DE3328548A1

DE3328548A1 - Speichermaterial fuer waermeuebertragung

Info

Publication number: DE3328548A1
Application number: DE3328548A
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. 6900 Heidelberg Frauenfeld; Rüdiger von Ing.(grad.) 6901 Heiligkreuzsteinach Wedel
Original assignee: Kraftanlagen AG
Current assignee: Kraftanlagen AG
Priority date: 1983-08-08
Filing date: 1983-08-08
Publication date: 1985-02-21
Also published as: EP0152412A1; WO1985000879A1; JPS60501965A; US4577678A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Speichermaterial für die Wärmeübertragung zwischen Gasströmen in Wärmetauschern aus abstandshaltenden, leistenfSrmigen Pro filelern ent en und mehreren, als Speicherelemente dienenden plattenförmigen Profilelementen aus wärmebeständigem Kunststoff, die zu Speicherblöcken zusammengesetzt sind, nach Patent 32 07 213.

Beim Speichermaterial gemäß Hauptpatent sind die abstandhaltenden, leistenförmigen und die wärmespeichernden, plattenförmigen Profilelemente aus Polyphenylenoxid oder einem Copolymerisat aus Polyphenylenoxid und Polystyrol oder aus Polyphenylenoxid-Polystyrol-Polyblends hergestellt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zrigrunde, die Dauerbelastbarkeit des Speichermaterials bei gleichzeitig erhöhtem Temperaturniveau weiter zu verbessern. Außerdem soll die Herstellung des Speichermaterials aus den platten- und leistenförmigen Profilelementen erleichtert werden.

Ausgehend von einem Speichermaterial der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Profilelemente aus Polyätherimid hergestellt sind. Hochmolekulare Imide sind in der Kunststofftechnik hauptsächlich als temperaturbeständige Duroplaste bekannt. Durch Einarbeitung von Imiden mit hoher Wärmebeständigkeit und Festigkeit über Ätherbindungen in amorphe Polyäther, d.h. höher molekulare Verbindungen mit zahlreichen Ätherbindungen, stehen nunmehr Jolyäfcherimide zur Verfügung, die thermoplastische Eigenschaften

haben, d.h. sich aufgrund ^uLor Fließfähigkeit und Schmelze tabl Ii t..^:it leicht zu Profilei eine nt en formen sowie mit allen für Thermoplaste üblichen Verfahren verarbeiten lassen. Für die Verarbeitung zu leisten- und plattenförmigen Profilelementen können also sowohl Spritzguß- als auch Extrusionsverfahren angewandt werden. Durch die hohe Temperaturbeständigkeit sind die Massetemperaturen zwischen 3^+0 und 425 C, vorzugsweise etwa bei 400 C, zu wählen. Dabei ist lediglich zu beachten, daß für die Verarbeitung beheizte Werkzeuge eingesetzt werden, deren Oberfläche eine Temperatur zwischen 70 und 170 C, vorzugsweise etwa 95 C aufweist. Durch die Wahl optimaler Verarbeitungε temperaturen werden durch das bessere Fließverhalten des Werkstoffs optimale Eigenschaften der gefertigten Profilelemente, beispielsweise hohe Festigkeit der Fließnähte sowie hohe Wärme- und Chemxkalienbeständigkeit bei optimalen Zykluszeiten trotz des amorphen Werkstoffs erhalt en.

Die Verbindung der abstandshaltenden lexstenförmigen und der wärmespeichernden plattenförmigen Profilelemente kann dann - wie bei dem Speichermaterial gemäß Hauptpatent - durch Ultraschallschweißung erfolgen, wobei in den zu verbindenden Bereichen entsprechende Übergänge, beispielsweise in Form von im Querschnitt drei e ckfö im ig en Stegen, vorgesehen werden," welche nach der Ultraschallschweißung eine besonders hohe Festigkeit der Verbindung ergeben. Alternativ können die Profilelemente auch durch Verklebung miteinander zu Speicherblöcken verbunden werden, und zwar kommt hierbei sowohl eine Verbindung

