DE3534855C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschelement für gasförmige Medien aus einem eine Glasfaser aufweisenden Papier.

Derartige Wärmeaustauschelemente sind aus der JP-OS 1 27 663/1977 und der JP-OS 19 548/1979 bekannt. Sie weisen eine Honigwabenstruktur auf und verglichen mit Wärmeaustauschelementen, die durch Extrudieren oder Strangpressen keramischer Materialien hergestellt werden, weisen sie ein geringes Gewicht auf und können mit großen Maßen hergestellt werden.

Hinsichtlich ihrer Anwendungen können die Wärmeaustauschelemente für gasförmige Medien grob eingeteilt werden in Elemente zum Austauschen von fühlbarer Wärme (Eigenwärme), Elemente zum Austauschen von latenter Wärme, insbesondere zum Entfernen oder Verringern von Feuchtigkeit, und in Elemente zum Austauschen der Gesamtwärme, also der Eigenwärme und der latenten Wärme. Die Elemente zum Austauschen der latenten Wärme und der Gesamtwärme tragen ein hygroskopisches Mittel, wie Lithiumchlorid, Lithiumbromid, ein Molekularsieb oder dergleichen. Bei Wärmeaustauschelementen aus Papier wurden bisher als Fasern zum Herstellen des Papiers im wesentlichen organische Fasern, wie Cellulosefasern oder synthetische Fasern, Asbest, keramische Fasern, wie Siliciumoxid enthaltende Fasern, Siliciumoxid und Aluminiumoxid enthaltende Fasern, Siliciumoxid, Aluminiumoxid und Chrom enthaltende Fasern und Siliciumoxid, Aluminiumoxid und Zirconiumoxid enthaltende Fasern, und Glasfsern, wie E-Glasfasern (Fasern aus alkalifreiem Glas) verwendet. Diese Fasern werden in Abhängigkeit von den Anwendungszwecken und Anwendungsbedingungen des Wärmeaustauschelementes verwendet und in Abhängigkeit von der Schwierigkeit, das Papier und die Honigwabenstruktur herzustellen.

Wärmeaustauschelemente für gasförmige Medien mit Honigwabenstruktur, die unter Verwendung eines Papiers hergestellt werden, weisen Probleme in ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Wärme und in ihrer Haltbarkeit auf, wenn sie unter schwierigen Bedingungen zum Austausch von Eigenwärme und latenter Wärme verwendet werden, wenn man von den Wärmeaustauscheigenschaften absieht.

Wenn beispielsweise im Fall von Wärmeaustauschelementen zum Austauschen von Eigenwärme Schwefeloxide enthaltende Gase in mittleren bis unteren Temperaturbereichen behandelt werden, kondensieren die Schwefeloxide und haften auf dem Wärmeaustauschelement. Das Wärmeaustauschelement muß deshalb zusätzlich zu seiner Wärmebeständigkeit auch gegen Säuren beständig sein. Die herkömmlichen Wärmeaustauschelemente, die Asbest, E-Glasfasern und Siliciumoxid und Aluminiumoxid enthaltende Keramikfasern vewenden, sind in dieser Hinsicht nicht völlig zufriedenstellend und sind zum Behandeln von Schwefeloxide enthaltenden Gase nicht verwendbar. Bei Wärmeaustauschelementen zum Austauschen latenter Wärme muß andererseits das Papier ein hygroskopisches Mittel enthalten. Lithiumchlorid oder Lithiumbromid, die meistens als hygroskopisches Mittel verwendet werden, korrodieren jedoch die das Papier bildende Faser bei einer Umsetzungstemperatur von 100 bis 150°C und verschlechtern die Eigenschaften des Papiers. Unter den vorstehenden Bedingungen tritt deshalb ein Problem hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegen die Einwirkung von Lithiumchlorid oder Lithiumbromid auf, die nachstehend kurz als Widerstandsfähigkeit gegen Lithiumchlorid bezeichnet wird. Aus Asbest hergestelltes Papier weist gute Widerstandsfähigkeit gegen Lithiumchlorid auf. Die Verwendung von Asbest ist aus Gründen des Umweltschutzes und der Gesundheit aber nicht wünschenswert.

Die aus E-Glasfasern oder keramischen Fasern hergestellten Papiere weisen jedoch schlechte Widerstandsfähigkeit auf und sind innerhalb kurzer Zeiträume nicht mehr funktionsfähig. Hierdurch sind diese herkömmlichen Wärmeaustauschelemente trotz ihrer zahlreichen Vorteile gegenüber Wärmeaustauschelementen anderer Systeme in ihren Anwendungsmöglichkeiten eingeschränkt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein wärmebeständiges Wärmeaustauschelement bereitzustellen, das leicht ohne Verwendung von Asbest hergestellt werden kann und ausgezeichnete Beständigkeit gegen Säuren und Lithiumchlorid und Lithiumbromid aufweist.

