einer der ersten und zweiten Kontaktbereiche teilweise oder vollständig mit einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe von Materialien als Beschichtung beschichtet ist, die SiC oder Siliziumcarbidmaterialien, Carbidoxidmaterialien, Silizidmaterialien, Wolframtitanatmaterialien und deren Derivate und Kombinationen aufweist. Dabei sind als die ersten und zweiten Wärmeübertragungsmedien Fluide möglichen, also z. B. als Flüssigkeiten, Gase, gelartige oder pastöse Medien, Schäume, Schlämme und deren Kombinationen und Gemische.According to a first aspect of the present invention, a novel heat transfer element for a heat exchanger is provided, which for flow-separated heat transfer between a first heat transfer medium as a process medium and a second heat transfer medium as a service medium, a first contact area and a second contact area for fluidly separated contact with the first heat transfer medium or with the second heat transfer medium formed substantially with or from one or more materials from the group of materials comprising graphite materials, graphites and open cell and non-sintered SiC or silicon carbide materials, and wherein at least one of the first and second contact regions is partially or coated completely with one or more materials from the group of materials coated, the SiC or Silicon carbide materials, carbide oxide materials, silicide materials, tungsten titanate materials and their derivatives, and combinations. Here are as the first and second heat transfer fluids fluids possible, ie z. As liquids, gases, gelatinous or pasty media, foams, slurries and their combinations and mixtures.
Es ist somit eine Kernidee der vorliegenden Erfindung, die Wahrscheinlichkeit des Ablösens und/oder des Korrodierens von Material, welches dem Wärmeübertragungselement zu Grunde liegt, zu reduzieren oder zu vermeiden, indem zumindest an einem der ersten und zweiten Kontaktbereiche oder Kontaktflächen des Wärmeübertragungselements das dem Wärmeübertragungselement zu Grunde liegende Material mit einer besonders widerstandsfähigen oder abrasionsbeständigen Beschichtung ausgebildet wird, gerade dann, wenn das dem Wärmeübertragungselement zu Grunde liegende Material aus einem Graphitmaterial oder einem offenporigen und/oder nicht gesinterten SiC- oder Siliziumcarbidmaterial gebildet ist.It is thus a core idea of the present invention to reduce or avoid the likelihood of detachment and / or corrosion of material underlying the heat transfer element by providing at least one of the first and second contact areas or contact surfaces of the heat transfer element with the heat transfer element underlying material is formed with a particularly resistant or abrasion resistant coating, even if the material underlying the heat transfer element is formed of a graphite material or an open-pored and / or non-sintered SiC or Siliziumcarbidmaterial.
Es kann eine Imprägnierung mit einem Imprägniermaterial mit oder aus einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe ausgebildet sein, die Harzmaterialien, Phenolharzmaterialien und deren Derivate und Kombinationen aufweist. Die Imprägnierung mit dem Imprägniermaterial dient insbesondere dazu, ein zu tiefes Eindringen und insbesondere ein Durchdringen des dem Wärmeübertragungselement zu Grunde liegenden Materials mit einem der Wärmeübertragungsmedien dessen verbleib darin zu vermeiden, um dadurch eine materielle Durchmischung, und sei dies auch nur auf lange Sicht möglich, miteinander und/oder eine Kontamination bei einem Medienwechsel zu reduzieren oder zu verhindern.An impregnation with an impregnating material may be formed with or from one or more materials from the group comprising resin materials, phenolic resin materials and their derivatives, and combinations. The impregnation with the impregnating material serves in particular to avoid too deep penetration and in particular penetration of the material lying on the heat transfer element with one of the heat transfer media whose remaining material is thereby mixed, even if only in the long term, with each other and / or to reduce or prevent contamination in a media change.