der Profilelemente mittels einer Adhäsionsklebung mit Hilfe von Klebstoffen auf der Basis von Polyurethan, Silicon, nicht-aminisehen Epoxydharzen oder Polyamidschmelzkleber als auch mittels einer Diffusionsklebung unter Verwendung eines Lösungsmittels für Polyätherimid, vorzugsweise Methylenchlorid in Konzentrationen von 1 ~ 5 $ 3-ⁿ Frage. Xm letztgenannten Fall werden die zu verbindenden Teile in den zur Verbindung vorgesehenen Anschlußbereich durch das Lösungsmittel angelöst und unter Druckauflastung eine Verzahnung dieser Oberflächen ineinander vorgenommen. Nach dem Verdunsten des Lösungsmittels wird so eine praktisch monolithische Verbindung der Profilelemente erreicht, d.h. in der Klebenaht bleibt also kein Fremdmaterial mit von den Werkstoffeigenschaften der Profilelemente unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften zurück. Für die Verbindung durch Kleben sind die zu verbindenden Flächenbereiche genau aneinander anzupassen und sie müssen vor der Verklebung gründlich von Fett, Öl und Staub gereinigt werden, wozu beispielsweise Isopropylalkohol geeignet ist. Bei allen Klebeverfahren spielt desweiteren die Druckauflastung nach dem Fügen über eine bestimmte Zeitdauer für die Haltbarkeit der vorgesehenen Verbindung eine wesentliche Rolle.

Unabhängig von solchen Klebeverbindungen der Profilelemente oder aber auch zusätzlich zu solchen Klebeverbindungen, bietet es sich aufgrund der Materialeigenschaften bezüglich ihrer Dehnung bei Streckspannung, ihrer Flexibilität und ihrer Elastizität an, die Profilelemente in den für die Verbindung vorgesehenen

Anschlußbereichen als Schnappverbindung mit knopf- oder leistenartig yes LaIteten, im Wechsel eingreifenden und übergreifenden Verbindungsgliedern zu versehen.

Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung können die Speicherblöcke aus gelochten platten-förmigen Profilelementen und mit Nietköpfen versehenen leistenförmigen Profilelementen zusammengesetzt werden, wobei die Nietköpfe vorzugsweise durch Ultraschalleinwirkung angeformt oder angesenkt sind.

Insbesondere dann, wenn die plattenförmigen Profilelemente eine besonders geringe Wandstärke aufweisen sollen, kann es zweckmäßig sein, das für die Herstellung verwendete Polyätherimid durch eingelagerte Fasern oder Fasergewebe, vorzugsweise Glasfasern oder Glasfasergewebe zu armieren. Dabei kommen Faseranteile bis zu ΙΟ^έ in Frage, ohne daß hierbei die für die Ausbildung von Schnappverbindungen wesentlichen elastischen Eigenschaften des Materials verlorengehen.

Für die Verbindung zu Speicherblöcken nach einem der oben erwähnten Klebeverfahren kann es schließlich von Vorteil sein, wenn die leistenförmigen Profilelemente einstückig an den plattenförmigen Profilelementen angeformt sind. Dabei kann die Herstellung solcher integraler Verbündelemente durch Spritzgießen oder aber auch durch Extrudieren erfolgen, wobei die Verbündelemente für Klebe- oder Schnappverbindungen geeignet ausgebildet werden können. Beispielsweise ist eine Verbindung durch an den leistenförmigen Bereichen vorge-

seliene Stege mit verbreitetem Rand möglich, die in Schlitze in den plattenförmigen Bereichen der ■Verbundelemente eingerastet werden.

Da Polyätherimid innerhalb von 2k Stunden bis zti 0,25 % Wasser aufnimmt, sollte der Werkstoff vor der Verarbeitung auf weniger als 0,05 *fa Wassergehalt getrocknet werden, z.B. durch eine Temperung in einem Trocknungsofen für eine bestimmte Zeitdauer.

Die aus den erfindungsgernäßen leisten- und. plattenförmigen Profilelementen oder auch aus integralen Verbundelementen hergestellten Speicherblöcke besitzen eine hohe Festigkeit gegenüber aggressiven chemischen Einflüssen, z.H. einer großen Zahl aliphatischer Kohlenwasserstoff-Verbindungen, mineralischen Säuren sowie Salzlösungen und wässrigen Laugen mit einem pH-Wert 9· Außerdem zeigen die Speicherblöcke eine hohe Formbeständigkeit und eine ausreichende Zeitstandfestigkeit auch über längere Belastungszeiten hinweg bei höheren Arbeitstemperaturen bis zu 170 C.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Stapels von durch Ultraschallschweißung verbindbaren leisten- und plattenförmigen Profilelementen bei der Herstellung eines Speicherblocks}

