DE69627511T2

DE69627511T2 - Wärmetauscher aus polymerenbändern

Info

Publication number: DE69627511T2
Application number: DE69627511T
Authority: DE
Inventors: Colin Darras Hall RAMSHAW; Jeet Roshan JACHUCK
Original assignee: Newcastle University Ventures Ltd
Current assignee: Protensive Ltd
Priority date: 1995-09-08
Filing date: 1996-09-04
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2016-09-05
Also published as: DE69627511D1; GB9518260D0; US6059024A; AU6883996A; EP0848802A1; EP0848802B1; WO1997009579A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf neue Polymerfilmdoppelschichten für einen nicht-vermischenden Kontakt von Fluiden, Wärmetauscher mit solchen Doppelschichten sowie die Herstellung und deren Verwendung, insbesondere auf Polymerfilmwärmetauscher mit einem günstigen Verhältnis von Oberflächenausdehnung für den Wärmeaustausch zur Pfadlänge von Gas und/oder Flüssigkeiten sowie auf Verfahren zu deren Herstellung und deren Anwendungen.
In den letzten Jahren wurden Polymere mit Arbeitstemperaturen bis zu und über 250°C hinaus verfügbar. Einige typische Beispiele sind Polyetheretherketon (PEEK) und Polyimid (UPILEX). Da die chemische Resistenz und die Resistenz gegenüber Verschmutzungen bei diesen Materialien im Allgemeinen attraktiv ist, gibt es eine zunehmende Verwendung dieser Materialien als Ersatz für Metalle beim Bau von Wärmetauschern, die bis zu 250°C arbeiten.
EP-A-O 397 487 offenbart beispielsweise zwei Polymerfilme, die miteinander versiegelt sind, um eine als Wärmetauscher verwendete Doppelschicht auszubilden.
Als ein Ergebnis von kürzlich abgeschlossenen Untersuchungsreihen ist es nun bekannt, dass das Wärmeübergangsvermögen einer einfachen Matrix aus geriffeltem Film sehr hoch ist, wenn man Riffelungen mit einer Abmessung von Spitze zu Spitze von ungefähr 2 mm und eine Riffelungshöhe von ungefähr 1 mm verwendet. Im Hinblick auf den relativ hohen Druckabfall pro Fließweg-Längeneinheit verglichen mit demjenigen, der bei konventionellen Wärmetauschern aus Metall auftritt, müssen die Fließwege jedoch minimiert werden. Dieses Erfordernis betrifft insbesondere die Fließweglänge von Gas, wenn Wärme zwischen Gasen und Flüssigkeiten übertragen wird, wie beispielsweise in Gas-Wasser-Heizgeräten für häusliche Anwendungen. Frühere („kondensierende") Versionen dieser Heizgeräte beinhalten sekundäre Wärmetauscher, die Verbrennungsprodukte von 250°C auf etwa 50°C abkühlen, wodurch deren gesamte thermische Effizienz verbessert wird. Da das in diesen Geräten entstehende Kondensat leicht sauer ist, ist der sekundäre Wärmetauscher aus Edelstahl hergestellt. Dies hat spürbar höhere Kosten verglichen mit den üblichen Gusseisengeräten zur Folge und bietet eine günstige Gelegenheit für eine relativ kostengünstige Konstruktion mit Polymerfilmen.
Aufgrund des nur begrenzt zur Verfügung stehenden Druckabfalls des Abgases darf ein sekundärer Wärmetauscher auf Basis einer Matrix aus Polymerfilm mit seinen engen Fließkanälen eine Fließweglänge von maximal etwa 10 cm besitzen. Diese Erfindung beschäftigt sich mit einer neuen Konstruktion, um dieses Erfordernis wirtschaftlich zu erreichen. Während diese Konstruktion besonders interessant ist zum Kühlen von Abgas mit Flüssigkeiten, besitzt sie gleichermaßen Bedeutung für jede Anwendung mit einem Gas-Flüssigkeits-Wärmeübergang, bei der der Druckabfall des Gases begrenzt ist.
