EP1544566A2 - Wärmeübertragungseinheit für einen Wärmetauscher - Google Patents

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EP1544566A2
EP1544566A2 EP04105171A EP04105171A EP1544566A2 EP 1544566 A2 EP1544566 A2 EP 1544566A2 EP 04105171 A EP04105171 A EP 04105171A EP 04105171 A EP04105171 A EP 04105171A EP 1544566 A2 EP1544566 A2 EP 1544566A2
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EP
European Patent Office
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heat transfer
transfer unit
filler
plastic
unit according
Prior art date
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EP04105171A
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Kilian Kriener
Wolfgang Volz
Uwe Clement
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/06—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material
    • F28F21/062—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material the heat-exchange apparatus employing tubular conduits

Definitions

  • the invention relates to a heat transfer unit for a Heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • heat exchangers plays in particular a high thermal conductivity of the heat transfer unit, for example, the shape of a pipe or a plate, a large role. So the Heat exchanger with a good efficiency works, it is necessary to transmit the highest possible heat flow becomes.
  • metallic heat transfer units For example, made of stainless steel or aluminum sand casting, which have a high thermal conductivity, known.
  • a heat exchanger with metallic tubes through which a water to be heated flows through.
  • a hot exhaust gas On the outside of the tubes flows a hot exhaust gas, which interacts with the water.
  • the exhaust gas which consists essentially of CO 2 and N 2 , water vapor and low acid components (sulfuric acid and nitric acid) flows through the heat exchanger, the exhaust gas cools, whereby the water vapor and the acid components condense out.
  • the exhaust gas which consists essentially of CO 2 and N 2 , water vapor and low acid components (sulfuric acid and nitric acid) flows through the heat exchanger, the exhaust gas cools, whereby the water vapor and the acid components condense out.
  • this resulting condensate is partly highly concentrated sulfuric acid and corrosive effect on metallic surfaces.
  • DE 39 00 551 A1 is a tube with a coating for a Heat exchanger described.
  • the tube made of a fluid is flowed through, this includes an inner tube and as Cover trained outer tube, wherein the inner tube of a Material with a high thermal conductivity is, preferably Copper.
  • the outer tube is made of plastic, which means corrosion is counteracted. Due to the low Thermal conductivity of plastic is the outer tube in Formed a wave tube, which has an enlarged surface for the heat exchange provides which favors the heat flow to be transferred effect.
  • One of the disadvantages of this tube is that despite the shape of the shaft tube unsatisfactory heat transfer performance, especially because of the low Thermal conductivity of the plastic is achieved.
  • a heat transfer unit to provide for a heat exchanger, with the the above-mentioned disadvantages are avoided, in particular a heat transfer unit is provided which is corrosion resistant is and has good thermal conductivity.
  • the heat transfer unit essentially made of a plastic and made of at least one first filler with high thermal conductivity which is above that of the plastic, so that the wall has a large heat transfer coefficient.
  • the addition of fillers makes the property profile the plastic or the transmission unit in terms of thermal conductivity positive changed. It is preferably granular, powdery, spherical, splintered and / or fibrous filler particles with a high thermal conductivity during the manufacturing process with the plastic, in particular plastic granules, be mixed.
  • the first and the second page the wall have a distance (wall thickness of the heat transfer unit) to each other, according to the desired Value of the heat transfer coefficient of the pipe wall can be changed.
  • the wall thickness is indirect proportional to the heat transfer coefficient of the pipe wall behaved by the ideal choice of parameters wall thickness, Type of filler and filler content
  • the proportion of plastic be maximized throughout the heat transfer unit.
  • the cost and weight of Heat transfer unit can be significantly reduced, with at the same time the corrosion resistance is improved.
  • the heat transfer unit according to the invention as Be formed injection molded part, so that a variety of geometries can be realized for a heat transfer unit, those with a metallic or an aluminum sand casting heat transfer unit are not achievable.
  • the Compactness of the heat exchanger can be significantly increased.
