DE202010015615U1

DE202010015615U1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE202010015615U1
Application number: DE202010015615U
Authority: DE
Original assignee: GAB NEUMANN GmbH
Current assignee: GAB NEUMANN GmbH
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2020-11-18

Abstract

Wärmetauscher aus technischer Keramik, vorzugsweise aus Siliziumcarbid, bestehend aus einem Hauptteil mit einer Kanalstruktur, Boden- und Kopfteil mit Zu- und Abführstutzen, dadurch gekennzeichnet, daß Hauptteil, Boden- und Kopfteil (2; 9; 10) des Wärmetauschers (1) einen blockartigen Aufbau besitzen, wobei zwischen den benachbarten keramischen Segmenten (9a; 9b; 9c; 10a; 10b; 10c) sowie den Blöcken (2a) eine schmelzklebende Folie (7) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher aus technischer Keramik, vorzugsweise aus Siliziumcarbid (SiC), zusammengesetzt aus monolithischen Blöcken, zur Wärmeübertragung zwischen zwei voneinander getrennt strömenden Medien.
Wärmetauscher aus keramischem Material sind in vielfältiger Bauweise bekannt.
Im Anlagen- und Maschinenbau finden Komponenten aus keramischem Material überall dort Anwendung, wo Korrosion und hohe Temperaturen, aber auch hohe Reinheitsanforderungen auftreten. Als Vertreter der technischen Keramik besitzt Siliziumcarbid, (chem. Bezeichnung SiC, in seiner direktgesinterten Modifikation mit der technischen Bezeichnung SSiC), eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit, sehr gute Thermoschockbeständigkeit und eine hohe thermische Leitfähigkeit im Gegensatz zu verschiedenen metallischen Werkstoffen. Siliziumcarbid ist deshalb prädestiniert als Werkstoff für die Herstellung von Wärmetauschern im korrosiven und auch im Reinstchemikalienbereich.
Grundsätzlich werden bei der Herstellung von Wärmetauschern, die aus einzelnen Platten, Anschlussteile usw. aufgebaut sind, zwei unterschiedliche Verbindungen von SiC-Komponenten angewandt, zum einen die kraftschlüssige Verbindung und zum anderen die stoffschlüssige Verbindung.
Bekannt ist aus der Schrift DE 10 2006 009 791 A1 und aus der Schrift DE 10 2008 048 014 A1 , daß bei der kraftschlüssigen Verbindung zwischen den einzelnen SiC-Komponenten Dichtungssysteme eingesetzt und der Plattenstapel mittels Zuganker in einem Rahmen verspannt wird. Diese Dichtungssysteme können z. B. statische O-Ring-Dichtungen sein oder auch Flachdichtungen, die an die Plattenstruktur angepasst sind. Die Dichtwirkung wird ausschließlich über ein Verspannungssystem erreicht.
Aus der DE 32 00 200 ist ein Verfahren bekannt, bei dem auf die Formlinge aus Metallkarbid eine Schicht aus einem Metallborid aufgetragen wird und diese dann mit ihren Verbindungsflächen aneinandergesetzt, zusammengepreßt und anschließend zur Bildung eines gesinterten Verbundgegenstandes erhitzt werden.
Eine Weiterentwicklung stellt die in DE 10 2008 019 556 A1 beschriebene Fügetechnologie dar. In dieser Schrift wird ein stoffschlüssiges Fügen von solchen aus dünnen SiC-Platten bestehenden Wärmeübertragern und Mikroreaktoren vorgestellt. Die Plattenstärken bewegen sich dabei im Bereich bis maximal 20 mm, vorwiegend jedoch zwischen 3 bis 6 mm. Mit der stoffschlüssigen Verbindung der kleinen SiC-Platten wird eine weniger aufwendige Bauteilvorbereitung hinsichtlich Planparallelität angestrebt. Als Klebstoffe kommen bevorzugt einkomponentige Epoxi- und Siliconkleber in Betracht. Problematisch ist bei dieser Art der stoffschlüssigen Verbindung das gleichmäßige Aufbringen der Kleberschicht, weshalb hierzu bestimmte Viskositätswerte vorgegeben werden. Außerdem benötigen diese Kleber relativ lange Härtezeiten. Über die Sprödigkeit der ausgehärteten Fügeverbindung werden keine Angaben gemacht. Die Verbindungen sind lösbar durch ein Ausbrennen (thermisches Zersetzen) des Klebstoffes bei etwa 500°C.
Hauptnachteil dieses Verfahrens ist jedoch, daß die in den Ansprüchen eingebrachten Klebertypen in ihrer Chemikalienbeständigkeit nicht dem Niveau des SiC entsprechen. Damit haben auf dieser Basis gefügte Bauteile eine Schwachstelle in der chemischen Beständigkeit die niedriger ist als die der SiC-Keramik.
Weiterhin gibt es stoffschlüssige Verbindungen, bei denen die einzelnen SiC-Komponenten beispielsweise durch Diffusionsschweißen miteinander verbunden werden.
Die DE 10 2004 044 942 A1 beschreibt ein Verfahren zum Fügen von SiC-Komponenten durch Diffusionsschweißen, wobei die Komponenten verformungsarm zu einem Monolithen gefügt werden. Diffusionsgeschweißte monolithische Blöcke weisen eine hohe Steifigkeit auf und besitzen infolge möglicher erheblicher thermischer Spannungen ein hohes Thermoschockrisiko.
Aus der DE 10 2006 013 503 A1 ist ein Plattenwärmetauscher, ein Verfahren zu seiner Herstellung und dessen Anwendung bekannt. Der Plattenwärmetauscher besteht aus einer Vielzahl von Platten, vorzugsweise aus gesintertem Keramikmaterial, in welchen Fluidstrom-Führungskanäle als Kanalsystem so ausgebildet sind, daß sich ein im wesentlichen mäanderförmiger Verlauf des Fluidstroms über die Fläche der jeweiligen Platte ergibt, wobei die Seitenwände der Führungskanäle eine Mehrzahl von Durchbrüchen aufweisen, die zu einer Verwirbelung des Fluidstroms führen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Plattenwärmetauschers, insbesondere ein Diffusionsschweißverfahren, bei dem die Platten zu einem nahtfreien monolithischen Block gefügt werden.
Aus der DE 10 2008 019 556 A1 ist ein Bauteil aus einem Stapel stoffschlüssig gefügter Platten und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Das Bauteil wird aus einer Mehrzahl von aufeinander gestapelten Platten mit Fluidstrom-Führungskanälen gebildet, wobei die Platten stoffschlüssig mittels einer mindestens 25 μm dicken Klebeschicht aus einem polymeren Kleber gefügt sind. Das dazugehörige Verfahren umfaßt die Schritte

