DE8337506U1

DE8337506U1 - Wärmeaustauscher aus thermoplastischen fluoreszierten Werkstoffen

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Publication number: DE8337506U1
Application number: DE8337506U
Authority: DE
Original assignee: SAG ECHANGEURS CHALEUR; SETIF SA
Current assignee: SAG ECHANGEURS CHALEUR; SETIF SA
Priority date: 1982-12-24
Filing date: 1983-12-23
Publication date: 1985-06-05
Also published as: FR2540615B3; GB8333118D0; FR2540615A3; LU84557A1; BE898449A; GB2133524A

Description

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Wärmeaustauscher aus thermoplastischen flucres- ?:

zierten Werkstoffen h

Diese Erfindung betrifft Verbesserungen an Wärme- ·■■

S austauschern aus thermoplastischen fluoreszierten f

Werkstoffen. |

Die Industrie versuchte ständig, das Problem der j.

Wärmeübertragung zwischen zwei Fluida zu lösen. ^

üblicherweise werden hierfür Austauschflächen aus |

Metall wie Kupfer, Aluminium, £5fcahl oder spezielle \.

Legierungen benutzt. f

Ist mindestens ein Fluid sehr korrodierend, werden j|

von den Herstellern immer besser entwickelte und |!

immer kostspieligere Metalle wie Titan, Zirkonium %

und Tantal verwendet. f

Auch Graphit wird in diesem Bereich häufig benutzt. Γ Er besitzt zwar eine ausreichend hohe chemische

Widerstandsfähigkeit, hat jedoch den Nachteil, zerbrechlicher und häufig porös zu sein.

Als Kunstharze mit hoher chemischer Resistenz wie
Polytetrafluoräthylen und die Mischpolymerisate
Tetrafluoräthylen-Hexafluorpropylen entwickelt
wurden, dachte man ebenfalls daran, diese für die
Herstellung von Wärmeaustauschern zu benutzen.
Jedoch haben ihre unzureichenden mechanischen
Eigenschaften und die Tatsache, daß sie nicht oder

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nur sehr schwer zu schweißen sind, den Benutzungs« bereich eingeschränkt.

Durch die unzureichende Druckfestigkeit der aus diesen Polymerisaten hergestellten Rohre sowie durch die Fließneigung waren die Hersteller gezwungen, lediglich Rohre mit kleinem Durchmesser und dicken Wänden zu benutzen, was jedoch für die thermische übertragung außerordentlich abträglich ist. Dessenungeachtet ist der Druck, mit dem diese Geräte benutzt werden können, noch immer sehr begrenzt.

Da diese Polymerisate praktisch nicht zu schweißen sind, konnten die Hersteller von Austauschern nicht auf die herkömmlichen und bewährten Techniken mit Rohrböden, in denen die, die Austauschfläche bildenden Rohre angeschweißt sind, zurückgreifen. Sie mußten sehr kostspielige Herstellungsverfahren verwenden, ähnlich dem Verschrauben eines jeden einzelnen Rohres Oder ähnlich den Techniken des Zusammenpressens der Rohre untereinander, um so die Dichtigkeit zwischen den einzelnen Rohren zu erhalten .

Als die thermoplastischen fluoreszierten Werkstoffe wie Vinyliden-Polyfluorid (PVDF), das Mischpolymerisat Xthylen-Monochlortrifluoräthylen (ECTFE) oder das Polymerisat Perfluoressigsäure (PFA) auf dem Harkt erschienen, eröffnete sich den Herstellern

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von Wärmeaustauschern ein ganz neuer Anwendungsbereich.

Diese Werkstoffe weisen bedeutend bessere mechanische Eigenschaften auf als die zuerst genannten und ermöglichen die Benutzung in Bereichen mit deutlich höherer Temperatur und höherem Druck. Da es sich bei diesen neuen Polymerisaten darüber hinaus tun thermoplastische Werkstoffe handelt, können sie verschweißt werden.

Gegenwärtig werden diese thermoplastischen fluoreszierten Polymerisate überlicherweise für die Herstellung von Wärmeaustauschern mit geradeverlaufenden Paralielrohrbündeln, mit Haarnadelbündeln oder mit spiralgewickelten Rohrbündeln verwendet.

Auch werden diese Austauschflächen entweder mit ebenen, verhältnismäßig unelastischen Rohren oder mit den sehr viel elastischeren Ringrohren hergestellt.

Die Industrie, die die zahlreichen Vorteile dieser Geräte erkannt, hat, fordert immer leistungsfähigere Austauscher mit einer immer größeren Austausch*» fläche und immer geringeren Herstellungskosten.

