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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen wenigstens zwei bei unterschiedlichen Temperaturen vorliegenden Stoffströmen, umfassend wenigstens ein Gehäuseteil mit wenigstens einem Trennelement, welches wenigstens zwei jeweils von wenigstens einem Stoffstrom durchströmbare oder durchströmte Kanalstrukturen räumlich voneinander trennt.
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Derartige Vorrichtungen werden auch als (indirekte) Wärmetauscher oder (indirekte) Wärmeübertrager bezeichnet.
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Im Rahmen der Konzipierung entsprechender Vorrichtungen ist darauf zu achten, dass diese eine effiziente Wärmeübertragung zwischen entsprechenden Stoffströmen ermöglichen. Ein effizienter Wärmeaustausch bzw. eine effiziente Wärmeübertragung zwischen entsprechenden Stoffströmen, kurz die Effizienz entsprechender Vorrichtungen, hängt insbesondere von der zu einem Wärmeaustausch bzw. zu einer Wärmeübertragung nutzbaren Fläche sowie den Strömungsparametern der durch entsprechende Kanalstrukturen strömenden Stoffströme ab. Für die Effizienz entsprechender Vorrichtungen sind ferner die thermische Leitfähigkeit des diese bildenden Materials, d.h. insbesondere die thermische Leitfähigkeit des ein entsprechendes Trennelement bildenden Materials, sowie konstruktive Vorgaben, wie insbesondere Wandstärken, maßgeblich.
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Daneben ist im Rahmen der Konzipierung entsprechender Vorrichtungen regelmäßig darauf zu achten, diese gegenüber einer Vielzahl an korrosiv wirkenden Stoffen korrosionsbeständig auszubilden.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen sind typischerweise aus Metallen oder Kunststoffmaterialien gebildet. Metalle weisen eine vergleichsweise hohe thermische Leitfähigkeit auf, können jedoch im Hinblick auf ihre vergleichsweise geringe Korrosionsbeständigkeit problematisch sein. Umgekehrt verhält es sich mit Kunststoffmaterialien, die eine vergleichsweise hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen, jedoch aufgrund ihrer vergleichsweise geringen thermischen Leitfähigkeit problematisch sein können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen wenigstens zwei bei unterschiedlichen Temperaturen vorliegenden Stoffströmen anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen wenigstens zwei bei unterschiedlichen Temperaturen vorliegenden Stoffströmen der eingangs genannten Art gelöst, welche sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass zumindest das Trennelement zumindest teilweise aus nanoskaligem Kohlenstoff oder wenigstens einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material gebildet ist und/oder zumindest teilweise nanoskaligen Kohlenstoff oder wenigstens ein nanoskaligen Kohlenstoff enthaltendes Material umfasst.
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Das erfindungsgemäße Prinzip basiert auf einer besonderen Ausbildung einer entsprechenden Vorrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen wenigstens zwei bei unterschiedlichen Temperaturen vorliegenden bzw. unterschiedliche Temperaturen aufweisenden und somit typ unterschiedliche Wärmemengen enthaltenden Stoffströmen. Die auch als (indirekter) Wärmetauscher bzw. (indirekter) Wärmeübertrager zu bezeichnende bzw. zu erachtende Vorrichtung weist als in funktioneller bzw. konstruktiver Hinsicht wesentliche Komponente wenigstens ein Gehäuseteil auf. In dem Gehäuseteil sind wenigstens zwei jeweils von wenigstens einem Stoffstrom durchströmbare oder durchströmte Kanalstrukturen ausgebildet. Die wenigstens zwei Kanalstrukturen werden durch wenigstens ein Trennelement räumlich voneinander getrennt, so dass ein Wärmeaustausch bzw. eine Wärmeübertragung zwischen entsprechenden in den Kanalstrukturen strömenden Stoffströmen möglich ist, jedoch ein Stoffaustausch zwischen entsprechenden in den Kanalstrukturen strömenden Stoffströmen nicht möglich ist. Das Trennelement kann sonach als zwischen den Stoffströmen verlaufende Trennwand bezeichnet bzw. erachtet werden.
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Unter einem Stoffstrom ist beispielsweise ein Fluidstrom zu verstehen. Ein Fluidstrom kann z. B. als wenigstens ein Gas enthaltender Gasstrom oder wenigstens eine Flüssigkeit enthaltender Flüssigkeitsstrom oder wenigstens ein Gemisch aus wenigstens einem Gas und/oder wenigstens einer Flüssigkeit enthaltender Gemischstrom vorliegen.