Die thermische Leitfähigkeit von Polymeren ist im Vergleich mit derjenigen von Metallen schlecht, so dass es wichtig ist, dass die Dicke des verwendeten Polymers keinen spürbaren zusätzlichen thermischen Widerstand für den Wärmeübergangsprozess zur Folge hat. Dies führt dazu, dass Polymerfilme mit einer Dicke von 100 Mikron [0,10 mm] typischerweise eine geeignete Wahl für eine Anwendung mit einem Gas-Flüssigkeits-Wärmeübergang darstellen. Der Film ist geriffelt, so dass nebeneinander liegende Filmschichten durch die Riffelungen, die sich unter einem Winkel von etwa 90° schneiden können, auseinander gehalten werden können. Dort, wo Wärme von dem Fluid A zum Fluid B transferiert wird, fließen diese Fluide abwechselnd durch die Schichten des geriffelten Films.
In ihrem breitesten Umfang bezieht sich die vorliegende Erfindung daher auf eine Doppelschicht aus geriffeltem Polymerfilm, die so angeordnet ist, dass sich die Riffelungen unter einem Winkel kreuzen, um jeweils Fließwege für ein erstes und ein zweites gasförmiges oder flüssiges Fluid bereitzustellen, wobei das Verhältnis der Oberflächenausdehnung des Polymerfilms, definiert als die gesamte zum Kontakt mit den beiden Fluiden ausgelegte Oberfläche einschließlich derjenigen der Fließpfade der Fluide, zu dem gesamten Matrixvolumen definiert als das gesamte Volumen der Doppelschicht, das dazu ausgelegt ist, von dem ersten oder zweiten Fluid kontaktiert zu werden, einschließlich deren Außenseite, jedoch ohne das Volumen von Zufluss- und Abflusszweigen und ohne Totraum, mehr als 700 m²/m³ beträgt, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass die nebenein ander liegenden Polymerschichten durch die Riffelungen auseinander gehalten werden.
Vorzugsweise übersteigt das Verhältnis 1000 m²/m³, und es liegt beispielsweise in der Größenordnung von 1500 m²/m³. Es ist ein besonderer Vorteil, dass diese Verhältnisse unter Verwendung eines Polymers mit der damit verbundenen Herstellungseffizienz und mit einem akzeptablen Druckabfall erreicht werden können. Mit Hilfe der Doppelschicht der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Gesamtoberflächenausdehnung zu Weglänge von Wärme austauschendem Gas und Flüssigkeit bereitzustellen, die wirtschaftlich interessant ist und in der die Doppelschicht zudem so ist, dass sie einen akzeptablen Druckabfall gewährleistet, wodurch Leckagen und Funktionsausfälle vermieden werden. Die Doppelschicht ist für eine Verwendung in Wärmetauscheranwenden ideal geeignet.
Die Bezugnahme hierin auf ein Matrixvolumen bezieht sich auf das Gesamtvolumen, das durch die Doppelschicht bestimmt wird, einschließlich des durch deren Außenseite bestimmten Volumens, und das dazu ausgelegt ist, von dem ersten oder zweiten Fluid kontaktiert zu werden, jedoch abzüglich des Volumens von Zufluss- und Abflusszweigen und Totraum, wie beispielsweise desjenigen, der, wie hier nachfolgend beschrieben, von einem Kern herrührt wird.
Gasförmige und flüssige Fluide für Wärmetauscheranwendungen können alle konventionell für derartige Zwecke verwendeten Fluide sein, insbesondere zu kühlende Fluide, wie beispielsweise Abgase, Antriebs-, Maschinen-, Verarbeitungs- und Ofen- oder Motorkühlmittel und ähnliches, insbesondere zur Wiedergewinnung von Wärmeenergie, oder heiße Abwasserfluide zu Wärmerückgewinnungszwecken, wie beispielsweise die Abflüsse aus Waschmaschinen oder ähnlichen häuslichen oder industriellen Geräten.