Die Antragsteller haben einen neuen Wärmeaustauscher aus zumindest teilweise thermoplastischem fluores-

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ziertem Werkstoff entwickelt, der diesen Anforderungen gerecht wird.

Diese Erfindung beinhaltet einen Wärmeaustauscher, dessen Austauschfläche aus thermoplastischem fluoreszierten! Polymerisat besteht. Der Austauscher ist dadurch gekennzeichnet, daß ei* aus einer bestimmten Anzahl von Zweiergruppen mit konzentrischen Rohren besteht, die jeweils an zwei übereinander angeord« neten Rohrboden befestigt werden, wobei zumindest das Außenrohr aus thermoplastischem fluoresziertem Polymerisat hergestellt ist und an dem, dem Rohrboden gegenüberliegenden Ende geschlossen 1st. Diese Rohre tauchen in eines der Fluida. Das zweite Fluid durchfließt den freien ringförmigen Raum zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr.

Weitere Einzelheiten und zusätzliche Eigenschaften der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung deutlich.

Hierbei sind die beigefügten Zeichnungen zu berücksichtigen, die als Illustration, deren Merkmale aber nicht darauf beschränkt sind, die Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß Erfindung darstellen.

Auf Abbildung 1 ist das Funktionsprinzip gemäß Erfindung zu sehen, und, auf Abbildung 2, als Variante, eine Vorrichtung mit zwei Durchlaufen. 30

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Abbildung 1s Zwei konzentrische Rohre (1 und 3) sind jeweils an zwei entsprechenden, übereinander angeordneten Rohrböden 5 und 7 befestigt; die konzentrischen Rohre können in einer Reihe oder versetzt angeordnet werden. Gemäß Erfindung ist mindestens das Außenrohr aus thermoplastischem fluoresziertem Werkstoff und ist an dem, dem Rohrboden gegenüberliegenden Ende geschlossen. Die konzentrischen Rohre haben untereinander einen Zwischen- |

raum, der zwischen einigen Millimetern und einigen |

Zentimetern, je nach dem annehmbaren Druckverlust, variieren kann. Diese Rohre tauchen in eines der beiden Fluida, wohingegen das zweite Fluid den freien ringförmigen Raum zwischen dem Außenrohr 1 und dem Innenrohr 3, siehe Pfeile, durchfließt.

Der Kreislauf wird einerseits durch die Rohrböden 5 und 7 und andererseits durch den Rohrboden 7 und einen Deckel 9 gewährleistet.

Die Rohre können jede beliebige Länge haben; die optimale Länge ergibt sich aus dem Ergebnis der thermischen und mechanischen Berechnung.

Gemäß den Ergebnissen dieser Berechnungen werden ebenfalls die Durchmesser der für die Konstruktion zu benutzenden Rohrpaare - Außenrohr aus thermoplastischem fluoresziertem Polymerisat und Innenrohr - bestimmt.

Ale Beispiel sind die folgenden, aber nicht darauf

beschränkten MaBe zu nennen:

- Außenrohr: Außendurchmesser: 15 mm

Innendurchmesser: 13,4 mm

- Innenrohr: Außendurchmesser: 10 mm Innendurchmesser: 8 mm

- Außenrohr: Außendurchmesser: 12 mm

Innendurchmesser: 10,4 mm

- Innenrohr: Außendurchmesser: 6 mm

Innendurchmesser: 4 mm

- Außenrohr: Außendurchmesser: 8 mm

Innendurchmesser: 6,4 mm

- Innenrohr: Außendurchmesser: 4 mm

Innendurchmesser: 3 mm

Durch eine vernünftige Unterteilung des Raumes zwischen den beiden Rohrboden, können Geräte mit einem einzigen oder mit mehreren Durchläufen hergestellt werden.

Abbildung 2 zeigt eine Vorrichtung mit zwei Durchläufen, auf der aus Gründen der Klarheit lediglich ein Paar mit konzentrischen Rohren pro Durchlauf gezeichnet ist.

Die der Abbildung 1 entsprechende Kennzeichnung wurde für identische oder ähnliche Konstruktionsteile benutzt.

Der Wärmeaustauscher, der Gegenstand dieser Erfindung ist, hat zahlreiche Vorteile» Hier sind

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-I-unter anderem zu nennen:

Entgegengesetzt zu den herkömmlichen Austauschern aus Kunststoffen eignen sich die Austauscher dieser Erfindung durch die Verwendung von Modulelementen ausgezeichnet für große Austauschflächen. Zu diesem Zweck werden die Rohrböden, an denen die Rohre hängen, nebeneinander angebracht.

