DE60034109T2

DE60034109T2 - Röhrenwärmeübertragungselement

Info

Publication number: DE60034109T2
Application number: DE60034109T
Authority: DE
Inventors: Keith Herbert Gnosall DODD; Nicholas Jason Acocks Green WELTON; Christopher Barry Hookagate PRICE
Original assignee: Security Composites Ltd Shrewsbury; Security Composites Ltd
Current assignee: Security Composites Ltd Shrewsbury; Security Composites Ltd
Priority date: 1999-02-08
Filing date: 2000-02-07
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2020-02-08
Also published as: EP1151036B1; JP2002536522A; DE60034109D1; ATE358156T1; EP1151036A1; EP1834984A1; GB9902758D0; AU2310300A; US20070072503A1; US7160591B1; WO2000047664A1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungselement, insbesondere ein Wärmeübertragungselement zur Benutzung in einem Kraftwerk oder einer chemischen Verarbeitungsanlage. Ein solches Wärmeübertragungselement hat die Form eines Rohres.
2. Hintergrund
Es gibt gegenwärtig in der Europäischen Union über 600 Kraftwerke. Ein wichtiges Merkmal dieser Kraftwerke ist das Vorsehen von Wärmeaustauschern, die aus einer Anzahl von Strahlungsflächen bestehen, die zur Wärmeübertragung in dem Kraftwerk dienen. Es kann etwa 30.000 Quadratmeter Strahlungsfläche in einem einzigen Wärmeaustauscher geben. Ein Kraftwerk kann bis zu zwölf oder mehr Wärmeaustauscher benutzen.
Die Strahlungsflächen sollten nicht nur für ihre primäre Wärmeübertragungsfunktion dienen; sie sollten auch robust sein, um den Bedingungen standzuhalten, unter denen sie betrieben werden. So herrschen nicht nur rauhe physikalische Bedingungen, wobei Heißluft und Wasserdampf mit bis zu etwa 150°C mit hoher Geschwindigkeit an den Flächen vorbeiströmen, sondern in dem Luftstrom sind auch korrosive Chemikalien, wie schweflige und salpetrige Säure vorhanden. Ferner können die Flächen mit Ruß oder Schmutz verunreinigt werden, die ebenfalls ihre Funktion beeinträchtigen können. Die Flächen unterliegen einem schnellen thermischen Wechsel.
Die Wärmeübertragungselemente zur Herstellung der Strahlungsflächen wurden bisher aus einem Metall mit einer glasartigen Emailbeschichtung hergestellt. Das Metallgrundmaterial, üblicherweise ein Kohlenstoffstahl, gibt dem Element die nötige konstruktive Festigkeit und auch die erforderliche Wärmeleitfähigkeit.
Eine Beschichtung aus glasartiger Emaille schützt das Metall vor den korrosiven Wirkungen der Umgebung.
Kürzlich wurden Untersuchungen zur Schaffung von Wärmeübertragungselementen durch Besprühung einer Metallbasis mit einem Fluorpolymer vorgenommen. Das resultierende Verbundelement ist jedoch wirtschaftlich nicht herzustellen.
In dem US-Patent Nr. 4,461,347 ist ein Wärmeaustauscheraggregat vorgeschlagen, das koaxial angeordnete innere und äußere Rohre aufweist. Das innere Rohr kann aus einem Metall hoher Festigkeit gebildet und durch ein extrudiertes, durch Wärme schrumpfbares Kunststoffrohr aus reaktionsbeständigem Werkstoff wie Polytetrafluorethylen oder Polypropylen umhüllt sein.
Ein Plattenwärmeaustauscher mit wenigstens drei Plattenelementen aus Graphit und einem Fluorpolymer, wie Polyvinylidenfluorid ist in der Europäischen Patentschrift Nr. 0 203 213 A1 beschrieben.