Die Imprägnierung mit dem Imprägniermaterial kann ganz oder teilweise auf und/oder in der Beschichtung und/oder ganz oder teilweise auf und/oder in dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich ausgebildet sein. Da die Beschichtung zur Vermeidung der Verunreinigung, z. B. durch Abrasion oder dergleichen das dem Wärmeübertragungselement zu Grunde liegende Material ohnehin zumindest teilweise, wenn nicht vollständig, abdichtet, dort also Poren schließt, ist es besonders vorteilhaft, wenn eine vorzusehende Imprägnierung auf oder in der Beschichtung zur Vermeidung der Kontamination ausgebildet ist oder wird. Dies bietet darüber hinaus auch verfahrenstechnische Vorteile, weil bei der Prozessierung der Beschichtung auf dem dem Wärmeübertragungselement zu Grunde liegenden Material nicht auf thermische Randbedingungen des Materials der Imprägnierung Rücksicht genommen werden muss. So können z. B. bei der Herstellung Hochtemperaturschritte gefahren werden, ohne dass mit einer Beschädigung oder Zersetzung des Imprägniermaterials zu rechnen ist, da dies dann im Nachhinein, also nach dem Hochtemperaturschritt auf- oder eingebracht werden kann.The impregnation with the impregnating material may be wholly or partly formed on and / or in the coating and / or completely or partially on and / or in the first contact region and the second contact region. Since the coating to avoid contamination, z. B. by abrasion or the like the heat transfer element underlying material anyway at least partially, if not completely, seals, so there closes pores, it is particularly advantageous if an impregnation to be provided is formed on or in the coating to avoid contamination or is , This also offers procedural advantages, because in the processing of the coating on the material underlying the heat transfer element on thermal boundary conditions of the material of the impregnation must be taken into account. So z. B. in the production of high-temperature steps are driven without damage or decomposition of the impregnating is to be expected, since this can then be in retrospect, so after the high-temperature step or introduced.
Für die Beschichtung mit dem beschichtungsmaterial sind unterschiedlich Strukturen und Verfahren zu ihrer Herstellung denkbar.For the coating with the coating material different structures and methods for their production are conceivable.
Die Beschichtung kann als CVD-Beschichtung ausgebildet sein.The coating may be formed as a CVD coating.
Alternativ oder zusätzlich kann die Beschichtung als chemischer und/oder physikalischer Umwandlungsbereich – insbesondere über einen Vorgang des ganz oder teilweisen chemischen und/oder physikalischen Umwandelns des Materials des ersten und/oder zweiten Kontaktbereichs – ausgebildet sein.Alternatively or additionally, the coating can be formed as a chemical and / or physical conversion region-in particular via a process of wholly or partly chemical and / or physical conversion of the material of the first and / or second contact region.
Die Beschichtung kann ferner alternativ oder zusätzlich über einen Vorgang des Plasmaspritzens und/oder Flammenspritzens ausgebildet sein. Zudem ist die Ausbildung einer festen Schicht über die so genannte Flüssigsilizierung, sowohl im Tauchverfahren als auch im Verdampfungsverfahren als auch im Dochtverfahren, bereits erfolgreich getestet worden.The coating may also be alternatively or additionally formed via a process of plasma spraying and / or flame spraying. In addition, the formation of a solid layer on the so-called liquid siliciding, both in the dipping process as well as in the evaporation process and in the wicking process, has already been successfully tested.
Je nach Art und Weise des für die Beschichtung vorgesehenen Materials oder der für die Beschichtung vorgesehenen Materialien können unterschiedliche Beschichtungsmechanismen und entsprechende Herstellungsverfahren verwendet werden, wobei jedoch das Ausbilden der Beschichtung als chemische und/oder physikalische Umwandlungsschicht besonders elegant ist, insbesondere dann, wenn keine oder in ihrer Menge nur geringfügige zusätzlichen materiellen Komponenten zur Beschichtung bereitgestellt werden müssen.Depending on the nature of the material intended for the coating or the materials intended for the coating, different coating mechanisms and corresponding production methods may be used, but the formation of the coating as a chemical and / or physical conversion layer is particularly elegant, in particular if none or only minor additional material components must be provided for coating in their amount.
Verschiedene Herstellungsverfahren und Strukturen können beim Aufbau der Beschichtung miteinander kombiniert sein oder werden.Various manufacturing methods and structures may or may not be combined in building the coating.
Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungselement kann als Wärmeübertragerplatte oder Wärmetauscherplatte eines Plattenwärmeübertragers oder Plattenwärmetauschers ausgebildet sein.The heat transfer element according to the invention may be formed as a heat exchanger plate or heat exchanger plate of a plate heat exchanger or plate heat exchanger.
Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungselement kann auch als Wärmeübertragerkern oder -block oder als Wärmetauscherkern oder -block eines Blockwärmeübertragers oder Blockwärmetauschers ausgebildet sein.The heat transfer element according to the invention can also be designed as a heat transfer core or block or as a heat exchanger core or block of a block heat exchanger or block heat exchanger.
Ferner kann das erfindungsgemäße Wärmeübertragungselement als Wärmeübertragerrohr oder Wärmetauscherrohr eines Rohrwärmeübertragers oder Rohrwärmetauschers ausgebildet sein.Furthermore, the heat transfer element according to the invention can be designed as a heat exchanger tube or heat exchanger tube of a tube heat exchanger or tube heat exchanger.