Die Länge der Rohre richtet sich nach dem zu lösenden thermischen Problem und dem zur Verfügung stehenden Raum.

SoI]. die Wärme einer warmen aggressiven Flüssigkeit, wie zum Beispiel Schwefelsäure, zurückgewonnen werden, können die Rohre in einem Behälter, in der sich die warme Flüssigkeit befindet, vertikal hängend angebracht werden; ganz gleich ob es sich bei diesem Behälter um eine parallelflache oder eine runde Küvette, um ein kanalförmiges oder jedes andere Volumen handelt. Die Rohre können also eine Länge von mehreren Metern haben, (siehe nachstehendes Beispiel 2).

Auch bei der Wärmerückgewinnung eines warmen korrodierenden Gases ist es vorteilhaft, die Rohre in einer das Gas transportierenden Umhüllung hängend anzubringen, oder sie schräg in einem Kaminschacht zu befestigen. Die Rohre sind dann kürzer und dürfen nur eine Länge von 20 oder 30 cm haben, (siehe

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- 8 nachstehendes Beispiel 2).

Im Falle der Kondensierung korrodierender Dämpfe können die Rohre horizontal, zum Beispiel am oberen Ende einer Trennsäule, angebracht werden, (siehe nachstehendes Beispiel 3).

Ein weiterer Vorteil des Austauschers dieser Erfindung besteht darin, daß sich jedes Rohr frei, je nach dem Temperaturbereich, dem die Vorrichtung ausgesetzt ist, ausdehnen und zusammenziehen kann, ohne daß es erforderlich ist, irgendeine Kompensationsvorrichtung vorzusehen. Diese Kompensationsvorrichtungen, wie sie für andere Geräte, wie zum Beispiel diejenigen mit geradeverlaufenden Rohrbündeln benötigt werden, sind kompliziert herzustellen und erhöhen die Kosten.

Bei der Verarbeitung von schmutzigen Fluida, die mit Feststoffen oder Schlamm belastet sind, ist es schwierig, die Ablagerung dieser Feststoffe an den Rohren zu vermeiden. Der Austauscher dieser Erfindung ermöglicht durch einen großen Durchmesser den direkten Zugriff zu der äußeren Oberfläche der Rohre und so eine sehr schnelle Reinigung. Dies geschieht durch einfaches Anheben der Rohrböden. Da die benutzten thermoplastischen fluoreszierten Polymerisate darüber hinaus sehr resistent gegen Krustenbildung sind, ist es möglich, die Rohre durch einfaches Waschen zu reinigen.

Schließlich sind die Herstellungskosten des Wärmeaustauschers gemäß dieser Erfindung verglichen mit den Kosten der anderen bis jetzt hergestellten Geräte geringer. Handelt es sich um den häufig auftretenden Fall des Wärmeaustausches zwischen einem korrodierenden und einem nicht korrodierenden Fluid, wobei das letztere das Innere der konzentrischen Rohre durchläuft, muß nur einer der beiden Rohrböden, nämlich der/an dem die Außenrohre befestigt sind, ganz oder teilweise aus thermoplastischem fluoresziertem Polymerisat bestehen. Ebenso können das Innenrohr, das lediglieh mit dem anderen Fluid | in Berührung kommt, und der dazugehörige Rohrboden * aus einem deutlich weniger edlen Material sein, b

das preisgünstiger als fluoresziertes Polymerisat |

ist. Es kann sich hierbei je nach dem zu lösenden §

thermischen und mechanischen Problem zum Beispiel |

um folgende Materialien handeln: Polypropylen, |

Polyvinylchlorid, Kupfer, Messing, Kohlenstoff- ■*

stahl oder rostfreier Stahl.

Die Befestigung der Rohre an den Rohrböden kann durch jede bekannte Technik wie Schweißen, Kleben, mittels Gewinde usw. erfolgen, wobei jedoch die Antragsteller prinzipiell das Schweißen bevorzugen.

Da thermoplastische fluoreszierte Werkstoffe kostspielig sind, ist es vom wirtschaftlichen Standpunkt aus sinnvoll, diese nur für die Teile, die dies technisch erfordern, zu benutzen.