  • the first filler comprises graphite, coke, Soot or natural graphite.
  • quartz, alumina or magnesium oxide or ceramic materials such as silicon carbide or boron nitride is also conceivable.
  • These Fillers contribute to the heat transfer coefficient the pipe wall is increased. It should be added here that of course the plastic from a mixture may consist of several of the above fillers, as far as the fillers with the plastic to be used chemically behave responsibly.
  • the heat transfer unit at least one second filler, which essentially has the material property, to increase the strength of the heat transfer unit.
  • a second filler which essentially has the material property, to increase the strength of the heat transfer unit.
  • Can carbon fiber and / or glass fibers as filler are used, where also other material-reinforcing Materials are possible.
  • the use of this second Filler is particularly necessary when a distance between the first and the second side of the wall (wall thickness) is chosen so low that the strength of Heat transfer unit is no longer guaranteed. These it is for example in the heat transfer unit around a water-flowed pipe, is due to the inside the pipe existing pressure a corresponding pipe strength observed.
  • the pipe must be designed in such a way that it withstands the pressure, which for example achieved by adding carbon fibers and / or glass fibers can be.
  • the heat transfer coefficient of the wall is greater than about 200 W / (m 2 K). In a further embodiment of the invention, the heat transfer coefficient of the pipe wall is above 2000 W / (m 2 K). If, for example, the wall has a thermal conductivity of 1 W / (m K) with a wall thickness of 0.5 mm, a heat transfer coefficient of 2000 W / (m 2 K) is achieved.
  • first filler both the heat transfer coefficient (first filler) as also increase the strength (second filler) of the pipe wall.
  • the illustrated heat exchanger has a first heat transfer unit 10 and a second heat transfer unit 11 on, in the present embodiment each as Shell and tube heat exchangers are executed.
  • the first heat transfer unit 10 is a combustion chamber 12, at an unillustrated burner of a condensing boiler is flanged.
  • high heating gas temperature is this metal, for example Made of stainless steel finned tubes, where Heat exchanger tubes 13 are provided for combustion chamber cooling, by the heating water to be heated, not shown Heating system is flowing.
  • the second heat transfer unit 11 is as a separate component flanged to the first heat exchanger unit 10.
  • the heating gas When flowing through the heat exchanger, the heating gas is according to cooled a condensing boiler below the dew point, so that exploits the heat of condensation contained in the heating gas becomes.
  • This makes it possible that from a certain temperature range the heating gas of the heat exchanger an interface for the two heat transfer units 10, 11, so that for the heat transfer unit 11, at the a lower heating gas temperature is present, a this heating gas temperature resistant plastic can be used can.
  • the designed as a tube bundle heat exchanger heat transfer unit 11 has a bundle of other heat exchanger tubes 15, which also depends on the heating water to be heated be flowed through, wherein the pressure within the heat exchanger tubes 15 can be up to 3 bar.
  • the heat exchanger tubes 15 of the heat transfer unit 11 consist essentially made of a plastic, incorporated in the fillers are. At least two fillers are used, wherein by means of the one filler, the thermal conductivity and by means of the other filler, the mechanical strength of the used plastic can be increased.
  • the plastic is polyphenylene sulfide (PPS), which is very cost effective, lightweight and corrosion resistant is.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PES has a high heat resistance with a continuous service temperature of approx. 240 ° C on.
  • other plastics such as Polyetheretherketone (PEEK) and / or polytetrafluoroethylene (PTFE) possible.
  • PEEK Polyetheretherketone
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the continuous use temperature is the temperature up to the plastic remains stable. Above the continuous service temperature Thermal damage can occur.
  • the heat exchanger tubes 15, in the present embodiment produced by extrusion have a Pipe wall with a wall thickness of for example 1 mm.
  • the first filler consists for example of graphite, the has a thermal conductivity of about 200 W / (m K).
  • the second filler used are carbon and / or glass fibers, their thermal conductivity is approximately in the range of 0.7 (Glass fibers) can be up to 115 W / (m K) (carbon fibers).