– Aufbringen eines polymeren Klebers beispielsweise durch Walzen, Rollen, Rakeln, Spachteln oder Siebdruck auf mindestens eine der Klebeflächen der zu fügenden Platten;
– Aufeinanderstapeln der zu fügenden Platten;
– Zusammenpressen der Platten und Fixieren des Plattenstapels;
– Aushärten des polymeren Klebers unter Beibehaltung der Fixierung in der Weise, daß eine Mindestdicke der Kleberschicht von 25 um nicht unterschritten wird.

Diese Lösung hat den Nachteil, daß die Kleberschichtdicke nicht gleichmäßig aufgebracht werden kann bzw. daß der Kleber beim Zusammenpressen des Plattenstapels in die Fluidstrom-Führungskanäle eintritt und sich dadurch Verengungen bilden können. Desweiteren können sich an den austretenden Kleberüberschüssen Schmutzpartikel anlagern und so den Durchfluß des Fluids durch die Führungskanäle beeinträchtigen.
Desweiteren besteht bei Wärmetauschern aus keramischen Material das Problem der unterschiedlichen Materialstärken, insbesondere in den Boden- und/oder Kopfteilen. Dies führt beim Sinterprozeß zu Problemen. Hier setzt die Erfindung ein.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauschers aus technischer Keramik, vorzugsweise aus Siliziumcarbid, anzugeben, der aus einer Mehrzahl von aufeinander gestapelten Scheiben und Blöcken so gefügt ist, daß die Nachteile und Probleme des Standes der Technik überwunden werden können und eine leckagefreie, thermoschockbeständige und druckfeste Abdichtung ermöglicht wird.
Die vorstehende Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher aus technischer Keramik, vorzugsweise aus Siliziumcarbid, gelöst und besteht im wesentlichen aus einem Hauptteil mit einer Kanalstruktur, Boden- und Kopfteil mit Zu- und Abführstutzen, dessen Haupt-, Boden- und Kopfteil einen blockartigen Aufbau besitzen, wobei zwischen benachbarten keramischen Blöcken, die eine Dicke von mehr als 30 mm aufweisen, eine schmelzklebende Folie angeordnet ist.
Die Form der schmelzklebenden Folie ist der geometrischen Form der jeweiligen zu fügenden keramischen Blöcke angepaßt und weist Durchbrüche, die der Kanalstruktur in den Blöcken entsprechen, auf. Die Durchbrüche in der schmelzklebenden Folie sind in ihren Abmessungen größer ausgeführt als die Abmessungen der Kanalstruktur in den Blöcken, wodurch beim Schmelzen der Folie ein Eintreten derselben in die Kanalstruktur verhindert bzw. minimiert wird. Die schmelzklebende Folie weist eine vergleichbare Chemikalienbeständigkeit wie das keramische Material und eine Dicke kleiner 1 mm auf.
Der Wärmetauscher kann z. B. ein Blockwärmetauscher oder ein Ringnutwärmetauscher sein.
Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 – Prinzipdarstellung eines Wärmetauschers
2 – Explosivdarstellung des Ringnutblockes
Die 1 zeigt die Prinzipdarstellung eines als Ringnutwärmetauscher 1 aus gebildeten Wärmetauscher. Bis auf die aus einem Metall bestehenden oberen und unteren Deckplatte 4; 5 sowie den Zugankern 6 bestehen die übrigen Teile aus einem keramischen Material, vorzugsweise aus Siliciumcarbid (SiC).
Der Ringnutwärmetauscher besteht im wesentlichen aus einen Kopf- und Bodenteil 9; 10 mit Anschlüssen für den Zu- und Ablauf und zwischen Kopf- und Bodenteil angeordneten Hauptteil 2, der aus einzelnen Ringnutblöcken 2a mit einer entsprechenden Kanalstruktur 3 gebildet wird.