Die Weglänge des ersten Fluids ist bei der Doppelschicht der vorliegenden Erfindung sinnvollerweise geringer als die Weglänge des zweiten Fluids. Dies ist ein besonderer Vorteil des Umstandes, dass die Fluide nicht dieselben sind, wodurch ein Fluid empfänglicher für die Ausbildung eines hohen Druckabfalls ist, zum Beispiel ein gasförmiges.
Vorzugsweise weist eine oben beschriebene Doppelschicht zwei geriffelte Polymerfilme auf, die unter einem Kreuzungswinkel der Riffelungen von 25° bis 90° angeordnet sind, und zwar weiter bevorzugt unter einem Winkel von 60° bis 90° angeordnet sind für den Fall, dass die Fließwege des Fluids im Wesentlichen in einer geraden Ebene gelegen sind bzw. zwischen 25° und 60° in dem Fall, dass die Fließwege in einer im Wesentlichen gekrümmten oder abgewinkelten Ebene gelegen sind.
Die geriffelten Polymerfilme können aus jedem geeigneten Polymer bestehen, das thermoplastische Eigenschaften aufweist, zum Beispiel Polyethylennaphtalat (PEN), Polypropylen, Polyvinylchlorid (PVC) und, wie bereits weiter oben beschrieben PEEK und UPILEX, und das geeignete Arbeitstemperaturen, Flexibilität und Elastizität besitzt. Die Filme können geeignete Faserverstärkungen und dergleichen besitzen, wie es im Stand der Technik an sich bekannt ist, vorzugsweise beinhalten sie eine Verstärkung aus Karbon- oder Glasfasern. Die Filme kann man vorgeriffelt erhalten oder sie können bei dem Verfahren zur Herstellung der Doppelschicht unter Verwendung bekannter Techniken geriffelt werden.
Die geriffelten Polymerfilme können jedes beliebige Profil besitzen, das zum Erzeugen und Regulieren eines gewünschten, dazwischen liegenden Fließweges geeignet ist, vorzugsweise können sie ein sinusförmiges, sägezahnförmiges oder quadratsinusförmiges Profil oder dergleichen aufweisen. Die Riffelungswellenlänge wird praktischerweise im Sinne eines Abstandes von Spitze zu Spitze gemessen und kann jeden geeigneten Wert haben, der an die gewünschte Wärmetauscheraufgabe und einen akzeptablen Druckabfall angepasst ist, und der zudem dazu ausgebildet ist, jeglichen Feststoffverunreinigungen ohne Blockade einen Durchgang zu ermöglichen für den Fall, dass eine Filtration unwirksam oder unerwünscht ist. Vorzugsweise liegt die Wellenlänge in der Größenordnung von bis zu 1 cm, weiter bevorzugt im Bereich zwischen 1 und 6 mm, wie zum Beispiel zwischen 2 und 4 mm. Die Wahl des Riffelungsprofils kann ohne Weiteres im Hinblick auf die Vermischungs- und Verteilungseigenschaften getroffen werden, die für eine gegebene Anwendung erforderlich sind.
Der Winkel der Kreuzriffelungen kann nach den Mischungs- und Verteilungseigenschaften gewählt werden, die für eine gegebene Anwendung erforderlich sind, wobei ein großer Kreuzriffelungswinkel ein größeres Fließwegvolumen für das Fluid bereitstellt und damit einen geringeren Druckabfall, jedoch eine geringere Flexibilität der Doppelschicht für eine gewünschte Verformung.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung kann eine Doppelschicht verwendet werden, die ein kleines Gesamtmatrixvolumen belegt, wie weiter oben beschrieben, und die zudem ein vergleichbares oder sogar überlegenes Kontaktverhalten der Fluide im Vergleich zu konventionellen Wärmetauscherelementen bereitstellt.
Eine Doppelschicht, wie sie weiter oben beschrieben ist, kann länglich und in eine geometrische Form gebracht sein, deren längste Abmessung kleiner ist als die Weglänge des zweiten Fluides, wobei die Anzahl der diskreten ersten Fließwege größer ist als diejenige, die bei einer längs ausgestreckten, ebenen Doppelschicht mit derselben längsten Abmessung vorhanden wäre.