  • the Carbon and / or glass fibers are mainly used to make a to ensure certain strength of the heat exchanger tube 15.
  • the two filler types are in the present Embodiment on an average particle size, the essential smaller than the wall thickness of the pipe wall. It should be noted that it is very large particle sizes and lead to too high a proportion of fillers that part of the fillers may not be complete with Plastic is covered, reducing the material properties the heat transfer unit 11 are adversely affected can.
  • the heat exchanger tube 15 or the tube wall in the present embodiment has a thermal conductivity of about 2 W / (m K). Compared to this, the thermal conductivity of pure or unfilled plastics is generally approx. 0.2-0.4 W / (m K).
  • the heat transfer coefficient of the heat exchanger tube 15, which is calculated from the quotient of the heat conductivity of the tube wall and the wall thickness of the heat exchanger tube 15, is 2000 W / (m 2 K). With such a high heat transfer coefficient of the pipe wall, a good heat transfer from exhaust gas to heating water is realized, so that the continuous service temperature of the plastic used is not exceeded.
  • the desired heat transfer coefficient can be determined by the proportion and the type of fillers as well as the wall thickness the pipe wall can be varied. It should be noted here that depending on the wall thickness of the content of fillers the sufficient strength of the heat exchanger tube 15th ensure to choose accordingly. In this context must be aged in the design of strength aging of the heat exchanger tube 15 under the influence of the heating water on the inside of the pipe at a mean temperature of approx. 60 ° C and the diluted nitric and sulfuric acid on the Pipe outside, especially during condensation taken into account, at an average temperature of about 120 ° C. become.
  • the heat transfer unit can of course also in other heat exchangers, such as in a plate heat exchanger be used, the heat transfer unit instead of a tube designed as a plate is.
  • the present invention is to heat exchangers for example, in direct current, cross-current or countercurrent work.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeübertragungseinheit für einen Wärmetauscher, die ein Bündel von Wärmetauscherrohren (1) umfasst, in denen ein zu erwärmendes Heizwasser für eine Heizungsanlage strömt. Die Wärmetauscherrohre (1) sind aus Kunststoff ausgeführt, der mindestens einen Füllstoff (5) mit hoher Wärmeleitfähigkeit enthält, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Füllstoffs über der des Kunststoffes liegt, so dass die Rohrwandung der Wärmetauscherrohre (1) einen großen Wärmedurchgangskoeffizienten aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungseinheit für einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wärmetauschern spielt insbesondere eine hohe Wärmeleitfähigkeit der Wärmeübertragungseinheit, die beispielsweise die Form eines Rohres oder einer Platte aufweisen kann, eine große Rolle. Damit der Wärmetauscher mit einem guten Wirkungsgrad arbeitet, ist es notwendig, dass ein möglichst hoher Wärmestrom übertragen wird. Hierbei ist die Verwendung von metallischen Wärmeübertragungseinheiten, beispielsweise aus Edelstahl oder aus Aluminium-Sand-Guss, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, bekannt.
Aus EP 0 994 321 A2 ist beispielsweise ein Wärmetauscher mit metallischen Rohren bekannt, welche von einem aufzuheizenden Wasser durchströmt werden. Auf der Außenseite der Rohre strömt ein heißes Abgas, welches in Wechselwirkung mit dem Wasser tritt. Während das Abgas, das im Wesentlichen aus CO2 und N2, Wasserdampf und geringen Säurebestandteilen (Schwefelsäure und Salpetersäure) besteht, durch den Wärmetauscher strömt, kühlt sich das Abgas ab, wodurch der Wasserdampf und die Säurebestandteile auskondensieren. Von besonderem Nachteil ist, dass dieses entstehende Kondensat zum Teil stark konzentriert an Schwefelsäure ist und auf metallische Oberflächen korrosiv wirkt.
