DE19921688A1 - Korrosionsbeständiger Wärmetauscher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für strömende fluide Medien, mit einer Anzahl erster Kanäle, die in einer ersten Strömungsrichtung durchströmbar sind, und mit einer Anzahl zweiter Kanäle, die in einer zweiten Strömungsrichtung durchströmbar sind und die zumindest in dem Wärmetauscher nicht mit den ersten Kanälen kommunizieren, wobei die ersten Kanäle und die zweiten Kanäle mittels wärmeleitfähiger Wandungen voneinander getrennt sind, wobei die Wandungen aus einem Verbundstoff gefertigt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Derartige Wärmetauscher sind aus der Praxis bekannt. Sie finden vielfach Verwendung als Prozeßgaskühler oder der­ gleichen. Auch bei flüssigen strömenden Medien werden entsprechende Wärmetauscher eingesetzt. Diese Wärmetau­ scher sind nahezu ausschließlich aus Stahlblech gefer­ tigt. In der Praxis kommt es insbesondere bei Anwendungen mit korrosiven Medien zu Korrosionsproblemen, die sich in einer geringen Standzeit des Wärmetauschers äußern. Ent­ sprechende Schäden treten besonders bei korrosiven Gasen in nicht vorhersagbaren Zeiträumen auf, falls innerhalb des Wärmetauschers zufällig ein Säuretaupunkt unter­ schritten wird. In solchen Fällen schlägt sich im allge­ meinen die entstehende wäßrige Säure in einem relativ kalten, wenig durchströmten Bereich des Wärmetauschers nieder und bewirkt dort bevorzugt Korrosionsschäden.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher für korrosive Medien zu schaffen, der auch bei flüssigen Medien oder bei Unterschreitung des Säu­ retaupunkts innerhalb des Wärmetauschers eine gute Stand­ zeit aufweist. Diese Aufgabe wird von einem Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weil die Wandungen des Wärmetauschers aus einem Verbund­ stoff gefertigt sind, können die das Medium berührenden Oberflächen entsprechend gewählt werden. Wenn weiter die Wandungen aus einem faserverstärkten, insbesondere einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) gefertigt sind, er­ gibt sich ein besonders gutes Verhältnis von Größe, Ge­ wicht und Kosten des Wärmetauschers. Eine sehr stabile und wirksame Ausführungsform wird erreicht, wenn die Ka­ näle aus einzelnen Lagen eines Abstandsgewebes gefertigt werden, die sandwichartig miteinander verklebt, insbeson­ dere naß-in-naß laminiert werden. Die Wandungen jeweils eines Kanals werden von den im wesentlichen senkrecht zu den Wandungen orientierten Faserelementen, insbesondere von Polfäden des Abstandsgewebes, aneinander befestigt und auf Abstand gehalten. Diese Faserelemente induzieren zum einen in dem Wärmetauscher erwünschte Turbulenzen und leiten zum anderen Wärme von der Oberfläche weg in das Volumen des jeweiligen Kanals, wodurch die Wärmeabgabe bzw. -aufnahme besonders gut wird.

Sowohl bei der Fertigung als auch im Betrieb ist beson­ ders vorteilhaft, wenn jeweils ein Kanal von einer Schicht eines mit einem Kunstharz, insbesondere einem Po­ lyesterharz oder einem Vinylesterharz versehenen Abstandsgewebes versehen ist. Die Faserelemente sind dabei in dem jeweiligen Kanal vorzugsweise vereinzelt angeord­ net, so daß sie allseits umströmt werden können. Eine Vorzugsrichtung der Strömung ergibt sich jedoch, wenn die Faserelemente in der ersten Strömungsrichtung bzw. in der zweiten Strömungsrichtung einen geringeren Abstand von­ einander ausweisen als quer zu der jeweiligen Strömungs­ richtung. So werden in der Strömungsrichtung ausgezeich­ nete Gassen für das Medium gebildet. Ein einfacher Aufbau ergibt sich weiter, wenn die erste und die zweite Strom­ ausrichtung in einem Winkel zueinander ausgerichtet sind, insbesondere in einem rechten Winkel. Ebenso kann vorge­ sehen sein, daß die Strömungsrichtungen gegeneinander ge­ richtet sind. Dabei werden die Kanäle an ihren offenen Enden mit Anström- bzw. Abströmhauben versehen, wobei die Hauben insbesondere ebenfalls aus einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt sind. Im Querstrom können die Hauben über die gesamte Breite der Kanäle gehen, während im Gegenstrom die Stirnseiten der Kanäle teilweise verschlos­ sen und nur abschnittsweise mit Hauben versehen werden können.