Die geometrische Form einer Doppelschicht kann nach der gewünschten Anwendung ausgewählt werden, insbesondere im Hinblick auf die physikalischen und mechanischen Vorgaben und das Volumen, in dem sie angeordnet werden soll.
Es versteht sich, dass eine einfache Doppelschicht den Durchgang eines ersten Fluides und eines zweiten Fluids in gekreuzten Richtungen ermöglicht, von denen eines innerhalb der Doppelschicht enthalten und daher von dem anderen, welches die Außenseite der Doppelschicht entlang deren äußeren Riffelungen berührt, isoliert ist. Sinnvollerweise ist eine Doppelschicht daher in an sich bekannter Weise an ihrem Außenumfang versiegelt, um das zweite Fluid in geeigneter Weise aufzunehmen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Doppelschicht in einer offenen, geschlossenen oder konzentrischen Spiralebene ausgebildet, die gekrümmt oder abgewinkelt ist, wie zum Beispiel eine elliptische, kreisförmige oder polygonale Ebene oder ein Teil oder eine Kombination davon. Es versteht sich, dass eine solche Doppelschicht eine aus einer Vielzahl von im Wesentlichen koplanaren Doppelschichten sein kann, die in koaxialer, konzentrischer oder äquivalenter Weise angeordnet sind.
Der Bezug auf eine konzentrische Spiralebene, die gekrümmt oder abgewinkelt ist, bezieht sich auf eine Ebene, die in einer Weise aufgewickelt oder in sich selbst aufgerollt ist, dass sie einen geometrischen Körper ausbildet, von dem ein Querschnitt eine zweidimensionale gekrümmte oder abgewinkelte Spirale aufweist. Vorzugsweise besitzt eine solche Spirale in jedem Fall eine solche abgewinkelte Ebene stetige Winkel an jedem Übergang zwischen Spiralen bzw, jedem geometrischen Winkel, wodurch der Druckabfall entlang der Weglänge des zweiten Fluids minimiert wird.
Die Doppelschichten der vorliegenden Erfindung werden dabei im Hinblick auf die Anzahl von daraus gebildeten koplanaren Doppelschichten bzw. konzentrischen Spiralen an die Auswahl der Weglänge des erstes Fluids angepasst, das heißt sie besitzen eine im Wesentlichen konstante Anzahl an Weglängen für das erste Fluid pro Doppelschicht oder Abschnitt, um einen gewünschten Querschnittsbereich für einen sich nicht mischenden Kontakt von erstem und zweitem Fluid innerhalb einer Vorgabe aufgrund des gewünschten Druckabfalls des ersten Fluids zu erhalten.
Sinnvollerweise ist daher eine Doppelschicht, die eine aus einer Vielzahl von entsprechenden Doppelschichten ist oder die eine konzentrische Spirale beinhaltet, dazu ausgebildet, einen Durchgang für entweder ein erstes oder ein zweites Fluid bereitzustellen, das in jeder einzelnen Doppelschicht oder deren konzentrischen Abschnitt eingeschlossen und von dem jeweils anderen ersten beziehungsweise zweiten Fluid isoliert ist, welches dazu ausgebildet ist, zwischen den Außenseiten von jeweils zwei koplanaren Doppelschichten oder deren konzentrischen Abschnitten hindurchzutreten und diese zu berühren, das heißt die Vielzahl von entsprechenden Doppelschichten oder konzentrischen Abschnitten davon können in dem Fließweg des ersten oder zweiten Fluids angeordnet sein, wobei das erste oder zweite Fluid in der Lage ist, dazwischen hindurchzutreten, und zwar entlang der äußeren Riffelungen davon.
