DE2421414A1

DE2421414A1 - Waermeaustauscher, insbesondere zum waermeaustausch zwischen gasen

Info

Publication number: DE2421414A1
Application number: DE19742421414
Authority: DE
Inventors: Minoru Aoki; Eigi Ishizuki; Masaaki Shimada; Tetsuya Watanabe
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1973-05-09
Filing date: 1974-05-03
Publication date: 1974-12-19
Also published as: GB1468410A; JPS50448A

Description

UEXKÜLL & STOLBERG PATENTANWÄLTE

2 KAMBURG 52

BLSELEr^S TRASSE 4

DR. J.-O. PRHR. von UEXKÜLL

._-,... DR. ULRICH GRAF STOLBERO

^fc ^ *" ' DIPL.-INQ. JÜRGEN SUCHANTKR

KUREHA KAGAKU KOGYO (Prio: 9. Mai 1973

KABOSHIK₁ ΚΛΙ3ΗΑ

No. 8, Horidome-cho 1-chome, 11349)

Nihonbashi, Chuo-ku,

Tokio/ Japan Hamburg, 2. Mai 1974

Wärmeaustauscher, insbesondere zum Wärmeaustausch zwischen Gasen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher, insbesondere ^zum Wärmeaustausch zwischen Gasen, von denen eines ein korrodierendes Gas sein kann.

Wärmeaustauscher zum Wärmeaustausch zwischen Gasen waren bisher nur begrenzt anwendbar. Ein bekannteres Beispiel für einen derarigen Wärmeaustauscher ist ein solcher, der zusammen mit einem Abfallverbrennungsofen benutzt wird, um die Verbrennungsluft mittels der heißen Verbrennungsgase aus dem Ofen vorzuwärmen.

Heiße Verbrennungsgase werden in großen Mengen von vielen Chemie- und Industrieanlagen ausgestoßen, beispielsweise vom Heißkessel eines Generators, einem Abfallverbrennungsofen oder anderen Abfallverbrennungsanlagen, wobei diese Verbrennungsgase im allgemeinen über einen elektrisch arbeitenden Staubabscheider geführt werden. Häufig werden die heißen Verbrennungsgase des Heizkessels eines Generators oder die Verbrennungs-

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gase eines Abfallverbrennungsofens in die umgebende Luft geleitet, ohne daß sie über einen Wärmeaustauscher geführt werden/ obwohl sie Temperaturen bis zu 200°C haben. Selbstverständlich ist es in den meisten Fällen vorteilhaft, unter Verwendung geeigneter Wärmeaustauscher Wärme aus den heißen Verbrennungsgasen zurückzugewinnen. So wird beispielsweise das heiße Verbrennungsgas eines Abfallverbrennungsofens einem Entschwefelungsvorgang unterworfen, um Schwefeldioxid zu entfernen, und danach mittels Naehbrennern o.a. erneut erwärmt, um dann durch einen Schornstein in die Luft auszutreten, so daß kein weißer Rauch entsteht. Falls ein geeigneter Wärmeaustauscher für den Wärmeaustausch zwischen Gasen verwendet wird, läßt sich die Wiedererwärmung der entschwefelten Abgase mittels der Wärme aus den heißen Verbrennungsgasen von der Verbrennungskammer erreichen, ohne daß eine zusätzliche Wärmequelle, wie etwa die Nachbrenner verwendet werden. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß ein Wärmeaustauscher aus Metall nicht geeignet ist, wenn mindestens eines der Gase, zwischen denen ein Wärmeaustausch erreicht werden soll, säurehaltig ist oder andere korrodierende Bestandteile enthält. Wenn in der üblichen Weise eine Anzahl von Kunstharzplatten anstelle von Metallplatten verwendet werden, ergeben sich Schwierigkeiten beim Abdichten der Verbindungen zwischen den Kunstharzplatten und den Abstandsstücken, die diese Kunstharzplatten in einem vorbestimmten Abstand voneinander halten.

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Demgegenüber soll mittels der Erfindung ein Wärmeaustauscher für den Wärmeaustausch zwischen Gasen geschaffen werden, der die vorstehend erwähnten Nachteile vermeidet und insbesondere einen Wärmeaustausch zwischen Gasen ermöglicht, von denen mindestens eines korrodierende Eigenschaften hat.

