DE19512351C1 - Wabenblock aus wärmebeständigem Speichermaterial für Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wabenblock aus wärmebeständigem Speichermaterial, für Wärmetauscher, wobei der Wabenblock als einstückiges Element gefertigt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Preßwerkzeug zur Herstellung dieses Wabenblockes.

Aus der WO 83/02997 A1 ist ein Speichermaterial aus Kunststoff bekannt, das sich insbesondere für die Wiederaufheizung der in einer Naßreinigungsstufe gereinigten Abgase einer Feuerungsanlage durch Wärmeübertragung von den der Naßreinigung zuzuführenden ungereinigten Kesselabgase eignet.

Dabei wird eine Vielzahl von Plattenstapeln in einem Rotor angeordnet, der so in zwei Rauchgasströme eingreift, daß beim Rotieren die einzelnen Plattenstapel abwechselnd durch beide Rauchgasströme hindurchgeführt werden. Sie nehmen dabei aus dem heißeren Rauchgasstrom Wärme auf und geben diese an den kälteren Rauchgasstrom wieder ab. Zwischen den Durchgängen durch die Rauchgasströme werden die Plattenstapel von einer Reinigungsflüssigkeit, insbesondere Wasser, durchströmt, um aus dem Rauchgas an der Oberfläche der Platten abgesetzte Feststoffe zu entfernen. Die Plattenstapel sind dabei einer wechselnden Beanspruchung durch hohe Temperatur und der korrosiven Wirkung der Rauchgase und deren Kondensate und der mechanischen Belastung durch die mit hoher Geschwindigkeit einströmende Reinigungsflüssigkeit und deren korrosiven Wirkung ausgesetzt. Als ein Werkstoff, der diesen Belastungen gewachsen ist, wird Polyphenylenoxid genannt.

Um die als Wärmespeicher dienenden Plattenstapel auf billige und einfache Weise herzustellen, wird vorgeschlagen, ebene Platten aus Kunststoff mit dazwischenliegenden Abstandshaltern schichtweise mittels Ultraschall zu verschweißen. Bei diesem Verfahren müssen die Abstandshalter auf jede Plattenebene einzeln aufgelegt werden. Um diesen Arbeitsgang zu vermeiden, wurde weiterhin vorgeschlagen, die abstandshaltenden Profile als Teilbereiche aus den plattenförmigen Speicherelementen auszuformen.

Anstelle von Platten kann auch ein einstückiger Wabenblock als Speichermasse für Wärmetauscher dienen, wie die DE 84 19 655 U1 zeigt, wobei der Wabenblock aus Keramik gefertigt ist. Zur Vermeidung von Schmutzablagerungen wird vorgeschlagen, den Wabenblock vorzugsweise mit Fluorkunststoff zu beschichten.

Dieser einstückige Wabenblock aus Keramik neigt infolge seiner Fluorkunststoff- Beschichtung nicht zur Verschmutzung. Der große Nachteil dieses Systems ist die hohe Sprödigkeit des Keramikmateriales und die daraus resultierende Bruchgefahr für den Wabenblock beim Transport, Einbau und im Praxisbetrieb.

Die Erfindung hat das Ziel, diesen Nachteil zu vermeiden. Hierbei soll durch Verwendung von wiederaufbereiteten Kunststoffabfällen sowohl ein umweltschonender Aspekt berücksichtigt als auch niedrige Fertigungskosten erzielt werden. Letzteres soll insbesondere auch dadurch erreicht werden, daß ein einfaches Fertigungsverfahren angewendet wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Speichermaterial aus Polytetrafluorethylen oder einem Gemisch aus Polytetrafluorethylen und anderem Kunststoff besteht. Einzelheiten des Wabenblockes sind in Fig. 1 dargestellt.

Die Wände (2) der Wabenkanäle (3) bilden die Masse zur Speicherung der Wärme, welche von dem durch die Wabenkanäle strömenden heißen, ungereinigten Rauchgas abgegeben wird. Die Wände der Wabenkanäle sind glatt und eben, um Ablagerungen von Schmutz zu vermeiden und das Abwaschen zu erleichtern. Die Dicke der Wände kann 0,3 mm bis 3 mm betragen. Der Querschnitt der Wabenkanäle kann eine Kreisfläche oder ein Oval, ein Rechteck, Quadrat, Dreieck oder Sechseck sein. Um möglichst geringe Ein- und Ausströmwiderstände für das Rauchgas zu erhalten, und um Schmutzablagerungen an den Stirnseiten und in den Ecken der Wände zu vermeiden, sind rechteckige, quadratische und sechseckige Querschnitte vorzuziehen. Der Querschnitt eines Wabenkanals beträgt 0,5 bis 100 cm², vorzugsweise ca. 1 cm².