Die Doppelschichten der Erfindung sind im Wesentlichen unabhängig von der Größe, wenn man die Möglichkeit berücksichtigt, daraus die Weglängen des ersten Fluids (und des zweiten Fluids) auszuwählen. Beispielsweise kann eine Doppelschicht eine Gesamtweglänge für das erste Fluid von 1 cm bis 5 m und mehr besitzen sowie eine Gesamtweglänge für das zweite Fluid von 10 cm bis 50 m oder mehr, was einer größten geometrischen Außenabmessung von 1 cm bis 10 m oder mehr entspricht.
Es versteht sich, dass der Druckabfall, dem gasförmige Fluide in Wärmetauschern unterliegen, stärker ist als derjenige, dem flüssige Fluide für Wärmetauscheranwendungen unterliegen, wobei die physischen Rahmenbedingungen im Wesentlichen durch Vermindern der Weglänge für das gasförmige Fluid minimiert werden. Es versteht sich weiterhin, dass in dem Fall, dass die Druckabfallvorgabe eines Wärmetauschers in Bezug auf beide Flüssigkeiten kritisch ist, es bevorzugt ist, eine Doppelschicht der zuvor beschriebenen Art zu verwenden, die in einen Teil einer geometrischen Form gebracht ist und eine aus einer Vielzahl von entsprechenden, an den Enden ausgerichteten Doppelschichten ist, die eine Ebene festlegen, wie sie weiter oben beschrieben ist, das heißt wodurch die Weglänge von Ende zu Ende bei jeder Doppelschicht geringer ist als die gekrümmte oder abgewinkelte ebene Kontaktlänge des ersten und zweiten Fluids.
Eine Doppelschicht, wie sie weiter oben beschrieben ist, kann mit den jeweiligen Enden des ersten und/oder zweiten Fließweges in Verbindung mit ersten und/oder zweiten Zufluss- und Abflusszweigen für die Fluide ausgebildet sein. Sinnvollerweise ist eine Doppelschicht, die eine aus einer Vielzahl von im Wesentlichen koplanaren Doppelschichten bildet, mit jeweils einem Zufluss- und Abflusszweig verbunden, der allen koplanaren Doppelschichten gemeinsam ist. Des Weiteren kann eine Doppelschicht, die als Teil einer geometrischen Form ausgebildet ist und die an ihren Enden mit einer oder mehreren Doppelschichten, welche die verbleibenden Teile der geometrischen Form ausmachen, ausgerichtet ist, gemeinsam mit den gleichermaßen ausgerichteten Doppelschichten mit jeweils einem einzelnen Zufluss- und Abflusszweig verbunden sein. Die Anordnung von Verzweigungen ergibt sich jedoch im Hinblick auf einen möglichst leichten Zugang, Anschlussbetrachtungen und ähnlichem.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Doppelschicht der zuvor beschriebenen Art bereitgestellt, welches die Zusammenstellung von zwei Polymerfilmen der zuvor beschriebenen Art beinhaltet sowie deren Versiegelung; vorzugsweise werden zwei Filme geformt, um die gewünschte Riffelung zu erhalten und sie werden gleichzeitig oder in anderer Weise miteinander versiegelt und in Form gebracht, um die gewünschte Ausbildung der zuvor beschriebenen Art zu erhalten, und bevorzugt werden sie gleichzeitig geformt, um die gewünschte Riffelung und geometrische Form zu erhalten. Es versteht sich, dass ein vorgeriffelter Film mit minimalen Kosten geschnitten und in die gewünschte Form gebracht werden kann oder dass der Film unter Verwendung von speziellen Schablonen oder Matrizen mit entsprechend höherer Produktqualität gleichzeitig geriffelt und geformt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Wärmetauscher für Fluide mit einer Doppelschicht der zuvor beschriebenen Art bereitgestellt. Sinnvollerweise beinhaltet ein Wärmetauscher der zuvor beschriebenen Art einen Kern, dessen Form und Abmessungen dem vom Wärmetauscher eingeschlossenen Raum entsprechen, und der dazu ausgebildet ist, in einem Fließweg des ersten Fluids mit einer entsprechenden Form und Abmessung angeordnet zu werden, die dazu ausgelegt sind, den Wärmetauscher zu umschließen.