In einem Ausführungsbeispiel enthält der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher qbere und untere, im allgemeinen rechteckförmige Deckplatten aus einem starren Material, eine Anzahl von Wärmeübertragungsplatten aus Kunstharz, die im Abstand voneinander zwischen den oberen und unteren Deckplatten angeordnet sind und eine Anzahl von parallelen Wärmeaustauschkanälen bilden, eine Anzahl von Abstandselementen, die jeweils mit einer Kunstharzschicht beschichtet sind und entlang Kantenbereichen der Wärmeübertragungsplatten und zwischen diesen angeordnet sind, um benachbarte Wärmeübertragungsplatten in einem vorbestimmten Abstand und hermetisch abgedichtet zueinander zu halten, einen ersten Gaseinlaß, der mit einer Gruppe von Wärmeaustauschkanälen über in den Abstandselementen vorgesehene öffnungen verbunden ist, einen zweiten Gaseinlaß, der mit einer anderen Gruppe von Wärmeaustauschkanälen über in den Abstandselementen vorgesehene öffnungen verbunden ist, einen ersten mit dem ersten Gasauslaß über die erste Gruppe von Wärmeaustauschkanälen verbundenen Gasauslaß, einen zweiten mit dem zweiten Gaseinlaß über die zweite Gruppe von Wärmeaustausch-

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kanälen verbundenen Gasauslaß sowie eine Klemmeinrichtung zur klemmenden Verbindung der oberen und unteren Deckplatten.

Die in dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher verwendeten Warmeübertragungsplatten bestehen aus Kunstharz, das hohe Widerstandsfähigkeit gegen Chemikalien und Wärme hat. Hierzu können beispielsweise Polyvinylidenfluorid, Polyvinylfluorid, Polyfluoräthylen, Polytrifluorchloräthylen, ein Copolymeres aus Polyvinylidenfluorid und Hexafluorpropylen o.a. verwendet werden. Es ist auch möglich, die Warmeübertragungsplatten gemischt aufzubauen, indem eine äußere Schicht aus Kunstharz und eine innere Schicht aus Metall, etwa Eisen, Aluminium o.a. verwendet wird oder man kann eine Bahn oder Platte aus Kunstharz mit in diesem dispergierten Kohlenstoffäden verwenden.

Die Wärmeübertragungsplatten aus Kunstharz können eine Stärke im Bereich von 0,3 mm bis 2 mm und vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1,5 mm haben. Die Wärmeübertragung zwischen zwei Gasen, die in die beiden Gruppen von Wärmeaustauschkanälen eingebracht werden, welche an gegenüberliegenden Seiten der Warmeübertragungsplatten verlaufen, erfolgt in größerem Umfang bei Verwendung von Wärmeüberttagungsplatten geringerer Material-Stärke. Um jedoch eine Wärmeübertragung mit zufriedenstellendem hohen Wirkungsgrad zu erreichten, werden die Gase durch die jeweiligen Wärmeaustauschkanäle mit einer Strömungsgeschwin-

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digkeit von mehr als 5 m/Sek. bewegt, und die Wärmeubertragungsplatten haben -vorzugsweise eine Stärke von mehr als 0,5 mm, um eine ausreichende Festigkeit für die hohe Gasgeschwindigkeit sicherzustellen. Verwendet man Wärmeübertragungsplatten eines gemischten Aufbaus, also aus einer Kunstharzplatte und einer Metallplatte oder mit eingelagerten Kohlenstoffäden, so ist es technisch schwierig, diese mit Wandstärken von weniger als 0,5 mm herzustellen.

Die Beschichtungen der Abstandselemente sind vorzugsweise auf die Kantenbereiche der benachbarten Wärmeübertragungsplatten aufgeschweißt und bestehen aus einem Kunstharz, das dem der Wärmeübertragungsplatten ähnelt oder auch gleich ist, um so das Schweißen zu erleichtern.

Die Gasein- und -auslasse, die mit den verschiedenen Gruppen von Wärmeaustauschkanälen verbunden sind, können aus Metall bestehen, sind jedoch dann vorzugsweise an der Innenfläche mit einer Schicht aus Kunstharz bedeckt, um Schutz gegen Korrosion zu bieten, die durch das wärmeabgebende und/oder das wärmeaufnehmende Gas hervorgerufen werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der ein Ausführungsbeispiel zeigenden Figuren näher erläutert, wobei in den verschiedenen Figuren für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet sind.