Die Wirkung der insoweit beschriebenen Wärmetauscher kann optimiert werden, indem dem Kunstharz und/oder der Faser­ verstärkung wärmeleitfähige Zusatzstoffe zugegeben wer­ den. So kann die Faserverstärkung z. B. einen Metallan­ teil enthalten und dem Kunststoff ein Kohlenstoffanteil zugegeben werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen einzelnen Kanal eines GFK- Wärmetauschers auf Basis eines Glasfaser- Abstandsgewebes in einem Querschnitt;

Fig. 2 einen Wärmetauscher unter Verwendung von Ka­ nälen entsprechend Fig. 1 in der Ausführung als Gegenstromwärmetauscher; sowie

Fig. 3 einen Wärmetauscher entsprechend Fig. 2 in Querstromanordnung.

In der Fig. 1 ist ein einzelner plattenförmiger Strö­ mungskanal 1 eines Wärmetauschers auf Basis eines Glasfa­ ser-Abstandsgewebes 2 dargestellt. Das Abstandsgewebe 2 weist eine erste Flachseite 3 und eine zweite Flachseite 4 auf, zwischen denen sich Polfäden 5 erstrecken. Ein derartiges Abstandsgewebe ist beispielsweise von der Fir­ ma Parabeam (NL) in verschiedenen Ausführungen erhält­ lich. Die Polfäden 5 stehen bei dieser Ausführungsform einzeln, wie es in dem vergrößerten Ausschnitt A erkenn­ bar ist. Dabei sind sie in Reihen 6 angeordnet, die zwi­ schen sich jeweils eine Gasse 7 begrenzen. Die Reihen sind in der Darstellung gemäß Fig. 1 nicht dicht, son­ dern auch in Querrichtung fluiddurchlässig.

Ein einzelner Kanal 1 des Wärmetauschers kann erzeugt werden, indem das Abstandsgewebe 2 mit einem Polyester­ harz oder einem Vinylesterharz, vorzugsweise LSE (low styrene emission)-Harz getränkt und dann aushärtet.

In der Fig. 2 ist ein Wärmetauscher unter Verwendung von Kanälen entsprechend Fig. 1 als Gegenstromwärmetauscher veranschaulicht. Die Reihen 6 und damit die Kanäle 7 sind in der Darstellung gemäß Fig. 2 vertikal angeordnet. Da­ bei sind zwei plattenförmige Kanäle 1 im Bereich einer Flachseite 3, 4 miteinander wärmeleitend verbunden, vor­ zugsweise verklebt.

Der Wärmetauscher gemäß Fig. 2 enthält einen vorderen Kanal 10 und einen hinteren Kanal 11, die nur symbolisch für eine Ausführungsform mit einer großen Anzahl von hin­ tereinander angeordneten plattenförmigen Kanälen 1 ste­ hen. Die in der Fig. 2 linken und rechten Seitenkanten der Kanäle 10, 11 sind verschlossen. Die Kanäle 10, 11 weisen an ihren Stirnseiten 12, 13 jeweils eine Anström­ öffnung 14, 15 und eine Ausströmöffnung 16, 17 auf. Die Anströmöffnung 14 des Kanals 10 ist mit einer Anströmhau­ be 18 versehen, während die Ausströmöffnung 16 dieses Ka­ nals mit einer Abströmhaube 19 versehen ist. Die Anström­ öffnung 15 des dahinter angeordneten plattenförmigen Ka­ nals 11 trägt eine Anströmhaube 20, während die Ausström­ öffnung 17 des Kanals 11 eine Abströmhaube 21 trägt. Die Hauben 18-21 überdecken bei der vereinfachten Darstel­ lung gemäß Fig. 2 nur jeweils eine Öffnung. Eine reale Ausführungsform mit einer großen Anzahl von hintereinan­ der angeordneten Kanälen würde unter jeweils einer An­ strömhaube 18, 20 bzw. einer Abströmhaube 19, 21 eine Reihe von Anströmöffnungen 14, 15 bzw. eine Reihe von Ab­ strömöffungen 16, 17 aufweisen, so daß sich insgesamt der jeweils erforderliche freie Querschnitt aus der Summe der jeweiligen Öffnungen ergibt.