Es versteht sich, dass die Anordnung eines axialen Kerns innerhalb eines in dem Fließweg des ersten Fluids angeordneten Wärmetauschers, wie zuvor beschrieben, gewährleistet, dass das erste Fluid die Außenseite(n) der Doppelschicht(en) kontaktiert, um so einen effektiven Wärmeaustausch zu gewährleisten. Der Kern kann aus jedem geeigneten Material hergestellt sein, aber er ist bevorzugt aus einem Material hergestellt, das an die physikalischen Rahmenbedingungen der vorgesehenen Anwendung angepasst ist. Vorzugsweise ist der Kern hohl, wodurch dessen Masse reduziert wird, und weiter bevorzugt ist er aus einem elastischen Polymer hergestellt, wie zum Beispiel einem thermoplastischen Polymer der zuvor beschriebenen Art, und er besitzt eine Wanddicke, die ausreichend ist, um die erforderliche Länge bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Verwendung eines Wärmetauschers der zuvor beschriebenen Art mit einer Doppelschicht der zuvor beschriebenen Art für Wärmetauscheranwendungen bereitgestellt, wobei das erste Fluid ein Gas und das zweite Fluid eine Flüssigkeit ist, die aus Flüssigkeiten ausgewählt ist, welche üblicherweise zum Kühlen in Wärmetauscheranwendungen verwendet werden, wie beispielsweise Abgas, An triebs-, Maschinen-, Ofen- oder Motorkühlmittel, Abwässer von industriellen und häuslichen Geräten, sowie Fluide, die üblicherweise zur Rückgewinnung von Wärmeenergie daraus verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Wärmetauschermatrix aus geriffeltem Polymerfilm bereitgestellt, die zum Beispiel wie nachfolgend beschrieben aufgebaut ist und eine oder mehrere der nachfolgenden grundsätzlichen Vorteile besitzts

1. Sie ist einfach hergestellt, indem man nur zwei Filmschichten miteinander verbindet statt mehrfache Schichten in einer Matrix.
2. Die Fließweglänge für ein Fluid (das heißt das Gas) kann sehr kurz gehalten sein.
3. Zweigleitungsanordnungen für jedes Fluid sind sehr einfach, insbesondere wenn die Matrix innerhalb einer der Fluidleitungen (Gas) enthalten ist.
4. Wenn beim Schritt des Aufwickelns eine moderate Spannung auf die geriffelten Streifen ausgeübt wird, wird die Spi ralmatrix mechanisch robust und sie wird Druckkräften, die in der Kühlflüssigkeit entstehen, standhalten.

Ein sekundärer Wärmetauscher für ein kondensierendes Wasserheizgerät für häusliche Anwendungen mit 15 kW ist typischerweise dazu ausgelegt, 3 kW zurückzugewinnen, indem das Abgas von 250°C auf 50°C (ungefähr) abgekühlt wird, wobei das Wasser bei 50°C eintritt. Dies entspricht einer mittleren Temperaturdifferenz von ungefähr 80°C. Berücksichtigt man, dass der insgesamt mit dem Wärmetauscher aus geriffeltem Polymerfilm erreichbare Wärmeübergangskoeffizient etwa 200 W/m²K beträgt, liegt die für diese Aufgabe benötigte Wärmeübergangsfläche bei 0,2 m². Es wird vorgeschlagen, diese Fläche herzustellen, indem man zwei geriffelte Streifen von 10 cm Breite und 1 m Länge an ihrem Außenumfang miteinander verbindet, wie in 1 gezeigt. Die Riffelungen sind unter 45° zur Streifenlänge ausgerichtet, aber sie kreuzen sich unter 90°, um die Streifen auseinander zu halten. Dabei wird ein Fließkanal für das Wasser erzeugt, das zwischen den an jedem Ende angeordneten Einlass-/Auslassöffnungen hindurchtritt.