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Der Kern des erfindungsgemäßen Prinzips besteht darin, zumindest das Trennelement, gegebenenfalls auch weitere Teile des Gehäuseteils bzw. der Vorrichtung, zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus nanoskaligem Kohlenstoff oder zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus wenigstens einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material auszubilden. Alternativ oder ergänzend ist es denkbar, dass zumindest das Trennelement, gegebenenfalls auch weitere Teile des Gehäuseteils bzw. der Vorrichtung, zumindest teilweise nanoskaligen Kohlenstoff oder zumindest teilweise wenigstens ein nanoskaligen Kohlenstoff enthaltendes Material umfasst.
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Das erfindungsgemäße Prinzip macht sich demnach die besonderen chemisch/physikalischen Eigenschaften nanoskaligen Kohlenstoffs, worunter insbesondere Kohlenstoffröhrchenstrukturen, d. h. so genannte carbon nanotubes, kurz CNT, oder Graphitstrukturen zu verstehen sind, für eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen wenigstens zwei unterschiedliche Wärmemengen enthaltenden Stoffströmen zu Nutze.
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Zu den für das erfindungsgemäße Prinzip besonders bedeutenden Eigenschaften nanoskaligen Kohlenstoffs zählt beispielsweise dessen hohe thermische Leitfähigkeit. Die hohe thermische Leitfähigkeit nanoskaligen Kohlenstoffs ist im Hinblick auf einen effizienten Wärmeaustausch bzw. eine effiziente Wärmeübertragung zwischen entsprechenden bei unterschiedlichen Temperaturen vorliegenden Stoffströmen und somit die Effizienz der Vorrichtung vorteilhaft.
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Zu den für das erfindungsgemäße Prinzip besonders bedeutenden Eigenschaften nanoskaligen Kohlenstoffs zählt ferner dessen gute Korrosionsbeständigkeit. Die gute Korrosionsbeständigkeit nanoskaligen Kohlenstoffs ist im Hinblick auf den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in (hoch)korrosiven Umgebungen, d. h. den Einsatz im Zusammenhang mit (hoch)korrosiven Stoffströmen, wie z. B. NOx und/oder SOx enthaltenden Stoffströmen, von Vorteil. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird durch entsprechende (hoch)korrosive Umgebungen bzw. Stoffströme nicht oder nur gering korrosiv beschädigt und ist somit für die Wärmeübertragung zwischen einer Vielzahl an (hoch)korrosiven Stoffströmen geeignet. Nanoskaliger Kohlenstoff ist derart korrosionsbeständig, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung unter dem Aspekt des Korrosionsverhaltens sogar als universell einsetzbar erachtet werden kann.
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Zu den für das erfindungsgemäße Prinzip besonders bedeutenden Eigenschaften nanoskaligen Kohlenstoffs zählt ferner dessen hohe mechanische Stabilität. Die gute mechanische Stabilität von aus nanoskaligem Kohlenstoff gebildeten Bauteilen bzw. von aus nanoskaligem Kohlenstoff enthaltenden Materialien gebildeten Bauteilen ermöglicht den schadenfreien Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter vergleichsweise hohen mechanischen Beanspruchungen. Insbesondere im Zusammenhang mit den mechanischen Eigenschaften ist auch das vergleichsweise geringe Gewicht entsprechender Bauteile zu beachten.
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Zu den für das erfindungsgemäße Prinzip besonders bedeutenden Eigenschaften nanoskaligen Kohlenstoffs zählen ferner dessen hydrophobe Eigenschaften. Die hydrophoben Eigenschaften nanoskaligen Kohlenstoffs sind insbesondere im Hinblick auf die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in bestimmten Anwendungs- bzw. Einsatzgebieten, d. h. insbesondere im Hinblick auf eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Kondensationseinrichtung oder als Teil einer Kondensationseinrichtung, vorteilhaft. Die hydrophoben Eigenschaften nanoskaligen Kohlenstoffs ermöglichen eine Kondensation eines hydrophilen Stoffs, wie z. B. Wasserdampf, in Tropfenform. Die tropfenförmige Kondensation eines hydrophilen Stoffs ist deshalb vorteilhaft, da sie die Ausbildung flächiger hydrophiler Filmschichten auf einer vorrichtungsseitigen Kondensationsfläche verhindert, welche flächigen hydrophilen Filmschichten einen Wärmeaustausch bzw. einen Wärmeübertrag zwischen entsprechenden Stoffströmen beeinträchtigen.