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Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung die Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie II-II aus Fig. 1, in der die zwischen den Kantenbereichen benachbarter Wärmeübertragungsplatten aus Kunstharz angeordneten Abstandselemente erkennbar sind.

Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt entlang der Linie III-III aus Fig. 1, wobei vergrößert die geschweißten Dichtungen zwischen den Wärmeübertragungsplatten und den Abstandselementen erkennbar sind.

Fig. 4 zeigt einen Teilschnitt entlang der Linie IV-IV aus Fig. 1, wobei vergrößert der Aufbau eines Gaseinlasses erkennbar ist.

Der in den Figuren dargestellte Wärmeaustauscher 10 für einen Wärmeaustausch zwischen Gasen weist eine obere Deckplatte 11 und eine untere Deckplatte 12 auf, die beide aus einem stabilen Material bestehen und im allgemeinen Rechteckform haben. Eine Anzahl von Wänneaustauschplatten 13 besteht aus Kunstharz, das einen ausreichenden Widerstand gegen Chemikalien und Wärme hat. Hierzu kann beispielsweise Polyvinylidenfluorid, Polyvinylfluorid, Polytetrafluoräthylen, Polytrifluorchloräthylen, ein Copolymeres aus Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen o.a. benutzt werden. Die Wärmeübertragungsplatten 13 sind im Abstand

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voneinander zwischen den Deckplatten 11 und 12 angeordnet und mittels Abstandselementen 14, die die Form eines rechteckförmigen Rahmens haben und zwischen den jeweiligen Wärmeübertragungsplatten 13 liegen, in den Randbereichen benachbarter Wärmeübertragungsplatten gehalten, so daß sich jeweils ein vorbestimmter Abstand ergibt und eine Anzahl von im wesentlichen parallelen Wärmeaustauschkanälen 15 an gegenüberliegenden Seiten der Wärmeaustauschplatten 13 entsteht. Die Abstandselemente 14 sind mit einer Schicht 16 aus Kunstharz versehen, das dem der Wärmeaustauschplatten 13 gleicht oder mit ihm übereinstimmt, und die Beschichtung 16 ist mit den Wärmeaustauschplatten 13 verschweißt, um hermetisch abgedichtete Randbereiche zu erzielen.

Die Deckplatten 11 und 12 sind durch Bolzen 17 miteinander verbunden, so daß die verschweißte Anordnung von Wärmeübertragungsplatten 13 und Abstandselementen 14 fest zusammengehalten wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich die Bolzen außerhalb der Anordnung, doch können sie auch durch die Abstandselemente 14 geführt werden. Der Wärmeaustauscher 10 braucht nicht unbedingt rechteckförmig zu sein, sondern kann auch andere Formen haben, wenngleich vom Gesichtspunkt seiner Funktionsweise her die Rechteckform bevorzugt ist.

Die Zufuhr von wärmeabgebendem Gas und wärmeaufnehmendem Gas zum Wärmeaustauscher 10 erfolgt einerseits durch einen ersten

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Gaseinlaß 18, der über öffnungen 19 in den Abstandselementen nahe einem Ende des Wärmeaustauschers 10 mit einer Gruppe von Wärineaustauschkanälen 15a verbunden ist« und andererseits über einen zweiten Gaseinlaß 20, der über entsprechende öffnungen 21 in den Abstandselementen 14 nahe dem den öffnungen 19 gegenüberliegenden Ende des Wärmeaustauschers 10 mit einer Gruppe von Wärmeaustauschkanälen 15b in Verbindung steht. Nach erfolgtem Wärmeaustausch in den Kanälen 15a und 15b können die Gase einerseits durch einen ersten Gasauslaß 22, der mit der ersten Gruppe von Wärineaustauschkanälen 15a über nichtgezeigte öffnungen in den Abstandselementen 14 an dem den Gaseinlässen 18 und 20 gegenüberliegenden Ende,verbunden ist, und andererseits über einen zweiten Gasauslaß 23 ausströmen, der mit der zweiten Gruppe von Wärmeaustauschkanälen 15b über gleichartige, nichtgezeigte öffnungen in den Abstandselementen 14 am anderen Ende des Wärmeaustauschers 10 verbunden ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt der Wärmeaustausch in Gegenstrom, d.h. das eine Gas wird über den Caseinlaß 18 in den Wärmeaustauscher eingebracht und tritt durch den Gasaus- IaA 22 aus, während das andere Gas durch den Gaseinlafi 20 ein- und durch den Casauslafi 23 austritt. Gegebenenfalls kann je- ' doch 4er Wärmeaustausch auch im Gleichstrom erfolgen, so dafi die beiden Gase dann durch die Öffnungen 18 und 23 eingebracht werden und durch die öffnungen 20 und 22 austreten.