Fig. 2 stellt einen Ausschnitt eines Wärmetauscherrotors mit nicht ausgefüllten Kammern (4) und einer mit einem erfindungsgemäßen Wabenblock (1) ausgefüllten Kammer dar. Hierbei ist die Breite mit B, die Höhe mit H und die durchströmte Länge mit L bezeichnet. Die Abmessungen der Wabenblöcke (1) entsprechen den Abmessungen der mit diesen Blöcken auszufüllenden Kammern (4) in den Wärmetauscherrotoren. Diese Kammern haben üblicherweise trapezförmige Grundrisse mit Breiten von 100 bis 2000 mm und Höhen von 200 bis 500 mm. Die durchströmte Länge der Kunststoffwabenblöcke beträgt in der Praxis 100 bis 300 mm.

Die Festigkeit des Wabenblockes (1) wird nicht durch die Festigkeit von Fügestellen begrenzt, da solche nicht vorhanden sind. Die Festigkeit von Fügestellen wird üblicherweise als Verminderungsfaktor, bezogen auf die Materialfestigkeit der zusammengefügten Teile angegeben, so daß z. B. bei Schweißnähten von seither eingesetzten Kunststoffwärmespeicherblöcken eine Festigkeit von ca. 0,5 der Materialfestigkeit üblich war. Bei dem erfindungsgemäßen Wabenblock hat dieser Faktor den größtmöglichen Wert 1, d. h., der komplette Block hat an allen Stellen die Festigkeit des Grundmaterials.

Um das Anbacken von Schmutzteilchen zu verhindern, kommen Fluorkunststoffe wie Ethylentetrafluorethylen, Perfluoralkoxy-Copolymer, Polychlortrifluorethylen, Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid, Ethylenchlortri-fluorethylen Tetrafluorethylen- Hexafluorpropylen-Copolymer und Polytetrafluorethylen in Frage.

Die gestellten Aufgaben der Wirtschaftlichkeit und des Umweltschutzaspektes engen die Auswahl der geeigneten Fluorkunststoffe ein. Hierbei ist die Verarbeitbarkeit dieser Kunststoffe das entscheidende Selektionskriterium, denn sowohl das Extrudieren, als auch das Spritzgießen der relativ großen Wabenblöcke erfordert sehr teuere Werkzeuge, womit diese Verfahren aus Wirtschaftlichkeitsgründen ausscheiden.

Mit den weiter unten näher beschriebenen wirtschaftlichen Verarbeitungsverfahren können von den oben genannten Fluorkunststoffen nur das Polytetrafluorethylen oder Gemische aus Polytetrafluorethylen und den anderen oben genannten Kunststoffen verarbeitet werden.

Da Polytetrafluorethylen als Primärware relativ teuer ist, kommt aus Gründen der Wirtschaftlichkeit nur der Einsatz von Regenerat, also von wiederaufbereiteten Abfällen in Frage. Abfälle aus Polytetrafluorethylen stehen in großen Mengen zur Verfügung, weil sich mit den bekannten anwendbaren Verfahren nur einfache Geometrien herstellen lassen, die dann in den allermeisten Fällen spangebend weiterverarbeitet werden. Hierbei fallen große Mengen von Spänen an, für die es seither keine Verwendungsmöglichkeiten gibt.

Somit werden durch die Verwendung von Regenerat aus Polytetrafluorethylen oder aus Mischungen von mehr als 50% Polytetrafluorethylen und weniger als 50% anderer wärmeformbeständiger Kunststoffe wie Polyimide, Polyaryletherketonen, Polysulfonen und Polyphenylenoxiden in Verbindung mit den unten beschriebenen modifizierten Verarbeitungsverfahren die oben genannten Aufgaben gelöst.