Das Kopfteil 9 wird gebildet durch ein Scheibensegment 9a, mindestens ein Ringsegment 9b und einer Ringnutplatte 9c. Das Bodenteil 10 besteht aus einem Scheibensegment 10a, mindestens einem Ringsegment 10b und einer Ringnutplatte 10c. Zwischen den einzelnen Teilen des Kopf- und Bodenteils 9; 10 sind jeweils schmelzklebende Folien 7 angeordnet.
Der Hauptteil 2 des Ringnutwärmetauschers 1 wird aus einem Stapel von Ringnutblöcken 2a gebildet. Zwischen den einzelnen Ringnutblöcken 2a sind jeweils schmelzklebende Folien 7 eingesetzt (2). Die schmelzklebende Folie 7 besteht aus einem vollflouriertem Polymer und hat eine Dicke von 0,3 mm. Die Kontur der schmelzklebenden Folie 7 ist den Konturen der zu fügenden Teile angepaßt bzw. die schmelzklebende Folie 7 weist entsprechend der Kanalstruktur der Ringnutblöcke 2a Durchbrüche 8 auf. Gegebenenfalls werden die Oberflächen der zu fügenden Einzelteile mit einem Haftvermittler versehen.
Die so vorbereiteten Kopfteile 9, Bodenteile 10 und die aus Ringnutblöcken 2a bestehenden Hauptteile 2 werden miteinander verspannt und in einer Einrichtung auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des vollflouriertem Polymers erwärmt.
Die so miteinander durch Verkleben verbundenen Kopf-, Boden- und Hauptteile 9; 10; 2 werden nach dem Abkühlen weiter komplettiert, indem auf Kopf- und Bodenteil 9; 10 die obere und untere Deckplatte 4; 5 aufgesetzt werden und der gesamte Ringnutwärmetauscher 1 mittels der Zuganker 6 verspannt wird.
Bezugszeichenliste

1: Wärmetauscher/Ringnutwärmetauscher
2: Hauptteil
2a: Block/Ringnutblock
3: Kanalstruktur
4: obere Deckplatte
5: untere Deckplatte
6: Zuganker
7: Folie
8: Durchbrüche
9: Kopfteil
9a: Scheibensegment
9b: Ringsegment
9c: Ringnutplatte
10: Bodenteil
10a: Scheibensegment
10b: Ringsegment
10c: Ringnutplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006009791 A1 [0005]
DE 102008048014 A1 [0005]
DE 3200200 [0006]
DE 102008019556 A1 [0007, 0012]
DE 102004044942 A1 [0010]
DE 102006013503 A1 [0011]

Claims

Wärmetauscher aus technischer Keramik, vorzugsweise aus Siliziumcarbid, bestehend aus einem Hauptteil mit einer Kanalstruktur, Boden- und Kopfteil mit Zu- und Abführstutzen, dadurch gekennzeichnet, daß Hauptteil, Boden- und Kopfteil (2; 9; 10) des Wärmetauschers (1) einen blockartigen Aufbau besitzen, wobei zwischen den benachbarten keramischen Segmenten (9a; 9b; 9c; 10a; 10b; 10c) sowie den Blöcken (2a) eine schmelzklebende Folie (7) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke (2a) eine Dicke von mehr als 30 mm aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der schmelzklebenden Folie (7) der geometrischen Form der jeweiligen zu fügenden keramischen Blöcke (2a) angepaßt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schmelzklebende Folie (7) Durchbrüche (8), die der Kanalstruktur (3) in den Blöcken (2a) entsprechen, aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (8) in der schmelzklebenden Folie (7) in ihren Abmessungen größer ausgeführt sind als die Abmessungen der Kanalstruktur (3) in den Blöcken (2).
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schmelzklebende Folie (7) eine vergleichbare Chemikalienbeständigkeit wie das keramische Material aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der schmelzklebenden Folie (7) kleiner 1 mm ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß keine Schmelzkleber beaufschlagten, wärmeübertragenden Kanalflächen existieren und die Wärmeübertragung behindern.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) ein Blockwärmetauscher ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) ein Ringnutwärmetauscher ist.