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Die Wärmeübertragung von einem Gas auf das andere erfolgt während der Bewegung der Gase durch die parallel zueinander angeordneten Wärmeaustauschkanäle 15.

Die Beschichtungen 16 der Abstandselemente 14 sollten aus einem Kunstharz bestehen, das geeignete Eigenschaften zum Abdichten der Wärmeaustauschkanäle 15 durch einfaches Zusammenpressen oder Verschweißen der Wärmeübertragungsplatten 13 und der Abstandselemente 14 aufweist. Eine zuverlässige Dichtung läßt sich dadurch erreichen, daß zwischen die Beschichtung 16a eines oberen Abstandselementes 14a und die Beschichtung 16b eines unteren Abstandselementes 14b eine Wärmeübertragungsplatte gebracht und diese drei Schichten unter Wärmezufuhr verschweißt oder zusammengedrückt werden, wie dies inbesondere in Fig. zu erkennen ist. Auf diese Weise läßt sich ein Wärmeaustausch zwischen Gasen erreichen, ohne daß Gas ausströmt und ohne daß die Abstandselemente korrodieren, was sonst bei unbeschichteten Abstandsstücken aus Metall unvermeidbar ist.

In dem speziellen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 und 4 ist die Wärmeübertragungsplatte 13 aus verschiedenen Bestandteilen aufgebaut, nämlich einer äußeren Schicht 13a aus Kunstharz und einer inneren Schicht 13b aus Metall.

Der Abstand zwischen benachbarten Wärmeübertragungsplatten und damit die Höhe der Wärmeübertragungskanäle 15 sollte so

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gering wie möglich sein und vorzugsweise im Bereich von 5 mm bis 20 mm liegen, um in einem gegebenen Volumen eine große Anzahl von Wärmeübertragungsflächen zu schaffen. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die Wärmeübertragungsplatten 13 nicht unbedingt-ebene Flächen aufweisen müssen, sondern auch Wellenform oder andere Oberflächenformen haben können, wobei nur die Teile, die mit den Abstandselementen verbunden werden, eben sind, während die übrigen Bereiche größere Wärmeübertragungsflächen bilden.

Wie vorstehend bereits erwähnt, werden die Gase durch erste und zweite Gaseinlässe in den Austauscher eingebracht und strömen durch entsprechend aufgebaute erste und zweite Gasauslässe aus dem Austauscher aus. Infolge des gleichartigen Aufbaus wird nur der Gaseinlaß 20 im einzelnen anhand von Fig. beschrieben. Dieser Einlaß hat einen rechteckförmigen Körper 24 aus Metall und ein flanschförmiges Ende 25, das mit einer nichtgezeigten Gaszuführleitung verbunden werden kann. Die Innenflächen des Gaseinlasses 20 sind mit einer Folie bzw. einer Beschichtung 26 aus Kunstharz versehen, um Schutz gegen Korrosion zu bieten.

Wie Fig. 4 zeigt, ist das innere Ende des Gaseinlasses 20 zu-,sammen mit der Beschichtung 26 mittels Bolzen starr mit der oberen Deckplatte 11 und der unteren Deckplatte 12 verbunden,

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wobei die Beschichtung 26 an der oberen und der unteren Wärmeübertragung splatte 13 angeschweißt ist.