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Zu den Vorteilen von nanoskaligem Kohlenstoff zählen ferner fertigungstechnische und somit wirtschaftliche Aspekte, da sich Bauteile aus nanoskaligem Kohlenstoff und insbesondere Bauteile aus nanoskaligen Kohlenstoff umfassenden Materialien mittels gut beherrschbarerer fertigungstechnischer Herstellungsverfahren in hoher Güte, hoher Stückzahl sowie in unterschiedlichen, insbesondere auch komplexen, Geometrien herstellen lassen.
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Im Weiteren werden Beispiele unterschiedlicher Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Einzelnen dargestellt.
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Eine beispielhafte Ausführungsform sieht dabei vor, dass zumindest das Trennelement zumindest teilweise aus nanoskaligem Kohlenstoff gebildet ist, wobei aus dem nanoskaligen Kohlenstoff wenigstens ein das Trennelement bildendes, insbesondere folien-, matten- oder plattenartiges, Trennelementsegment gebildet ist. Das Trennelement kann sonach zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus nanoskaligem Kohlenstoff gebildet sein, wobei es aus wenigstens einem aus nanoskaligem Kohlenstoff gebildeten Trennelementsegment gebildet ist. Ein solches Trennelementsegment kann eine folien-, matten- oder plattenartige Gestalt bzw. Geometrie aufweisen. Mehrere solcher Trennelementsegmente können prinzipiell in beliebiger Anordnung und somit im Hinblick auf konkrete konstruktive Vorgaben bedarfsgerecht angeordnet bzw. miteinander verbunden sein. Konkret kann es sich bei einem solchen Trennelementsegment beispielsweise um eine aus nanoskaligem Kohlenstoff gebildete Folie handeln.
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Eine weitere beispielhafte Ausführungsform sieht vor, dass zumindest das Trennelement zumindest teilweise aus wenigstens einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material gebildet ist, wobei aus dem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material wenigstens ein das Trennelement bildendes, insbesondere folien-, matten- oder plattenartiges, Trennelementsegment gebildet ist. Das Trennelement kann sonach zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material gebildet sein, wobei es aus wenigstens einem aus einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material gebildeten Trennelementsegment gebildet ist. Ein solches Trennelementsegment kann ebenso eine folien-, matten- oder plattenartige Gestalt bzw. Geometrie aufweisen. Mehrere solcher Trennelementsegmente können auch hier prinzipiell in beliebiger Anordnung und somit im Hinblick auf konkrete konstruktive Vorgaben bedarfsgerecht angeordnet bzw. miteinander verbunden sein.
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Bei dem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material handelt es sich typischerweise um ein Matrixmaterial mit darin verteiltem nanoskaligen Kohlenstoff. Ein entsprechendes Matrixmaterial kann z. B. ein, insbesondere duroplastisches oder thermoplastisches, Kunststoffmaterial oder ein Keramikmaterial sein. Mithin lassen sich entsprechende Trennelementsegmente beispielsweise über Extrusions- oder Spritzgussvorgänge herstellen. Konkret kann es sich bei einem Trennelementsegment demnach beispielsweise um ein aus einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material, insbesondere Kunststoffmaterial, gebildetes Extrusions- oder Spritzgussteil handeln.
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Eine weitere beispielhafte Ausführungsform sieht vor, dass zumindest das Trennelement zumindest teilweise nanoskaligen Kohlenstoff umfasst, wobei der nanoskalige Kohlenstoff als zumindest abschnittsweise auf wenigstens einer freiliegenden Oberfläche eines des oder eines Grundkörpers des Trennelements aufgebrachte Beschichtung vorliegt. Dass einen Grundkörper des Trennelements bildende Material muss sonach nicht zwingend aus nanoskaligem Kohlenstoff oder einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material gebildet sein. Ein Grundkörper des Trennelements kann sonach aus einem beliebigen anderen Material, d. h. z. B. einem Metall oder einem Keramik- oder Kunststoffmaterial, ausgebildet und zumindest abschnittsweise auf wenigstens einer freiliegenden Oberfläche mit nanoskaligem Kohlenstoff beschichtet sein. Zur Aufbringung der Beschichtung aus nanoskaligem Kohlenstoff kommen prinzipiell sämtliche chemische und/oder physikalische Beschichtungsverfahren in Frage, lediglich beispielhaft sei hier auf Plasmadeposition verwiesen.
