DE3820866A1 - Rohre fuer rohrbuendelwaermeaustauscher - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung sind Rohre aus fluorhaltigen Polymeren für Rohrbündelwärmeaustauscher.

Fluorhaltige Polymere, die sich u.a. durch vergleichs­ weise hohe Anwendungstemperaturen, sehr gute Korrosions- und Lösemittelbeständigkeit und antiadhäsive Eigen­ schaften auszeichnen, eignen sich als Auskleidungen von Chemieapparaten, die besonders starken korrosiven Belastungen ausgesetzt sind. Es ist auch bekannt, für Rohrbündelwärmeaustauscher Rohre oder Hohlfilamente aus fluorhaltigen Polymeren zu verwenden, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen, Polytrifluorchlorethylen, Polyvinylidenfluorid, Copolymeren von Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen und von Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen (GB-PS 11 07 843). Nachteile fluor­ haltiger Thermoplasten sind ihre geringe Druckfestigkeit im Bereich höherer Gebrauchstemperaturen und die ver­ gleichsweise begrenzte Dauerfestigkeit, vor allem bedingt durch Kriechen und Ermüdung. Zu einem Teil können die Mängel durch Zusätze faser- oder pulver­ förmiger Verstärkungsmittel behoben werden, im wesent­ lichen zu Lasten der Herstell- und Verarbeitbarkeit, die durch diese Zusätze wesentlich erschwert werden. Das gilt insbesondere für dünnwandige, für Wärme­ austauscher bestimmte Rohre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Rohre für Wärmeaustauscher zu schaffen, die die beschriebenen Mängel nicht haben und einfach herzustellen sind.

Die Aufgabe wird mit Rohren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Rohre mit einer temperatur- und korrosionsfesten Schicht umhüllt sind. Die Schicht besteht aus Fasern und einem fluorhaltigen Polymeren, der auf die Faseroberfläche aufgetragen ist.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, aus fluor­ haltigen Thermoplasten bestehende Rohre für Rohrbündel­ wärmeaustauscher, deren Verstärkung durch Einlagerung von Fasern wegen der sehr schwierigen Verarbeitung praktisch nicht möglich ist, durch eine die Rohre um­ hüllende Faserschicht mechanisch zu verbessern. Die Schicht umschließt jeden Rohrmantel vollständig und hemmt beim Erwärmen der Rohre deren radiale Dehnung, die für alle fluorhaltigen Polymere erheblich größer ist als die Dehnung der die Faserschicht bildenden Ver­ stärkungsfasern. Als Folge bauen sich in den Rohren Druckspannungen auf, die eine Vergrößerung der Druck­ festigkeit bei höheren Temperaturen und eine Ver­ ringerung des Kriechens in radialer Richtung bewirken. Die Dauerfestigkeit der von der Faserschicht umschlossenen Rohre wächst entsprechend. Durch Orientierung der Fasern, z.B. in axialer Richtung, kann der gleiche Effekt auch für längsbeanspruchte Rohre erreicht werden. Eine sich über einen längeren Zeitraum erstreckende Wirkung wird aber nur erzielt, wenn die die Faserschicht bildenden Fasern mit einem fluorhaltigen Polymeren beschichtet sind. Die Verstärkungsschicht besteht deshalb aus Fasern und einem fluorhaltigen Polymeren. Fasern ohne Beschichtung versagen nach vergleichsweiser kurzer Zeit, vor allem durch Kerbbrüche. Beschichtungen der Fasern mit anderen Stoffen sind wegen der unzureichenden Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit nicht geeignet.