Wird zum Beispiel der Rohrboden, an dem die Außen« rohre befestigt sind, aus thermoplastischem fluoresziertem Polymerisat hergestellt/ kann zwar ein Boden aus massivem Polymerisat benutzt werden, dessen Dicke für die mechanische Festigkeit und die Schweiß« verbindung ausreichen muß, es ist aber - wenn möglich - vorzuziehen, Verbundböden mit einer minimalen Schicht aus fluoreszierten Polymerisaten zu verwenden, die für die Schweißverbindungen und die chemisehe Festigkeit ausreicht, und die an ihrer das nicht korrodierende Fluid berührenden Außenseite durch ein Metall wie Stahl oder Duroplaste, wie zum Beispiel Polyester- oder Epoxyharze, verstärkt wird.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung illustrieren, grenzen aber ihren Anwendungsbereich nicht ein.

Beispiel 1t Rückgewinnung der Wärme von H₂SO^

98,5 % bei 140 ° C

In eine Küvette fließt Schwefelsäure mit einer Konzentration von 98,5 % und einer Durchflußleistung von 300 m³/Stunde. Diese Säure kommt mit einer Temperatur von 140 ° C an. Der Deckel dieser Küvette besteht aus modalartig angeordneten Wärmeaustauschern gemäß Erfindung, die wie folgt hergestellt sind: Die Außenrohre und der Rohrboden, an dem sie angesehweißt sind, bestehen aus dem

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Mischpolymerisat Äthylen-Mönochlortrifluoräthylen (ECfFE). Die Innenrohre wie auch ihre Rohrböden und der dritte, den Deckel bildenden Boden bestehen aus Kohlenstoffstahl«
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Jedes der 25 Module umfaßt 1000 Rohre mit einer Länge von 3,5 Metern, das heißt insgesamt 25.000 Rohre« Die Rohre aus ECTFE haben einen Außendurchmesser von 8 mm und einen Innendurchmesser von 6,4 mm. Die Innenrohre aus Kohlenstoffstahl haben einen AuBendurchmesser von 4 mm und einen Innendurchmesser von 3 mm.

Ein solcher Austauscher hat eine Austauschfläche von 2.200 m².

In die Module des Austauschers fließt in entgegengesetzter Richtung zu dem Säurestrom Druckwasser mit einer Temperatur von 100 ⁰C ein. Das Wasser fließt mit einer Temperatur von 120 ° C, einem Druck von 4 bar (absolut) und einer Durchflußleistung von 420 m³/Std. aus dem Austauscher. Es kann bei einer Temperatur von 120 ° C in Dampf expandiert werden. Die Austauschwärme beträgt 4.800 kw.

Beispiel 2; Rückgewinnung der Wärme von schwefelhaltigen Brennkesselabgasen

Der in dem Brennstoff enthaltene Schwefel oxydiert zu SO₃, es bildet sich Schwefelsäure, die die her-

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|' kömmlicheA Installationen in dem Moment korrodieren

läßt, in dem der Taupunkt erreicht wird.

Um dieses Problem zu lösen, wird ein Wärmeaus-

v, 5 tauscher gemäß Erfindung unter den folgenden Voraussetzungen benutzt!

1,2 kg Schwefeldampf pro Sekunde mit einer Temperatur von 250 ° C durchfließen ein Abgashüllrohr. Das obere Ende des Hüllrohrs besteht aus Austauschermodulen gemäß Erfindung, die wie folgt aufgebaut sind:

Außenrohre und innerer Rohrboden aus Vinyliden-Polyfluorid (PVDF), Außendurchmesser der Rohre 15 mm, Innendurchmesser 13,4 mm.

Innenrohr und oberer Rohrboden aus Kohlenstoffstahl, Außendurchmesser der Rohre 10 mm, innendurchmesser 8 mm.

Es sind 42 nebeneinanderliegende Module mit je Rohren mit einer Länge von 50 cm, das heißt mit einer Austäuschfläche von 100 m², vorgesehen. 25

10 kg Wasser pro Sekunde mit einer EintEittstemperafcur von 70⁰C, das auf 74,5 ° C aufgewärmt wird, 1: durchlaufen die Module. Die Abgase werden auf 95 ° C

abgekühlt, und mehr als 90 % der in den Abgasen ent' haltenen Schwefelsäure werSfes kondensiert, was eine

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merkliche Verringerung der Verschmutzung mit sich bringt.

Die ganze Einrichtung umfaßt eine Sicherheitsvorrichtung, die im Falle einer Unterbrechung des Wasserkreislaufs die Gasausströmmenge unterbricht oder umleitet.

Die Austauschleistung in dieser Einrichtung beträgt 186 kw.

Beispiel 3t Teilweise Kondensierung der Dämpfe aus einer Mischung chlor- und fluorhaltiger Lösungsmittel

Es sollen pro Stunde bei einer Temperatur von 45 ° C 600 kg Dampf von chlor- und fluorhaltigen Lösungsmitteln, die in Trennsäulen aufsteigen, kondensiert werden.

