DE2141019A1

DE2141019A1 - Wärmeaustauschvorrichtung aus Kunststoff und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2141019A1
Application number: DE19712141019
Authority: DE
Inventors: Thomas Adam North Augusta S.C; Reitz Charles Frederick; Smith Robert Delman; Wilmington Del.; Reilly (V.StA.)
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: Ametek Inc
Priority date: 1970-08-17
Filing date: 1971-08-16
Publication date: 1972-02-24
Also published as: FR2102305A1; CA940115A; FR2102305B1; SE393766B; JPS5517319B1; GB1305336A; SE369442B; DE2141019B2; DE2141019C3; SE7406091L; BE771402A; IT940439B; NL7111306A; US3718181A

Description

2U1019

Patentanwälte

Dr. Ing. Walter Abitz
Dr. Dieter F. Morf
Dr. Hans-A. Brauns

8. München £56, Fienzenausisir. 28 ' l6 . August 1971

DE-102

E. I. DU PONT DE HEMOURS AND COMPAiIY 10th and Market Streets, Wilmington, Del., V.St.A

Wärmeaustauschvorrichtung aus Kunststoff und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauschvorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Wärmeaustauschvorrichtung, welche aus mehreren flüssigkeitsdichten Hohlfaden aua gefüllten Kunststoffmasse^' insbesondere aus graphitgefüllten polyfluorierten Kunststoffen besteht. Speziell bezieht sich die Erfindung auf hohle flüssigkeitsdichte Fäden zur Vervrendung in einer Wärmeaustauschvorrichtung sowie auf ein Verfahren zum Herstellen solcher Päden, welche eine große thermische Leitfähigkeit und beträchtliche mechanische Festigkeit aufweisen,

— 1 —

209809/1159

2U1019

Kunststoffwärmeaustauscher, insbesondere aus polyfluorierten Kunststoffen, wie Tetrafluoräthylen oder Mischpolymeren aus Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen, stellen eine nützliche Bereicherung der in den letzten Jahren entwickelten Wärmeaustauscher dar, insbesondere für solche Verwendungszwecke, bei welchen eines der Wärmeaustauschmedien aus einer korrodierenden Flüssigkeit besteht. Kunststoffe, insbesondere polyfluorierte Kunststoffe, v/eisen jedoch eine derart geringe thermische leitfähigkeit auf, daß hieraus hergestellte Wärmeaustauschvorrichtungen keinen großen Wirkungsgrad aufweisen. Dieser Nachteil wurde teilweise durch Anwendung einer großen Anzahl von hohlen Kunststofffaden von geringem Durchmesser beseitigt, welche in ein Wärmeaustauschbündel eingebracht wurden, dessen Gesamtoberfläche groß genug ist, um eine zur ausreichenden Kühlung der Flüssigkeit genügende Wärmeübertragung zwischen der durch das Innere der Einzelfäden fließenden !Flüssigkeit und der um das Röhrenbündel herum fließenden Flüssigkeit zu bewirken.

Der Wirkungsgrad derartiger Wärmeaustauscheinheiten ist jedoch immer noch verhältnismäßig gering, so daß ein Bedarf an einem verbesserten Material zur Verwendung bei solchen Konstruktionen besteht, welche sowohl die Eigenschaft der ündurchlässigkeit für korrodierende Flüssigkeiten der polyfluorierten Kunststoffe als auch eine vergrößerte Leitfähigkeit aufweisen'sollen. Es wäre zu erwarten, daß Konstruktionen, welche aus mit Graphit gefüllten polyfluorierten Kunststoffen hergestellt"sind, derartige Eigenschaften aufweisen und es wurden tatsächlich derartige Konstruktionen vorgeschlagen und gebaut. Allgemein enthalten diese Konstruktionen einen sehr großen prozentualen Graphitanteil, zwischen 70 und 90 ^, wobei eine geringe Menge an poly-

2 0 9 8 0 9/1159

2U1019

fluoriertem Kunststoff als Bindemittel für den Graphit angewendet wurde» Derartige Konstruktionen bestehen aus mechanisch festen Blocks, ähnlich einem Block aus reinem Kohlenstoff, in welche Löcher gebohrt sind, durch welche eine erste Yiärmeaustauschflüssigkeit hindurchgeleitet wird. Diese Blocks sind jedoch brüchig und die Oberfläche, mit v/elcher die zweite Wärraeaustauschflüssigkeit in Berührung kommt, ist allgemein gering, so daß der Wirkungsgrad der Konstruktion trotz der verbesserten Leitfähigkeit des Materials verhältnismäßig gering ist.

Es bestand daher ein Bedarf an einer verbesserten Kombination von polyfluorierten Kunststoffen mit Graphitfüllstoffen zwecks Schaffung von biegsameren Konstruktionen, wie Fäden mit großer Oberfläche, welche wiederum in Wärmeaitstauschvorrichtungen eingebaut werden können, wie sie beispielsweise in der USA-Patentschrift 3|228,456, "Verfahren und Vorrichtung unter Verwendung von hohlen polyfluorierten Kunststoffäden zum Wärmeaustausch", erteilt an P.P. Brown et al. am 11. Januar 1966, beschrieben sind. Versuche, biegsame Fäden aus einer derartigen Kombination herzustellen, führten jedoch zu zwei miteinander in Verbindung stehenden Problemen, an welchen bisher alle Versuche zur Herstellung von brauchbaren Produkten scheiterten. Es ist eine allgemein bekannte Voraussetzung, daß große Mengen Füllstoff eingebracht werden müssen, um die thermische Leitfähigkeit von gefüllten Kunststoffen merklich zu vergrößern. Die Anwendung von großen Mengen Füllstoffen führt jedoch andererseits zu einer Abnahme der Biegsamkeit und mechanischen Dauerhaftigkeit der Fäden bis zu einem Stadium, in welchem sie mechanisch nicht besser als die oben beschriebenen Blockkonstruktionen sind.