Als zur Lösung dieser Aufgabe wesentlich werden in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmale vorgeschlagen. Durch Untersuchungen wurde gefunden, daß die Haltbarkeit von Wärmeaustauschelementen hauptsächlich von der Art der Fasern abhängt, die ein wesentlicher Bestandteil des Papiers sind, obwohl sie auch von der Art des Papiers und dessen Mikrostruktur in gewisser Weise beeinflußt wird. Ferner wurde gefunden, daß eine Zirconiumoxid enthaltende Glasfaser im allgemeinen bezüglich der Widerstandsfähigkeit gegen Säuren und gegen Lithiumchlorid und Lithiumbromid anderen anorganischen Fasern überlegen ist. Zirkoniumoxid enthaltende Glasfasern weisen bekanntermaßen eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Alkali auf. Um diese Eigenschaft auszunutzen, wurden Zirconiumoxid enthaltende Glasfasern deshalb bisher hauptsächlich zum Verstärken von Zementerzeugnissen verwendet. Es war jedoch nicht bekannt, daß diese Fasern ausgezeichnete Beständigkeit sowohl gegen Säuren als auch gegen Lithiumchlorid aufweist, und diese Faser wurde bisher auch nicht für die Herstellung von Wärmeaustauschelementen verwendet.

Die bevorzugte Zusammensetzung des zirconoxidhaltigen Glases ist folgendermaßen:

SiO₂50 bis 70 Gew.-% ZrO₂5 bis 25 Gew.-% (vorzugsweise 15 bis 25 Gew.%) Al₂O₃0 bis 10 Gew.-% RO*)0 bis 20 Gew.-% R₂O**)10 bis 25 Gew.-% Rest0 bis 5 Gew.-%

*)Oxide von Erdalkalimetallen, MnO₂ **)Oxide von Alkalimetallen.

Ein derartiges Wärmeaustauschelement weist auch eine gute Wärmebeständigkeit auf und verschlechtert sich deshalb auch dann nur wenig in seinen Eigenschaften, wenn es zum Austauschen der Eigenwärme oder latenten Wärme von Schwefeloxide enthaltenden Gasen verwendet wird und kann deshalb über eine längere Zeitdauer verwendet werden.

In der nachfolgenden Beschreibung werden Prüfergebnisse von Wärmeaustauschelementen, die aus dem Papier gemäß der Erfindung hergestellt wurden, an Hand von Zeichnungen und Beispielen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein aus einem Glasfaserpapier hergestelltes Laminat,

Fig. 2 schematisch das zu Prüfzwecken verwendete rotorförmige Wärmeaustauschelement.

Beispiel 1

Ein Papier mit einer Dicke von 0,16 mm und einem Flächengewicht bzw. Riesgewicht von 22 g/m² wurde aus einer zirconiumoxidhaltigen Glasfaser mit einer durchschnittlichen Faserlänge von 9 mm und einer Glaszusammensetzung von 17 Gew.-% ZrO₂, 62 Gew.-% SiO₂, 5 Gew.-% Na₂O+K₂O und 16 Gew.-% CaO hergestellt und wurde mit Ton (Kaolin) in einer Menge von 80 g/m² beschichtet unter Verwendung eines Beschichtungsmittels mit Polyvinylalkohol als Bindemittel. Danach wurde das derart erhaltene und mit Ton beschichtete Papier mit dem gleichen Papier überlappt, das aber zuvor mit einer Wellenpappenmaschine, wie sie zur Herstellung geriffelter Vollpappe verwendet wird, geriffelt wurde, und die laminierten Papiere wurden in Form eines Rotors oder einer Schraube aufgewickelt, während ein Klebemittel zugesetzt wurde. Nach dem Trocknen des Klebemittels wurde das rotorartig geformte Erzeugnis aus der Wickelmaschine entfernt und 30 Minuten lang in eine kolloide Siliciumoxidlösung mit einem Feststoffgehalt von 30 Gew.-% eingetaucht. Danach wrude das Siliciumoxid getrocknet und bei 100°C gehärtet, und danach 1 Stunde lang bei 400°C in zirkulierender Luft geglüht, um die organischen Komponenten zu zersetzen. Das geglühte Erzeugnis wurde erneut in die kolloide Siliciumoxidlösung eingetaucht und bei 200°C getrocknet, wodurch ein rotorartiges Wärmeaustauschelement mit einem Durchmesser von 1500 mm erhalten wurde. Das Wärmeaustauschelement wies eine Fluten- oder Wellenwanddicke von 0,21 mm, eine Stufenhöhe von 1,97 mm, eine Steigung oder Ganghöhe von 3,3 mm und eine Dichte von 230 kg/m³ auf.