Fig. 2 eine Schnittansicht durch einen Stapel von für eine Schnappverbindung geeignet ausgebildeten leisten- und plattenförmigen Profilelementen mit in Längsrichtung der

leis tenf örmi fven Profile gelegter Sennittfuhrung in Richtung der Pfeile 2-2 in Fig. 3 j

Vif.» 3 eine Schji:i I. hnnsicht, entlang der PHc; i Io '}—'J in Fi;v. 2;

Fig. 4 einai durcii ScJinappverbindungon hergestellten Profilelementen-Stapel mit gegenüber den in den Fig. 2 \xnd 3 verwendeten Profilelementen abgewandelten Profiielementen in einer in der Schnittführung der Fig. 2 entsprechenden S chni 11 ansi ent;

Fig. 5 eine -in der Schnittführung der Fig. 2 bzw. 4 entsprechende Schnittansicht durch einen Stapel von für eine Klebeverbindung geeignet ausgebildeten leistenförniigen und plattenförmigen ProfileJem enten;

Fig. 6 eine Schnittansicht, gesehen in Richtung der Pfeile 6-6 in Fig. 5j

Fig. 7 eine in der Schnittführung der Fig. 6 entsprechende Schnittansicht durch einen JbTofilelementen-Stapel, bei welchem die leistenförmigen Profilelemente mit den plattenförmigen Profilelementen durch Vernietung mit durch Ultraschallumformung hergestellten Nietköpfen verbunden sind} und

Fig. 8 eine in der Schnittführung der Fig. 6 oder 7 entsprechende Schnittansicht durch einen Stapel von Verbundelementen mit einstückig an den plattenförmigen Profilelementen angeformten leistenförmigen Profilelernenten.

In Figur 1 sind bereits sieben plattenförmige Profilelemente 10 im Wechsel mit abstand-haitenden leistenförmigen Profilen 12 in drei Reihen übereinander durch Ultraschallschweißung miteinander verbunden. Auf das oberste Profilelement 10 des Plattenstapels ist bereits

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die nächstfolgende Lage der abstandshaltenden leistenf örmigen Profile 12 aufgesetzt worden. Für die Verschweißung mit dem nächstfolgenden (nicht gezeigten) Profilelement sind die abstandhaltenden Profilelemente 12 beidseitig, d.h. auch auf der in der Zeichming nicht sichtbaren Unterseite mit den auf ihrer Oberseite dargestellten, sich in axialer Richtung erstreckenden, im Querschnitt dreieckförmigen Stegen 14 für linienförmige Schweißverbindungen einerseits und kreisringförmigen Stegen 16 für punktförmige Schweißverbindungen andererseits versehen. Vor der Ultraschallschweißung wird zunächst auf die oberste Lage der abstandhaltenden leistenförmigen Profilelemente 12 das nächstfolgende plattenförmige Profilelement 10 aufgelegt. Die Ultraschallschweißung erfolgt somit schrittweise zugleich durch eine die Unterseite der leistenförmigen Profilelemente 12 mit dem darunter befindlichen plattenförmigen Profilelement 10 verbindende Fernschweißung und durch eine Naheschweißung zur Verbindung ihrer Oberseite mit dem noch auf sie aufzulegenden plattenförmigen Profilelement.

Die abstandhaltenden leistenförmigen Profilelemente sind im Bereich der vorgesehenen punktförmigen Schweißverbindungen in der Draufsicht mit abgerundeten kreisringförmigen Verbreiterungen versehen, so daß in diesen Bereichen besonders belastungsfähige, knopfartige Verbindungsbereiche gestaltet werden. In dem in der Zeichnung dargestellten Ausschnitt des Plattenstapels liegen die in der Zeichnung rechts dar-

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gestellten geradlinigen Stirnkanten der plattenförmigen Profilelemente in der späteren Eintrittsfläche der staubbeladenen Gase, deren Strömungsrichtung durch den Pfeil G symbolisiert sein möge. In gleicher Richtung wirken auch die Reinigungsstrahlen eines Rußbläsers, deren Wirkungsrichtung durch den Pfeil B veranschaulicht sein möge.

Die abstandhaltenden leistenförmigen Profile 12 sind mit bezüglich der vorerwähnten Eintrittsfläche zurückversetzten Verbreiterungen mit den in der Draufsicht kreisringförmigen Stegen 16 für die punktförmigen Ultras chal1-S chweißverbindungen ver s ehen.