Das erfindungsgemäße Konzept kann also grundsätzlich bei sämtlichen Wärmeübertragern oder Wärmetauschern eingesetzt werden, bei welchen ein oder mehrere Wärmeübertragerelemente oder Wärmetauscherelemente eingesetzt werden, die dem oben näher bezeichneten Prinzip folgen, nämlich an mindestens einem Kontaktbereich oder an einer Kontaktfläche von einem Medium zur Wärmeübertragung, insbesondere von einem Prozessmedium angeströmt zu werden und also mit diesem in mechanischen Kontakt zu geraten, wodurch aufgrund physikalischer und/oder chemischer Wechselwirkung eine Abrasion an einer Oberfläche des Kontaktbereichs oder der Kontaktfläche des Wärmeübertragerelements denkbar ist. The inventive concept can therefore be used in principle in all heat exchangers or heat exchangers, in which one or more heat transfer elements or heat exchanger elements are used, which follow the above-described principle, namely at least one contact area or at a contact surface of a medium for heat transfer, in particular To be flowed to a process medium and thus come into mechanical contact with this, which due to physical and / or chemical interaction abrasion on a surface of the contact region or the contact surface of the heat transfer element is conceivable.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragungselements für einen Wärmeübertrager geschaffen, bei welchem das Wärmeübertragungselement zur strömungsmäßig getrennten Wärmeübertragung zwischen einem ersten Wärmeübertragungsmedium als Prozessmedium und einem zweiten Wärmeübertragungsmedium als Servicemedium mit einem ersten Kontaktbereich und mit einem zweiten Kontaktbereich zum strömungsmäßig getrennten Kontaktieren mit dem ersten Wärmeübertragungsmedium bzw. mit dem zweiten Wärmeübertragungsmedium ausgebildet wird, bei welchem das Wärmeübertragungselement im Wesentlichen mit oder aus einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe von Materialien ausgebildet wird, die Graphitmaterialien, Graphite und offenporige und nicht gesinterte SiC- oder Siliziumcarbidmaterialien aufweist, und bei welchem mindestens einer der ersten und zweiten Kontaktbereiche ganz oder teilweise mit einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe von Materialien als Beschichtung beschichtet wird, die SiC oder Siliziumcarbidmaterialien, Pyrokohlenstoff, Oxidkeramiken, wie z. B. Chromoxide, Diamant, Carbidoxidmaterialien, Silizidmaterialien, Wolframtitanatmaterialien und deren Derivate und Kombinationen aufweist.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a heat transfer element for a heat exchanger, wherein the heat transfer element for flow separated heat transfer between a first heat transfer medium as the process medium and a second heat transfer medium as a service medium with a first contact area and with a second contact area to the flow formed with the first heat transfer medium or with the second heat transfer medium, wherein the heat transfer element is formed substantially with or from one or more materials from the group of materials comprising graphite materials, graphites and open-cell and non-sintered SiC or Siliziumcarbidmaterialien , and wherein at least one of the first and second contact areas is wholly or partially covered by one or more materials alien from the group of materials is coated as a coating, the SiC or silicon carbide materials, pyrocarbon, oxide ceramics such. Chromium oxides, diamond, carbide oxide materials, silicide materials, tungsten titanate materials and their derivatives and combinations.
Es kann eine Imprägnierung mit einem Imprägniermaterial mit oder aus einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe ausgebildet werden, die Harzmaterialien, Phenolharzmaterialien und deren Derivate und Kombinationen aufweist.An impregnation with an impregnating material may be formed with or from one or more of the group consisting of resin materials, phenolic resin materials and their derivatives and combinations.
Die Imprägnierung mit dem Imprägniermaterial kann ganz oder teilweise auf und/oder in der Beschichtung und/oder ganz oder teilweise auf und/oder in dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich ausgebildet werden.The impregnation with the impregnating material may be wholly or partly formed on and / or in the coating and / or completely or partially on and / or in the first contact region and the second contact region.
Die Beschichtung kann als CVD-Beschichtung ausgebildet werden.The coating can be formed as a CVD coating.
Die Beschichtung kann auch als CVI-Beschichtung ausgebildet werden.The coating can also be formed as a CVI coating.