Die Britische Patentschrift Nr. 2 255 148 A beschreibt ein strukturell verbundenes Metall- und Kunststoffrohr, bei der das Metall einen rohrförmigen Kern mit Öffnungen über ihre Länge bildet, die wenigstens 5% ihrer gesamten Oberfläche belegen, während das Kunststoffmaterial innere und äußere Schichten von jeweils 0,1 mm Dicke bilden, die die Innenseite und Außenseite des Metallkerns bedecken und durch die Öffnungen integral verbunden sind. Die JP-63194195 beschreibt einen Kunststoffrohrwärmeaustauscher, der bis zu 5 Gew.-% wärmeleitfähigen Füllstoff enthält. Die EP 0 445 523 beschreibt Tetrafluorethylencopolymerzusammensetzungen, die Ruß, Graphitpulver oder wäremleitfähige Füllstoffe enthalten. Die Copolymere sind für elektrische Anwendungsgebiete einsetzbar. Die US 521122 bildet auf den Rohren eine Beschichtung, die aus Fasern und einem fluorhaltigen, die Fasern bedeckenden Polymer gebildet ist.
Es besteht ein Bedarf an einer Verbesserung der Leistungseigenschaften von Wärmeübertratungselementen in Kraftwerken. Es wäre daher erwünscht, ein Wärmeübertragungselement mit verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften, verbesserten Verschmutzungsschutzeigenschaften, verbesserter physikalischer und chemischer Korrosionsbeständigkeit und verbesserten mechanischen Eigenschaften zu schaffen.
Alle diese Ziele sind Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Wärmeübertragungselements mit den oben angegebenen verbesserten Eigenschaften, das aber relativ wirtschaftlich herzustellen ist.
Summarischer Abriß der Erfindung
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein rohrförmiges Wärmeübertragungselement geschaffen mit einer Polymermatrix mit darin verteilten Rovings aus Glasfasermaterial, wobei das Wärmeübertragungselement wenigstens auf ihrer einen Außenseite ein Fluorpolymer aufweist, die Verteilung des Fasermaterials in der Polymermatrix dem Wärmeübertragungselement Steifigkeit verleiht und die Rovings in dem Wärmeübertragungselement als wärmeleitfähiges Material verteilte Glasfasern aufweisen, die 20 Vol.-% bis 60 Vol.-% des Wärmeübertragungselements ausmachen.
Das Fluorpolymer ist vorzugsweise Polyvinylidenfluorid.
Das Verbundmaterial kann ferner ein teilchenförmiges Metall oder ein teilchenförmiges wärmeleitfähiges Material aufweisen.
Die Glasfaserrovings sind aus borfreien, chemisch beständigen Glasfasern hergestellt.
Die Rovings können selbst z.B. mit einem Kunststoffmaterial vorbeschichtet sein. Eine Form eines kontinuierlichen Rohres weist lose vermischte oder miteinander verwebte Glasfaserrovings auf, wobei die einzelnen Rovings sich unter einem kleinen Winkel von z.B. etwa 10° bis etwa 15° zu der Rohrachse erstrecken. Diese Glasfasern können mit Polypropylenfasern oder mit Fluorpolymerfasern vermischt oder mit Polypropylenpulver oder Polyvinylidenpulver beschichtet sein. Eine andere Form des Werkstoffs, der in der Praxis der Erfindung eingesetzt werden kann, besteht aus einem schmalen Band paralleler Rovings als Kette, das mit einem ähnlichen schmalen Band paralleler Rovings als Schuß verwebt ist, wobei Kette und Schuß sich im wesentlichen unter rechten Winkeln zueinander kreuzen. Diese schmalen Bänder können z.B. etwa 0,2 cm bis etwa 2 cm breit sein.
Es ist auch möglich, ein Gemisch aus Metall- und Glasrovings einzusetzen.
Die Wärmeübertragungselemente nach der Erfindung haben eine Reihe von signifikanten Vorteilen gegenüber herkömmlichen Wärmeübertragungselementen, insbesondere den herkömmlichen Elementen, die zur Bildung der Strahlungsflächen von Kraftwerken dienen.