Das vorstehende Wärmeaustauschelement wurde in eine Lithiumchloridlösung getaucht und ein Element zum Austausch latenter Wärme erhalten, das als hygroskopisches Mittel 14 Gew.-% Lithiumchlorid trug. Das Wärmeaustauschelement wurde ein Jahr lang in einem latenten Wärmeaustauscher zur Zufuhr trockener Luft verwendet, wie sie in der Stahlindustrie eingesetzt werden. Das Wärmeaustauschelement zeigte eine zufriedenstellende Wirkung beim Austausch latenter Wärme, und die physikalischen Eigenschaften verschlechterten sich kaum.

Beispiel 2

Unter Verwendung der gleichen Glasfaser wie in Beispiel 1 wurden die Verfahrensschritte bis zum Ausbilden eines rotorartigen Wärmeaustauschelementes in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt. Das erhaltene rotorförmige Erzeugnis wurde ausgehärtet unter Verwendung einer Härtungslösung aus 70 Gew.-Teilen Natriumsilicat Nr. 3 und 30 Gew.-Teilen Wasser, und es wurde ein rotorartiges Wärmeaustauschelement mit einem Durchmesser von 1500 mm hergestellt. Das Wärmeaustauschelement wies eine Fluten- oder Wellenwanddicke von 0,20 mm, eine Stufenhöhe von1,95 mm, eine Steigung oder Ganghöhe von 3,3 mm und eine Dichte von 220 kg/m³ auf.

Das Wärmeaustauschelement wurde danach in eine Lithiumchloridlösung eingetaucht und ein latentes Wärmeaustauschelement erhalten, das 14 Gew.-% Lithiumchlorid als hygroskopisches Mittel trug. Das Wärmeaustauschelement wurde ein Jahr lang in einem latenten Wärmeaustauscher zum Zuführen trockener Luft verwendet, wie er in der Kunststoffolienindustrie eingesetzt wird. Das Wärmeaustauschelement zeigte ausreichend gute latente Wärmeaustauschwirkung und seine physikalischen Eigenschaften waren kaum verschlechtert.

Beispiel 3

Ein Papier mit einer Dicke von 0,5 mm und einem Flächen- oder Riesgewicht von 50 g/cm² wurde aus einer zirconiumoxidhaltigen Glasfaser mit einer durchschnittlichen Faserlänge von 13 mm und einer Glaszusammensetzung von 20 Gew.-% ZrO₂, 58 Gew.-% SiO₂, 1 Gew.-% Al₂O₃, 4 Gew.-% B₂O₃ und 17 Gew.-% CaO hergestellt und und mit einem Pulver aus Kieselsäureanhydrid in einer Menge von 300 g/m² beschichtet, wobei ein Beschichtungsmittel mit wasserlöslichem Acrylharz als Bindemittel verwendet wurde. Dann wurde das derart erhaltene beschichtete Papier auf das gleiche Papier überlappt, das aber zuvor in einer Wellpappenmaschine, wie sie zum Herstellen geriffelter Vollpappe verwendet wird, geriffelt wurde, und die laminierten Papiere wurden miteinander verklebt. Das auf diese Weise erhaltene und nur auf einer Oberfläche geriffelte Laminat wurde aufeinander laminiert, wobei die Fluten- oder Wellenrichtung rechtwinklig zueinander war. Nach dem Trocknen des Klebemittels wurde das Laminat in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 ausgehärtet und ein Eigenwärme-Austauschelement mit rechteckiger Form hergestellt, wobei jede Seite 600 mm lang war. Das Element wies eine Wanddicke von 0,7 mm, eine Stufenhöhe von 7 mm, eine Steigung oder Ganghöhe von 12 mm und eine Dichte von 350 kg/m³ auf.

Das Wärmeaustauschelement wurde ein Jahr lang in einem Eigenwärmeaustauscher verwendet, mit dem die Wärme aus dem Abgas eines Kessels wiedergewonnen wurde. Das Wärmeaustauschelement wies einen durchschnittlichen Wärmeaustausch-Wirkungsgrad von 60% auf, und seine Eigenschaften verschlechterten sich fast nicht.