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Die Beschichtung eines entsprechenden Grundkörpers mit nanoskaligem Kohlenstoff bedingt gleichermaßen die Ausbildung eines Trennelements mit den weiter oben erwähnten besonderen Eigenschaften nanoskaliger Kohlenstoffe. Die chemisch/physikalischen Eigenschaften des Trennelements können sonach durch die Aufbringung einer aus nanoskaligem Kohlenstoff gebildeten Beschichtung gezielt, d. h. insbesondere auch im Hinblick auf für ein konkretes Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung nützlichen Eigenschaften, modifiziert werden. Es können sonach beispielsweise Trennelemente, die auf einem metallischen Grundkörper basieren, mit einer hochkorrosionsbeständigen, hydrophoben Kohlenstoffbeschichtung versehen werden.
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Die Schichtdicke entsprechender Beschichtungen liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 1 und 50 µm. Selbstverständlich können prinzipiell auch Beschichtungen mit geringeren oder höheren Schichtdicken vorgesehen sein. Die Schichtdicke ist typischerweise im Hinblick auf ein konkretes Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung festzulegen.
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In einer hierzu abgewandelten weiteren beispielhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass zumindest das Trennelement zumindest teilweise wenigstens ein nanoskaligen Kohlenstoff enthaltendes Material umfasst, wobei das nanoskaligen Kohlenstoff enthaltende Material als zumindest abschnittsweise auf wenigstens einer freiliegenden Oberfläche des oder eines Grundkörpers des Trennelements aufgebrachte Beschichtung vorliegt. Im Unterschied zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist die Beschichtung hier nicht ausschließlich aus nanoskaligem Kohlenstoff, sondern aus einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material gebildet. Eine entsprechende Beschichtung kann dabei beispielsweise aus einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Kunststoffmaterial gebildet sein. Im Übrigen gelten sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform analog.
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Eine weitere beispielhafte Ausführungsform sieht vor, dass zumindest das Trennelement zumindest teilweise nanoskaligen Kohlenstoff umfasst, wobei wenigstens eine vorgefertigte Materiallage aus nanoskaligem Kohlenstoff zumindest abschnittsweise form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig an wenigstens einer freiliegenden Oberfläche des oder eines Grundkörpers des Trennelements angebunden ist. Auch in dieser Ausführungsform ist es nicht zwingend erforderlich, dass das einen Grundkörper des Trennelements bildende Material aus nanoskaligem Kohlenstoff oder einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material gebildet ist. Ein Grundkörper des Trennelements kann auch in dieser Ausführungsform aus einem beliebigen anderen Material, d.h. z.B. einem Metall oder einem Keramik- oder Kunststoffmaterial, ausgebildet sein. Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen erfolgt hier jedoch keine Beschichtung des Grundkörpers mit nanoskaligem Kohlenstoff, sondern es wird wenigstens eine vorgefertigte Materiallage aus nanoskaligem Kohlenstoff, welche z.B. eine folien-, matten- oder plattenartige Gestalt bzw. Geometrie aufweist, stabil und unverlierbar zumindest abschnittsweise auf einer freiliegenden Oberfläche des Grundkörpers des Trennelements form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig angebunden. Zur Anbindung der vorgefertigten Materiallage an den Grundkörper des Trennelements kommen also beispielsweise Rast-, Schraub- oder Klebeverbindungen in Frage.
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Eine hierzu abgewandelte Ausführungsform sieht vor, dass zumindest das Trennelement zumindest teilweise wenigstens ein nanoskaligen Kohlenstoff enthaltendes Material umfasst, wobei wenigstens eine vorgefertigte Materiallage des Materials zumindest abschnittsweise form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig an wenigstens einer freiliegenden Oberfläche des oder eines Grundkörpers des Trennelements angebunden ist. Im Unterschied zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist die vorgefertigte Materiallage hier nicht ausschließlich aus nanoskaligem Kohlenstoff, sondern aus einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material gebildet. Eine entsprechende vorgefertigte Materiallage kann beispielsweise aus einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Kunststoffmaterial gebildet sein. Im Übrigen gelten sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform analog.