Dem Regenerat aus Polytetrafluorethylen oder aus den genannten Kunststoffgemischen können zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmeformbeständigkeit Füllstoffe beigemischt werden. In der Praxis sind hierzu Füllstoffe in Korngrößen unter 0,06 mm als Kohle, Graphit, Stahl und Bronze üblich.

Ein weiterer ökologischer und ökonomischer Vorteil des Konzeptes besteht darin, daß die Wabenblöcke wieder eingemahlen und wiederum zu Wabenblöcken verarbeitet werden können. Das kann z. B. dann erforderlich werden, wenn es zu Transport- oder Gewaltbruchschäden kommt oder wenn eine veraltete Anlage komplett erneuert wird.

Beschreibung der zwei Varianten des Herstellverfahrens und des Werkzeuges

Die Herstellung des Wabenblockes ist vom Arbeitsablauf her mit den bekannten Preßverfahren identisch. Mit den bekannten Preßverfahren lassen sich allerdings nur relativ einfache Geometrien herstellen. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Preßwerkzeuge gelingt nun auch die Herstellung eines Wabenblockes mit filigraner Geometrie.

Die erste Variante des Preßwerkzeuges ist in Fig. 3 dargestellt. Es besteht aus den Werkzeugkernen (5), deren Querschnitt genau den Maßen des Querschnittes der Wabenkanäle des Blockes nach dem Pressen entspricht, dem Preßstempel (6), der Werkzeugwand (7) und der Bodenplatte (8). Alle Werkzeugteile sind aus korrosionsbeständigem Metall mit hoher Festigkeit und guten Gleiteigenschaften gefertigt.

Der Preßstempel muß sehr genau in die Kavität (9) des Werkzeuges passen, damit beim Preßvorgang einerseits keine zu hohen Reibungskräfte zwischen den Kernen und dem Preßstempel auftreten und andererseits kein Kunststoffpulver zwischen Kerne und Stempel gelangen kann.

Die Werkzeugwand muß so dick ausgelegt sein, daß sie dem Preßdruck standhält. Die Bodenplatte nimmt mit entsprechend genau gefertigten Aussparungen (10) die Werkzeugkerne auf und hält sie zueinander paßgenau parallel.

Das Herstellverfahren des Wabenblockes mit dieser ersten Variante des Preßwerkzeuges läuft wie folgt ab: Die Werkzeugkavität (9) wird mit Kunststoff (11) gefüllt. Um die Werkzeugkavität gleichmäßig und ausreichend füllen zu können, sollte der Kunststoff als Pulver mit einer Korngröße von 0,02 mm bis 0,3 mm vorliegen. Die Pulverform ist außerdem Voraussetzung dafür, daß das gepreßte Produkt genügend Festigkeit aufweist, um dem nächsten Verarbeitungsschritt zugeführt werden zu können.

Das Verpressen des nicht thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffpulvers erfolgt bei Raumtemperatur. Der Preßdruck liegt zwischen 200 und 400 bar und wird mittels des gitterförmigen Preßstempels (6) auf das Kunststoffpulver aufgebracht. Das komplette Preßwerkzeug steht zwischen dem oberen und dem unteren Preßtisch einer handelsüblichen Kunststoffpresse.

Je nach Art des Kunststoffes oder Kunststoffgemisches drückt sich dessen Volumen auf 2/3 bis 1/4 seines Anfangsvolumens zusammen. Nach Hochfahren des Preßstempels kann weiteres Kunststoffpulver zur Erzielung der gewünschten Wabenblockhöhe nachgefüllt und auf das bereits verpreßte Pulver aufgepreßt werden.

Nach dem Preßvorgang wird die Grundplatte von den Werkzeugkernen getrennt (8a). Die Werkzeugkerne können jetzt mit Hilfe des Preßstempels und Ausdrückstiften aus dem gepreßten Wabenblock herausgedrückt werden. Der nun verfestigte Wabenblock wird in einem handelsüblichen Umluftheizofen oberhalb des Kristallitumwandlungspunktes gesintert.

Besteht der Block z. B. aus 100% Polytetrafluorethylen-Regenerat beträgt die Sintertemperatur vorzugsweise 380°C, die Sinterzeit je mm Wabenwanddicke 5 bis 10 Minuten. Das Abkühlen des Teiles erfolgt bis auf 320°C langsam, um einen hohen Kristallinitätsgrad zu erreichen, was besseren Fertigteileigenschaften entspricht. Danach kann schnell auf Raumtemperatur abgekühlt werden.