Vergleichsbeispiel 1

0,18 bis 0,20 mm dicke Papiere aus einer E-Glasfaser, einer C-Glasfaser, einer keramischen Faser mit Siliciumoxid und Aluminiumoxid und aus einer zirconiumoxidhaltigen Glasfaser mit einer Glaszusammensetzung gemäß Beispiel 1 wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 mit Ton beschichtet und geriffelt, wobei eine Steigung oder Ganghöhe von 3,3 mm erhalten wurde. Das Wellpapier wurde dann jeweils auf das flache beschichtete Papier gelegt, das nicht geriffelt worden war, und mit diesem verklebt, wodurch ein nur auf einer Oberfläche geriffeltes Wellpapierlaminat erhalten wurde. Das Laminat wurde dann miteinander überlappt, wobei die Fluten- oder Wellenrichtungen miteinander ausgerichtet waren. Das auf diese Weise erhaltene Laminat wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 gehärtet und zu Prüfzwecken ein Wärmeaustauschelement hergestellt. Das aus der Keramikfaser bestehende Papier wurde allerdings nicht mit Ton beschichtet.

Die Wärmeaustauschelemente wurden dann unter den nachstehenden Bedingungen auf ihre Beständigkeit gegen Säuren und gegen Lithiumchlorid geprüft. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse sowie die Dichten und Anfangsfertigkeiten der Elemente.

Prüfung der Säurebeständigkeit:
Die Elemente wurden in Schwefelsäure mit einer Konzentration von 10% eingetaucht und 48 Stunden lang auf 95°C erwärmt, und die Druckfestigkeit in Wellenrichtung wurde vor und nach dem Eintauchen gemessen und verglichen.

Prüfung der Beständigkeit gegen Lithiumchlorid:
Die Elemente wurden in eine wäßrige Lösung aus Lithiumchlorid mit einer Konzentration von 40% eingetaucht und 48 Stunden lang auf 125°C erwärmt, und die Druckfestigkeit in Wellenrichtung wurde vor und nach dem Eintauchen gemessen und verglichen.

Vergleichsbeispiel 2

In der gleichen Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 hergestellte Wärmeaustauschelemente wurden unter den nachstehenden Bedingungen auf ihre Beständigkeit gegen Lithiumchlorid geprüft.

Die Elemente wiesen die Form eines Rotors auf und waren gewellt oder geriffelt, wobei eine Stufenhöhe von 1,97 mm, eine Steigung oder Ganghöhe von 3,3 mm, ein Außendurchmesser von 360 mm und eine Dicke von 200 mm eingehalten wurde.

Die Elemente wurden mit einer 14 Gew.-% Lithiumchlorid enthaltenden Lösung getränkt und danach wie nachstehend beschrieben geprüft.

Fig. 2 zeigt schematisch das rotorförmige Wärmeaustauschelement, das zur Prüfung verwendet wurde.

In Fig. 2 stellt das Bezugszeichen 1 den Auslaß der feuchten Luft, Bezugszeichen 2 eine elektrische Heizvorrichtung, Bezugszeichen 3 die regenerierte Luft, Bezugszeichen 4 die feuchte (behandelte) Luft und Bezugszeichen 5 die trockene Luft dar.

Die feuchte (behandelte) Luft, die auf 33°C erwärmt war und eine relative Feuchtigkeit von 70% aufwies, wurde durch drei Viertel des Elements geführt, so daß das Element die Feuchtigkeit absorbierte und trockene Luft erzeugt wurde. Das Element wurde mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 14 Uph gedreht, so daß die Feuchtigkeit im Element mit der regenerierten Luft herausgenommen wurde, die auf 130°C bei einer relativen Feuchtigkeit von 3% erwärmt war und durch ein Viertel des Elements geführt wurde. Sowohl die behandelte Luft als auch die regenerierte Luft wurden mit einer derartigen Durchflußmenge geblasen, daß die Windgeschwindigkeit durch die Riffelung 3 m/s betrug.

Das Element wurde in Abständen von einem Monat aus dem Wärmeaustauscher entfernt. Die Ergebnisse der Beobachtungen sind in Tabelle 2 dargestellt.

Die Knickfestigkeit oder Beulfestigkeit zeigt die Festigkeit in demjenigen Zeitpunkt an, an dem ein aus dem Element ausgeschnittener Würfel mit einer Seitenlänge von 10 cm erstmals knickt, wenn eine Last direkt in Richtung der Laminierung aufgebracht wird.

Tabelle 1

Tabelle 2

Claims (3)

1. Wärmeaustauschelement für gasförmige Medien aus einem eine Glasfaser aufweisenden Papier, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaser 5 bis 25 Gew.-% Zirconiumoxid enthält.

2. Wärmeaustauschelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der Glasfaser 50 bis 70 Gew.-% Siliciumoxid, 5 bis 25 Gew.-% Zirconiumoxid, insgesamt 10 bis 30 Gew.-% Oxide der Alkalimetalle, der Erdalkalimetalle und/oder des Mangans und weniger als 10 Gew.-% andere Bestandteile aufweist.

3. Wärmeaustauschelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaser 15 bis 25 Gew.-% Zirconiumoxid enthält.