EA013987B1

EA013987B1 - Торцовая плита

Info

Publication number: EA013987B1
Application number: EA200801628A
Authority: EA
Inventors: Роберт Хеггеманн; Рольф Зикауп
Original assignee: Уайт Фокс Текнолоджиз Лимитед
Priority date: 2006-01-05
Filing date: 2007-01-05
Publication date: 2010-08-30
Also published as: WO2007076855A3; US20150093672A1; CA2636045A1; DE112007000530A5; US9692080B2; CN101365528A; EP1973634A2; BRPI0706413B1; EA200801628A1; JP2009522736A; DE102006000984A1; WO2007076855A2; EP1973634B1; CA2636045C; US20090004538A1; US8834717B2; BRPI0706413A2

Abstract

В изобретении описана торцовая плита (4), герметично замыкающая на торце трубный пучок, содержащий множество охватываемых ею труб с мембраной, в частности труб пористой структуры, причем торцовая плита (4) выполнена из металла или металлического сплава с температурой плавления, меньшей самой низкой температуры выхода из строя материала труб и/или мембраны.

Description

Настоящее изобретение относится к торцовой плите, герметично замыкающей на торце трубный пучок, содержащий множество охватываемых ею труб с мембраной, в частности труб пористой структуры.

Трубы указанного вида, например трубки, капилляры и тому подобные изделия из пластмассы, композиционного материала с полимерными составляющими, при необходимости также слоистой структуры, из керамики или металла, находят различное применение.

Например, в топливных элементах по таким трубам трубного пучка перемещается компонент топлива, поэтому такая труба, выполненная в виде микрореактора, как правило, снабжается также мембраной, разделяющей реагирующие друг с другом компоненты топлива.

Другой областью применения подобных трубных пучков является очистка топлив из биологически возобновляемого сырья, например из биоэтанола. Если через трубу, выполненную в виде полупроницаемой мембраны, пропускать биоэтанол, то содержащаяся в биоэтаноле вода будет задерживаться мембраной.

Для таких трубных пучков проблемой часто является необходимость их заделки и замыкания на торце. При заливке компаундом, т.е. заделке концов труб этих пучков с изоляцией относительно друг друга, а также при их герметичном замыкании относительно корпуса, трубопровода и т.п., как правило, используют методы заливки синтетическими смолами, например эпоксидными смолами, которые, однако, не лишены проблем. Так, различные коэффициенты теплового расширения при рабочей температуре до 150°С в случае низкотемпературных топливных элементов и до 250°С в случае среднетемпературных топливных элементов могут создавать значительные тепловые нагрузки, которые могут приводить к разрывам, неплотностям и другим осложнениям в зоне торцовой плиты, что, как правило, влечет за собой выход из строя всего устройства.

Исходя из изложенного, в основу изобретения положена задача предложить такую торцовую плиту, которая выдерживала бы высокие механические нагрузки и обладала бы способностью надежно фиксировать герметично охватываемые ею отдельные трубы трубного пучка.

Неожиданно было установлено, что эта техническая проблема решается с помощью торцовой плиты, выполненной в соответствии с п.1 формулы изобретения из металла или металлического сплава с температурой плавления, меньшей температуры выхода из строя материала труб и/или мембраны.

Металлы с низкой температурой плавления, припои или металлические сплавы обычно очень хрупки и после затвердевания их расплава крупнозернисты. Это, как правило, сопровождается высокой механической нестабильностью. Поэтому такого рода материалы обычно непригодны для того, чтобы замыкать и герметизировать на торце трубного пучка отдельные трубы, особенно трубки малых диаметров.

Однако изобретение позволяет использовать с этой целью металлы и/или металлические сплавы с низкой температурой плавления. Это касается, в частности, весьма различных диаметров труб трубного пучка, которые, как правило, могут колебаться от менее чем 1 мм до сантиметрового диапазона.