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Wie erwähnt, kann der nanoskalige Kohlenstoff beispielsweise als (nanoskalige) Kohlenstoffröhrchenstruktur und/oder (nanoskalige) Graphitstruktur ausgebildet sein bzw. vorliegen.
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Sofern der nanoskalige Kohlenstoff als Kohlenstoffröhrchenstruktur vorliegt, ist es denkbar, dass zumindest ein Teil der Kohlenstoffröhrchenstrukturen mit deren Längsachse parallel zu einer Flächennormale des Trennelements bzw. winklig geneigt bezüglich einer Flächennormale des Trennelements ausgerichtet angeordnet ist. Die oder ein Teil der Kohlenstoffröhrchenstrukturen können also quer bzw. winklig geneigt bezüglich der Strömungsrichtung entsprechender durch die Kanalstrukturen strömender Stoffströme ausgerichtet bzw. orientiert werden. Derart ist eine verbesserte Wärmeübertragung durch das Trennelement und somit eine Verbesserung der Effizienz der Vorrichtung möglich.
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Wie weiter oben erwähnt, kann zusätzlich auch das Gehäuseteil zumindest teilweise aus nanoskaligem Kohlenstoff oder wenigstens einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material gebildet sein und/oder zumindest teilweise nanoskaligen Kohlenstoff oder zumindest teilweise wenigstens ein nanoskaligen Kohlenstoff enthaltendes Material umfassen.
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Mithin gelten sämtliche vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem Trennelement analog für das vorrichtungsseitige Gehäuseteil respektive die übrigen Bestandteile des vorrichtungsseitigen Gehäuseteils.
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Es ist also möglich, dass das Gehäuseteil zumindest teilweise aus nanoskaligem Kohlenstoff gebildet ist, wobei aus dem nanoskaligen Kohlenstoff wenigstens ein das Gehäuseteil bildendes, insbesondere folien-, matten- oder plattenartiges, Gehäuseteilsegment gebildet ist.
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Es ist ferner möglich, dass das Gehäuseteil zumindest teilweise aus wenigstens einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material gebildet ist, wobei aus dem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material wenigstens ein das Gehäuseteil bildendes, insbesondere folien-, matten- oder plattenartiges, Gehäuseteilsegment gebildet ist. Bei dem Kohlenstoff enthaltenden Material kann es sich z. B. um ein, insbesondere duroplastisches oder thermoplastisches, Kunststoffmaterial oder ein Keramikmaterial handeln.
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Es ist ferner möglich, dass das Gehäuseteil zumindest teilweise nanoskaligen Kohlenstoff umfasst, wobei der nanoskalige Kohlenstoff als zumindest abschnittsweise auf wenigstens einer freiliegenden Oberfläche des oder eines Grundkörpers des Gehäuseteils aufgebrachte Beschichtung vorliegt.
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Ferner ist es ebenso möglich, dass das Gehäuseteil zumindest teilweise wenigstens ein nanoskaligen Kohlenstoff enthaltendes Material umfasst, wobei das nanoskaligen Kohlenstoff enthaltende Material als zumindest abschnittsweise auf wenigstens einer freiliegenden Oberfläche des oder eines Grundkörpers des Gehäuseteils aufgebrachte Beschichtung vorliegt.
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Es ist ferner denkbar, dass das Gehäuseteil zumindest teilweise nanoskaligen Kohlenstoff umfasst, wobei wenigstens eine vorgefertigte Materiallage aus nanoskaligem Kohlenstoff zumindest abschnittsweise form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig an wenigstens einer freiliegenden Oberfläche des oder eines Grundkörpers des Gehäuseteils angebunden ist.
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Entsprechend ist es auch denkbar, dass das Gehäuseteil zumindest teilweise wenigstens ein nanoskaligen Kohlenstoff enthaltendes Material umfasst, wobei wenigstens eine vorgefertigte Materiallage des Materials zumindest abschnittsweise form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig an wenigstens einer freiliegenden Oberfläche des oder eines Grundkörpers des Gehäuseteils angebunden ist.
