DE2505015A1

DE2505015A1 - Waermetauscher und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2505015A1
Application number: DE19752505015
Authority: DE
Inventors: Derek Samuel Brackman
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1974-02-07
Filing date: 1975-02-06
Publication date: 1975-08-14
Also published as: UST952004I4; AU7775175A; JPS5410375B2; FR2273254B1; FR2273254A1; DE2505015C2; JPS50130044A

Description

Patentanwälte:

Dipl-Ing. Tiedtke ·

Dipl.-Chem. Bühling Dipi.-Ing. Kinne

8 München 2

Bavariaring 4, Postfach 202403

Tel.:(089)539653-56 ' Telex: 524845 tipat
cable address: Germaniapatent München

München, den 6· Februar 1975 B 64-34

Imperial Chemical Industries Limited London, Großbritannien

Wärmetauscher und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher"mit Kopfstücken, zwischen denen ein Medium durch mit den Kopfstücken verbundene Kanäle fließt, insbesondere zur Verwendung als Strahlungsaufnehmer oder Strahlungskollektor in einer Sonnenheizung, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers.

Es ist bekannt, Wasser oder ein anderes strömungsfähiges Medium zu erhitzen, indem es durch eine geeignete Einrichtung einer sogenannten Sonnenheizung strömt, die der Sonnenstrahlung

ausgesetzt wird. ' ₅₀₉8 33/0281

Eine Sonnenheizung weist einen Wärmetauscher auf, auf

den im Betriet) die Sonnenstrahlung fällt und dabei ein strömungsfähiges Medium erwärmt, beispielsweise eine Flüssigkeit wie Wasser, das durch den Wärmetauscher strömt, der dabei als Strahlungskollektor arbeitet. -Um Wärmeverluste herabzusetzen, ist er .üblicherweise mit einer oder mehreren G-lasplatten oder transparenten Kunststoffplatten bedeckt und an seiner Unterseite durch eine Wärmeisolierung gestützt.

In einem Aufsatz von K.N. Mathur u.a., Journal of Science and Industrial Research, 1959, Band 18A, Seite 51, wird ein Strahlungskollektor für eine mit Wasser arbeitende Sonnenheizung beschrieben, der zwei gewellte galvanisierte Eisenbleche aufweist, die in spiegelbildlicher Anordnung aufeinandergelegt sind. Durch diese Sandwichanordnung v/erden annähernd kreisförmige Kanäle für das strömende Wasser gebildet. Bei ähnlichen Ausführungsformen werden flache oder gewellte obere Platten verwendet, die aber aus Aluminium oder armiertem Polyester bestehen und dort ebenfalls beschrieben werden.

Sonnenheizungen der beschriebenen Art werden in heißen Klimazonen bereits in größerem Umfang verwendet. In gemäßigten Klimazonen benötigen Sonnenheizungen eine größere Wärmetauscherfläche zur Aufnahme der Sonnenenergie, um eine lohnende Wärmemenge zu erzeugen. Derartige Wärmetauscher sind aber teuer.

Aufgabe der Erfindung istjes daher, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er dauerhaft

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ist und seine Herstellung einfach ist, selbst wenn er eine große Oberfläche aufweist. Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher mit Kopfstücken, zwischen denen ein Medium durch mit den Kopfstücken verbundene Kanäle fließt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die von dem Medium durchflossenen Kanäle in einem vorzugsweise durch Extrusion hergestellten Kunststoffteil ausgebildet sind, wobei der Kunststoff ein hochkristallines Polyolefin ist, wie es unter Verwendung von Übergangsmetall-Polymerisationskatalysatoren hergestellt werden kann.

Anwendungsbereiche derartiger Wärmetauscher sind Radiato-ren mit großer Oberfläche für Zentralheizungssysteme mit Wasserkreislauf sowie Strahlungskollektoren für Sonnenheizungen. Diese sind insbesondere geeignet für die Verwendung in gemäßigten Klimazonen, weil Kollektoren mit großer Fläche und ausreichender'lebensdauer in einfacher Weise geschaffen werden können, die eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen kochendes Wasser haben, falls, der Wasserkreislauf aus irgendeinem Grund unterbrochen wird. Dies unterscheidet die erfindungsgemäßen Wärmetauscher von bekannten, vollständig extrudierten billigen thermoplastischen Wärmetauschern, (beispielsweise aus Polyvinylchlorid, Acryl-Nitril-Butadien-Styrol-Copolymeren oder Polymethyl-Methacrylat), die einen zu niedrigen Erweichungspunkt haben, um dem hydrostatischen Druck bei derartigen Temperaturen zu widerstehen. Andere thermoplastische Materialien mit höherem Erweichungspunkt sind im allgemeinen zu kostspielig.

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In einer "bevorzugten Ausführungsform weist das extrudierte Kunststoffteil zwei im Abstand zueinander angeordnete Platten auf, die durch Rippen miteinander verbunden sind, die den Zwischenraum zwischen den beiden Platten in mehrere geschlossene Kanäle unterteilen, durch die das Medium strömt. Beispielsweise können profilierte extrudierte Platten verwendet werden, wie sie für Verpackungszwecke hergestellt werden; die Herstellungsverfahren für derartige Verpackungsplatten können verwendet werden, um die für die erfindungsgemäßen Wärmetauscher benötigten Platten zu extrudieren. Extrudierte Profilplatten und Verfahren zu ihrer Herstellung sind beispiels weise in der GB-PS 1 o42 732 beschrieben. Bevorzugt werden Profile, die die kleinste Ringspannung (hoop stress) mit guter Wärmeübertragung vereinigen, weil sich damit die längste Lebendauer ergibt. Kanäle mit kreisförmigem Querschnitt führen zwar zur geringsten Ringspannung, aber Kanäle von annähernd quadratischem Querschnitt (beispielsweise Höhe = Breite + ungefähr 25 %) benötigen weniger Material .und haben bessere Wärmeübertragungseigenschaften. Deshalb werden diese letztgenannten Profile bevorzugt, insbesondere wenn sie abgerundete Ecken aufweisen, so daß unerwünscht hohe Spannungsspitzen vermieden werden.