In der Fig. 3 ist veranschaulicht, wie zwei plattenför­ mige Kanäle 30, 31 aneinander befestigt sind. Auch hier zeigt die Darstellung einen vereinfachten Aufbau, während eine reale Ausführungsform eine größere Anzahl von Plat­ ten hintereinander aufweisen würde. Dabei wechseln sich die Platten 30 und 31 in regelmäßiger Folge ab.

Bei der in der Fig. 3 dargestellten Bauweise trägt der Kanal 30 eine Anströmöffnung 32 an seiner linken Stirn­ seite und eine Abströmöffnung 33 an seiner rechten Stirn­ seite. Die oben und unten in der Fig. 3 sichtbaren Stirnseiten sind geschlossen. Der Kanal 31 trägt entspre­ chend an seiner oberen Stirnseite eine Anströmöffnung 34 und an seiner unteren Stirnseite eine Abströmöffnung 35, während die linke und die rechte Stirnseite geschlossen sind. Die plattenförmigen Kanäle 30 und 31 sind an den einander zugewandten Flachseiten wärmeleitend miteinander verbunden, beispielsweise verklebt.

Ähnlich der Darstellung in Fig. 2 würde der eine plat­ tenförmige Kanal 30 mit einer die Öffnung 32 überdecken­ den Anströmhaube sowie einer die Öffnung 33 überdeckenden Abströmhaube versehen, während der Kanal 31 mit einer die Öffnung 34 überdeckenden Anströmhaube und einer die Öff­ nung 35 überdeckenden Abströmhaube versehen wird. Eine größere Anzahl von Kanalpaaren 30, 31 hintereinander wür­ de dementsprechend eine Serie von Öffnungen 32, 33, 34, 35 bilden, die jeweils von einer Haube überdeckt sind. Die Gesamtheit der Öffnungen 32, 33, 34, 35 bildet dann jeweils den freien Anström- bzw. Abströmquerschnitt von parallel geschalteten Kanälen 30 bzw. 31.

In der Praxis arbeitet der insoweit beschriebene Wärme­ tauscher derart, daß ein erster Kanal 10, 30 bzw. eine erste, parallel geschaltete Serie von Kanälen 10, 30 über die jeweiligen Anströmöffnungen 14, 32 mit einem Fluid (Gas oder Flüssigkeit) von hohem Temperaturniveau beauf­ schlagt wird. Das Fluid strömt im wesentlichen parallel zu den Reihen 6 der Polfäden 5 und damit entlang der je­ weiligen Gasse 7. Sofern die Polfäden 5 jeweils einen ge­ ringen Abstand voneinander aufweisen, wird dort dem Fluid eine turbulente Strömung erteilt. Das Fluid gibt seine Wärme an die Flachseiten 3, 4 ab, von wo aus sie abtrans­ portiert werden kann. Das gekühlte Fluid strömt weiter zu den jeweiligen Abströmöffnungen 14, 33, von wo aus es über die Abströmhauben an ein Kanalsystem abgegeben wird. Der mit dem ersten plattenförmigen Kanal 10, 30 in wärme­ leitendem Kontakt stehende, zweite plattenförmige Kanal 11, 31 wird von seiner Anströmöffnung 15, 34 her eben­ falls mit einem Fluid durchströmt, das die im ersten Ka­ nal 10, 30 zur Verfügung gestellte Wärmeenergie aufnimmt. Der erwärmte zweite Fluidstrom tritt dann über die zuge­ ordnete Ausströmöffnung 17, 35 in eine Abströmhaube ein und wird einem entsprechenden Kanal zugeführt. Dort kann gegebenenfalls die aufgenommene Wärme, die dem ersten Fluidstrom entzogen worden ist, genutzt werden.