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Für alle vorstehenden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gilt, dass diese als Kondensationseinrichtung oder als Teil einer Kondensationseinrichtung ausgebildet sein können, wobei eine freiliegende Oberfläche des Trennelements zur Kondensation eines kondensierbaren Bestandteils eines Stoffstroms ausgebildet ist und somit als Kondensationsoberfläche dient. Ein kondensierbarer Bestandteil eines Stoffstroms kann z. B. der in einem Wasserdampf enthaltenden Stoffstrom enthaltene Wasserdampf sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1–3 jeweils eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen wenigstens zwei bei unterschiedlichen Temperaturen vorliegenden Stoffströmen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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4–6 jeweilige Schnittansichten durch die in den 1–3 gezeigten Vorrichtungen.
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Die in sämtlichen Fig. gezeigten Vorrichtungen 1 zur Übertragung von Wärme zwischen wenigstens zwei bei unterschiedlichen Temperaturen vorliegenden und somit typischerweise unterschiedliche Wärmemengen enthaltenden Stoffströmen S1, S2 können jeweils als Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager bezeichnet bzw. erachtet werden.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung 1 zur Übertragung von Wärme zwischen wenigstens zwei bei unterschiedlichen Temperaturen vorliegenden und somit typischerweise unterschiedliche Wärmemengen enthaltenden Stoffströmen S1, S2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung. 4 zeigt eine entsprechende Schnittansicht durch die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 entlang der Schnittlinien IV-IV.
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Die Vorrichtung 1 umfasst ein Gehäuseteil 2. In dem Gehäuseteil 2 sind zwei Kanalstrukturen 3, 4 ausgebildet. Jede Kanalstruktur 3, 4 wird von einem Stoffstrom S1, S2 durchströmt. Die Strömungsrichtung der Stoffströme 3, 4 kann entgegen gesetzt sein, die Stoffströme S1, S2 können deshalb gegenläufig sein.
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Die Kanalstrukturen 3, 4 sind durch ein Trennelement 5 räumlich voneinander getrennt. Das Trennelement 5 kann sonach als zwischen den Stoffströmen S1, S2 verlaufende Trennwand bezeichnet bzw. erachtet werden. Das Trennelement 5 ermöglicht einen Wärmeaustausch bzw. eine Wärmeübertragung zwischen den in den Kanalstrukturen 3, 4 strömenden Stoffströmen S1, S2. Ein Stoffaustausch zwischen den in den Kanalstrukturen 3, 4 strömenden Stoffströmen S1, S2 ist aufgrund des Trennelements 5 jedoch nicht möglich.
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Die folgenden Ausführungen zu der besonderen Ausbildung des Trennelements 5 gelten analog für die übrigen Teile des Gehäuseteils 2 der Vorrichtung 1.
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Das in den 1, 4 gezeigte Trennelement 5 ist vollständig aus nanoskaligem Kohlenstoff, d. h. aus nanoskaligen Kohlenstoffröhrchen(strukturen), so genannten carbon nanotubes, kurz CNT, gebildet. Aus den Kohlenstoffröhrchen wurde ein plattenartiges Trennelementsegment gebildet, welches Trennelementsegment als Trennelement 5 in dem Gehäuseteil 2 der Vorrichtung 1 angeordnet und entsprechend mit dem Gehäuseteil 2 der Vorrichtung 1 verbunden ist.
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Wesentliche Vorteile der Ausbildung des Trennelements 5 sowie selbstverständlich der ebenso möglichen Ausbildung weiterer Bestandteile des Gehäuseteils 2 der Vorrichtung 1 aus nanoskaligem Kohlenstoff sind in der hohen thermischen Leitfähigkeit, der hohen Korrosionsbeständigkeit, der guten mechanischen Stabilität, insbesondere auch im Hinblick auf das vergleichsweise geringe Gewicht, von aus nanoskaligem Kohlenstoff gebildeten Bauteilen zu sehen. Bedingt durch die gute mechanische Stabilität können Trennelemente 5 aus nanoskaligem Kohlenstoff zudem mit vergleichsweise geringen Wandstärken dimensioniert werden, was sich gleichermaßen positiv auf den über das Trennelement 5 erfolgenden Wärmeübergang auswirkt.