Die Verwendung eines Fluorpolymers verbessert die Verschmutzungsschutzeigenschaften des Wärmeübertragungselements der Erfindung bedeutend. Fluorpolymere haben eine geringe Oberflächenenergie und gute Schlüpfrigkeit und sind daher in der Lage, der Verschmutzung durch Ruß und Schmutz in stärkerem Maße zu widerstehen als es bei herkömmlichen keramischen Werkstoffen der Fall war. Ferner sind Fluorpolymere tendenziell gegen chemischen Angriff äußerst widerstandsfähig und gut geeignet, der korrosiven Wirkung von schwefliger und salpetriger Säure standzuhalten, die in dem Luftstrom vorhanden sind, der im Betrieb an den Elementen vorbeiströmt. Diese Beständigkeit gegen chemischen Angriff verhindert eine Oberflächensolvatisierung, die sonst die Strömungseigenschaften an der Oberfläche verschlechtern könnte.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Es kann in einigen Fällen bevorzugt sein, in dem Element ein wärmeleitfähiges Material zu verteilen. So enthält bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das wärmeleitfähige Material ein teilchenförmiges oder fadenförmiges Material, z.B. ein teilchenförmiges oder fadenförmiges Metall, wie Eisen oder Stahl. Dieses teilchenförmige oder fadenförmige Material kann mit dem Fluorpolymer vor den Pressformen oder der Laminierung des Fluorpolymers auf die Rovings gemischt werden.
Obgleich Gasfasern relativ schlechte Wärmeleitfähigkeitseigenschaften haben, wurde gefunden, daß den Wärmeübertragungselementen der Erfindung eine geeignete Wärmeleitfähigkeit dadurch verliehen werden kann, daß man hohe Volumenanteile an Glasrovings einsetzt, z.B. bis zu etwa 60 Vol.-% des Wärmeübertragungselements. Der Einsatz solcher Glasfasergehalte ist wirtschaftlich vorteilhaft, weil das Polyvinylidenfluorid oder das andere Fluorpolymer typischerweise etwa 6 mal teurer ist als die Glasrovings. Daher erlaubt die Erfindung die Herstellung von Wärmeübertragungs elementen in einer relativ wirtschaftlichen Weise, selbst wenn bei ihrer Herstellung ein relativ kostspieliges Fluorpolymer eingesetzt wird.
Im allgemeinen können die gewünschten Wärmeleitfähigkeitseigenschaften dadurch erreicht werden, daß man die Beladung der Rovings variiert und/oder einen Füllstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit wie Metallfasern oder Metallpulver mit den Glasrovings von geringerer Wärmeleitfähigkeit mischt. Die Glasfasermenge kann typischerweise in dem Bereich von 20 Vol.-% bis 60 Vol.-% des Wärmeübertragungselements betragen. Der eingesetzte Anteil der Metallfasern oder -teilchen kann bis zu 25 Vol.-% reichen, beträgt aber gewöhnlich nicht mehr als 20 Vol.-% des Wärmeübertragungselements.
Die Polymermatrix kann gänzlich aus einem Fluorpolymer oder aus Gemischen eines Fluorpolymers mit verträglichen thermoplastischen Polymeren, Antioxidantien und anderen Zusatzstoffen bestehen. In diesem Falle sind die Rovings in dem Fluorpolymer verteilt.
Das Wärmeübertragungselement der Erfindung kann als Rohr durch Strangpressen einer Fluorpolymerschmalze und darin verteilter Rovings gebildet werden. Es können auch andere herkömmliche Verfahren der Bildung von mit Rovings verstärkten Kunststoffrohren zur Anwendung kommen. Ein Rohr kann z.B. dadurch gebildet werden, daß man eine oder mehrere Schichten eines Roving-verstärkten Kunststoffbandes wendelförmig auf einen Dorn wickelt und die Bandteile in geeigneter Weise miteinander verpresst oder verschmilzt. Wenn mehr als eine Bandschicht verwendet wird, können die Faserschichten der zwei Schichten unterschiedlich sein. Wenn das Band selbst kein Fluorpolymer enthält, kann ein Fluorpolymerband oder -film gleichzeitig oder danach auf die Roving-verstärkte(n) Schicht(en) aufgebracht und durch Anwendung von Wärme und/oder Druck auf diese auflaminiert werden. Metallpulver oder Metallfasern können in die Roving-verstärkte Schicht oder in die mit Fluorpolymer beschichtete Schicht eingebaut werden.