Um einer Korrosion entgegenzuwirken ist es ferner bekannt, Wärmetauscher mit aus Kunststoff bestehenden Wärmeübertragungseinheiten auszugestalten. In der DE 195 36 300 C1 ist ein Wärmetauscher beschrieben, der mit aus Kunststoff bestehenden Rohren ausgebildet ist. Die Kunststoffrohre verhindern hierbei eine Korrosion des Wärmetauschers, sind kostengünstig herzustellen und weisen ein geringes Gewicht auf. Nachteilig ist jedoch, dass die aus Kunststoff bestehenden Wärmeübertragungseinheiten eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wodurch sich der Wirkungsgrad eines Wärmetauschers wesentlich verschlechtert.
In DE 39 00 551 A1 ist ein Rohr mit einem Überzug für einen Wärmetauscher beschrieben. Das Rohr, das von einem Fluid durchströmt wird, umfasst hierbei ein Innenrohr und ein als Überzug ausgebildetes Außenrohr, wobei das Innenrohr aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht, vorzugsweise Kupfer. Das Außenrohr besteht aus Kunststoff, wodurch einer Korrosion entgegengewirkt wird. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Kunststoff ist das Außenrohr in Form eines Wellenrohres ausgebildet, das eine vergrößerte Oberfläche für den Wärmeaustausch zur Verfügung stellt, welches begünstigend sich für den zu übertragenden Wärmestrom auswirkt. Eine der Nachteile dieses Rohres ist, dass trotz der Form des Wellenrohres eine nicht zufriedenstellende Wärmeübertragungsleistung, insbesondere aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes, erzielt wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Wärmeübertragungseinheit für einen Wärmetauscher bereitzustellen, mit der die oben genannten Nachteile vermieden werden, insbesondere eine Wärmeübertragungseinheit geschaffen wird, die korrosionsbeständig ist sowie gute Wärmeleiteigenschaften aufweist.
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe wird durch eine Wärmeübertragungseinheit mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinheit angegeben.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Wärmeübertragungseinheit im Wesentlichen aus einem Kunststoff und aus mindestens einem ersten Füllstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, die über der des Kunststoffes liegt, so dass die Wandung einen großen Wärmedurchgangskoeffizienten aufweist. Durch den Zusatz von Füllstoffen wird das Eigenschaftsprofil des Kunststoffes beziehungsweise der Übertragungseinheit in Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit positiv verändert. Es handelt sich vorzugsweise um körnige, pulvrige, sphärische, splittrige und/oder faserige Füllstoffteilchen mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, die während des Herstellungsprozesses mit dem Kunststoff, insbesondere Kunststoffgranulaten, vermischt werden. Die erste und die zweite Seite der Wandung weisen einen Abstand (Wandstärke der Wärmeübertragungseinheit) zueinander auf, der entsprechend dem gewünschten Wert des Wärmedurchgangskoeffizienten der Rohrwandung verändert werden kann. Da sich die Wandstärke indirekt proportional zu dem Wärmedurchgangskoeffizienten der Rohrwandung verhält, kann durch die ideale Wahl der Parameter Wandstärke, Füllstoffart und Füllstoffgehalt der Anteil an Kunststoff in der gesamten Wärmeübertragungseinheit maximiert werden. Gegenüber dem rein metallischen Wärmetauscher können mit der vorliegenden Erfindung die Kosten und das Gewicht der Wärmeübertragungseinheit erheblich reduziert werden, wobei gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit verbessert wird. Ferner kann die erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinheit als Spritzgussteil ausgebildet werden, so dass verschiedenste Geometrien für eine Wärmeübertragungseinheit realisierbar sind, die mit einer metallischen oder einer Aluminium-Sandguss-Wärmeübertragungseinheit nicht erzielbar sind. Somit kann die Kompaktheit des Wärmetauschers wesentlich erhöht werden.