Важной при выборе металла или металлического сплава является температура его плавления, которая, естественно, должна быть ниже температуры выхода из строя материала труб или мембраны, но в то же время выше рабочей температуры готового устройства. Этого, как правило, можно достигнуть в том случае, если температура плавления находится между значениями 100°С, в частности 120°С, и 250°С.

Предпочтительно в качестве металла можно использовать висмут (Βί) или сплав, содержащий висмут.

Висмут - это красновато-белый, блестящий и умеренно твердый металл. Подобно воде висмут при плавлении уменьшается в объеме и расширяется при затвердевании на 3,32 %. Вследствие этого при охлаждении висмут и содержащие висмут расплавы отлично проникают даже в мельчайшие пустоты между трубами трубного пучка. Кроме того, висмут обладает очень высокой химической стойкостью. Так, например, он не растворяется в кислотах.

Правда, температура плавления чистого висмута составляет 271,3°С и, следовательно, слишком высока для многих случаев применения. Поэтому предпочтительно используют сплав висмута, температуру плавления которого можно значительно понизить, если подобный сплав содержит около 14-60% висмута, 20-30% свинца или до 45% олова или же сурьмы, кадмия, индия, цинка, теллура, ртути или таллия.

Однако, в частности, при использовании для указанных вначале целей предпочтительно, чтобы сплав или металл не содержал свинца.

Предпочтительным сплавом является эвтектический сплав висмута с оловом, температура плавления которого составляет 138°С и который имеет плотность 8,58 г/см³.

Применение эвтектического сплава выгодно тем, что металлы эвтектического сплава в жидком состоянии полностью смешиваются друг с другом и расплав затвердевает как чистое вещество при единой температуре. При затвердевании происходит выделение компонентов из смеси эвтектической структуры и их кристаллизация рядом друг с другом в форме мельчайших кристаллов (ликвация). Другим преимуществом является то, что эвтектика имеет самую низкую из возможных в рассматриваемой системе веществ точку затвердевания или точку плавления, называемую эвтектической температурой или эвтектической точкой на соответствующей диаграмме плавкости.

В качестве материала труб, как правило, используется пластмасса, в частности полимер, причем, в

- 1 013987 частности, в качестве мембраны также предпочтительно использовать мембрану из полимерного материала. Температура выхода из строя, при которой труба или мембрана уже не способна функционировать, также ниже 200°С, однако в намного меньшей степени, поэтому такая полимерная труба или такая полимерная мембрана с уверенностью не будет повреждена расплавом металла или расплавом сплава.

В другом частном варианте пористая труба может быть выполнена из керамики и/или металла, в частности спеченного металлического порошка. Такие трубы наилучшим образом пригодны для их покрытия слоем цеолитов, образующим мембрану. Благодаря кристаллической пористой структуре подобные мембранные слои позволяют разделять жидкие и газообразные смеси веществ с селективностью по размеру и форме. Кроме того, путем выбора соотношения 8ί/Ά1 в кристалле цеолита можно регулировать его гидрофильные/гидрофобные свойства. Таким образом, можно создать гидрофобную цеолитовую мембрану для избирательного отделения органических растворителей, например этанола, от воды с помощью испарения через полупроницаемую перегородку (диффузионное испарение) при температуре около 100°С.

В частности, в случае трубок малого диаметра трубы трубного пучка могут быть собраны в пучок хаотично и могут касаться друг друга, например, при очистке биоэтанола. Несмотря на это, благодаря особым свойствам применяемых металлов, в частности висмута, обеспечивается надежная герметичная фиксация труб с их охватом. Вместе с тем, в интересах надежности осевая длина заливки должна быть больше диаметра огибающей кривой трубного пучка. Тогда по всей осевой длине будет обеспечен герметичный охват (заделка) отдельных труб.

Разумеется, в другом варианте трубы трубного пучка могут быть расположены по задаваемой сетке на расстоянии друг от друга, как это принято, например, для топливных элементов.