Eine geeignete Anlage zur Herstellung rohrförmiger Wärmeübertragungselemente nach der Erfindung kann z.B. nach der Technologie errichtet werden, die von Automated Dynamics, 407 Front Street, Schenectady, New York 12305, Vereinigte Staaten von Amerika, zur Rovingplatzierung während der Rohrbildung entwickelt wurde, oder nach dem diskontinuierlichen Doppelpressbetrieb nach BST Beratung und System Technik GmbH, Am Flughaven 7613, 88406 Friedrichshafen, Deutschland.
Das Rohr oder die Rohrleitung kann einen zweckmäßigen, etwa runden, ovalen oder quadratischen Querschnitt haben. Es kann Rippen oder andere angeformte bauliche Ausbildungen haben. Sein Durchmesser kann innerhalb weiter Grenzen z.B. von 1 cm bis zu 25 cm oder mehr variieren und z.B. 38 mm betragen. Es kann Kupplungen oder andere integral angeformte Armaturen haben. Das Rohr oder die Rohrleitung kann entlang ihrer Länge in den Innenabmessungen oder der Wandstärke variieren.
Das bei der vorliegenden Erfindung eingesetzte Fluorpolymer ist vorzugsweise ein Fluorkohlenwasserstoffpolymer, wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder ein Copolymer mit wenigstens 80 Gew.-% Vinylidenfluorid und bis zu 20 Gew.-% wenigstens eines anderen Monomeren auf Fluorbasis. Geeignete Monomere auf Fluorbasis, die zusammen mit Vinylidenfluorid eingesetzt werden können, sind Tetrafluorethylen, Hexafluorpropylen und Vinylfluorid mit den in den US-Patenten Nr. 4,770,939 und 5,030,394 aufgeführten Eigenschaften. Das Fluorpolymer ist insbesondere PVDF und im Handel von Atochem North America, Inc. unter der Handelsbezeichnung KYNAR 500 PC, KYNAR 710, KYNAR 711 oder KYNAR 2800 erhältlich.
Das Fluorpolymer kann mit einem anderen thermoplastischen Polymer gemischt sein. Die bevorzugten thermoplastischen Polymere sind Acrylpolymere mit von Acrylaten oder Methacrylaten abgeleiteten Einheiten, wie etwa Copolymere, die von einem Alkylacrylat oder Alkylmethacrylat, vorzugsweise Methylmethacrylat, oder von wenigstens einem anderen olefinisch ungesättigten Monomer abgeleitet sind. Acrylsäure und Methacrylsäure sind ebenso wie die anderen olefinisch ungesättigten Monomere geeignet. Die Copolymere enthalten mit Vorteil wenigstens 75 Gew.-% Einheiten, die sich von einem Alkylmethacrylat ableiten, und bis zu 25 Gew.-% Einheiten, die sich von einem oder mehreren anderen olefinisch ungesättigten Monomeren ableiten. Das thermoplastische Polymer ist vorzugsweise Poly(methylacrylat) oder Poly(methylmethacrylat) oder ein Alkylmethacrylat/Alkylacrylat-Copolymer. Diese thermoplastischen Polymere haben die in den US-Patenten Nr. 4,770,939 und 5,030,394 angegebenen Eigenschaften und sind im Handel unter der Handelsbezeichnung Acryloid/Paraloid B-44 von Rohm & Haas Company erhältlich. Diese Werkstoffe sind in dem US-Patent Nr. 5,229,460 beschrie ben. Ein anderes bevorzugtes Acrylpolymer ist unter der Handelsbezeichnung OROGLAS HFI-10 von Atohaas erhältlich.
Die Verwendung eines Acrylpolymers im Gemisch mit dem Fluorpolymer kann die Benetzungseigenschaften des Materials verbessern und so dazu beitragen, eine gleichmäßige Beschichtung des Fasermaterials in dem Wärmeaustauschelement der Erfindung zu gewährleisten.