209809/1159

2-U1019

Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung von Hohlfäden aus gefüllten Kunststoffmassen, welche eine wesentliche größere thermische Leitfähigkeit als Kunststoff aufweisen und dennoch eine genügend große Dauerhaftigkeit aufweisen, so daß eine derartige Konstruktion in einer herkömmlichen Y/ärmeaustauschvorrichtung verwendet werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zum Einbringen von thermisch leitfähigen Füllstoffen in Kunststoffmassen und in einem Verfahren zum Herstellen von Hohlfaden aus diesen Gemischen, welche eine beträchtlich größere thermische Leitfähigkeit und beträchtliche mechanische Festigkeit aufweisen.

Diese und andere Aufgaben der Erfindung wurden gelöst durch einen Wärmeaustauscher, bestehend aus einem Gehäuse, mehreren hohlen Kunststoffäden, einer Vorrichtung zum Befestigen der Enden der Fäden in dem Gehäuse, einer Vorrichtung zum Hindurchleiten einer ersten Flüssigkeit durch das Innere der Fäden, und einer Vorrichtung zum Hindurchleiten einer zweiten Flüssigkeit durch das Gehäuse bei gleichzeitig enger Berührung mit der Außenfläche der Fäden. Die Fäden bestehen aus einer Kunststoffmasse, die 5 bis 45 Gewichts-56 an Füllstoffteilchen enthält, welche eine wesentlich größere thermische Leitfähigkeit als der Kunststoff aufweisen. Praktisch alle Füllstoffteilchen weisen einen größeren Durchmesser als 2 Mikron auf und das Verhältnis des Durchmessers der Füllstoffteilchen zur Wandstärke der Fäden beträgt 0,001 bis 0,5. Die Füllstoffteilchen werden ausreichend homogen in dem Kunststoff verteilt, so daß die Fäden eine Zugfestigkeit von über 70 kg/cm (1000 psi) und eine Bruchdehnung von über 25 ^cß> aufweisen, jeweils gemessen bei Zimmertemperatur; die Füllstoffteilchen werden gleichzeitig ausreichend heterogen verteilt, so daß die Fäden eine um mehr als eineinhalbmal größere

8O9/Tlba

Leitfähigkeit als der Kunststoff aufweisen. Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht der Kunststoff aus einem polyfluorierten Kunststoff, wie einem Polymeren aus Tetrafluoräthylen oder einem Mischpolymeren aus Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen, die Füllstoffteilchen bestehen aus Graphitfüllstoffteilchen und-der prozentuale Gehalt an Füllstoffteilchen in der Kunststoffmasse beträgt 10 bis 25 Gewichts-^.

Im folgenden ist ein Verfahren beschrieben, mit welchem sieh Fäden zur Verwendung in derartigen Konstruktionen herstellen lassen:

Granulierte polyfluorierte Polymere und Graphitteilchen, deren Durchmesser praktisch allgemein über 2,0 Mikron liegt, werden trocken vermischt, wobei der Anteil des Graphits in dem trockenen Gemisch zwischen 5 und 45 Gewiehts-^ liegt. Das Gemisch wird in eine bei niedriger Temperatur und mit großer Energie arbeitende mechanische Mischzone eingeführt, in welcher das Gemisch mechanisch vermählen wird. Das trockene Gemisch wird in der Mischzone solange bei einer Temperatur der Gemischmasse unter dem Schmelzpunkt des Polymeren vermischt, bis sich ein , halbfestes fließfähiges Gemisch bildet. Das fließfähige Gemisch wird dann in eine Schmelzzone eingeführt, in wrelcher die Massentemperatur des Gemisches auf einer Temperatur gehalten wird, welche den Schmelzpunkt des Polymeren um nicht mehr als 1O⁰C (50⁰P) übersteigt. Das Gemisch wird dann geschmolzen, bis sich ein strangpressfähiges Gemisch bildet. Dieses Gemisch wird dann zu Hohlfäden stranggepresst, bei welchen das Verhältnis von Durchmesser der Füllstoffteilchen zur Wandstärke der Fäden O₁,001 bis 0,5 beträgt. Bei der bevorzugten Ausführungsform enthält das Gemisch 5 bis 25 Gewichts-^ Graphit und die Mischzone besteht aus zwei gleichlaufend rotierenden ■

209809/1159

Schnecken, die verschiedene Querschnitte aufweisen und die Mischzone in mehrere Zonen aufteilen, in welchen dem Mischverfahren verschiedene Energiegrade zugeführt werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen weiter erläutert. In den Zeichnungen "bedeuten:

Pig. 1 eine graphische Darstellung der Zunahme der thermischen Leitfähigkeit von gefülltem Kunststoff in Abhängigkeit von dem Prozentgehalt an Füllstoff in dem Kunststoff, sowohl für den Pail, in welchem der Füllstoff vollkommen homogen in dem Kunststoff verteilt ist als auch für den Fall, in welchem der Füllstoff vollkommen heterogen in dem Kunststoff verteilt ist;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschvorrichtung;

Fig. 3 eine Endansicht eines.Endteils einer Ausführungsform des Röhrenbündels gemäß der Erfindung, bei vrelchem die einzelnen Fäden bienenwabenfö'rmig angeordnet sind und

Fig. 4 eine Ansicht, teilweise geschnitten, einer zweiten Ausführungsform der Wärmeaustauschvorrichtung gemäß der Erfindung, bei welcher die Endaiiordnung gemäß Fig. 3 angewendet wurde.

Bei der Lösung des Problems des Einbringens von Füllstoffteilchen in eineⁿ Kunststoff, unter gleichzeitiger Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften des Kunststoffs, denkt der Fachmann instinktiv an eine homogene Verteilung der Füllstoffe in dem Kunststoff. Wenn man annimmt, daß die thermische Leitfähigkeit des Füllstoffs, k , 1500 mal

Ji.

größer als die thermische Leitfähigkeit des Kunststoffs,

209809/1159

2U1019

k , ist, so ergibt sich k_x/k = 1500 (was im wesentlichen für den Fall zutrifft, daß der Füllstoff aus Graphit und der Kunststoff aus einem polyfluoriertem Kunststoff besteht) Die Zunahme der thermischen leitfähigkeit des homogenen Ge

misches (k

kann durch die folgende Gleichung voll

ständig definiert werden:

r> zz Vr +Vr in pp xx

^Vx^rx

wobei r den thermischen Widerstand des Gemisches, r m P

den thermischen Widerstand des Kunststoffs und r den thermischen Widerstand des Füllstoffs bedeuten, und V

Volumprozent Kunststoff und V in dem Gemisch bedeuten^ "'

Volumprozent Füllstoff ergibt sich:

Ho

wobei der Index _H die Bedeutung von "homogenes Gemisch" besitzt.

ho

ergibt sich

— Ύ —

209809/1159

O)

V_x) + 1500 =

Die. Werte von (^/³OjJ₀ u*¹*³· ^der reziproke Wert (k

für verschiedene Pullstoffgehaite sind in der folgenden Tabelle I zusammengestellt und in Pig. 1 als durchgezogene Linie dargestellt.

Tabelle I

Le

Ho

1	0,99	1,01
10	0,90	1,11
20	0,80	1,25
25	0,75	1,34
30	0,70	1,42
45	0,65	1,54
50	0,50	2,00
70	0,30	3,30
100	0,0007	1500

Um eine beträchtliche Zunahme der thermischen Leitfähigkeit mit Hilfe eines homogen in dem Kunststoff verteilten Füllstoffs zu erzielen, ist also ein großer Füllstoffgehalt in der Größenordnung von 70 bis 90 ^cß> erforderlich.

2 0 9 8 0 3/1 TW

Palls man anstelle eines homogenen Gemisches ein vollständig heterogenes Gemisch verwendet, ist ein anderer Satz von Gleichungen zur Definition des Gemisches erforderlich. Wenn man annimmt, daß das System aus einer Platte mit einer Oberfläche A und einer Dicke (\ T, und der Füllstoff aus einem Zapfen mit einer Oberfläche A und'einer Stärke β. Τ besteht, welche durch die Platte hindurchgeht, so daß der Kunststoff eine Oberfläche A und eine Stärke ^T aufweist, so läßt sich das Gemisch durch die folgende Wärmeausgleichsgleichung definieren

wobei q. die durch den Füllstoff und α die durch den χ Ρ

■Kunststoff v/eitergeleitete Wärme, und O die durch das ganze System weitergeleitete Wärme bedeuten; oder

\k /

¹Sc

P'^He " -ρ

wobei der Index He für "heterogenes Gemisch" steht, Da A = A - A„ und da ■ = V . so ergibt sich:

+ (1 - V) j oder

= 1500 V₊ (1 - V„)

09 80 9/TT58

Die Vierte von (^k _m/^k-n)jj_e ^für verschiedene Füllst of f gehalt e sind in der folgenden Tabelle II zusammengestellt und in Pig. 1 als unterbrochene Linie dargestellt.

Tabelle II

10

20

50

100

15,99 150,9 300,8 750,5 1500

Selbstverständlich liegt der normale Fall eines nichthomogenen, nicht-heterogenen Gemisches etwas zwischen den beiden Fällen, wobei die Norm für jedes vernünftige "Misch"-Verfahren näher an der Kurve für ein homogenes Gemisch als an der Kurve für ein heterogenes Gemisch liegt.