Das die Kanäle aufweisende extrudierte Kunststoffteil, das im Abstand zueinander angeordnete Platten hat, die durch mehrere Rippen miteinander verbunden sind, ist vorteilhafterweise so ausgeführt, daß mindestens eine der beiden im Abstand zueinander angeordneten Platten eine Dicke zwischen o,35 und 1,4o mm hat. Im Handel befindliche profilierte extrudierte Verpackungsplatten mit zwei im Abstand zueinander

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geordneten blattförmigen Platten von ungefähr 0,4 nun Dicke mit Rippen von ähnlicher Dicke, die so angeordnet sind, daß sich Kanäle von angenähert quadratischem Querschnitt ergeben, üblicherweise 4x5 mm, sind geeignet und brauchbar. Dickere Platten von 0,6 bis 1 mm ergeben eine größere Lebensdauer bei nur wenig verringerten Wärmeübertragungseigensehaften. Die Empfindlichkeit eines Strahlungskollektors kann erhöht werden, indem das Wasservolumen pro Flächeneinheit verringert wird, und für noch empfindlichere Kollektoren können schmalere Kanäle verwendet v/erden.

Bevorzugte Polyolefine sind Polypropylen und Polyäthylen hoher Dichte. Beide sind ausreichend widerstandsfähig gegen heißes Wasser, so daß dem seltenen Pail Rechnung getragen wird, daß es zum Kochen kommt; Polypropylen hat jedoch den größeren Sicherheitsbereich und neigt weniger zum Verwerfen oder Quellen, wenn es kochendem Wasser unter hydrostatischem Druck ausgesetzt wird. Polypropylen wird deshalb bevorzugt. Sowohl homopolymere als auch copolymere Arten von Polypropylen können verwendet werden, beispielsweise Copolymere, die bis zu 15 Gewichtsprozent von copolymerisiertem Äthylen enthalten. Polypropylen-Homopolymer neigt zur Sprödigkeit, so daß größere Bruchgefahr besteht, beispielsweise während der Herstellung der Platten, und Copolymere mit mittlerem Äthylengehalt, beispielsweise mit einem Äthylengehalt im Bereich von 6 bis 1o Gewichtsprozent, werden für die meisten Anwendungsfälle bevorzugt, obwohl für einige Anwendungsfälle bei niedrigen Temperaturen höhere Äthylengehalte, beispielsweise bis 15 Gewichtsprozent von copolymerisieitem Äthylen besser

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geeignet sein können. Auch, die PCopf stücke werden vorzugsweise aus diesen ausgewählten Polyolefinen hergestellt, insbesondere aus den weniger spröden Arten von Polypropylen-Copolymer.

Farbstoffe und Pigmente können zugegeben werden, beispielsweise zur Anpassung an die Färbgestaltung eines Raumes; auch Füllstoffe können zugegeben werden, um die physikalischen Eigenschaften zu ändern. Für die Verwendung im Freien, beispielsweise in einer Sonnenheizung, wird die Zusammensetzung des Polypropylens vorzugsweise so gewählt, daß eine größtmögliche Widerstandsfähigkeit gegen Licht und Wärme gegeben ist. Der Kunststoff enthält zweckmäßigerweise 5 Gewichtsprozent schwarzes Pigment, beispielsweise Ruß. Dadurch wird, nicht nur die Beständigkeit gegen Licht erhöht, sondern auch die Wärmeabsorption verbessert. Andere dunkle Materialien können zweckmäßigerweise der Verbindung zugesetzt v/erden, beispielsweise dunkel gefärbtes Ultraviolett und Wärmestabilisatoren, wie Nickel-Stilben-Dithiolat.

Die Wirksamkeit als Absorber oder Emitter von Wärme kann verbessert werden durch eine geeignete Oberflächenbeschichtung. Die Oberfläche kann beispielsv/eise mit schwarzer Polypropylenfarbe beschichtet werden, d.h. einer schwarzen Farbe, die so zusammengesetzt ist, daß sie an einer Polypropylenfläche haftet, die im allgemeinen vorher in geeigneter Weise grundiert wird. Schwarze Wände absorbieren unl senden Strahlungen eines breiten Wellenlängenbereichs. Zwar handelt

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es sich, -um wirksam absorbierende Stoffe für Sonnenstrahlung (in einem breiten Wellenbereich, um o,5 ^un); allerdings neigen sie auch, zu einer wirksamen Abstrahlung mit einer Wellenlänge, die der Wärme der Wand entspricht (beispielsweise ungefähr 8 yum bei 5o c).

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat der Wärmetauscher eine ausgewählte Oberflächenbeschichtung, die ein wesentlich höheres Absorptionsvermögen (und damit auch Abstrahlung) bei bestimmten Wellenlängen hat. Eine Sonnenheizung soll beispielsweise eine Oberflächenbeschichtung haben, deren Absorptionsvermögen in dem Wellenbereich des Sonnenlichts um o,5 /um wesentlich höher ist als die Abstrahlung bei Wellenlängen von ungefähr 5 bis 15 wm, so daß die Rückstrahlung der absorbierten Wärme als Infrarot-Strahlung verringert wird (wobei die Wellenlänge von der Wandtemperatur abhängt). Es wurde beispielsweise vorgeschlagen, eine Kupferfläche mit einer Lösung von Hatriumchlorit und Natrium-Hydroxid (227 g bzw. 454 g pro 4,5 kg Wasser bei 6o° c) zu behandeln (beispielsweise vorgeschlagen von J.J. Close, Csiro Engineering Section report EI)7, Juni 1962), um eine besonders geeignete Oberfläche zur Absorbierung von Sonnenstrahlung zu erhalten; die Polypropylenfläche kann mit Kupferfolie beschichtet werden, die auf diese Weise behandelt ist. Un Wärme abzuleiten, muß eine Oberfläche gewählt werden, deren Abstrahlung bei Wellenlängen von ungefähr 5 bis 15 um wesentlich höher ist als die Absorption in dem Sonnenlicht-Wellenlängenbereich um o,5 P.m. Derartige Oberflächen wurden beispielsweise von Prof. Silvestrini vorgeschlagen (Conference on Solar Energy Utilisation, Brighton Polytechnic, 9, Juli 1974), der einen'