Der Polymerstreifen wird anschließend auf einen zylindrischen Kern mit einem Durchmesser aufgewickelt, der groß genug ist, um ein „Abknicken" des Kanals zu vermeiden, wenn die Spiralmatrix hergestellt wird. Bei einem 100 μm dicken geriffelten PEEK-Film beträgt dieser Durchmesser typischerweise zumindest 7 cm. Nach dem Aufwickeln wird die Wärmetauscherspirale mit einem zylindrischen Halteband fixiert, wodurch eine Wärmetauscherkassette entsteht, die bequem in einer Gasleitung installiert werden kann. Ein Streifen von 1 m, der wie oben beschrieben geriffelt ist, wickelt sich in eine Spirale von etwa 7 cm Innendurchmes ser und 9 cm Außendurchmesser auf. Wie in 2 zu erkennen ist, wird der zentrale Kern in diesem Fall blockiert, damit das Gas gezwungen ist, zwischen den flüssigkeitsgekühlten Spiralstreifen zu fließen, die eine Fließweglänge von 10 cm bereitstellen.
Es ist klar, wenn eine kürzere Weglänge für den Gasfluss benötigt wird, um den Druckabfall weiter zu reduzieren, können schmalere Streifen aufgewickelt werden, um eine Kassette mit einem größeren Außendurchmesser herzustellen.
Wenn alternativ hierzu der Druckabfall der Flüssigkeit reduziert werden muss (wie im Fall von Autoradiatoren oder Ölkühlern für Flugzeuge), kann der Wasserfluss zu mehreren Streifen parallel zugeführt werden. 3 zeigt die vorgesehene Anordnung mit vier Streifen, die gemeinsam einen Wasserzufluss und ein Rückführsammelrohr A, B besitzen. Die Streifen sind um den Kern M aufgewickelt, der einen solchen Durchmesser aufweist, dass er ein „Abknicken" der Streifen verhindert. Die Länge jedes Streifens ist so geschnitten, dass gewährleistet ist, dass jeder über die gesamte Länge in engen Kontakt mit seinem Nachbarn ist. Die Anordnung und Verbindung der Enden der Streifen mit den Sammelleitungen ist eine einfache Angelegenheit für Fachleute auf dem Gebiet der Polymerherstellung.
In 4 ist ein Wärmetauscher gezeigt, wie er mit Bezug auf 3 beschrieben ist, und zwar zur Verwendung beim Kühlen von Abwasser aus Stromerzeugungsturbinen, Verarbeitungsfabriken und ähnlichem. Übliche Kühltürme können damit entfallen und es wird ein Trockenkühlen ausgenutzt, wodurch die derzeitigen Probleme auf Grund von Verdampfung beseitigt werden. Der Wärme tauscher aus 4 kann 50 m im Durchmesser betragen oder mehr, wobei sich Kreuzriffelungswinkel von 90° als geeignet herausgestellt haben.
Unter Verwendung von 100 μm dickem, geriffeltem PEEK-Film wurden Tests durchgeführt, um die Wärmeübergangs- und Druckabfalleigenschaften für Gas/Gas-, Flüssigkeits-/Flüssigkeits- und Gas/Flüssigkeits-Aufgaben und für verschiedene Winkel der Kreuzriffelung (zum Beispiel 90°, 60° und 30°) zu untersuchen. Das Ziel der Studie war es, Konstruktionsdaten in Form von J_h (Colburn Faktor) und f-Korrelationen (Auffächerungs-Reibungsfaktor [fanning friction factor]) als Maß für die Wärmeübergangseigenschaften beziehungsweise den Druckabfall zu erhalten. Aus den oben genannten Untersuchungen ließ sich schließen, dass der Winkel der Kreuzriffelungen bei einem Wärmetauscher mit spiralförmigem Polymerfilm sinnvollerweise zwischen 60° und 30° liegt, da dies es ermöglicht, den Polymerstreifen leicht um den Kern herumzuwickeln. Es ergab sich außerdem, dass die Form des Kerns nicht notwendigerweise zylindrisch sein muss. Wenn beispielsweise der spiralförmige Tauscher als Autoradiator verwendet wird, ist der Kern besser elliptisch als zylindrisch in seiner Form.