Zweckmäßigerweise umfasst der erste Füllstoff Graphit, Koks, Ruß oder Naturgraphit. Der Einsatz von Quarz, Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid oder von keramischen Materialien, wie Siliziumcarbid oder Bornitrid, ist ebenfalls denkbar. Diese Füllstoffe tragen dazu bei, dass der Wärmedurchgangskoeffizient der Rohrwandung erhöht wird. Hierbei ist hinzuzufügen, dass selbstverständlich der Kunststoff aus einer Mischung mehrerer oben genannter Füllstoffe bestehen kann, soweit sich die Füllstoffe mit dem zu verwendenden Kunststoff chemisch verträglich verhalten.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Wärmeübertragungseinheit mindestens einen zweiten Füllstoff, der im Wesentlichen die Materialeigenschaft aufweist, die Festigkeit der Wärmeübertragungseinheit zu erhöhen. Vorzugweise kann Karbonfaser und/oder Glasfasern als Füllstoff eingesetzt werden, wobei ebenfalls andere werkstoffverstärkende Materialien denkbar sind. Der Einsatz dieses zweiten Füllstoffes ist insbesondere dann notwendig, wenn ein Abstand zwischen der erste und der zweiten Seite der Wandung (Wandstärke) derart gering gewählt wird, dass die Festigkeit der Wärmeübertragungseinheit nicht mehr gewährleistet ist. Handelt es sich beispielsweise bei der Wärmeübertragungseinheit um ein mit Wasser durchströmtes Rohr, ist aufgrund des im Innern des Rohres vorhandenen Druckes eine entsprechende Rohrfestigkeit einzuhalten. Das Rohr muss derart ausgebildet werden, dass es dem Druck standhält, welches beispielsweise durch eine Zugabe von Karbonfasern und/oder Glasfasern erzielt werden kann.
Vorzugsweise ist der Wärmedurchgangskoeffizient der Wandung größer als ca. 200 W/(m2 K). In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt der Wärmedurchgangskoeffizient der Rohrwandung über 2000 W/(m2 K). Weist die Wandung beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von 1 W/(m K) auf mit einer Wanddicke von 0,5 mm, so wird ein Wärmedurchgangskoeffizient von 2000 W/(m2 K) erreicht.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Füllstoff einen Gehalt bis zu ca. 50 Vol% auf, bezogen auf die Kunststoff-Füllstoff-Mischung = 100 Vol%. Hierbei bezieht sich der Füllstoff auf alle eingesetzten Füllstoffe, die sowohl den Wärmedurchgangskoeffizienten (erster Füllstoff) als auch die Festigkeit (zweiter Füllstoff) der Rohrwandung erhöhen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Zeichnung
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers für ein Heizgerät.
    • Ausführungsbeispiel
    Der dargestellte Wärmetauscher weist eine erste Wärmeübertragungseinheit 10 und eine zweite Wärmeübertragungseinheit 11 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt sind. In der ersten Wärmeübertragungseinheit 10 befindet sich eine Brennkammer 12, an die ein nicht dargestellter Brenner eines Brennwertheizgerätes angeflanscht ist. Das vom Brenner erzeugt Heizgas, das den Brenner mit ca. 1500°C verlässt, durchströmt die beiden Wärmeübertragungseinheiten 10, 11 und verlässt die Wärmeübertragungseinheit 11 an einer Auslassseite 14 als Abgas. Aufgrund der in der ersten Wärmeübertragungseinheit 10 vorliegenden hohen Heizgastemperatur ist diese aus Metall, beispielsweise aus Edelstahl-Lamellen-Rohren hergestellt, wobei Wärmetauscherrohre 13 zur Brennkammerkühlung vorgesehen sind, durch die das zu erwärmende Heizwasser einer nicht dargestellten Heizungsanlage strömt.