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spiegelnden Aluminiumreflektor "beschrieb, der mit einem geeigneten billigen Kuststofffilm bedeckt war.

Auf die Polyolefinoberfläche können verschiedene OberflächenbeSchichtungen aufgebracht werden, entweder unmittelbar oder mittels eines Klebstoffs. Aufgeklebte Beschichtungen können von einem Träger getragen werden, beispielsweise Kunststoff -Filmen, oder sie können selbsttragend sein, beispielsweise Metallfolie. Venn die aufgebrachte Beschichtung jedoch Übergangsmetalle enthält, sollten diese von dem Polyolefin isoliert werden, beispielsweise durch eine geeignete Grundierung, da diese abbauend wirken.

Der Wärmetauscher kann sehr einfach an einen Anwendungsfall als Sonnenstrahlungskollektor angepasst werden. Wenn nur eine geringe Temperatur auftritt, oder nur ein geringer Wirkungsgrad gefordert wird, kann er einfach auf einer geeigneten Unterkonstruktion angebracht werden, beispielsweise einem Dach; die Verbindungen zu dem Heißwassersystem, einem Schwimmbad oder anderen Verwendungsstellen für die absorbierte Energie können in bekannter V/eise mit geeigneten Rohrleitungen hergestellt werden. Vorzugsweise wird der Wärmetauscher, insbesondere in gemäßigteren Klimazonen, in eine wärmeisolierte Kammer eingeschlossen, die ein Fenster, beispielsweise aus Glas, in einer Fläche aufweist, um die Sonnenstrahlung zum Wärmetauscher gelangen zu lassen. Das strömende Medium, beispielsweise Wasser, wird im Wärmetauscher durch die Sonnenstrahlung erhitzt und im Kreislauf zum Energieverbraucher durch thermischen Umlauf oder eine Pumpe ge-

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fördert. Ein ähnlicher Aufbau kann als wärmeableitende Wand verwendet werden, wobei vorausgesetzt wird, daß das Fenster für Infrarot -Strahlung durchlässig ist und für die Sonnenstrahlung vorzugsweise undurchlässig ist.

Die Wärmetauscher brauchen nicht flach zu sein; durch Erhitzen der Platte bis zum Erweichen kann sie in einer geeigneten Kurve gebogen werden, oder sie kann von Anfang an gekrümmt extrudiert werden. Anwendungsbeispiele, bei denen gekrümmte Formen vorteilhafterweise verwendet werden können, sind beispielsweise mit Spitzen versehene Sonnenstrahlungskollektoren, bei denen ein zylindrischer Kollektor auf der Spitze (Scheitel) zwischen zwei konkaven Reflektoren angebracht ist, wobei jeder Reflektor im Querschnitt im wesentlichen angenähert eine Evolvente darstellt.

Die die Kanäle aufweisenden extrudierten Kunststoffteile können mit den Kopfstücken nach üblichen Heißgasverfahren zum Schweißen thermoplastischer Materialien verschweißt werden, wobei die thermoplastischen Materialien .und das Schweißmaterial durch einen Heißgasstrom aus einer Schweißdüse aufgeheizt werden, bis die Materialien weich v/erden und es zu einer Verschweißung kommt. Wenn jedoch derartige dünnwandige Bauteile wie die profilierten extrudierten Verpackungsplatten in dieser oder ähnlicher Weise erhitzt werden, fallen die dünnen Wände zusammen und von den Kopfstücken ab, wenn sie nicht geeignet gestützt werden. Dieses Problem

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kann überwunden werden durch Verwendung von kammähnlichen Stützbauteilen, deren Zähne jeweils in die Strömungskanäle eingeführt werden; diese Bauteile werden durch die Kopfstücke nach der Herstellung herausgezogen. Dieses Verfahren ist jedoch sehr arbeitsaufwendig und im allgemeinen nicht wirtschaftlich^verglichen mit dem Lösungsschweißverfahren, das bei anderen Materialien möglich ist. Außerdem ist es schwierig zu verhindern, daß die Platten Palten werfen, was unerwünscht ist, weil es ein Anzeichen für Spannungen ist, die zu einem vorzeitigen Ausfall des Bauteils führen könnten. Es hat sich gezeigt, daß das Faltenwerfen von Polypropylenplatten durch eine Wärmebehandlung beispielsweise bei 15o° c über Nacht nicht verhindert werden konnte.

Ein besonders vorteilhaftes erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbinden der mit Kanälen versehenen extrudierten Kunststoffteile mit den Kopfstücken bei der Herstellung eines Wärmetauschers aus Polyolefin der beschriebenen Art ist dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Kanälen versehenen extrudierten Kunststoffteile und die damit zu verbindenden Kopfstücke in benachbarte Positionen gebracht werden, daß auf diese Teile eine flüssige Raupe eines mit diesen Teilen verträglichen thermoplastischen Dichtungs- und Verbindungsmittels mit einer Temperatur oberhalb der Schmelzpunkte der thermoplastischen Materialien dieser Teile aufgebracht wird, wobei die Raupe ausreichend Wärme enthält, um das thermoplastische Material beider Teile teilweise zu schmelzen, auf die die Raupe aufgebracht wird, bevor sie erstarrt^ wodurch die Raupe

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beide Teile durch Verschmelzen miteinander verbindet und beim Abkühlen eine Sehweißverbindung zwischen dem mit Kanälen versehenen extrudierten Kunststoffteil und den Kopfstücken bildet.