Für biegsame Wärmeaustauschfäden eignen sich keine vollständig heterogenen Gemische. Aus einem solchen Gemisch hergestellte Konstruktionen v/erden nämlich an denjenigen Stellen, an denen nur Füllstoff vorhanden ist, brüchig und höchstwahrscheinlich durchlässig für eine der Wärmeaustausuliflüssigkeiten. Andererseits sind aus einem vollständig homogenen Gemisch hergestellte Fäden ebenso unbrauchbar, da etwa 70 Volum-$ Füllstoff zur Erzielung einer merklichen Zunahme der thermischen Leitfähigkeit erforderlich wären. Hinsichtlich der mechanischen Dauerhaftigkeit des Fadens würde dies isn demselben Ergebnis wie bei einem vollständig heterogenen Gemisch führen.

209809/1159

Das Wesen der Erfindung beruht auf der Tatsache, daß man eine wesentliche Zunahme der thermischen Leitfähigkeit des Systems unter Verwendung einer nur geringen Füllstoffmenge in der Größenordnung von 5 bis 45 Gewichts-^ erzielen kann, falls man eine entsprechende Verteilung des MiIlstoffs in dem Kunststoff vornimmt .*'Bine derartige Verteilung muß ausreichend homogen sein, um eine genügende mechanische Festigkeit zu gewährleisten, und ausreichend heterogen sein,, um eine ausreichende Zunahme der Leitfähigkeit zu ermöglichen.

Zur Verwendung in Wärmeaustauschern, wie sie in den Fig. und 4 dargestellt sind, muß ein Faden eine Zugfestigkeit von wenigstens 70 kg/cm (1000 psi) und eine Bruchdehnung von wenigstens 25 /'·>> beides gemessen bei Zimmertemperatur, aufweisen, so daß ein ausreichender Berstwiderstand und eine ausreichende Dauerbiegefestigkeit vorhanden sind, um den durch Druckschwankungen und äußere Vibrationen in dem System auftretenden Beanspruchungen standhalten zu können. Selbstverständlich ist jede Vergrößerung der Leitfähigkeit nützlich, aber damit sich ein derartiger Faden für den praktischen Gebrauch eignet, ist eine Zunahme der Leitfähigkeit von wenigstens 50 fo gegenüber der Leitfähigkeit des Kunststoffs erforderlich.

Die Aufgabe, einen derartigen Ausgleich der Eigenschaften zu erzielen, wurde durch geeignete Auswahl der Teilchengröße des angewandten Füllstoffs und/oder durch das zum Einbringen des Füllstoffs in die Kunststoffmasse angewendete Verfahren gelöst. Bei der Herstellung von Mischungen aus gefülltem Kunststoff wurde bisher die Teilchengröße aus verschiedenen Gründen außer Acht gelassen. Der erste Grund beruht allgemein auf der Tatsache_s daß eine Vergrößerung der thermischen Leitfähigkeit des Materials nicht beabsichtigt war. Der zweite Grund beruht auf der Tatsache,

» 11 ' : 2 0 9 8 0 9/1159 ——

2H1019

IZ

daß selbst wenn eine Vergrößerung der thermischen leitfähigkeit beabsichtigt war, die betreffenden Strukturen ein derart großes Verhältnis von Teilchendurchmesser, d , zur Wandstärke, t, aufwiesen, daß sie auf keinen Fall wesentlich von dem homogenen Modell abwichen. Es wurde nun gefunden, daß wenn man die Teilchengröße über 2,0 Mikron und d3.s Verhältnis von Teilehendurchmesser zur Wandstärke des Fadens (d /t) zwischen 0,001 und 0,5, oder vorzugsweise zwischen 0,001 und 0,1 hält, die Verteilung der Teilchen einerseits allgemein ausreichend homogen ist, um die gewünschte Stärke zu erzielen, und andererseits ausreichend heterogen ist, um die gewünschte leitfähigkeit zu erzielen. Die Anwendung von Teilchen mit einem wesentlich kleineren als dem oben genannten Durchmesser oder die Anwendung eines wesentlich kleineren Verhältnisses (d /t) führt unweigerlich zu einem homogenen Produkt, welches eine geringe Leitfähigkeit aufweist. Palis das Verhältnis (d /t) andererseits zu hoch ist, weist die Konstruktion keine ausreichende mechanische Festigkeit auf. Es sei aber darauf hingewiesen, daß kleine, aneinander agglomerierte Teilchen, welche ein Aggregatteilchen mit einem größeren Durchmesser als 2,0 Mikron bilden, ebenfalls zu dem gev/ünschten Ergebnis führen und daher ebenfalls unter die Definition "Teilchen mit einem Durchmesser von über 2,0 Mikron" fallen. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß durch "Übermischen" von Teilchen mit Durchmessern innerhalb des optimalen Bereiches jeder Vorteil, welcher durch Anwendung dieser Teilchen erwartet werden kann,zunichte gemacht v/erden kann, da das so gebildete G-emisch dann zu homogen vird.

Im folgenden erfolgt eine Erläuterung anhand von polyfluorierten Kunststoffen, insbesondere von Polymeren aus Tetrafluoräthylen und Mischpolymeren aus Tetrafluoräthylen

- 12 -

2U10-19

und Hexafluorpropylen, welche unter dem Handelsnamen Teflon von der E.I. du Pont de Itfemours and Co. hergestellt werden, und welche mit Kohlenstoff, insbesondere Graphit, als Füllstoff versetzt werden. Diese Substanzen sind von besonderer Bedeutung bezüglich ihrer Undurchlässigice it gegenüber korrodierenden Flüssigkeiten; falls jedoch eine Korrosionsfestigkeit nicht von Bedeutung ist, läßt sich die Erfindung in gleicher Weise bei jedem beliebigen Kunststoff und jedem Füllstoff, welcher eine wesentlich größere thermische Leitfähigkeit als der Kunststoff aufweist, anwenden.