Das Gewichtsverhältnis der Fluorpolymers zu dem thermoplastischen Acrylpolymer ist im Falle des Einsatzes vorzugsweise in dem Bereich von 90:10 bis 40:60, vorzugsweise von 75:25 bis 65:35, z.B. 70.30.
Ein Terpolymer auf Fluorbasis mit niedrigem Schmelzpunkt kann dem Gemisch aus Fluorpolymer/thermoplastischem Acrylpolymer ebenfalls zugesetzt werden. Ein Terpolymer ist ein aus drei Monomeren gebildetes Polymer. Ein solches Terpolymer mit niedrigem Schmelzpunkt würde z.B. einen Schmelzpunkt von nicht höher als 150°C haben. Ein geeignetes Terpolymer ist Vinylidenfluorid-Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen mit einer Schmelztemperatur von 87 bis 93°C und einer Schmelzviskosität bei 125°C von 11.000 bis 13.000 Poise. Das bevorzugte Terpolymer ist im Handel unter der Handelsbezeichnung KYNAR ADS^® von Atochem, North America, Inc. erhältlich.
Das Gewichtsverhältnis des Fluorpolymers zu dem ggfs. eingesetzten Terpolymer liegt in dem Bereich von 50.50 bis 99.1.
Das Gemisch kann auch andere Additive enthalten, wie korrosionshemmende Pigmente, Mittel zur Unterstützung des Trockenfließens, Antioxidantien, Haftungsverstärker und UV-absorbierende Materialien, obgleich diese Additive nicht erforderlich sind. Ein bevorzugtes Additiv ist ein Antioxidationsmittel wie 2,2- bis [3-[3,5-bis(1,1-Dimethylethyl)-4-hydroxyphenyl]-1-oxopropoxyl]methyl]-1,3-propandiyl-3,5-bis(1,1-dimethylethyl)-4-hydroxybenzol-propanoat, das unter der Handelsbezeichnung Irganox 1010 von Ciba-Geigy erhältlich ist.
Der Fluorpolymeransatz kann zur Laminierung auf die Außenseite eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragungselements zu einem dünnen Film geformt werden.
Zum richtigen Verständnis und vollständigen praktischen Ausführung der Erfindung wird nun in den folgenden Beispielen eine Reihe bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung eingehender beschrieben:
Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)
Es wurde ein Fluorpolymeransatz mit den folgenden Bestandteilen hergestellt:
Die Materialien wurden in einem Hochleistungsmischer MIXACO gemischt und in einen Doppelschneckenextruder eingeführt und bei etwa 200°C extrudiert. Das Extrudat wurde in einem Wasserbad abgeschreckt und dann pelletisiert.
Der pelletisierte Ansatz wurde durch einen Einzelschneckenextruder mit einer Einzelschlitzdüse extrudiert, um eine kontinuierliche Folie mit einer Dicke von etwa 120 μm zu bilden.
Die anfallende Folie wurde benutzt, um eine Faserunterlage aus Kohlenstoffstahl dadurch zu beschichten, daß man einen Folienbogen auf jede Seite der Unterlage brachte und die bedeckte Unterlage in einer Heizpresse einer Temperatur von 200°C und einem Druck von 0,625 Tonnen je Quadratzoll (95 bar) aussetzte.
Das resultierende Wärmeübertragungselement hatte eine Dicke von etwa 1 mm und ausgezeichnete Wärmeübertragungs-, Verschmutzungsschutz-, Konstruktions- und Fließeigenschaften.
Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)
Eine Folie aus Fluorpolymer-Beschichtungsansatz wurde wie oben in Beispiel 1 beschrieben hergestellt und zur Beschichtung einer faserigen Kohlenstoffstahlunterlage benutzt, indem beide Seiten der Unterlage mit Folie beschichtet und die beschichtete Unterlage durch einen Doppelbandlaminator geführt wurden. Trennfolien aus Acetat wurden über die Fluorpolymerfolie gelegt, um die Haftung an den Bändern des Laminators zu verhindern.