Durch geeignete Auswahl der Temperatur und der Größe der Raupe können sogar dünnwandige extrudierte Kunststoffteile, wie profilierte extrudierte Verpackungsplatten erfolgreich verschweißt werden, ohne daß es zu einem spürbaren Verwerfen kommt, auch ohne daß Stützbauteile in den Kanälen angeordnet werden. Zum Verschweißen der Kopfstücke aus Polypropylen mit einem die Kanäle aufweisenden extrudierten Kunststoffteil aus Polypropylen wird als Verbindungsmittel vor- . zugsweise ebenfalls Polypropylen genommen, vorzugsweise mit einer ähnlichen polymeren Zusammensetzung. Das Polypropylen-. Verbindungsmittel wird den zu verbindenden Teilen vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 25o - 35o° C aufgebracht (wobei ein Material von geeigneter Schmelzviskosität verwendet wird) v/obei jedoch Temperaturen von mindestens 27o° σ bevorzugt werden, um eine gute Adhäsion an dicken Abschnitten zu erreichen. Bei der Verwendung einer profilier ten extrudierten Platte aus Polypropylen, die aus einem Copolymer mit mittlerem Äthylengehalt mit einem Schmelzflußindex (23o° C/2Kg) von 0,6 besteht, wird ein Polymer mit niedrigerem Molekulargewicht und höheren Äthylengehalt und einem Schmelzflußindex (23o° C /2 Kg) von 7,5 auf die Platte bei einer Temperatur von 25o° C e±trudiert. Zwar wurde eine gute Adhäsion an dem dünnen Blatt von 0,4 mm Dicke der Platte erreicht, die Adhäsion an einem

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5o mm dicken Kopfstückrohr war jedoch nicht ausreichend. An einem dünneren Abschnitt ist die Adhäsion im allgemeinen besser, an einem dickeren Abschnitt ist sie schlechter. Bei höheren Temperaturen als 25o ⁰C besteht die Gefahr, die dünnwandigen Platten zu beschädigen, die für die Wärmetauscher besonders gut geeignet sind. Die zweckmäßigste Temperatur hängt stark von der Dicke der Platte ab. Bevorzugte Temperaturen des Verbindungsmittels beim Verbinden von mit Kanälen versehenen extrudierten Kunststoffteilen mit Kopfstücken ähnlicher Abmessungen wie oben angegeben liegen im Bereich von 3oo - 31 ο C,

Der Schmelzflußindex (melt flow index) sollte so sein, daß eine vollständige Steuerung bei gewählten Temperaturen möglich ist. So hat sich gezeigt, daß das oben beschriebene Verbindungsmittel mit einem Schmelzflußindex (23o°c/ 2Kg) von 7,5 zu flüssig war, um es bei den bevorzugten Temperaturen von 300-31 ο C vollständig zu steuern. Verbindungsmittel aus Polypropylen mit einem mitferen Äthylengehalt und einem Schmelzflußindex (23o°C/ 2Kg) von o,S haben sich als besser geeignet erwiesen. Pur Schweißungen, die eine hohe Lebensdauer aufweisen sollen, insbesondere an dicken Abschnitten (die durch ihre höheren Wärmekapazitäten im allgemeinen höhere Temperaturen des Verbindungsmittels erfordern), v/erden vorzugsweise die üblichen Vorsichtsmaßnahmen ergriffen, wie Abschirmung mit Inertgas und/oder die Verwendung von hoch stabilisierten Materialien. Die thermoplastischen Materialien der Kopfstücke und der mit Kanälen versehenen extrudierten Kunststoffteile können andere sein als das Verbindungsmittel, vorausgesetzt daß sie verträglich sind. "Verträglich" soll in diesem Zu-

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sammenhang bedeuten, daß beim Zusammenbringen der beiden Materialien in flüssigem Zustand die Materialien miteinander verschmelzen und beim Erstarren eine feste Schweißverbindung bilden.

Die Schweißraupe wird vorzugsweise auf die Gegenstände extrudiert,. wobei das Extrudermundstück nahe an der Oberfläche des Gegenstandes gehalten wird, um eine vorzeitige Abkühlung der Raupenoberfläche zu vermeiden. Dies kann bei manchen Anwendungsfällen, insbesondere wenn der Wärmetauscher sehr unhandlich ist, dadurch erleichtert werden, daß der Wärmetauscher still gehalten wird und ein kleiner, in der Hand zu haltender Extruder verwendet wird, der durch einen entfernt dazu angeordneten Antriebsmotor angetrieben wird, beispielsweise über einen flexiblen mechanischen Antrieb oder eine hydraulische Antriebseinrichtung von einem ortsfesten Antriebsmotor aus. Stattdessen kann der Extruder auch auf einer beweglichen Trageinrichtung mit Gewichtsausgleich angeordnet sein, so daß das Gewicht des Extruders nicht von der Bedienungsperson getragen werden muß. Zum Extrudieren von großen Mengen von Verbindungsmittel und/oder zur Herstellung geradliniger Verbindungen kann der Extruder ortsfest aufgestellt sein und die Wärmetauscher können in der erforderlichen Art bewegt werden.