Alternativ oder zusätzlich kann die Beschichtung als chemischer und/oder physikalischer Umwandlungsbereich – insbesondere über einen Vorgang des ganz oder teilweisen chemischen und/oder physikalischen Umwandelns des Materials des ersten und/oder zweiten Kontaktbereichs – ausgebildet werden.Alternatively or additionally, the coating may be formed as a chemical and / or physical conversion region, in particular via a process of wholly or partially chemically and / or physically converting the material of the first and / or second contact region.
Die Beschichtung kann ferner zusätzlich oder alternativ über einen Vorgang des Plasmaspritzens und/oder Flammenspritzens ausgebildet werden.The coating may also be additionally or alternatively formed via a process of plasma spraying and / or flame spraying.
Das Wärmeübertragungselement kann als Wärmeübertragerplatte oder Wärmetauscherplatte eines Plattenwärmeübertragers oder Plattenwärmetauschers ausgebildet werden.The heat transfer member may be formed as a heat transfer plate or heat exchanger plate of a plate heat exchanger or plate heat exchanger.
Das Wärmeübertragungselement kann auch als Wärmeübertragerkern oder -block oder als Wärmetauscherkern oder -block eines Blockwärmeübertragers oder Blockwärmetauschers ausgebildet werden.The heat transfer element can also be designed as a heat transfer core or block or as a heat exchanger core or block of a block heat exchanger or block heat exchanger.
Auch kann das erfindungsgemäße Wärmeübertragungselement als Wärmeübertragerrohr oder Wärmetauscherrohr eines Rohrwärmeübertragers oder Rohrwärmetauschers ausgebildet werden.Also, the heat transfer element according to the invention can be formed as a heat exchanger tube or heat exchanger tube of a Rohrwärmeübertragers or tube heat exchanger.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Wärmeübertrager geschaffen, bei welchem ein oder mehrere erfindungsgemäße Wärmeübertragungselemente ausgebildet sind oder werden. Darüber hinaus wird gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung auch ein Verfahren zum Nachrüsten eines bereits bestehenden Wärmeübertragers angegeben, bei welchem ein oder mehrere vorhandene und insbesondere herkömmliche Wärmeübertragungselemente durch ein oder mehrere entsprechende erfindungsgemäße Wärmeübertragungselemente ausgetauscht werden und/oder bei welchem ein oder mehrere vorhandene und insbesondere herkömmliche Wärmeübertragungselemente zu erfindungsgemäßen Wärmeübertragungselementen umgewandelt werden, wobei insbesondere gemäß das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird.According to a further aspect of the present invention, a heat exchanger is provided in which one or more heat transfer elements according to the invention are or are formed. In addition, according to a further aspect of the present invention, a method for retrofitting an existing heat exchanger is specified, in which one or more existing and in particular conventional heat transfer elements are replaced by one or more corresponding heat transfer elements according to the invention and / or in which one or more existing and In particular, conventional heat transfer elements are converted to heat transfer elements according to the invention, in particular according to the inventive method is used.
Diese und weitere Aspekte werden beispielhaft auf der Grundlage der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert.These and other aspects will be explained by way of example on the basis of the accompanying schematic drawings.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
DETAILBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreiben. Sämtliche Ausführungsformen der Erfindung und auch ihre technischen Merkmale und Eigenschaften können einzeln isoliert oder wahlfrei zusammengestellt miteinander beliebig und ohne Einschränkung kombiniert werden.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. All embodiments of the invention and also their technical features and properties can be isolated individually or combined randomly combined with each other arbitrarily and without restriction.
Strukturell und/oder funktionell gleiche, ähnliche oder gleich wirkende Merkmale oder Elemente werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall wird eine detaillierte Beschreibung dieser Merkmale oder Elemente wiederholt.Structurally and / or functionally identical, similar or identically acting features or elements are referred to below in connection with the figures with the same reference numerals. Not always will a detailed description of these features or elements be repeated.
Zunächst wird auf die Zeichnungen im Allgemeinen Bezug genommen.First of all, reference is made to the drawings in general.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungselement
Die vorliegende Erfindung betrifft neben dem oben beschriebenen allgemeinen Prinzip auch CVD-beschichteten und imprägnierten Graphit und insbesondere dessen Verwendung zur Ausgestaltung von Wärmeübertragungs- oder Wärmetauscherelementen
Insbesondere in der Feinchemikalien- und Pharmaindustrie werden Wärmeübertrager
Um dieses Problem zu vermeiden oder zu umgehen, kann z. B. daran gedacht werden, Wärmetauscher
Nachteilig eines vollständig aus Siliziumcarbid bestehenden Wärmeübertragungselements oder Wärmetauscherelements sind die im Vergleich zu reinem Graphit um ein Vielfaches höheren Material- und Herstellungskosten, so dass in der Regel von dieser Möglichkeit nur in Ausnahmefällen Gebrauch gemacht werden kann. Zudem ist das extrem sprödbrüchige Verhalten von SiC-Keramiken anwendungsbedingt oft nachteilig.A disadvantage of a completely made of silicon carbide heat transfer element or heat exchanger element are compared to pure graphite many times higher material and manufacturing costs, so that in general this option can be used only in exceptional cases. In addition, the extremely brittle behavior of SiC ceramics is often disadvantageous due to the application.