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Insgesamt können entsprechende Vorrichtungen 1 im Vergleich kompakter ausgeführt werden. Zudem ergeben sich fertigungstechnische und somit wirtschaftliche Vorteile, da sich aus nanoskaligem Kohlenstoff und insbesondere aus nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Materialien gebildete Bauteile mittels gut beherrschbarerer fertigungstechnischer Herstellungsverfahren, z. B. mittels Extrusions- oder Spritzgussverfahren, in hoher Güte, hoher Stückzahl sowie in unterschiedlichen, insbesondere auch komplexen, Geometrien herstellen lassen.
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Alternativ zu der Ausbildung des Trennelements 5 aus reinem nanoskaligen Kohlenstoff bzw. aus einem aus reinem nanoskaligem Kohlenstoff gebildeten Trennelementsegment ist es denkbar, ein entsprechendes Trennelement 5 bzw. Trennelementsegment aus einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material zu bilden. Es kann sich bei einem solchen Material beispielsweise um ein mit nanoskaligem Kohlenstoff gefülltes Matrixmaterial, z. B. in Form eines thermoplastischen Kunststoffmaterials, wie z. B. PA, PC, PE, PP, etc., handeln. Hierdurch können sich, wie erwähnt, fertigungstechnische Vorteile ergeben, da die Ausbildung des Trennelements 5 respektive eines Trennelementsegments über Extrusions- oder Spritzgussverfahren erfolgen kann.
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Über die Füllung eines Kunststoffmaterials mit nanoskaligem Kohlenstoff lassen sich diverse Eigenschaften des gefüllten Kunststoffmaterials einstellen. Typische Füllgrade rangieren in einem Bereich von 1–70 Vol.-%, insbesondere 10–50 Vol.-%. So liegt beispielsweise die thermische Leitfähigkeit von mit nanoskaligem Kohlenstoff gefüllten Kunststoffmaterialien deutlich höher als die thermische Leitfähigkeit eines ungefüllten Vergleichskunststoffmaterials. In Abhängigkeit des Füllgrads konnten in Untersuchungen mit nanoskaligen Kohlenstoff gefüllte Kunststoffmaterialien mit thermischen Leitfähigkeiten von bis zu 20 W/m2K realisiert werden. Gleichermaßen konnte die mechanische Stabilität, insbesondere die Festigkeit, des mit nanoskaligem Kohlenstoff gefüllten Kunststoffmaterials im Vergleich zu einem ungefüllten Vergleichskunststoffmaterial verbessert werden. Auch die Korrosionsbeständigkeit des mit nanoskaligem Kohlenstoff gefüllten Kunststoffmaterials ist gegenüber einem ungefüllten Vergleichskunststoffmaterial verbessert.
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2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung 1 zur Übertragung von Wärme zwischen wenigstens zwei bei unterschiedlichen Temperaturen vorliegenden und somit typischerweise unterschiedliche Wärmemengen enthaltenden Stoffströmen S1, S2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung. 5 zeigt eine entsprechende Schnittansicht durch die in 2 gezeigte Vorrichtung 1 entlang der Schnittlinien V-V.
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Im Unterschied zu dem in den 1, 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Trennelement 5 hier aus einem Grundkörper 6 gebildet, welcher selbst nicht aus nanoskaligem Kohlenstoff respektive einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material gebildet ist, dessen freiliegende, insbesondere die Kanalstrukturen 3, 4 (mit)begrenzende Oberflächen mit nanoskaligem Kohlenstoff beschichtet sind. Auf den freiliegenden Oberflächen des Grundkörpers 6 des Trennelements 5 ist sonach eine aus nanoskaligem Kohlenstoff gebildete Beschichtung 7 aufgebracht. Die Beschichtung 7 kann z. B. mittels Plasmadeposition auf die freiliegenden Oberflächen des Grundkörpers 6 des Trennelements 5 aufgebracht sein. Der Grundkörper 6 des Trennelements 5 kann beispielsweise aus einem Metall, d.h. z.B. einem Stahl- oder Kupferblech, oder einem Kunststoffmaterial gebildet sein. Die Eigenschaften des Trennelements 5 können durch eine entsprechende Beschichtung 7 des Grundkörpers 6, insbesondere im Hinblick auf Hydrophobie und Korrosionsbeständigkeit, gezielt modifiziert werden. Der Wärmedurchgang durch den Grundkörper 6 des Trennelements 5 wird durch eine entsprechende Beschichtung 7 mit nanoskaligem Kohlenstoff in der Regel nicht beeinträchtigt, im Gegensatz dazu, wie es aus dem Stand der Technik z. B. bei auf metallische Grundkörper 6 zum Zwecke des Korrosionsschutzes aufgebrachten reinen Kunststoffbeschichtungen bekannt ist.