Beispiele I bJ3 IY

"Unter Verwendung von zwei Meßfülltrichtern wurden Graphitteilchen und ein Granulat aus Teflon FEP in eine Werner & Pfleiderer ZSK Strangpresse eingefüllt. Diese Strangpresse besteht aus zwei gleichlaufend rotierenden Schnecken mit verschiedenen Querschnitten, wodurch verschiedene getrennte Zonen entstehen, in welchen unterschiedliche Energiegrade für das Mischverfahren angewendet werden«, In diesem Fall wies die Strangpresse zehn Zonen auf, von denen einige für das mechanische Vermählen und einige zum Pumpen und Schmelzen des Gemisches angewendet werden. Bei dem vorliegenden Verfahren.wurden die ersten beiden Zonen der Strangpresse zum trockenen Vermischen der Bestandteile angewendet. In den nächsten sechs Zonen wurde das Gemisch mechanisch zwischen den beiden gleichlaufend rotierenden Schnecken vermählen, bis ein halbfestes, fließfähiges Gemisch entstand. Während dieses Verfahrens wurde die Massenteraperatur des Gemisches unter dem Schmelzpunkt des Polymeren gehaltene Da dem Gemisch beim mechanischen Vermischen Wärme zugeführt wird, muß diese durch eine etwa in der Mitte der Mischzone, im vorliegenden Fall zwischen der fünften und sechsten Zone₉ angeordnete

- 13 __ _ 2 09809/Ί 159

2U1019

Kühlvorrichtung abgeleitet werden. Die letzten beiden Zonen, bestehen aus Pump- und Schmelzzonen, in welchen die Massentemperatur des Gemisches auf etwa 10⁰O (50⁰P) über den Schmelzpunkt des Polymeren erhöht wurde. Bei dem vorliegenden Verfahren wurde die strangpressfähige Schmelze aus der Strangpresse durch eine Granulierform und eine Schneidvorrichtung gepumpt und das erhaltene Granulat wurde in einer Einschneeken-Strangpressvorrichtung zu einer Röhre weiterverarbeitet. Die beiden Verfahren können jedoch· zu einem einzigen Vorgang in einer einzigen Strangpresse anstelle der beschriebenen beiden Strangpressen ausgeführt werden. Aus Wirtschaftlichkeitsgründen wurden die Röhren um etwa das zweifache verstreckt," aber diese Verfahrens stufe ist jedoch nicht nötig und kann gegebenenfalls entfallen.

Allgemein wurden Graphitteilchen mit einem Durchmesser zwischen 2,5 und 44 Mikron verwendet, bei einem Füllstoffgehalt zwischen 5 und 30 Gewichts-^. Die experimentelle Arbeit wurde auf diese Vierte beschränkt, da das vorliegende Interesse an Röhren mit kleinem Durchmesser mit einer Wandstärke zwischen 25 und 75 μ (10 bis 30 mils) bestand, welche empfindlicher gegenüber Teilchengröße und prozentualem Füllstoffgehalt als größere Röhren sind. Aus den Ergebnissen ergab sich keinerlei Hinweis, daß Teilehen- und !Füllstoffgehalte bis zu 45 $ nicht angewendet werden könnten, insbesondere, wenn der Durchmesser der Röhren bis auf 1270 ja (50 mils) vergrößert wurde und ein Verstrecken nicht erforderlich war. Die besten Ergebnisse wurden jedoch mit den 2_?5 Mikronteilchen bei einem Füllstoffgehalt zwischen 10 und 20 Gewichts-^ erzielt. Diese Produkte wiesen eine thermische Leitfähigkeit auf, welche etwa der dreifachen thermischen Leitfähigkeit der Teilchen entsprach, die Zugfestigkeiten lagen über 420 kg/cm (6000 psi) und die Bruch-

- 14 -

209809/1159

dehnungen über etwa 400 $, gemessen bei Zimmertemperatur. Unter Verwendung der 44 Mikron Füllst of ft eilchen hergestell te Produkte wiesen eine Anzahl Fehlstellen auf. Es ist anzunehmen, daß dies darauf zurückzuführen ist, daß das Teflon den Graphit nicht benetzte und daß die Fehlstellen, die sich nur bei Anwendung größerer Teilchen bemerkbar machten, bei allen Proben vorhanden waren. In jedem Fall wurde das Vorhandensein von Fehlstellen durch Anwendung der Verstreck stufe verstärkt. Die bei vier der besten Proben erhaltenen Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tabelle III aufgeführt.

	dp	■^Yx	Tabelle III	t	(dp/t)	gun-ghdeh-	Zugfestig
	(Mikron)			(Mikron)			keit , ρ kg/cm
Probe	2,5	20	425	0,0059		(psi)
					390	436
I	2,5	20	413	0,0061		(6200)
					405	471
II	2,5	17	417	0,0060		(6700)
					380	457
III	2,5	17	405	0,0062		(6500)
					380	450
IV					(6400)