Umhüllungen von Kohlenstoff- und Graphitrohren, die u.a. auch in Rohrbündelwärmeaustauschern verwendet werden, mit Geweben, z.B. Glasfasergeweben, und Kohlen­ stoffasergarnen sind bekannt (DE-AS 10 49 171, DE-PS 31 16 309). Kohlenstoff- und Graphitrohre haben eine ausgezeichnete Dauerfestigkeit, sie sind aber vergleichsweise spröde und stoßempfindlich. Die Umhüllung mit Verstärkungsfasern hat daher vor allem den Zweck, die Nachteile des Sprödkörperverhaltens zu vermindern. Da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Graphitrohr und Verstärkungsfasern sich nicht wesentlich unterscheiden, ist es nötig, Rohr und Fasern kraftschlüssig miteinander zu verbinden, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Der Fachmann kann aus diesen Offenbarungen nicht entnehmen, daß durch die Umhüllung von Rohren aus thermoplastischen, fluor­ haltigen Polymeren mit einer faserhaltigen Schicht die Eigenschaften der Rohre verbessert werden und zwar vor allem die Dauerfestigkeit von Rohren als Teil von Rohrbündelwärmeaustauschern.

Der Faseranteil der die Rohre umhüllenden Schicht besteht aus Fasern, deren Temperaturbeständigkeit wenigstens so groß wie die der Rohre ist und die gegen korrosive Stoffe weitgehend beständig sind. Geeignet sind vor allem Keramikfasern, Glasfasern oder Aramid­ fasern und vor allem Kohlenstoffasern, die sich durch eine besonders große Steifigkeit auszeichnen. Obgleich die Fasern mit einem fluorhaltigen Polymeren beschichtet sind und im allgemeinen nicht in Kontakt mit korrosiven Medien stehen, ist die Verwendung korrosionsbeständiger Fasern erforderlich, da die Beschichtung in der Regel nicht vollständig impermeabel ist und kleinere Mengen des Mediums die Beschichtung durchdringen. Als Beschichtungsmittel eignen sich grundsätzlich alle fluorhaltigen Polymere, die als Schmelze, Lösung oder Dispersion in eine fließfähige Form gebracht werden können. Vorzugsweise besteht die Beschichtung aus Polymeren der Gruppe perfluoriertes Alkoxypoly­ tetrafluorethylen (PFA), Polyvinylether-Tetrafluor­ ethylen-Copolymere (TFA), Tetrafluorethylen-Hexafluor­ propylen-Copolymere (FEP), die besonders bei höheren Temperaturen die Fasern wirksam schützen.

Die Rohre bestehen vorzugsweise aus Polytetrafluor­ ethylen (PTFE) oder einem Tetrafluorethylen enthaltenden Copolymeren, die ebenfalls eine gute Temperatur­ beständigkeit aufweisen. Der Durchmesser der Rohre beträgt zweckmäßig 5 bis 20 mm, die Wandstärke etwa 0,5 bis 2 mm. Die aus den beschichteten Fasern bestehende, die Rohre umhüllende Schicht ist auf die Rohre aufgewickelt oder aufgezogen. Im ersten Fall verwendet man zur Herstellung der Schicht Garne, im zweiten Gewebeschläuche, deren Durchmesser etwa dem Rohrdurchmesser entspricht. Verwendet man dehnbare, strumpfartige Gebilde, ist dafür Sorge zu tragen, daß Fasern und Rohr kraftschlüssig miteinander verbunden sind, beispielsweise durch das Beschichtungsmittel der Fasern. Eine derartige, innige Verbindung ist auch von Vorteil, wenn Gewebe mit größerer Maschenweite verwendet werden. Größere Maschen verändern den Wärmeübergangskoeffizienten der unbeschichteten Rohre nur unwesentlich und werden deshalb bevorzugt. Bei hohen Temperaturen und langen Belastungszeiten kann sich besonders bei undefiniertem Kraftfluß die Rohrwandung bei großem Maschenabstand zwischen den Maschen aufwölben. Eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Fasern und Rohr vermindert diesen Effekt.

Gleiches gilt für Wickelschichten, die zweckmäßig ein das Rohr umschließendes Netzwerk bilden. Es wechseln Faserstreifen mit Streifen unbedeckter Rohrfläche, deren zulässiger Abstand und Bedeckungsgrad von Art und Belastungsverhältnissen der Rohre abhängen und die gegebenenfalls durch Versuche bestimmt werden müssen. Im Grenzbereich hoher Belastung kann es erforderlich sein, die Rohre mit einer im wesentlichen geschlossenen Schicht zu umhüllen, auch auf Kosten der spezifischen Wärmeübertragungsleistung.