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Selbstverständlich kann anstelle einer aus reinem nanoskaligen Kohlenstoff gebildeten Beschichtung 7 auch eine Beschichtung 7 aus einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material, d.h. z.B. einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Kunststoffmaterial, auf den Grundkörper 6 des Trennelements 5 aufgebracht sein.
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Die Schichtdicke der Beschichtung 7 kann in beiden Fällen z.B. bei ca. 20 µm liegen.
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3 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung 1 zur Übertragung von Wärme zwischen wenigstens zwei bei unterschiedlichen Temperaturen vorliegenden und somit typischerweise unterschiedliche Wärmemengen enthaltenden Stoffströmen S1, S2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung. 6 zeigt eine entsprechende Schnittansicht durch die in 5 gezeigte Vorrichtung 1 entlang der Schnittlinien VI-VI.
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Ähnlich dem in den 2, 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Trennelement 5 hier ebenso aus einem Grundkörper 6 gebildet, welcher selbst nicht aus nanoskaligem Kohlenstoff respektive einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material gebildet ist. Im Unterschied zu dem in den 2, 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper 6 des Trennelements 5 im Bereich seiner freiliegenden Oberflächen jedoch nicht mit einer entsprechenden Beschichtung 7 versehen. Auf den Grundkörper 6 ist eine vorgefertigte Materiallage 8 aus nanoskaligem Kohlenstoff aufgebracht. Die vorgefertigte Materiallage 8 kann dabei z.B. auf den Grundkörper 6 respektive dessen freiliegende Oberflächen aufgeklebt sein. Allgemein ist die vorgefertigte Materiallage 8 form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig an dem Grundkörper 6 des Trennelements 5 stabil und unverlierbar angebunden.
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Selbstverständlich könnte die vorgefertigte Materiallage 8 alternativ auch aus einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Material, wie z. B. einem nanoskaligen Kohlenstoff enthaltenden Kunststoffmaterial, gebildet sein. Die vorgefertigte Materiallage 8 kann sonach z. B. als Extrusions- oder Spritzgussteil vorliegen, welches stabil und unverlierbar mit dem Grundkörper 6 des Trennelements 5 verbunden ist.
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Für alle Ausführungsformen gilt, dass der nanoskalige Kohlenstoff, sofern als Kohlenstoffröhrchen(struktur) vorliegend, besonders ausgerichtet bzw. besonders orientiert angeordnet sein kann. Um die Effizienz des Wärmeaustauschs bzw. der Wärmeübertragung zwischen den Stoffströmen S1, S2 zu erreichen, können die Kohlenstoffröhrchen(strukturen) mit ihrer Längsachse parallel zu einer lediglich in 4 beispielhaft gezeigten Flächennormale N des Trennelements 5 bzw. winklig geneigt bezüglich der Flächennormale N des Trennelements 5 ausgerichtet bzw. orientiert angeordnet sein. Die Kohlenstoffröhrchen(strukturen) können also quer bzw. winklig geneigt bezüglich der Strömungsrichtung der durch die Kanalstrukturen 3, 4 strömenden Stoffströme S1, S2 ausgerichtet bzw. orientiert werden.
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Für alle Ausführungsform gilt ferner, dass der Einsatz von nanoskaligem Kohlenstoff bedingt durch seine hydrophoben Eigenschaften insbesondere im Hinblick auf die Verwendung der Vorrichtung 1 als Kondensationseinrichtung oder als Teil einer Kondensationseinrichtung vorteilhaft ist. Die hydrophoben Eigenschaften nanoskaligen Kohlenstoffs ermöglichen nämlich eine Kondensation eines hydrophilen Stoffs, wie z.B. Wasserdampf, auf einer vorrichtungsseitigen Kondensationsfläche in Tropfenform. Die tröpfchenförmige Kondensation eines hydrophilen Stoffs ist deshalb zweckmäßig, da sie die Ausbildung flächiger hydrophiler Filmschichten, welche flächigen hydrophilen Filmschichten einen Wärmeaustausch bzw. einen Wärmeübertrag zwischen entsprechenden Stoffströmen beeinträchtigen, auf einer vorrichtungsseitigen Kondensationsfläche verhindert.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