Zur Erläuterung der Erfindung werden spezielle Ausführungsformen von Wärmetauschern und geeigneten, von Hand zu tragenden Extrudern als Ausführungsbeispiele der Erfindung in der Zeichnung dargestellt und beschrieben. Es zeigen:

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Figur 1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers,

Figur 2 einen Querschnitt durch den Wärmetauscher nach Figur 1,

Figur 3 einen Längsschnitt durch den-Wärmetauscher nach Figur 1,

Figur 4 eine Sonnenheizung mit dem Wärmetauscher nach Figur 1 als Strahlungskollektor,

Figur 5 eine auseinandergezogene Darstellung' eines anderen erfindungsgemäßen Wärmetauschers,

Figur 6 einen Querschnitt durch einen Teil des Wärmetauschers nach Figur 5, wobei die Verbindungsstelle zwischen dem Kopfstück und dem die Kanäle aufweisenden extrudierten Kunststoffteil dargestellt ist,

Figur 7 eine Draufsicht auf einen von Hand zu haltenden Extruder,

Figur 8 eine Seitenansicht des Extruders nach Figur 7,

Figur 9 einen Querschnitt durch einen Kollektor der Bauart mit Scheitel mit einem anderen erfindungsgemäßen Wärmetauscher und

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Figur 1o einen Querschnitt durch einen parabolförmigen Kollektor, bei dem der parabolförmige Reflektor ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher ist.

Die Zeichnungen sind nur schematisch ausgeführt, wobei Tragbauteile und Teile, die zum Verständnis nicht erforderlich sind, weggelassen worden sind.

Der in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Wärmetauscher weist ein extrudiertes Teil 1 ο aus.Polypropylen auf, das mit Kopfstücken 11 und 12 verbunden ist. Das Kopfstück 11 hat ein Einlaßrohr 13 und das Kopfstück 12 hat ein Auslaßrohr 14. Wie in Figur 2 gezeigt, hat das extrudierte - Polypropylenteil 1o obere und untere Platten 2o und 21, die durch Rippen 22 aus Polypropylen miteinander verbunden sind. Die Zwischenräume zwischen den Rippen 22 bilden Kanäle 23, durch die Wasser strömen kann. Die Kopfstücke 11 und 12 sind extrudierte Polypropylenrohre mit Lippen 15 und 16, die auf dem extrudierten Tel] 1 ο dicht befestigt sind; sie sind mit Kappen verschlossen. Wenn Wasser durch den Einlaß 13 in das Kopfstück

11 eintritt, strömt es durch die Kanäle 23 in das Kopfstück

12 und von dort durch den Auslaß 14 nach außen. Der Wärmetauscher kann als Radiator verwendet werden, d.h. warmes V/asser, das durch den Wärmetauscher fließt, gibt Wärme an " die kühlere Umgebung ab, oder als Einrichtung zum Erhitzen von Wasser, d.h. durch den Wärmetauseher fließendes kühleres Wasser nimmt Wärme von der wärmeren Umgebung oder Energie

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- 16 einer Strahlung auf, die auf den Wärmetauscher fällt.

Die in Figur 4 gezeigte Einrichtung zum Erwärmen von Wasser durch Sonnenenergie, hier kurz als Sonnenheizung bezeichnet, weist einen Strahlungskollektor 3o auf (der ein Wärmetauscher nach den Figuren 1 "bis 3 ist), der in einem hölzernen Kasten 31 mit einer unteren Wand 32 und einem Rand 33 aufgenommen ist. Das Oberteil des Kastens ist mit einem Glasfenster 34 bedeckt; eine Wärmeisolierung 35 ist hinter dem Kollektor 5o angeordnet. Die Einlaß- und Auslaßrohre gehen durch den Rand 33 hindurch. Im Betrieb wird die Heizeinrichtung mit einem Wasserkreislauf verbunden, der einen (nicht dargestellten) Heißwasser-Speicherbehälter aufweist; die Heizeinrichtung wird so aufgerichtet, daß sie um ungefähr 3o gegenüber der Horizontalen geneigt und nach Süden gerichtet ist (um die Strahlungsenergie während des ganzen Jahres in Welwyn Garden City, England, aufzunehmen). Das Glasfenster 34 erzeugt einen "Gewächshauseffekt" und verstärkt dadurch die Erwärmung des V/assers. Der Kasten 31 und das Fenster 34 bilden eine Kammer, die als Wärmeisolierung wirkt, um die Wärmeverluste zu verringern.

Viele Isoliermaterialien können zur Herstellung des Kastens 31 verwendet werden; beispielsweise sind Schaumkunststoffe eine vorteilhafte Alternative zu Holz.

Der in den Figuren 5 und 6 dargestellte Wärmetauscher weist eine aus Polypropylen bestehende profilierte extrudierte Verpackungsplatte 51 auf, die an beiden Enden mit Kopfstücken

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52, 53 aus Polypropylen verbunden ist. (Bei der auseinandergezogenen Darstellung in Figur 5 sind diese im Abstand dargestellt). Die Platte ist 4- mm dick und weist zwei im Abstand zueinander angeordnete Blätter oder Platten von ungefähr o,4 mm Dicke auf, die miteinander durch mehrere Rippen (ebenso ungefähr o,4 mm dick) verbunden sind, die im Abstand von ungefähr 5 mm zueinander angeordnet sind. Die Rippen teilen den Zwischenraum zwischen den beiden Blättern in mehrere parallele geschlossene Kanäle auf, die sich von einem Kopfstück zum anderen erstrecken. Die Rippen und die beiden Blätter sind einstückig extrudiert aus Polypropylen mit einem mittleren Äthylengehalt (d.h. ungefähr 6 - 1 ο Gewichtsprozent) mit einem Schmelzflußindex (23o° C / 2Kg) von o£.