In der Praxis ergeben sich mit derart aufgebauten Wärme­ tauschern einige Vorteile. Weil die einzelnen Kanäle aus einem Verbundmaterial mit korrosionsbeständiger Oberflä­ che gefertigt sind, können auch sehr korrosive Medien un­ ter ungünstigen Betriebsbedingungen bearbeitet werden. Ein sich im Bereich des Säuretaupunkts eventuell bilden­ der Säuresumpf an kühlen oder wenig durchströmten Punkten ist bei geeigneter Materialauswahl unschädlich. Die in den Ausführungsbeispielen beschriebene Fertigungsmethode unter Verwendung von GFK-Abstandsgewebe führt zu einer eigenstabilen Ausführungsform mit einem guten Wärmeüber­ gang, da die quer zur Strömung stehenden Polfäden Turbu­ lenzen induzieren und dabei die Ausbildung von laminaren Strömungspfaden mit schlechtem Wärmekontakt zu den Flach­ seiten 3, 4 verhindern. Die einzelnen Wandungen im Be­ reich der Flachseiten 3, 4 können relativ dünn gestaltet werden, so daß der Wärmeübergang trotz eines nominell nachteiligen Wärmeleitungskoeffizienten des Materials gut wird. Die gesamte Anordnung des Wärmetauschers kann gege­ benenfalls inklusive der Anströmhauben, der Abströmhau­ ben, eventueller Halterungen und der Anschlüsse an die zu- und abführenden Kanalsysteme in dem Verbundmaterial, beispielsweise aus GFK gefertigt werden. Die entstehende Oberfläche sowie die hermetisch geschlossenen Übergänge gewährleisten dann in jedem Fall auch für die Verbindun­ gen die hervorragenden korrosionsbeständigen Eigenschaf­ ten.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ermöglicht die Bil­ dung eines Gegenstromwärmetauschers, bei dem in den An­ ström- bzw. Abströmöffnungen eine relativ hohe Gasge­ schwindigkeit ansteht, die sich im Verlauf des jeweiligen Kanals aufgrund des sich verdoppelnden Querschnitts ab­ senkt. Die Bauweise wird insgesamt kompakt.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 zeichnet sich durch ei­ nen gleichbleibenden freien Querschnitt der Kanäle 30, 31 von den Anströmöffnungen 32, 34 bis zu den Abströmöffnun­ gen 33, 35 aus. Die Anström- und Abströmhauben sind hier­ bei jedoch geometrisch größer und die Strömungen im rech­ ten Winkel zueinander orientiert, was diese Ausführungs­ form von derjenigen gemäß Fig. 2 unterscheidet.

Claims (10)

1. Wärmetauscher für strömende fluide Medien, mit einer Anzahl erster Kanäle (10,30), die in einer ersten Strömungsrichtung durchströmbar sind, und mit einer Anzahl zweiter Kanäle (11, 31), die in einer zweiten Strömungsrichtung durchströmbar sind und die zumin­ dest in dem Wärmetauscher nicht mit den ersten Kanä­ len (10,30) kommunizieren, wobei die ersten Kanäle (10,30) und die zweiten Kanäle (11, 31) mittels wärme­ leitfähiger Wandungen voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen aus einem Verbundstoff gefertigt sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wandungen aus einem faserverstärkten, insbesondere einem glasfaserver­ stärkten Kunststoff gefertigt sind.

3. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (10, 30; 11, 31) aus einzelnen Lagen eines Abstandsgewebes (2) gefertigt werden, die sandwich­ artig miteinander verklebt sind.

4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Wandungen jeweils eines Kanals (10, 30; 11, 31) von im wesentlichen senkrecht zu den Wandungen orientierten Faserelementen, insbesondere von Polfäden (5) des Abstandsgewebes (2), aneinander befestigt und auf Abstand gehalten werden.

5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Kanal (10, 30; 11, 31) von einer Schicht eines mit einem Kunstharz, insbesondere einem Poly­ esterharz oder einem Vinylesterharz, vorzugsweise LSE-Harz versehenen Abstandsgewebes (2) gebildet ist.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserelemente in dem jeweiligen Kanal (10, 30; 11, 31) vereinzelt angeordnet sind.

7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserelemente in der ersten Strömungsrichtung bzw. in der zweiten Strömungsrichtung einen geringe­ ren Abstand voneinander aufweisen als quer zu der jeweiligen Strömungsrichtung.

8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Strömungsrichtung in einem Winkel zueinander ausgerichtet sind, insbesondere in einem rechten Winkel.

9. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (10, 30; 11, 31) an ihren offenen Enden mit Anström- (18, 20) bzw. Abströmhauben (19, 21) versehen sind, wobei die Hauben (18-21) insbesondere aus ei­ nen faserverstärkten Kunststoff gefertigt sind.

10. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kunstharz und/oder der Faserverstärkung Zusatz­ stoffe zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit zugege­ ben sind.