Unmittelbar an die Eintrittsfläche angrenzend sind gegenüber den anderen in Längsrichtung der leistenförmigen Profile verlaufenden dreieckförmigen Stege \k zur Herstellung der linienförmigen Schweißverbindtingen kürzere, im Querschnitt ebenfalls dreieckförmige Stege 18 vorgesehen, die allein als Montagehilfe dienen. Sie fixieren den Profilelement enstapel bzw. den Speicherblock im Bereich der betreffenden Stirnseite und vermeiden dort eine Verformung aufgrund der schrittweise durchgeführten Ultraschallschweißung während der Herstellung des Speichertibcks aus den plattenförmigen und den leistenförmigen Profilelementen. Im späteren Betrieb können die mit den Stegen 18 hergestellten Schweißverbindungen dann aufbrechen, so daß die plattenförmigen Profilelemente im Bereich der Eintrittsfläche einen schwingungsfähigen Eintrittsabschnitt bilden.

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Bei dem in den Figuren 2 und 3 gezeigten Stapel sind die plattenförmigen Profilelemente 10 durch Verrastung mit den leistenförtnigen Profilelementen 12 verbunden, wofür Von den gegenüberliegenden Flachseiten der leistenförmigen Profilelemente 12 in regelmäßigen Abständen Zapfen 20 mit verdicktem Kopf vorspringen, die in zugeordnete Bohrungen 22 in den Profilelementen 10 eingerastet sind. Die Zapfen 20 stehen sich dabei auf der Ober- und der Unterseite der leistenformigen Profilelemente 12 gegenüber, wie in Fig. 2 erkennbar ist. Dagegen sind die leis.tenförmigen Profilelemente 12 zwischen aufeinanderfolgenden plattenförmigen Profilelement en 10 jeweils um das Maß des Abstands benachbarter Bohrungen 22 in den Profilelementen 10 zueinander versetzt.

Bei dem in Fig. h gezeigten Profilelementen-Stapel weisen die leistenförmigen Profilelemente 12 ebenfalls wieder Zapfen 20 mit verdicktem Kopf auf, die in zugeordneter Bohrung 22 in den plattenförmigen Profilelementen 10 eingerastet werden, wobei die Zapfen 20 auf gegenüberliegenden Seiten der leistenförmigen Profilelemente aber einen Abstand haben, der gleich dem doppelten Abstand benachbarter Bohrungen 22 in den plattenförmigen Profilelementen ist, und die Zapfen auf der Ober- und Unterseite der Profilelemente 12 jeweils um das Maß des Lochabstands benachbarter Bohrungen 22 in den Profilelementen 10 zueinander versetzt sind. Dadurch ist es möglich, die leistenförmigen Profilelemente 12 ohne seitliche Versetzung zwischen aufeinanderfolgenden Profilelementen 10

ähnlich wie beim Plattenstapel gemäß Fig. 1 in Reihen übereinander anzuordnen.

Die Figuren 5 und 6 zeigen einen dem Profilelementen-Stapel gemäß den Figuren 2 und 3 ähnlich aufgebauten Profilelementen—Stapel, bei dem die Profilelemente 10 und 12 jedoch nicht miteinander verrastet, sondern durch Klebung verbunden sind. Anstel Ie von Zapfen 20 mit kreisförmigem Querschnitt sind an den leistenförmigen Profilelementen längliche Stegvorsprünge 2k angeformt, welche in zugeordnete Schlitze 26 passend eingreifen. Zu Verbindungen der Profilelemente 10 und 12 werden die StegVorsprunge bei der Montage mit einem Kleber in die Schlitze 26 eingesetzt oder die in den Schlitzen aneinander zur Anlage kommenden Flächen werden vor der Montage des jeweiligen plattenförmigen Profilelements 10 mit einem Lösungsmittel angelöst. Nach Verflüchtigung des Lösungsmittels sind die Stegvorsprünge 24 dann praktisch monolithisch mit den zugewandten Wänden der Schlitze 26 verbunden.

In Fig. 7 ist eine Verbindungsmethode der leistenförmigen Profilelemente 12 mit den plattenförmigen Profilelementen 10 veranschaulicht, bei denen wiederum von den gegenüberliegenden Flachseiten der leistenförmigen Profilelemente 12 vorspringende, im Querschnitt kreisförmige Zapfen 28 in zugeordnete Bohrungen 30 in den plattenförmigen Profilelementen 10 eingesetzt werden. Die Festlegung der Zapfen 28 in den Bohrungen 30 erfolgt jedoch durch Ausbildung von Nietköpfen 32 an den freien Zapfenenden durch eine Umformung dieser Zapfenenden mit Ultraschall.