Die Kopfstücke sind aus Polypropylenrohren mit 4 cm Durchmesser und einer Wanddicke von ungefähr 6,4 mm hergestellt; in die Seite des Rohres ist ein angefaster Schlitz 14 gefräst, der ausreichend breit ist zur Aufnahme eines Endes der Platte, wobei die äußeren Kanten des Schlitzes, angefast sind. Beim Zusammenbau des Wärmetauschers werden die Enden der Platte jeweils in den Schlitz der Kopfstücke eingeführt und es wird eine Raupe 55 eines Dichtungs- und Verbindungsmittels aufgebracht, um die beiden Teile in der nachfolgend beschriebenen V/eise zu verschweißen.

Als Extruder zum Extrudieren des Verbindungsmittels wurde ein kleiner, in der Hand zu haltender Extruder verwendet, wie er in den Figuren 7 und 8 dargestellt ist. Der

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Extruder weist eine Grundplatte 71 mit zwei Handgriffen 72 und 73 auf. Auf der Grundplatte sind zwei Lager 74 und 75 angebracht; aus dem Lager 75 erstreckt sich ein Trichter 76 und ein Zylinder 77 mit einem Außendurchmesser von 25,4 mm. Um den Zylinder sind zwei 175-Watt-Heizmanschetten angeordnet; der Zylinder endet in einer kegelförmigen Aluminiumnase 78 mit 45 und einer Düse von 1,6 mm Dtnr. Im Zylinder ist eine einfache. Schnecke von 9,5 mm Durchmesser und ungefähr 152 mm Länge angeordnet. Die Schnecke hat eine Antriebswelle 79, die mit einer flexiblen Antriebswelle 8o über eine flexible Kupplung 81 verbunden ist; die flexible Welle ist in dem Lager 74 aufgenommen, an dem ein flexibles Drehrohr 82 angebracht ist, das die flexible Welle umgibt.

Zur Herstellung des Wärmetauschers wurden die Enden der Platte in die Schlitze 34 der beiden Kopfstücke eingeführt. Der Trichter des Extruders wurde mit einem Pulver von Polypropylen mit einem mittleren Äthylengehalt und einem Schmelzflußindex (23o° C / 2Kg) von o,8 gefüllt und mit Druckluft kühl gehalten..Die Schnecke wurde durch einen (nicht dargestellten) Elektromotor über den flexiblen Antrieb gedreht, und das in den Zylinder geschmolzene Pulver, das durch die Heizmanschetten erhitzt wurde, wurde bei einer Temperatur von 31o° c in Berührung mit der Platte und dem Kopfstück extrudiert. Zwei Durchgänge wurden um den gesamten Umfang des Schlitzes ausgeführt; man erhielt eine sichere, gut dichtende Verbindung, ohne daß es au einer spürbaren T?al benbildung oder einem anderen Verwerfen der dünnwandigen Platte

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kam. Jede erforderliche Anzahl von Schichten des Verbindüngsmaterials kann aufgebracht werden» um eine Raupe von angemessener Dicke und Festigkeit zu erhalten. Wenn der Schlitz sehr stark angefast wurde, können mehr als die "beschriebenen zv/ei Durchgänge bei diesem Extruder erforderlich sein.

Bei dem beschriebenen kleineren Anwendungsfall wurden nachteilige Einflüsse durch die Kühlung des Trichters mit Druckluft verringert. Wenn man eine längere Extrusion ausführt, empfiehlt es sich jedoch, unter einer Abschirmung von Inertgas zu extrudieren, beispielsweise Kohlendioxid oder Stickstoff. -

Um die Erfindung noch näher zu erläutern und ihre Wirksamkeit zu zeigen, wurden Vergleichsversuche an Beispielen durchgeführt. In den Beispielen 1 bis 4 ist die Verwendung eines Kollektors aus Polypropylen gemäß der Erfindung beschrieben; die Beispiele 5 "bis 8 beschreiben die Verwendung eines herkömmlichen Kollektors, um einen Vergleich zu erhalten.

Ein Wärmetauscher, der aus einer herkömmlichen neutral gefärbten profilierten extrudierten Verpackungsplatte hergestellt war, wie er in Figur 5 beschrieben ist, wurde grundiert und mit einer geeigneten matten schwarzen Polypropylenfärbe (d.h. einer auf grundiertem Polypropylen haftenden Farbe) gestrichen, wobei sich die Farbschicht auch über das Kopfstückrohr erstreckte. Der Polypropylen-Wärmetauscher hätte eine

2 wirksame Aufnahmefläche von o,797 m . Dies war der bei den

Beispielen 1 bis 4 verwendete Kollektor.

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Der Vergleichskollektor der Beispiele 5 bis 8 "bestand aus einem Aluminiumblech von 183 x 43,5 cm (d.h. eine Fläche von o,796 m ), das mit 2 cm dicken geschäumten Polystyrol hinterlegt war. In die Aluminiumplatte waren drei symmetrisch angeordnete Steigrohre im Abstand von 14,5 cm in Schlitzen gelegt und führten zu Kopfstücken. Die Oberfläche der Aluminiumplatte und der Steigrohre war mattschwarz gestrichen. Diese Metallplatten werden als Sonnenenergiekollektoren angeboten.

Die aus Metall bzw. Polypropylen bestehenden Platten wurden Seite an Seite in denselben Kasten gelegt, der mit einer Neigung von 45° nach Süden gerichtet war. Das Unterteil des Kastens war mit Mineralwolle mit einer Dicke von 5 cm isoliert, die mit Glasgewebe bedeckt war; eine, transparente Kunststoff-Folie war straff über die' Oberseite des Kastens ohne Berührung mit den Platten gespannt. Das Unterteil und die Seiten des Kastens bildeten zusammen mit dem Kunststoff-Folienfenster eine isolierte Kammer um die beiden Platten. Die beiden Platten waren mit ihren unteren Enden mit einem gemeinsamen Behälter verbunden, der so angeordnet war, daß er den Platten Wasser mit einem Druck von 3 m Wassersäule zuführte. Die oberen Enden der Platten hatten gesonderte Auslässe, die über Drosselventile zu gesonderten kalibrierten Sammelgefäßen führten.