Das gebildete Wärmeübertragungselement ist etwa 1 mm dick und hat ausgezeichnete Wärmeübertragungs-, Verschmutzungsschutz-, Konstruktions- und Fließeigenschaften.
Beispiel 3 (Informationsbeispiel)
Ein wie in Beispiel 1 beschriebener Fluorpolymer-Beschichtungsansatz wurde hergestellt und mit Edelstahl-Feilicht in einem Verhältnis von drei Gewichtsteilen des Beschichtungsansatzes zu einem Gewichtsteil Edelstahl-Feilicht gemischt. Das resultierende Verbundmaterial wurde nach der in Beispiel 2 beschriebenen Methode auf eine Faserglasunterlage auflaminiert, um ein Wärmeübertragungselement mit einer Dicke von etwa 1 mm mit ausgezeichneten Wärmeübertragungs-, Verschmutzungsschutz-, Konstruktions- und Fließeigenschaften zu bilden.
Beispiel 4 (Informationsbeispiel)
Die Beispiele 1 bis 3 wurden unter Verwendung eines Fluorpolymeransatzes der folgenden Bestandteile wiederholt:
In jedem Falle wurde ein Wärmeübertragungselement mit ausgezeichneten Wärmeübertragungs-, Verschmutzungsschutz-, Konstruktions- und Fließeigenschaften hergestellt.
Beispiel 5 (Informationsbeispiel)
Ein Laminat aus zwei vorgefertigten, jeweils 0,150 mm dicken Folien aus 100 Fluorpolymer Solex 8008 und zwei vorgefertigten, chemisch beständigen Faserglasmatten aus 110 g/m² Advantex^® wurde mit einer etwa 0,6 mm dicken, faserigen Stahlunterlage vereinigt, indem man sie zusammen unter Benutzung eines Druckes von weniger als 5 bar und einer Temperatur von 230°C in einem Doppelbandlaminator zusammenlaminierte. Das resultierende Laminat hatte eine Dicke von 0,91 mm und ausgezeichnete Wirtschaftlichkeit, Wärmeübertragungs-, Verschmutzungsschutz-, Konstruk tions- und Fließeigenschaften.
Beispiel 6
Ein Rohr wird durch Bandwicklung von vorgefertigten Bändern hergestellt, die 60 Vol.-% chemisch beständige Glasfaser zusammen mit 40 Vol.-% Kynar 711 enthalten. Dieses wurde in der Form eines sehr feinen Pulvers erhalten und durch Beschichtung unter Benutzung eines Wirbelbetts auf die Glasfasern aufgebracht und dann unter Benutzung einer beheizten Form verdichtet. Das resultierende Band war 0,4 mm dick und 20 mm breit und wurde unter einem Winkel von +/–20° mit 60% des Bandes in der Rohrlänge und 40% in der inneren und äußeren Rohroberfläche auf einen Dorn gewickelt. Das resultierende Rohr zeigte bei der Prüfung gute Eigenschaften.

Claims

Rohrförmiges Wärmeübertragungselement mit einer aus einem Verbundmaterial gebildeten Wandung, das aus einer Matrix und in der Matrix verteilten Rovings besteht, wobei die Matrix im wesentlichen aus einem Fluorpolymer besteht, das unter Polyvinylidenfluorid und Copolymeren aus wenigstens 80 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Copolymeren, Vinylidenfluorid und bis zu 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Copolymers, wenigstens eines anderen unter Tetrafluorethylen, Hexafluorpropylen und Vinylfluorid ausgewählten Polymers auf Fluorbasis besteht, wobei die in der Matrix verteilten Rovings borfreie, chemisch beständige Glasfasern aufweisen und bezogen auf das Volumen des Wärmeübertragungselements 20 bis 60 Vol.-% ausmachen.
Rohrförmiges Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, bei dem das Fluorpolymer Polyvinylidenfluorid ist.
Rohrförmiges Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Verbundmaterial ferner ein teilchenförmiges Metall enthält.
Rohrförmiges Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Verbundmaterial ferner ein teilchenförmiges, thermisch leitfähiges Material enthält.