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Figur 8 zeigt schließlich noch einen Stapel aus Verbundelementen J2, bei denen die leistenförmigen Profilelemente praktisch einstückig an den plattenförmigen Profilelementen 10 angeformt sind. Im dargestellten Fall sind auf gegenüberliegenden Seiten der plattenförmigen Profilelemente 10 jeweils abwechselnd und auf den gegenüberliegenden Seiten jeweils um den Abstand benachbarter leistenförmiger Profilelemente zueinander versetzt unterschiedliche leistenförmige Profilelemente 3^i 3^ vorgesehen, von denen das eine Profilelement 3^ eine relativ schmale, am freien Ende mit einem im Querschnitt kreisförmig verdickten Kopfbereich versehene Leiste ist, während das zweite Profilelement 36 als breitere Leiste mit einer zum Profilelement 3^ komplementären Längsnut ausgebildet ist. Die Profilelemente 3*1 des einen Verbundelemente 32 können also in die Profilelemente 36 des im Stapel nächstfolgenden Verbundelements 32 eingerastet werden.

Claims

CATENTAN WALTH HELBER S ZEf *" G^cSSF ^" VV H 'H Ay 61<14ZWINGENB6RG TFI. O&ET-1 741Q6

κ 8319

Kraftanlagen Aktiengesellschaft, Im Breitspie- 7» 69OO Heidelberg 1

Speichermaterial für Wärmeübertragung

,..^Patentansprüche

1. Speichermaterial für die Wärmeübertragung zwischen Gasströmen in Wärmetauschern aus abstandhaltenden, leistenförraigen Profilelementen und mehreren, als Speicherelemente dienende plattenförmigen Profilelementen (12) aus wärmebeständigem Kunststoff, die zu Speicherblöcken zusammengesetzt sind nach Patent 3² t>7 213, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilelemente (1O; 12; 32) aus Polyätherirnid hergestellb sind.

2. Speichermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abstandshaltenden leistenförmigen und die wärme spei chernden plattenförmigen Profilelemente (12| 10) durch Ultraschallschweißung untereinander verbunden sind.

2 _

3· Speichermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilelemente (lOj 12} 32) durch Klebung miteinander zu Speicherblöcken verbunden sind.

4. Speichermaterial nach Anspruch 3» gekenn ze ic line t durch eine Verbindung der Profilelemente (1O; 12; 32) mittels einer Adhäsionsklebung mit Hilfe von Klebstoffen auf der Basis von Polyurethan, Silicon, nichtaminisehen Epoxidharzen oder Polyamidschmelzkleber.

5. Speichermaterial nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch eine Verbindung der Profilelemente (1O; 12} 32) mittels einer Diffusionsklebung unter Verwendung eines Lösungsmittels für Polyätherimid, vorzugsweise Methylenchlorid, in Konzentration vonibis 5 #.

6. Speichermaterial nach Anspruch 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen und die leistenförmigen Profilelemente (1OJ 12} 32) in den Anschlußbereichen Schnappverbindung en bildende knopf- oder leistenartig gestaltete Verbindungsglieder (201 2.h\ 26) für im Wechsel eingreifende und übergreifende Verbindungen zum Speicherblock aufweisen.

7« Speichermaterial nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Profilelemente (10) mit einstückig an ihnen angeformten leisten-t'üx'md a^UT1 Profi leleraontan (3^1 36) a1.n integrale Verbundelem ente (33) ausgebildet sind.

COPY J

8. Speichermaterial nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, da£3 die Speicherblöcke aus gelochte») plattenförmigen Profilelementen (1O) und mit .Nietköi>fen (3O versehenen leistenförmigen Profilelementen (12) zusammengesetzt sind.

9· Speichermaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die leistenförmigen Profileleniente (12) mit den plattenförmigen Profilelementen (io) durch Ansenken der Nietköpfe (3I) mittels Ultraschall zum Speicherblock verbunden sind.

10. Speichermaterial nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherblöcke aus geschlitzten, plattenförmigen und aus leistenfömiigen Profilelementen (1O} 12) zusammengesetzt sind, wobei die leistenförmigen Profilelemente (12) profilierte Stege (24) aufweisen, die in die Schlitze (26) der plattenförmigen Profilelemente (io) eingerastet sind.

11. Speichermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyätherimid durch eingelagerte Fasern oder Fasergewebe, vorzugsweise Glasfasern oder Glasfasergewebe armiert ist.