Um die relative Wirksamkeit der beiden Platten zu messen, wurden die Drosseln geöffnet und das kalte Wasser trat in die Platten mit dem aufgebrachten hydrostatischen Druck ein. Die Temperaturen des in die beiden Platten eintretenden Wassers waren in jedem- Fall im wesentlichen dieselben wegen'

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der gemeinsamen Quelle; der Temperaturanstieg wurde durch die von der Platte infolge der Sonnenstrahlung absorbierte Wärme bewirkt. Temperaturfühler maßen die Temperatur des Wassers, das in jede Platte hinein und aus dieser heraus floß; die Drosselventile wurden so eingestellt, daß die Temperaturanstiege in den beiden Platten angenähert dieselben waren. Dies erfolgte, um Strahlungsverluste der Platten auszugleichen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst; die Messungen der Beispiele 1 und 5 wurden gleichzeitig ausgeführt, ebenso die anderen Paare von Beispielen, nämlich 2 und 6, 3 und 7 sowie 4 und 8.

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cn ο co oo co

O OD

Beispiel	Kollektor	V/asser temperatur ° C	Auslaß	Anstieg	Strömungsmenge	angesammelte Wärme	Verhältnis P M
1 5	Kunststoff P Mp+a11 M	Einlaß	52,o 48,5	33,2 29,7	ml s ~	-2 -1 cal m s.	.1,19
2 6		18,8 18,8	24,o 24,o	6,o 6,o		einzeln	1,22
3 ■ 7	P M	18,0 18,o	51,o 51,o	2o,o 2o,o	4,25 4,oo	141 119	1,15
4 • 8	P ■ M	31,o 31,o	6o,5 62,o	19,5 ■ 21,o	5,8o 4,75	348 215	1,18
P M	41,0 41,o	7,15 6,2o	153 124
P M	7,75 6,o5	.151 128

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Die in der obigen Tabelle angegebenen Ergebnisse wurden bei klarem Himmel im August in Welwyn Garden City, England, erhalten und zeigen, daß unter diesen Bedingungen der PoIypropylen-Strahlungskollektör wirksamer war als der geprüfte Metallkollektor.

Beide Platten hatten ähnliche schwarze Flächen, so daß die tatsächlich absorbierte Wärme im wesentlichen die gleiche sein mußte, wobei Unterschiede auf Verluste bei der Übertragung der Wärme von der Absorptionsstelle zu den Strömungskanälen zurückzuführen sind. Die Ergebnisse zeigen die Torteile, die man dadurch erhält, daß ein direkter und sehr kurzer Wärmeleitweg zu dem im Kreislauf geführten Medium geschaffen wird, wobei diese Folgerung noch durch die viel höhere Leitfähigkeit des Aluminiums unterstützt wird. Derartige Formen sind jedoch nur schwierig und mit hohem Kostenaufwand aus Metall herzustellen, während sie einfach und vollständig und verhältnismäßig billig aus den angegebenen Polyolefinen hergestellt werden können bei Anwendung normaler Extrusionsverfahren. · ■ . '

Beispiel 9

Ein Polypropylen-Strahlungskollektor, wie er bei den Beispielen 1 bis 4 beschrieben wurde, wurden in einen wärmeisolierten Kasten gelegt mit einem Fenster, um die Sonnenstrahlung zu dem Wärmetauscher gelangen zu lassen. Die' Iso- lierung unter dem Kollektor war eine 5 cm dicke Schicht von Mineralwolle, und das Fenster bestand,aus'einer transparenten

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"biaxial gerichteten Polyäthylen-Terephthalat-Folie. Der Kollektor war mit einem Behälter mit 13o 1 Fassungsvermögen verbunden, der mit einer 5 cm dicken Schicht von Mineralv/olle ummantelt war, wobei sich der Boden des Behälters o,6 mm über der Oberkante der Wand befand; die gesamte Druckhöhe des Wassers betrug 3 m. Das untere Kopfstück war mit dem unteren Ende des Behälters verbunden; entsprechend war das obere Kopfstück mit dem oberen Teil des Behälters verbunden. Auf diese Weise konnte das Wasser frei zirkulieren und bei der Erwärmung der Platte stieg das Wasser nach oben, so daß es zu einem Thermosyphon-Kreislauf kam. Die wirksame Fläche,

2 auf der die Strahlung aufgenommen wurde, betrug o,797 m .

An einem sonnigen Tag im Juni in Welwyn Garden City, England, war die Ausgangstemperatur ungefähr 2o° C; nach 6 Stunden hatte die Wassertemperatur 5o C erreicht.

Der mit einem Scheitel versehene Kollektor nach Figur 9 hat einen zylindrischen Wärmetauscher 91 , der aus Polypropylen extrudiert ist, das 2,5 .Gewichtsprozent Ruß enthält; er weist zwei zylindrische Platten 92, 93 auf, die durch mehrere Längsrippen 94 verbunden sind, die den Zwischenraum zwischen den beiden Platten in mehrere geschlossene Kanäle unterteilen. An beiden Enden der Kanäle sind ringförmige (torusförmige) Kopfstücke (nicht dargestellt) mit Einlaßrohren bzw. Auslaßrohren angeordnet. Der Wärmetauscher ist am Scheitel der beiden gekrümmten Heflektorflächen 95, 96 angebracht. Im Betrieb wird die Sonnenstrahlung durch die ge-

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krümmten Flächen auf den Wärmetauscher reflektiert, wo sie durch den schwarzen Kunststoff absorbiert und in Wärme umgewandelt wird. Ein Medium strömt im Kreislauf durch den Wärmetauscher von einem Kopfstück zum andern und führt dabei die Wärme ab, die verwendet werden kann.