In der Darstellung gemäß Fig. 2 sind die einzelnen Fäden 10 zu einem Röhrenbündel 20 zusammengefaßt, deren Enden fest mit Sammelrohrplatten 15 verbunden sind. Ferner ist ein zylindrisches Gehäuse 30 mit einer Flüssigkeitseinlaßvorrichtung 28 und einer Flüssigkeitsauslaßvorrichtung 29

- 15 -

209b.uy /11 5

vorgesehen, in welchem die Sammelrohrplatten 15 zwischen den Endkappen 17 und 18 und an dem Gehäuse 30 fest und lecksicher angebracht sind. Ein Einlaß 31 und ein Auslaß 32 sind in den Endkappen 17 und 18 angebracht, durch welche die erste Flüssigkeit durch das Innere der Fäden 10 fließt. Eine zweite Flüssigkeit wird dann -in den Einlaß 28 eingeführt und in enge Berührung mit der Außenfläche der einzelnen Fäden gebracht. Eine dieser beiden Flüssigkeiten ist heißer als die andere, und entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen kann die kühlere Flüssigkeit zum Kühlen der heißeren Flüssigkeit oder die heißere Flüssigkeit zum Erwärmen der kühleren Flüssigkeit angewendet werden. Durch die Abstandhalter 16 v/erden die einzelnen Fäden in entsprechendem konstantem Abstand, sowohl in Bezug auf die anderen Fäden als auch in Bezug auf die Wände, gehalten,

Das kritsche Merkmal eines derartigen Wärmeaustauschers beruht auf der Tatsache, daß die einzelnen Fäden 10 alle lecksicher an den Sammelrohrplatten 15 befestigt sein müssen. Eine mögliche Ausführungsform für dieses Merkmal ist in Fig. 3 dargestellt, derzufolge die einzelnen Fäden 10 honigwabenförmig in einer Muffe 21 zusammengefasst sind. Diese Art des Endteils und das Verfahren zu dessen Herstellung ist in der USA-Patentschrift 3,315,740, "Biegsames Kunststoffrohrbündel und Verfahren zu dessen Herstellung", erteilt an M.S.Withers, 25. April 1967, beschrieben. Zusammengefasst besteht dieses Verfahren darin, die Endteile eines Röhrenbündels 20 von praktisch parallelen Fäden 10 in eine starre Muffe 21 einzubringen, Vielehe mit einer inneren Leitung aus demselben Material wie die Fäden oder einem ähnlichen Material verbunden ist, und dann das gesamte Gefüge zu erhitzen, bis die Wände der einzelnen Fäden sich miteinander und mit den

- 16 -

209809/1159

2K1019

Wänden der Muffe verbinden und so eine lecksichere Yorderfläche mit mehreren Öffnungen 34 entsteht, welche in die einzelnen Fäden führen. Die einzelnen Röhren werden über ihre gesamte länge zwischen den Sammelplatten durch ein Band 33 zusammengehalten.

Die Röhre und das V/ärmeaustauschgehäuse gemäß Fig. 2 stellen lediglich eine Ausführungsform der Erfindung dar. In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, in welcher das Gehäuse 11 aus einem offenen Tank mit einem Einlaß 12.und einem Auslaß 13 für die zweite Wärmeaustauschflüssigkeit besteht. Das Röhrenbündel 20 mit den fest mit den Saminelplatten 21 verbundenen Enden, wie in Pig. 3 dargestellt, wird dann durch die Befestigungsarme 19 in dem "Tank gehalten, so daß das Bündel U-förmig in dem Tank mit dem Bündelteil, nicht aber mit den Enden, unterhalb der Oberfläche 14 der zweiten Wärmeaustauschflüssigkeit in dem Tank durchhängt. Das Innere des röhrenförmigen Bündels ist mit dem Einlaß 24 und dem Auslaß 26 durch Kniestücke 25 und Verbindungsstücke 23 verbunden, v/elche an der Sammelplatte 21 angebracht sind.

"* 17 "·

209809/1159

Claims

2U1019

ΐβ. August I97I

Patentansprüche

erbesserter Wärmeaustauscher, bestehend aus einem Gehäuse, mehrerenhohlen, flüssigkeitsdichten Kunststofffaden, einer Vorrichtung zum Befestigen der Enden dieser Fäden in dem Gehäuse, einer Vorrichtung zum Durchleiten einer ersten Flüssigkeit durch das Innere dieser Fäden und einer Vorrichtung zum Hindurchleiten einer zweiten Flüssigkeit durch das Gehäuse in enger Berührung mi't der Außenfläche dieser Fäden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden aus einer Kunststoff masse mit einem Gehalt von 5 bis 45 Gev/ichts-jS an Füllstoffteilchen mit einer v/es entlich größeren thermischen Leitfähigkeit als der Kunststoff bestehen, praktisch alle Püllstoffteilchen einen größeren Durchmesser als 2,0 Mikron aufweisen und das Verhältnis von Durchmesser der Füllstoff teilchen zur Wandstärke der Fäden 0,001 bis 0,5 beträgt, daß die Füllstoffteilchen ausreichend homogen in der Kunststoffmasse verteilt sind, so daß die Fäden

eine Zugfestigkeit von über 70 kg/cm und eine Bruchdehnung von über 25 "/» bei Zimmertemperatur aufweisen, und ausreichend heterogen verteilt sind, so daß die Fäden eine mehr als zweifach größere thermische Leitfähigkeit als der Kunststoff aufweisen.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus einem polyfluoriertem Kunststoff und die Füllstoffteilchen aus gegenüber korrodierenden Flüssigkeiten praktisch undurchlässigen Füllstoffteilchen bestehen.