Dieser Vorgang erfolgt durch das Anbringen eines Wärmeaustauschmoduls gemäß Erfindung an dem oberen Ende der Säule. Das Modul ist mit einem doppelten Durchlauf, wie in Abbildung 2 schematisch gezeigt, versehen. Durch die horizontal angeordneten Rohre läuft eine Methanollösung mit einer Temperatur von -18⁰C.

Die Austauschfläche von 5 m¹ wird durch 220 Rohre mit einer Länge von 50 cm pro Durchlauf gebildet·

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Die Außenrohre bestehen aus Vinyliden-Polyfluorid (PVDF), der Außendurchmesser beträgt 12 mm und der Innendurchmesser 10,4 mm. Die Innenrohre bestehen aus rostfreiem Stahl AISI 316, der Außendurchmesser beträgt 6 mm, der Innendurchmesser 4 mm.

Pro Stunde werden 400 kg Dampf einer bestimmten Zusammensetzung kondensiert, während pro Stunde 200 kg Dampf einer anderen Zusammensetzung durch eine andere Säule fließen.

Beispiel 4: Erwärmung und Konstanthaltung der

Temperatur auf 35 ° C eines Behälters mit Diäthanolamin

Ein Behälter beinhaltet 7,5 m³ Diäthanolamin, dessen Temperatur auf 35 ° C gehalten werden muß. Als Erwärmungsfluid wird Wasser mit einer Temperatur von 75⁰C benutzt.

Das Ziel wird durch ein Austauschmodul gemäß Erfindung mit einem einfachen Durchlauf und einer Austauschfläche von 13,5 m², bestehend aus 360 Rohren mit einer Länge von 1 Meter erreicht.

Die Außenrohre bestehen aus dem Mischpolymerisat Äthylen-Monochlortrifluoräthylen (ECTFE) und haben einen Außendurchmesser von 12 mm und einen Innendurchmesser von 10,4 nun. Die Innenrohre sind aus Kupfer, der Außendurchmesser beträgt 6 mm, der

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Innendurchmesser 4 mm. Die Austauschleistung beträgt 19,6 kw.

Das Modul kann an dem Deckel des Behälters mit vertikal oder seitlich angeordneten Rohren, mit horizontal angeordneten Rohren, angebracht werden.

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Claims

1. Wärmeaustauscher, dessen Austauschfläche aus thermoplastischen fluoreszierten Polymerisat besteht, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer bestimmten Anszahl von Zweiergruppen mit konzentrischen Rohren (1,3) besteht, die jeweils an zwei Übereinander angeordneten Rohrböden (5, 7) befestigt sind, wobei zumindest das Außenrohr (l) aus thermoplastischen fluoreszierten Polymerisat besteht und an dem dem Rohrboden (5) gegenüberliegenden Ende (2) geschlossen ist, und wobei ferner das Außenrohr in das wärmeabgebende Medium ragt und der freie ringförmige Raun zwischen den beiden konzentrischen Rohren (1, 3) zur Aufnahme des wärmeabführenden Mediums bestimmt ist.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische fluoreszierte

Polymerisat Vinyli^den-Polyfluorid ist.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische fluoreszierte Polymerisat das Mischpolymerisat Athylen-

Monochlortrifluoräthylen ist.

4. Wärmeaustauscher nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrischen Rohre (1, 3) beide aus thermoplastischem

fluoresziertem Polymerisat bestehen.

5. Wärmeaustauscher nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur das Außenrohr (i) der konzentrischen Rohre (l, 3) aus thermoplastischem fluoresziertem Polymerisat besteht; das Innenrohr (3) besteht aus einem anderen Material wie Polypropylen, Polyvinylchlorid, Aluminium oder Stahl.

6. Wärmeaustauscher, nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrboden (5), an dem die Außenrohre (i) aus thermoplastischem fluoresziertem Werkstoff befestigt sind, aus Verbundwerkstoff besteht, wo- bei die zu den Rohren zeigende Fläche aus thermoplastischem fluoresziertem Polymerisat und die andere Seite aus einen anderen Material, wie zum Beispiel Stahl, besteht.

7. Wärmeaustauscher nach einem 4er Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrboden (5), an dem die Außenrohro (i) aus thermoplastischem fluoresziertem Polymerisat befestigt sind, aus Verbundwerkstoff besteht, wobei die zu den Rohren zeigende Fläche aus thermoplastischem fluoresziertem Werkstoff und die

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