Gewisse Nachteile der beschriebenen ersten Werkzeugvariante und des Fertigungsprozesses sind die erforderliche hohe Werkzeugpräzision und die Gefahr des Beschädigens des Wabenblockes beim Herausdrücken der Werkzeugkerne. Diese Nachteile werden mit der zweiten Variante umgangen.

Fig. 4 zeigt die vereinfachte Prinzipdarstellung dieses Preßwerkzeuges (12) der Variante Zwei als Schnitt in der Seitenansicht und dient der Erläuterung des Arbeitsablaufes:
Dieser beginnt, wie schon bei Variante Eins beschrieben, mit dem Einfüllen des Kunststoffpulvers (11) in die Werkzeugkavität (9). Das Verpressen erfolgt ebenfalls bei Raumtemperatur und Drücken zwischen 200 und 400 bar. Auch die Korngröße des Pulvers ist wie oben beschrieben.

Abweichend zur ersten Variante wird der Preßdruck beim Verfahren der zweiten Variante mit Hilfe von Druckflüssigkeit (14), welche eine große Anzahl von Druckfingern (15) aus Gummi auseinanderdrückt, auf das sich in der Werkzeugkavität (9) befindliche Kunststoffpulver (11) aufgebracht. Das Kunststoffpulver wird dabei auf 2/3 bis 1/4 seines Schüttvolumens zusammengedrückt und erhält dadurch die für das weitere Verarbeiten notwendige Festigkeit.

Das Preßwerkzeug (12) kann so aufgebaut sein, daß die Druckflüssigkeit (14) über eine Einlaßbohrung (13) und eine Druckkammer (18) den Preßdruck in die Gummifinger (15) weiterleitet und das Kunststoffpulver (11) komprimiert. Bei diesem Werkzeugaufbau müssen Werkzeugwand (7), Deckel (16), die Druckkammer (18), Verstiftungen und Verschraubungen so dick dimensioniert sein, daß sie dem hohen Preßdruck standhalten.

Diese Bauteile können sehr viel dünner ausgeführt sein, wenn das komplette Werkzeug (12) für die Dauer des Preßvorganges in einem Druckbehälter (17) verweilt, wie in Fig. 5 dargestellt. Dieser Druckbehälter ist üblicherweise als zylindrischer Kessel ausgeführt und mit Druckflüssigkeit (14) gefüllt, die mittels einer Hochdruckpumpe auf den erforderlichen Preßdruck gebracht wird. Der Preßdruck wirkt bei dieser Anordnung nicht nur einseitig auf die Werkzeugbauteile ein, sondern er drückt aus jeder Richtung auf diese, so daß darauf weder Biege- noch Zugkräfte wirken.

Das Entformen des verfestigten Teiles nach dem Pressen ist ohne besondere Entformungsvorrichtung möglich, da sich die Gummifinger (15) nach dem Ablassen des Druckes auf ihre Ausgangsdicke zurückformen.

Eine gewisse Schwäche dieses Verfahrens besteht darin, daß die geometrische Genauigkeit des Preßteiles nicht sehr hoch ist. Dies hat für die Anwendung der Wabenblöcke in der Praxis keine Bedeutung, wirkt allerdings optisch störend und suggeriert damit eine schlechte Produktqualität. Dieser Schwäche kann dadurch begegnet werden, daß die Druckfinger (15) je einen Stützkern (22) erhalten (Fig. 4). Je dicker der Stützkern im Verhältnis zu dem Gummimantel (19) des Druckfingers ist, um so höher wird die Abformpräzision des Preßteiles. Vorteilhaft haben sich Gummimanteldicken von 0,1 bis 1,0 mm erwiesen. Die Stützkerne können aus Kunststoffe Hartholz oder Metall gefertigt sein. Liegt der Gummimantel sehr eng an dem Stützkern an, ist es erforderlich, die Stützkerne zum Weiterleiten der Druckflüssigkeit mit Längs- und Querbohrungen (20) zu versehen.