- 18 -

809/VVS-*

2H1019

3· Wärmeaustauscher nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus einem polyfluorierten Kunststoff und die Füllstoffteilchen aus Kohlenstoff bestehen.

4· Wärmeaustauscher nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der polyfluorierte Kunststoff aus einem polyfluorierten Kunststoff aus der Gruppe Polymere aus Tetrafluoräthylen und Mischpolymere aus Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen und die Kohl enst of füllst off teilch en aus Graphitfüllst of ft eilchen "bestehen.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Durchmesser zur Wandstärke des Fadens 0,001 bis 0,1 beträgt.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pad en aus einer Kunststoffmasse mit einem Gehalt von 5 bis 25 Gewichts-^ Füllstoffteilchen bestehen und die Fäden eine mehr als eineinhalbfach größere thermische Leitfähigkeit als der Kunststoff aufweisen.

7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus einem polyfluorierten Kunststoff und die Füllstoffteilchen aus Graphit bestehen.

8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffteilchen einen Durchmesser von 2,0 bis 50 Mikron aufweisen.

9· Wärmeaustauscher nach· Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden aus einer Kunststoffmasse mit einem Gehalt von 10 bis 20 Gewichts-^ an den Füllstoffteilchen bestehen und die Fäden eine mehr als eineinhalbfach größere thermische Leitfähigkeit als der Kunststoff aufweisen.

- 19 -

209809/1159

ZH1 Q 1:3

£0

10. Waremaustaiiscfcer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeieh— nety daß der ]Dinststoff: ausr einem pOlyfluorierten. Kunststoff und: die F£llst:o:»eiljchen aus Graphit füllst of fteilchsn: mit= e-iirem Birehme:ss;er: von. 2,0 bis 5Q Mikron bestehen^.

11. Wärmeausrtiaus-eher: nach. Anspruch: 10, dadurch gekenirzeichnetr, dsaß der pxrlyflnor±ert;e Zunststoff aus einem polyfliiorlerteii: Kunststoff aus der Gruppe Polymere von !Detrafluorä*liylen: und^r Mischpolymere von Eeträfluor— äthyieai und Hfexafluorpropylen bestellt.

1Z. Terfanreai- zum Viarmeiilertragen zwisclien zwei flüssigen Hassern, d;adurc]i gafeennzeichnet, daß man eine erste flüssige Maas© durch, das: Innere und in direkter Berührung mit: d.er Innenfläche: mehrerer Hohlfäden leitet, die aus; einer Kunststoffmasse hergestellt sind, welche 5 Ms 45 Gewichts-^ iHillstoffteilehen mit einer wesentlich größeren thermischen Leitfähigkeit als der Kunststoff enthalten, wobei praktisch alle Füllstoffteilchen einen größeren Durchmesser als 2,0 Mikron aufweisen und das Verhältnis von Durchmesser der Killst of ft eilchen zur Wandstärke der Päden Q,OQt bis 0,1 beträgt, wobei die _ Füllst off teilchen, ausreichend homogen, in der Kunststoffmasse verteilt sind, so daß die Fäden eine Zugfestigkeit von über TQ kg/em und eine Bruchdehnung von über 25 °/o bei Zimmertemperatur aufweisen, und die Füllst off teilchen ausreichend heterogen verteilt sind, so daß die Fäden eine mehr als zweifach größere thermische Leitfähigkeit als der. Kunststoff aufweisen, und man praktisch die gesamte Oberfläche der Hohlfaden mit einer zweiten Flüssigkeitsmasse, mit einer unterschiedlichen Temperatur gegenüber der ersten Flüssigkeitsmasse in Berührung bringt*

- 20. 209SQSA TI£9

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus einem polyfluorierten Kunststoff, die Pullstoffteilchen aus Graphitfüllstoffteilchen mit einem Durchmesser von 2 ,0 bis 50 Mikron bestehen und das Verhältnis von Durchmesser der Füllstoffteilchen zur Wandstärke der Fäden 0,001 bis 0,1 beträgt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffmasse 5 bis 25 Gewichts-^ Füllstoffteilchen enthält und die Fäden eine mehr als eineinhalbfach größere thermische Leitfähigkeit als der Kunststoff aufweisen.

15* Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffmasse 10 bis 20 Gewichts-# Füllstoffteilchen enthält, die Fäden eine mehr als eineinhalbfach größere thermische Leitfähigkeit als der Kunststoff aufweisen und der polyfluorierte Kunststoff aus einem polyfluorierten Kunststoff aus der Gruppe Polymere von letrafluoräthylen und Mischpolymere von Teirafluoräthylen und Hexafluorpropylen besteht.