Изобретение более подробно поясняется на примерах его осуществления со ссылками на чертежи, на которых показаны на фиг. 1 - вид сбоку заливки концов труб трубного пучка;

на фиг. 2 - увеличенный вид заливки, показанной на фиг. 1, в разрезе вдоль линии ΙΙ-ΙΙ.

На фиг. 1 показан вид сбоку трубного пучка 1, содержащего множество труб 2, например полимерных мембран, наружным диаметром около 0,5 мм. Трубы 2 собраны в пучок хаотично и соприкасаются друг с другом. Поэтому внешний контур трубного пучка 1 лишь схематически обозначен штрихпунктирной огибающей кривой 3. Тем не менее, имеется возможность выполнить металлическую торцовую плиту 4, которая надежно и герметично (см. также фиг. 2) охватывает на концах отдельные трубы 2, фиксируя их относительно друг друга и, например, относительно корпуса.

Для этого металл или металлический сплав указанного выше вида плавят в соответствующем тигле и трубный пучок 1 погружают одним концом в расплав. При этом трубы 2 могут быть известным образом закрыты с торца. Правда, при малых внутренних диаметрах труб 2 в этом, как правило, нет необходимости, так как жидкий металл или жидкий сплав может просачиваться в трубу 2 в осевом направлении лишь в небольшом количестве.

Чтобы обеспечить закрытие всех пустот по осевой длине торцовой плиты, заливку 5, как правило, выполняют с таким расчетом, чтобы ее осевая протяженность была больше ее диаметра или диаметра огибающей кривой 3.

Завершают выполнение торцовой плиты 4, срезая ее, например, вдоль линии ΙΙ-ΙΙ, вследствие чего концы труб обнажаются.

На фиг. 2 схематически в увеличенном виде показан шлиф подобного среза. Более крупные промежутки между отдельными трубами 2 в соответствии с изобретением заполняются - на этом увеличенном изображении однородно - металлом или металлическим сплавом мелкопористой структуры. Если трубы 2 расположены очень близко друг к другу или даже соприкасаются между собой, между ними остается небольшая пустота, показанная стрелками 6. Однако эти пустоты надежно перекрываются по осевой длине заливки 5, или торцовой плиты 4.

После соответствующей обработки боковой поверхности 7 торцовой плиты 4 трубный пучок 1 с одной своей стороны герметично заделан в торцовую плиту 4 и зафиксирован в ней в готовности к дальнейшему использованию.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Торцовая плита (4), герметично замыкающая на торце трубный пучок, содержащий множество охватываемых ею труб с мембраной, в частности труб пористой структуры, отличающаяся тем, что она выполнена из металла или металлического сплава с температурой плавления, меньшей самой низкой температуры выхода из строя материала труб и/или мембраны.
2. Торцовая плита по п.1, отличающаяся тем, что ее температура плавления составляет от 100 до 250°С.
3. Торцовая плита по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что металлом является висмут (В1) или сплав, содержащий висмут.
4. Торцовая плита по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что сплавом является

- 2 013987 висмутовый сплав.
5. Торцовая плита по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что металл или сплав не содержат свинца.
6. Торцовая плита по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что сплав представляет собой эвтектический сплав висмута с оловом.
7. Торцовая плита по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что труба (2) трубного пучка (1) выполнена из полимера.
8. Торцовая плита по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что мембрана представляет собой полимерную мембрану.
9. Торцовая плита по одному из пп.1-6, отличающаяся тем, что труба выполнена из керамики и/или металла.
10. Торцовая плита по одному из пп.1-7 и 9, отличающаяся тем, что мембрана представляет собой цеолитовую мембрану.
11. Торцовая плита по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что трубы (2) трубного пучка (1) собраны в пучок хаотично и касаются друг друга.
12. Торцовая плита по одному из пп.1-10, отличающаяся тем, что трубы трубного пучка расположены по задаваемой сетке на расстоянии друг от друга.
13. Торцовая плита по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что осевая длина заливки (5) больше диаметра огибающей кривой (3) трубного пучка (1).