Die vorliegende Erfindung nutzt auch die Erkenntnis, dass man insbesondere Graphitoberflächen über ein CVD-Verfahren, welches insbesondere bei Temperaturen von über 1000°C durchgeführt wird, mit Siliziumcarbid oder SiC beschichten kann, um somit die Abrasions- und/oder Korrosionsbeständigkeit des einem Wärmeübertragungselement
Dabei ist von Vorteil, dass einerseits durch das Verwenden z. B. von Siliziumcarbid als Beschichtungsmaterial
Insbesondere bei so genannten Blockwärmetauschern
Dadurch lassen sich zwar Verunreinigungen in ihrem Ausmaß absenken, jedoch ist das Vorsehen eines derart vollständig aus abrasionsresistentem Material bestehenden Vorblocks ebenfalls kostenintensiv und hat den technischen Nachteil, dass ein Todvolumen vor dem eigentlichen Wärmetauscherprozess eingeführt wird und somit insgesamt die Effektivität einer derartigen Anlage gesenkt wird.Although this makes it possible to lower impurities to their extent, the provision of a bloc which is completely made of abrasion-resistant material is likewise expensive and has the technical disadvantage that a dead volume is introduced before the actual heat exchanger process, thus reducing the overall effectiveness of such a plant.
Demgegenüber wird erfindungsgemäß eine verfeinerte Vorgehensweise vorgeschlagen, nämlich die Beschichtung eines oder mehrerer Wärmeübertragungselemente
Die Erfindung schafft somit eine kostengünstige und ggf. eine mechanisch, gegenüber Sprödbruch, tolerantere Variante zu Wärmetauscherelementen
Eine auf Kunstharz
Eine Imprägnierung
Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für ein Wärmeübertragungselement
Ein fertig bearbeiteter Block
A
Alternativ können die Servicebohrungen
Anschließend wird der mit Siliziumcarbid
Derartige und ähnliche erfindungsgemäße Herstellungsverfahren und erfindungsgemäße Wärmeübertragungselemente
Der auf die erfindungsgemäße Art und Weise hergestellte Wärmeübertrager
The heat exchanger produced in the manner according to the
Weiterhin verhindert die abrasionsresistente Schicht
In vorteilhafter Weise können Substratmaterial
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann nämlich das Verhältnis der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substratmaterials
Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass Schichtdicken von unter 5 μm bereits abrassionsfest und korrosionsfest sind. Partikel werden erfolgreich zurückgehalten, Korrosion des Substrats wird verhindert, die Oberflächenhärte wird extrem gesteigert. Idealerweise werden also Schichtdicken zwischen 5 und 1000 μm aufgebracht, bevorzugt zwischen 20 und 400 μm und besonders bevorzugt zwischen 50 und 200 μm aufgebracht.Surprisingly, it has been found that layer thicknesses of less than 5 microns are already resistant to abrasion and corrosion. Particles are successfully retained, corrosion of the substrate is prevented, the surface hardness is extremely increased. Ideally, therefore, layer thicknesses of between 5 and 1000 μm are applied, preferably between 20 and 400 μm, and more preferably between 50 and 200 μm.
Bevorzugte Prozesstemperaturen liegen dabei insbesondere im Bereich zwischen etwa 1.200°C und etwa 2.400°C, je nach angewandtem Beschichtungsverfahren, insbesondere CVD-Verfahren.Preferred process temperatures are in particular in the range between about 1200 ° C and about 2400 ° C, depending on the applied coating method, in particular CVD method.
Erstaunlicherweise können durch derart geschickt gewählte Materialpaarungen hinsichtlich deren thermischer Ausdehnung absolut rissfrei Beschichtungen erzielt werden, so dass ggf. ganz auf eine Abdichtung z. B. durch Harze verzichtet werden kann.Surprisingly, can be achieved absolutely crack-free coatings by such skillfully selected material pairings with respect to their thermal expansion, so that, if necessary, completely on a seal z. B. can be dispensed with by resins.