Die in Figur 1 ο gezeigte Sonnenheizung ist von etwas lcoraplexerem Aufbau und bildet eine primäre und eine sekundäre Wärmequelle. Die Heizeinrichtung weist einen tiefen Trog 1 ot auf, mit sich parallel erstreckenden Längskanten 1o2 und hat einen parabolischen Querschnitt. Im Brennpunkt der Parabel erstreckt sich längs des Troges ein Strahlungskollektor 1o3. Die Innenfläche 1o4 des Troges ist teilweise reflektierend und überträgt ungefähr 1 ο % der Strahlung. Im Betrieb ist die Parabel zur Sonne gerichtet, so daß direkte Strahlen auf den Kollektor 1o3 fokussiert werden. Da diese nur reflektiert sind, stehen ungefähr 9o % der direkten Strahlen zur Absorption durch den Kollektor 1o3 zur Verfügung. Dadurch wird eine gute Hochtemperatur-Primärwärmequelle geschaffen, jedoch ist in gemäßigten Klimazonen ungefähr die Hälfte der Sonnenstrahlung indirekt, und diese würde nicht auf den Kollektor 1o3 fokussiert.

Der dargestellte Trog besteht jedoch aus einem mit Kanälen versehenen extrudierten Kunststoffteil und "weist zwei dünne Platten 1o5, 166 auf, die durch mehrere Rippen 1 o7 verbunden sind zur Bildung von Längskanälen 108. An beiden Enden sind (nicht dargestellt) Kopfstücke angeordnet, ■

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die zusammen mit dem die Kanäle aufweisenden extrudierten Kunststoffteil einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher bilden. Die indirekte Strahlung wird in der tiefen Parabel mehrfach reflektiert, und nach 5 bis 6 Reflektieren ist ungefähr die Hälfte des Lichtes durch die teilweise reflektierende Oberfläche 1o4 zur Absorption durch den Wärmetauscher und das darin strömende Medium übertragen. Dadurch wird eine sekundäre Wärmequelle von (im allgemeinen) niedrigerer Temperatur geschaffen. Die zur Absorption durch die sekundäre Wärmequelle verfügbare Wärme schließt den Teil der direkten Strahlen ein, die übertragen werden, ebenso wie die übertragene indirekte Strahlung. Vorzugsweise werden reflektierende Oberflächen mit Übertragungen von 1o - 14 % verwendet, das Optimum hängt jedoch weitgehend von den vorliegenden Bedingungen ab.

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Claims

Patentansprüche

1 j Wärmetauscher mit Kopfstücken, zwischen denen ein Medium durch mit den Kopfstücken verbundene Kanäle fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Medium durchflossenen Kanäle (23, 1o8) in einem durch Extrusion hergestellten Kunststoffteil (1o, 51, 91, 1oi) ausgebildet sind, wobei der Kunststoff ein hochkristallines Polyolefin ist, wie es unter Verwendung von Übergangsmetall-Polymerisationskatalysatoren hergestellt werden kann.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 , d a d u r e h gekennzeichnet, daß das aus Polypropylen extrudierte Kunststoff teil (1 o, 51 »91*101) zwei im Abstand zueinander angeordnete Platten (2o, 21, 92, 93, 1o5, 1o6) aufweist, die durch Kippen (22', 94, 1o7) miteinander verbunden sind, die den Zwischenraum zwischen den beiden Platten in mehrer.e geschlossene Kanäle (23, 1o8) unterteilen, durch die das Medium strömt.
3. Wannetem seher nach Anspruch 2, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die geschlossenen Kanäle (23, 1o8) einen annähernd quadratischen Querschnitt haben.

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4. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden im Abstand zueinander angeordneten Platten (2o, 21, 92, 93, 1o5, I06) eine Dicke von o,35 bis 1,4o mm hat.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyolefin ein Propylen-Homopolymer oder ein Copolymer davon mit bis zu 15 Gewichtsprozent Äthylen ist.
6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch, gekennz.eicb.net, daß die Kopfstücke (11, 12, 52, 53) aus Propylen-Homopolymer oder einem Copolymer davon mit bis zu 15 Gewichtsprozent Äthylen bestehen.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Copolymer einen Äthylengehalt von 6 bis 1o Gewichtsprozent hat.
8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet, durch eine ausgewählte Oberflächenbeschichtung mit erheblich erhöhter Absorptionsfähigkeit für bestimmte Wellenlangen.
9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher in eine wärmeisolierte Kammer (31, 34) eingeschlossen ist, die in einer Fläche ein Fenster (34) aufweist, um

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die Sonnenstrahlung zu dem Wärmetauscher durchzulassen»

1o. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die mit Kanälen versehenen extrudierten Kunststoffteile mit den Kopfstücken verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Kanälen versehenen extrudierten Kunststoffteile und die damit zu verbindenden Kopfstücke in benachbarte Positionen gebracht v/erden, daß auf diese Teile eine flüssige Raupe eines mit diesen Teilen verträglichen thermoplastischen Dichtungs- und Verbindungsmittels mit einer Temperatur oberhalb der Schmelzpunkte der thermoplastischen Materialien ^r dieser Teile aiifgebracht wird, wobei die Raupe ausreichend Wärme enthält, um das thermoplastische Material beider Teile teilweise zu schmelzen, auf die die Raupe aufgebracht wird, bevor sie erstarrt, wodurch die Raupe beide Teile durch Verschmelzen miteinander verbindet und beim'Abkühlen eine Schweißverbindung zwischen dem mit Kanälen versehenen extrudierten Kunststoffteil und den Kopfstücken bildet.

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