Nach dem Entformen wird der verfestigte Block, wie bei der Variante Eins beschrieben, gesintert und erreicht dadurch seine endgültige hohe Festigkeit.

Zum Ausfüllen eines Wärmetauscherrotors werden Wabenblöcke mit unterschiedlichen Trapezmaßen benötigt. Deshalb werden die rechteckigen Wabenblöcke, nachdem sie nach dem Sintern abgekühlt sind, auf die erforderlichen Trapezmaße geschnitten. Die Schnittabfälle können zu Pulver vermahlen und wiederum zu Wabenblöcken verarbeitet werden.

Das Zurechtschneiden der Wabenblöcke in Trapezform kann entfallen, wenn bereits beim Pressen unterschiedlich große Trapeze erzeugt werden. Dies geschieht dadurch, daß, wie in Fig. 6 dargestellt, die in der Draufsicht rechteckig begrenzte Werkzeugkavität (9) vor dem Einfüllen des Kunststoffpulvers so abgesperrt wird, daß nur die jeweils gewünschten trapezförmigen Wabenblöcke entstehen können. Die hierzu verwendeten Absperrwaben (21) können auf herkömmliche Weise aus Metall, Kunststoffplatten, Gummi oder Hartholz gefertigt sein. Wirtschaftlich vorteilhafter ist es allerdings, die Absperrwaben aus den erfindungsgemäßen Wabenblöcken herauszuschneiden.

Wie in Fig. 7 dargestellt, kann die Werkzeugkavität (9) mittels Absperrwaben (21) in mehrere Trapeze unterteilt und somit in einem Arbeitsgang mehrere kleine Wabenblöcke gepreßt werden.

Die Absperrwaben gehen beim Verpressen des Kunststoffpulvers mit diesem keine Verbindung ein und können deshalb beliebig oft wiederverwendet werden.

Claims (14)

1. Wabenblock aus wärmebeständigem Speichermaterial für Wärmetauscher, wobei der Wabenblock als einstückiges Element gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermaterial aus Polytetrafluorethylen oder einem Gemisch aus Polytetrafluorethylen und anderem Kunststoff besteht.

2. Wabenblock gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittflächen der Wabenkanäle rund, oval, quadratisch, rechteckig, dreieckig oder sechseckig sind.

3. Wabenblock gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Polytetrafluorethylen zugemischte Kunststoff ein Thermoplast ist, dessen Schmelzviskosität so niedrig ist, daß er extrudierbar und spritzgießbar ist.

4. Wabenblock gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Polytetrafluorethylen zugemischte Kunststoff ein Polyimid ist.

5. Wabenblock gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermaterial vor dem Herstellen des Wabenblocks pulverförmig ist.

6. Wabenblock gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermaterial aus regenerierbaren Kunststoffabfällen besteht.

7. Wabenblock gemäß den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem pulverförmigen Speichermaterial wärmeformbeständige, gut wärmeleitfähige Füllstoffe wie Kohle, Graphit, Stahl oder Bronze beigemischt sind.

8. Wabenblock gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieser durch Pressen und anschließendes Sintern hergestellt ist.

9. Wabenblock gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieser durch isostatisches Pressen und anschließendes Sintern hergestellt ist.

10. Preßwerkzeug zum Verpressen des pulverförmigen Speichermaterials zu einem Wabenblock für Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Preßwerkzeug aus einer Vielzahl von Metallkernen (5) besteht, welche den Querschnitt haben, der dem Kanalquerschnitt des gepreßten Blockes entspricht.

11. Preßwerkzeug zum isostatischen Verpressen des pulverförmigen Speichermaterials zu einem Wabenblock für Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Preßwerkzeug (12) mit einer Vielzahl, durch Druckflüssigkeit dehnbare hohle Gummifinger (15) ausgerüstet ist, welche die Ausformung der Wabenkanäle bewirken.

12. Preßwerkzeug gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Gummifinger (15) einen Stützkern (22) enthält.

13. Preßwerkzeug gemäß den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkerne (22) längs und quer verlaufende Bohrungen (20) zur Leitung der Druckflüssigkeit haben.

14. Preßwerkzeug gemäß den Ansprüchen 11 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Trapezform der Wabenblöcke durch Einlegen von Absperrwaben (21) in die Werkzeugkavität (9) erreicht wird.