Derartig gefertigte Oberflächen weisen neben einer hohen Verschleißfestigkeit eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf, die insbesondere der von einem SiC, alpha-SiC oder α-SiC gleichkommt.Such surfaces produced in addition to a high wear resistance on a high corrosion resistance, which is equivalent in particular to that of a SiC, alpha-SiC or α-SiC.
Nun wird im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen.Now, reference will be made in detail to the drawings.
Die Pfeile deuten die Zu- und Abflüsse der ersten und zweiten Wärmeübertragungsmedien M1 und M2 an, die alternierend in den Zwischenräumen R1, ..., Rn als Strömungsräume strömen, wobei entsprechende Dichtungseinrichtungen zwischen den aufeinander folgenden Wärmeübertragerelementen
Die
In der
Im Übergang zu der Darstellung der
Häufig ist es ausreichend, dass diejenige Seite – also entweder die Oberseite
Die
Die Bohrungen
Gemäß der vorliegenden Erfindung können bei einem blockartig ausgebildeten Wärmeübertragungselement
Dies ist in den
Die
Das Grundmaterial
Gegebenenfalls wird der Querschnitt der vertikalen Bohrungen
Entsprechendes gilt bei einer Beschichtung, die die Mantelfläche
Die
Auch bei Rohrwärmeübertragern, die hier nicht grafisch dargestellt sind, ist eine derartige Beschichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Wärmeübertragungselement, Wärmetauscherelement, Wärmeübertragerplatte, WärmetauscherplatteHeat transfer element, heat exchanger element, heat transfer plate, heat exchanger plate
- 10'10 '
- Material des WärmeübertragerelementsMaterial of the heat transfer element
- 10o10o
- Oberseite, VorderseiteTop, front
- 10u10u
- Unterseite, RückseiteBottom, back
- 2020
- Wärmeübertragungselement, Wärmetauscherelement, Wärmeübertragerkern, WärmetauscherkernHeat transfer element, heat exchanger element, heat transfer core, heat exchanger core
- 20'20 '
- Material des WärmeübertragerelementsMaterial of the heat transfer element
- 20e20e
- Endflächeend face
- 20h20h
-
Fläche der horizontalen oder Servicebohrung
24 Surface of horizontal orservice hole 24 - 20m20m
- Mantelflächelateral surface
- 20v20v
-
Fläche oder Innenseite der vertikalen oder Prozessbohrung
22 Surface or inside of the vertical or process bore22 - 2222
- vertikale Bohrung, Prozessbohrung, Bohrung für das erste Wärmeübertragungs- oder Prozessmediumvertical drilling, process drilling, drilling for the first heat transfer or process medium
- 2424
- horizontale Bohrung, Servicebohrung, Bohrung für das zweite Wärmeübertragungsmedium oder Servicemediumhorizontal hole, service hole, hole for the second heat transfer medium or service medium
- 3030
- Beschichtungcoating
- 30'30 '
- Beschichtungsmaterialcoating material
- 4040
- Imprägnierungimpregnation
- 40'40 '
- Imprägniermaterialwaterproofing
- 5050
-
Leitscheibe für Blockwärmerauscher
200' Guide disc for block heat exchanger200 ' - 6060
-
Leiste/Rahmen für Leitscheibe
50 für Blockwärmetauscher200' Rail / frame for theLeitscheibe 50 for block heat exchangers200 ' - 100100
- Wärmeübertrager, Wärmetauscher,Heat exchanger, heat exchanger,
- 100'100 '
- Plattenwärmeübertrager, PlattenwärmetauscherPlate heat exchanger, plate heat exchanger
- 110110
-
Anordnung/Stapel einer Mehrzahl Wärmeübertragerelemente/Wärmeübertragerplatten
10 Arrangement / stack of a plurality of heat exchanger elements /heat exchanger plates 10 - 200200
- Wärmeübertrager, WärmetauscherHeat exchanger, heat exchanger
- 200'200 '
- Blockwärmeübertrager, BlockwärmetauscherBlock heat exchanger, block heat exchanger
- M1M1
- erstes Wärmeübertragungsmedium, Prozessmedium, Produktmediumfirst heat transfer medium, process medium, product medium
- M2M2
- zweites Wärmeübertragungsmedium, Servicemediumsecond heat transfer medium, service medium
- Rjrj
- Zwischenraum, Strömungsraum, j = 1, ..., nSpace, flow space, j = 1, ..., n
Claims (22)
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