Rohre aus Polytetrafluorethylen (PTFE), die in Rohr­ bündelwärmeaustauschern besonders großen thermischen und korrosiven Belastungen ausgesetzt sind, werden bevorzugt mit einer Schicht aus Kohlenstoffasern umwickelt, die mit einer perfluorierten Alkoxypoly­ tetrafluorethylen (TFA) enthaltenden, durch Auftragen einer Dispersion gebildeten Beschichtung versehen sind. Die umhüllten Rohre werden auf 300 bis 390°C erhitzt und dabei die geschlossene Phase der Dispersion verdampft und feste Brücken aus TFA zwischen dem PTFE-Rohr und den Kohlenstoffasern gebildet. Verfahrensgemäß beschichtete Rohre zeichnen sich durch besonders günstige Dauerfestig­ keit selbst unter schwierigen Belastungsbedingungen aus. Die wesentliche Verbesserung von Druck- und Dauer­ festigkeit ermöglicht die Verwendung von Rohren mit vergleichsweise großem Durchmesser und kleiner Wand­ stärke, so daß die Wärmeübertragungsleistung verglichen mit bekannten Rohren nicht kleiner, sondern im all­ gemeinen größer ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels erläutert:

Beispiel

Auf Rohre aus PTFE mit einem Außendurchmesser von 10 mm und einer Wandstärke von 1 mm wurde Kohlenstoffasergarn mit 3000 Filamenten unter leichter Vorspannung in Kreuzwicklung aufgezogen. Die Neigung der Wicklung zur Rohrachse betrug 60°, der Bedeckungsgrad etwa 60%. Die Kohlenstoffasern waren mit einer 50% wässerigen Dispersion von PFA beschichtet. Durch Erhitzen der umwickelten Rohre auf 380°C wurde die geschlossene Phase verdampft, das PFA geschmolzen und beim Abkühlen der Rohre eine feste Verbindung zwischen Rohr und Verstärkungsfasern gebildet.

Der Berstdruck beschichteter und zum Vergleich unbeschichteter PTFE-Rohre wurde bei einer Temperatur von 155°C bestimmt.
Beispiel - 53 bar
Vergleich - 12 bar.

Claims (8)

1. Rohre aus fluorhaltigen Polymeren für Rohrbündel­ wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre von einer temperatur- und korrosionsfesten, aus Fasern und einem auf die Faseroberflächen aufgetragenen fluorhaltigen Polymeren bestehenden Schicht umhüllt sind.

2. Rohre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der Fasern Fasern und Rohre innig miteinander verbindet.

3. Rohre nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre aus Polytetrafluorethylen oder einem Tetrafluorethylen enthaltenden Copolymeren bestehen.

4. Rohre nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der Fasern aus Polymeren der Gruppe perfluoriertes Alkoxypolytetrafluorethylen, Polyvinylether-Tetrafluorethylen-Copolymere und Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymere besteht.

5. Rohre nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllschicht Fasern aus der Gruppe Aramidfasern, Glasfasern, Keramikfasern, Kohlenstoffasern enthält.

6. Rohre nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserschicht aus Kohlenstoffasern besteht.

7. Verfahren zum Herstellen von Rohren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenstoffasern mit einer perfluorierten Alkoxypolytetrafluorethylen enthaltenden Dispersion beschichtet, die beschichteten Fasern auf aus Polytetrafluorethylen bestehende Rohre aufgebracht und eine die Rohre umhüllende Schicht gebildet wird, die umhüllten Rohre auf 300 bis 390°C erhitzt und innige Verbindungen zwischen Fasern und Rohren gebildet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß beschichtete Kohlenstoffgarne auf die Rohre gewickelt werden.