16. Verfahren zum Herstellen von hohlen, flüssigkeitsdiehten Fäden aus einer polyfluorierten Kunststoffmasse mit einer mehr als zweifach größeren thermischen Leitfähigkeit als der polyfluorierte Kunststoff, dadurch gekennzeichnet* daß man einen polyfluorierten Kunststoff in Granu- " latform, und Graphitteilchen, welche praktisch alle einen größeren Durchmesser als 2,0 Mikron aufweisen, trocken zu einem Gemisch mit einem Gehalt von 5 bis 45 Gewichts-^ an Graphitteilchen vermischt, das so erhaltene Gemisch in eine mit großer Energie und bei niedriger Temperatur arbeitende mechanische Mischzone einführt, in welcher.das Gemisch mechanisch vermählen und die Massentemperatur

- 21 - ;

209809/ 11 5 9 :, . ·,

2U1019

JSf

des G-emisch.es auf eine weniger als 10 C über dem Schmelzpunkt des Kunststoffs liegende Temperatur gehalten wird, wodurch ein vollständiges Schmelzen des Kunststoffs verhindert wird, das Gemisch, in einer mechanischen Hischzone vermischt, bis das so erhaltene .Gemisch in eine Konstruktion mit einer Zugfestigkeit von mehr als 70 kg/cm und einer Bruchdehnung von mehr als 25 i° bei Zimmertemperatur stranggepresst werden kann und das so gebildete Gemisch zu Hohlfaden strangpresst, bei welchen das Verhältnis von Durchmesser der Graphit teilchen zur Wandstärke der Fäden zwischen 0,001 und 0,5 liegt.

Verfahren nach. Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der polyfluorierte Kunststoff aus einem polyfluoriertem Kunststoff aus der Gruppe Polymere von Tetrafluoräthylen und Mischpolymere von Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen besteht, das trockene Gemisch 5 bis 25 Gewichts-Jo Graphitteilchen enthält und die Pad en eine mehr als eineinhalbfache größere thermische Leitfähigkeit als der Kunststoff aufweisen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Mischzone mehrere mechanische Mischzonen aufweist, welche dem Mischverfahren jeweils verschiedene Energiegrade zuführen können und das Mischen fortlaufend von einer Zone zur nächsten Zone verstärkt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischzone zwischen zwei gleichlaufenden Schnecken mit verschiedenen Querschnitten gebildet wird, welche die Mischzone in mehrere Zonen einteilen, in welchen dem Mischverfahren verschiedene Energiegrade zugeführt v/erden können und in welchen das Mischen forts ehr ext end von einer zur nächsten Zone verstärkt wird.

- 22 209809/1 1-5 9

20. Verfahren zum. Herstellen, v/on hahleax,

Fachen, aus einer p;eiEyf31xrarierteim Eiraststoßöiiasse:- mit einer mehr, als zweifach: gröEegcen: i^erjmisiehen Iieitfahigkeit als der; paXyiluorxerte Eimsrts^feofiff,, feduren gefceinraeichnet, daß man palyflnorierte- BoisaEere? im Granulat35ba?m und

die praktisch: aüöiei eineni grüleEEeiL als: 2,,Π Hilbrait aut£weais^E_r fecKek&ni zm einem miir: ©iireiii Gebal± apoil J Mst 45 SewdicirbB-?& an

"rennxsG-hir, das^; erlialireiBe:- teaclreiie G-e— misch: in eine mit großer Energie·' landl "&ei niedriger lemperairur. art eisende; me-ehaniseüe M^sctezone; edinfilbrt, in welcher das: Gemisch me:chBaxis;aü. vermaltten vrir:di_r das trockene Gemisch in der meehaniseüen Miaehzion© Yeriaischt _r . wcrbei die. Massentemperatiar den ffemiscfiesi unter^c dem: Schmelzpunlet: des Polymeren gehalten wird:, Ms sich ein haXhfesctes, fließfähigem Gemisch; "bildet, das fließfähige Gemisch in eine Sehmelzzone einführt, in welcher die Massentemperatur des fließfähigeir Gsmisches- auf eine !emperatur τοη weniger als 10⁰Q unter, dem Schmelzpunkt des Polymeren gehalten wird, das fließfähige Gemisch schmilzt, "bis sich ein strangpressfähiges Gemisch bildet, und das strangpressfähige Gemisch, in Form eines Fahlfadens: strangpresst, frei welchem das Verhältnis von Durchmesser der Graphitteiiehen zur; Vfendstärke. des Fadens 0,001 "bis 0,5 "beträgt.

21. "Verfahren nach Anspruch- 20, dadurch gekennzeichnet, daß der polyfluorierte- Kunststoff aus einem polyfluorierten Kunststoff aus der Gruppe Polymere von letrafluoräthylen und Mischpolymere von !Fetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen besteht, das Trockengemisch 5 bis 25 Gewichts-^ Graphitteilchen enthält und die laden eine mehr als eineinhalbfach größere thermische leitfähigkeit als. der Kunststoff aufweisen.

- 23 -

JH

22. Verfahren nach Anspruch. 21, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Mischzone zwischen zwei gleieh*- laufend rotierenden Sehnecken mit verschiedenen Querschndtten gebildet wird, welche die mechanische Mischzone in mehrere Zonen aufteilen, in welchen dem Mischverfahren verschiedene Energiegrade zugeführt werden können und in welchen das Gemisch fortlaufend von einer Zone zur nächsten Zone zwangshewegt vrird.

- 24 -

209.309/ 1 1 59

Leerseite