Die Temperatur des in den Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung eingebrachten Gases sollte unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegen, der von der Art des Kunstharzes abhängt, das zur Herstellung der Wärmeübertragungsplatten 13 verwendet wurde. Bestehen die Wärmeübertragungsplatten 13 vollständig aus Kunstharz, so sollte die Temperatur des zugeftihrten Gases unterhalb des Erweichungspunktes des Kunstharzes liegen. Ist andererseits die Wärneübertragungsplatte aus mehreren Teilen aufgebaut, so kann die Temperatur des Gases nahe am Schmelzpunkt des Kunstharzes liegen.

Versuche haben gezeigt, daß sich keine Bruchgefahr für die Platte ergibt, wenn ein Gas mit einer Temperatur von 15O°C für etwa 10OO Stunden sit einer Geschwindigkeit von 1O m/Sek. durch die Wärmeaustauachkanäle fließt, deren Wärmeübertragungsplatten vollständig aus Polyvinylidenfluorid mit einem Schmelzpunkt von 180°C hergestellt waren. Bei Verwendung von Wärmeübertragungsplatten, die aus mehreren Schichten bestehen, wobei die äußere Schicht Polyvinylidenfluorid und die innere Schicht Aluminium war, konnte die Gastemperatur bis zu 160°C . betragen.

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Obwohl die Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie nicht auf dieses beschränkt, sondern es sind weitere Änderungen und Abwandlungen möglich, die alle unter die Erfindung fallen.

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Claims

Ansprüche

Wärmeaustauscher, insbesondere zum Wärmeaustausch zwischen Gasen, mit einer oberen und einer unteren Deckplatte, gekennzeichnet durch eine Anzahl von zwischen der oberen und der unteren Deckplatte angeordneten, parallele Wärmeaustauschkanäle bildenden Wärmeübertragungsplatten aus Kunstharz, durch eine Anzahl von mit einer Kunstharzbeschichtung versehenen, in den Randbereichen zwischen den Wärmeübertragungsplatten angeordneten, abgedichteten Abstandselementen, durch einen ersten über öffnungen in den Abstandselementen mit einer ersten Gruppe von Wärmeaustauschkanälen verbundenen Gaseinlaß, durch einen zweiten, über Öffnungen in den Abstandselementen mit einer zweiten Gruppe von Wärmeaustauschkanälen verbundenen Gaseinlaß, durch einen ersten über die erste Gruppe von Wärmeaustauschkanälen mit dem ersten Gaseinlaß verbundenen Gasauslaß, durch einen zweiten über die zweite Gruppe von Wärmeaustauschkanälen mit dem zweiten Gaseinlaß verbundenen Gasauslaß und durch eine Klemmeinrichtung zur klemmenden Verbindung von oberer und unterer Deckplatte.
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunstharzbeschichtungen der Abstandselemente mit den Randbereichen der Wärmeübertragungsplatten verschweißt sind.

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3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsplatten aus mehreren Bestandteilen be s tehen.
4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsplatten jeweils eine innere Schicht aus Metall aufweisen.
5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsplatten eine innere Schicht aus einem Metallgitter aufweisen.
6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsplatten aus Kunstharz mit eingelagerten Kohlenstoffäden bestehen.
7. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Wärmeübertragungsplatten verwendete Kunstharz hohen Widerstand gegen Chemikalien und Wärme hat.
8. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharz für die Wärmeübertragungsplatten Polyvinylidenfluorid, Polyvinylfluorid, Polyfluoräthylen, Polytrifluorchloräthylen oder ein Copolymeres aus Polyvinylidenfluorid und Hexafluorpropylen ist.

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9. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Wärmeübertragungsplatten 0,3 mm bis 2 mm beträgt.
10. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente mit Polyvinylidenfluorid, Polyvinylfluorid, Polyfluoräthylen, Polytrifluorchloräthylen oder einem Copolymeren aus Polyvinylidenfluorid und Hexafluorpropylen beschichtet sind.
11· Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsplatten

- sur Erhöhung der Wärmeübertragungsfläche wellenförmige Oberflächen aufweisen»
12. Wärmeaustauscher nach einem der /Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet£ daS die Gaseinlasse und -auslasse mit einer schütgeaäeii Schicht aus Kunstharz beschichtet sind.
13. Wärmeaustauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinlässe und -auslasse dichtend befestigt sind, und daß ihre Schutzschicht mit der oberen und der unteren Wärmeübertragungsplatte verschweißt ist.

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14. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Wärmeübertragungsplatten zwischen 5 mm und 20 mm liegt.

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