    Die zweite Wärmeübertragungseinheit 11 ist als separates Bauteil an die erste Wärmeübertragereinheit 10 angeflanscht. Beim durchströmen des Wärmetauschers wird das Heizgas gemäß einem Brennwertheizgerät unter den Taupunkt abgekühlt, so dass die im Heizgas enthaltende Kondensationswärme ausgenutzt wird. Dadurch ist es möglich, dass ab einem bestimmten Temperaturbereich des Heizgases der Wärmetauscher eine Schnittstelle für die beiden Wärmeübertragungseinheiten 10, 11 aufweist, so dass für die Wärmeübertragungseinheit 11, an der eine niedrigere Heizgastemperatur vorliegt, ein diese Heizgastemperatur standhaltender Kunststoff eingesetzt werden kann.
    Die als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführte Wärmeübertragungseinheit 11 weist ein Bündel weiterer Wärmetauscherrohre 15 auf, die ebenfalls von dem aufzuheizenden Heizwasser durchströmt werden, wobei der Druck innerhalb der Wärmetauscherrohre 15 bis zu 3 bar betragen kann. Die Wärmetauscherrohre 15 der Wärmeübertagungseinheit 11 bestehen dabei im Wesentlichen aus einem Kunststoff, in den Füllstoffe eingebunden sind. Dabei werden mindestens zwei Füllstoffe eingesetzt, wobei mittels des einen Füllstoffs die Wärmeleitfähigkeit und mittels des anderen Füllstoffs die mechanische Festigkeit des verwendeten Kunststoffs erhöht werden.
    Bei dem Kunststoff handelt es sich um Polyphenylensulfid (PPS), welches sehr kostengünstig, leicht und korrosionsbeständig ist. Darüber hinaus weist PPS eine hohe Wärmeformbeständigkeit mit einer Dauergebrauchstemperatur von ca. 240°C auf. Es sind selbstverständlich auch andere Kunststoffe, wie Polyetheretherketon (PEEK) und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE) möglich. Der Einsatz von PEEK ist jedoch kostenintensiver, wobei die Dauergebrauchstemperatur ungefähr bei 280°C liegt. Die Dauergebrauchstemperatur ist die Temperatur bis zu der der Kunststoff stabil bleibt. Oberhalb der Dauergebrauchstemperatur können thermische Beschädigungen auftreten. Die Wärmetauscherrohre 15, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Extrusion hergestellt sind, besitzen eine Rohrwandung mit einer Wandstärke von beispielsweise 1 mm.
    Der erste Füllstoff besteht beispielsweise aus Graphit, der eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 200 W/(m K) aufweist. Als zweiter Füllstoff werden Karbon- und/oder Glasfasern eingesetzt, deren Wärmeleitfähigkeit ungefähr im Bereich von 0,7 (Glasfasern) bis 115 W/(m K) (Karbonfasern) liegen kann. Die Karbon- und/oder Glasfasern dienen hauptsächlich dazu, eine bestimmte Festigkeit des Wärmetauscherrohres 15 zu gewährleisten. Die beiden Füllstoffarten weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine mittlere Partikelgröße auf, die wesentlich kleiner ist als die Wandstärke der Rohrwandung. Hierbei ist zu beachten, dass es bei sehr großen Partikelgrößen sowie bei einem zu hohen Anteil an Füllstoffen dazu führen kann, dass ein Teil der Füllstoffe nicht komplett mit Kunststoff bedeckt wird, wodurch die Materialeigenschaften der Wärmeübertragungseinheit 11 negativ beeinflusst werden können.