Claims

Doppelschicht aus geriffeltem Polymerfilm, der so angeordnet ist, dass sich die Riffelungen unter einem Winkel kreuzen, um jeweils Fließpfade für ein erstes und ein zweites gasförmiges oder flüssiges Fluid zu erzeugen, wobei das Verhältnis der Oberflächenausdehnung des Polymerfilms, definiert als die gesamte zum Kontakt mit den beiden Fluiden ausgelegte Oberfläche einschließlich derjenigen der Fließpfade der Fluide, zu dem gesamten Matrixvolumen definiert als das gesamte Volumen der Doppelschicht, das dazu ausgelegt ist, von dem ersten oder zweiten Fluid kontaktiert zu werden, einschließlich deren Außenseite, jedoch ohne das Volumen von Zufluss- und Abflusszweigen und ohne Totraum, mehr als 700 m²/m³ beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die nebeneinander liegenden Polymerfilmschichten durch die Riffelungen auseinander gehalten werden.
Doppelschicht nach Anspruch 1, wobei die Pfadlänge des ersten Fluids geringer ist als die Pfadlänge des zweiten Fluids.
Doppelschicht nach Anspruch 1 oder 2, mit zwei geriffelten Polymerfilmen, die unter einem Winkel bezüglich der Kreuzriffelung von 25° bis 90° angeordnet sind.
Doppelschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die lang gestreckt ist und die in einer geometrischen Form ausgebildet ist, deren längste Abmessung geringer ist als die Pfadlänge des zweiten Fluids, und wobei die Anzahl der diskreten ersten Fluidpfade größer ist als diejenige, die bei einer ausgestreckten, flachen Doppelschicht mit derselben längsten Abmessung vorgesehen wird.
Doppelschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die in einer offenen, geschlossenen oder konzentrischen Spiralebene ausgebildet ist, welche gekrümmt oder abgewinkelt ist, wie beispielsweise eine elliptische, kreisförmige oder polygonale Ebene oder ein Teil oder eine Kombination davon.
Doppelschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die eine aus einer Vielzahl von im wesentlichen koplanaren Doppelschichten ist, welche in koaxialer, konzentrischer oder äquivalenter Weise angeordnet sind.
Doppelschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die so ausgebildet ist, dass jeweilige Enden der ersten und/oder zweiten Fluidpfade mit ersten und/oder zweiten Fluidzufluss- und Abflusszweigen verbunden sind.
Doppelschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die ein Fluid-Wärmetauscher ist.
Doppelschicht nach Anspruch 8, die einen Kern aufweist, dessen Form und Abmessungen dem von dem Wärmetauscher eingeschlossenen Raum entsprechen, und die dazu ausgelegt ist, in einem Flusspfad des ersten Fluids angeordnet zu werden, der eine entsprechende Form und Abmessungen besitzt, die dazu ausgelegt sind, den Wärmetauscher zu umschließen.
Doppelschicht, wie sie vorangehend mit Bezug auf die Ansprüche 1 bis 9 definiert ist, zur Verwendung in einer Wärmetauscheranwendung, wobei das erste Fluid ein Gas ist und das zweite Fluid eine Flüssigkeit ist, welche aus Fluiden ausgewählt sind, die üblicherweise beim Kühlen in Wärmetauscheranwendungen verwendet werden, wie beispielsweise Rauchgas, Antriebs-, Maschinen-, Ofen- oder Motorkühlmittel, Abwässer von industriellen und häuslichen Geräten, sowie Fluide, die üblicherweise zur Rückgewinnung von Wärmeenergie daraus verwendet werden.
Verfahren zur Herstellung einer Doppelschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welches die Zusammenstellung von zwei Polymerfilmen, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 9 definiert sind, sowie deren Versiegelung beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 11 zur Herstellung einer Doppelschicht nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei die zwei Filme abgeformt werden, um die gewünschte Riffelung zu erhalten, und gleichzeitig abgedichtet werden.