    Aufgrund der Füllstoffarten und der Füllstoffanteile weist das Wärmetauscherrohr 15 beziehungsweise die Rohrwandung im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 2 W/(m K) auf. Verglichen dazu beträgt die Wärmeleitfähigkeit von reinen beziehungsweise ungefüllten Kunststoffen in der Regel ca. 0,2-0,4 W/(m K). Der Wärmedurchgangskoeffizient des Wärmetauscherrohres 15, der sich aus dem Quotienten aus der Wärmeleitfähigkeit der Rohrwandung und der Wandstärke des Wärmetauscherrohres 15 berechnet, beträgt 2000 W/(m2 K). Mit einem derartig hohen Wärmedurchgangskoeffizienten der Rohrwandung ist ein guter Wärmeübergang von Abgas zu Heizwasser realisierbar, so dass die Dauergebrauchstemperatur des verwendeten Kunststoffes nicht überschritten wird. Reicht eine Wandstärke von lediglich 0,5 mm für eine ausreichende Druckbeständigkeit des Wärmetauscherrohres 16 aus, ist eine Wärmeleitfähigkeit der Rohrwandung von lediglich 1 W/(m K) notwendig, um einen Wärmedurchgangskoeffizienten von 2000 W/(m2 K) zu erzielen. Das bedeutet, dass der Füllstoffanteil an Graphit gesenkt werden kann. Ebenfalls bietet sich die Möglichkeit an, einen anderen Füllstoff zu wählen, der eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist.
    Der gewünschte Wärmedurchgangskoeffizient kann durch den Anteil und die Art der Füllstoffe sowie durch die Wandstärke der Rohrwandung variiert werden. Es ist hierbei zu beachten, dass in Abhängigkeit zur Wandstärke der Gehalt an Füllstoffen die eine ausreichende Festigkeit des Wärmetauscherrohres 15 gewährleisten, entsprechend zu wählen ist. In diesem Zusammenhang muss bei der Auslegung der Festigkeit die Alterung des Wärmetauscherrohres 15 unter dem Einfluss des Heizwassers auf der Rohrinnenseite bei einer mittleren Temperatur von ca. 60°C und der verdünnten Salpeter- und Schwefelsäure auf der Rohraußenseite, die sich insbesondere bei der Kondensation bilden, bei einer mittleren Temperatur von ungefähr 120°C berücksichtigt werden.
    Die Wärmeübertragungseinheit kann selbstverständlich auch in anderen Wärmetauschern, wie beispielsweise in einem Plattenwärmetauscher zum Einsatz kommen, wobei die Wärmeübertragungseinheit anstelle eines Rohres als Platte ausgebildet ist. Ferner ist die vorliegende Erfindung auf Wärmetauscher zu beziehen, die beispielsweise im Gleichstrom, Kreuzstrom oder Gegenstrom arbeiten.

    Claims (10)

    1. Wärmeübertragungseinheit für einen Wärmetauscher mit einer Wandung, die wenigstens teilweise Kunststoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Kunststoff mindestens ein erster Füllstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit enthalten ist, die über der Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes liegt.
    2. Wärmeübertragungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Füllstoff Graphit und/oder Quarz und/oder Aluminiumoxid und/oder Magnesiumoxid und/oder Siliziumcarbid und/oder Bornitrid umfasst.
    3. Wärmeübertragungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kunststoff mindestens ein zweiter Füllstoff enthalten ist, der die Festigkeit der Wandung erhöht.
    4. Wärmeübertragungseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Füllstoff Karbonfasern und/oder Glasfasern umfasst.
    5. Wärmeübertragungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmedurchgangskoeffizient der Wandung größer als ca. 200 W/(m2 K), vorzugsweise größer als ca. 2000 W/(m2 K) ist.
    6. Wärmeübertragungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff bis zu ca. 50 Vol% der Wandung darstellt.
    7. Wärmeübertragungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff eine mittlere Partikelgröße aufweist, die kleiner als die Wandstärke der Wandung ist.
    8. Wärmeübertragungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff Polyetheretherketon (PEEK) und/oder Polyphenylensulfid (PPS) und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE) umfasst.
    9. Wärmeübertragungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinheit als Spritzgussteil ausgebildet ist.
    10. Wärmeübertragungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinheit (11) an eine zweite Wärmetauschereinheit (10) gekoppelt ist, die stromauf im heißeren Bereich des Heizgases angeordnet und aus Metall ausgeführt ist.
    EP04105171A 2003-12-18 2004-10-20 Wärmeübertragungseinheit für einen Wärmetauscher Withdrawn EP1544566A3 (de)

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    Publications (2)

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