EP1895259A1 - Folienwärmeübertrager für Fluide - Google Patents

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EP1895259A1
EP1895259A1 EP07014982A EP07014982A EP1895259A1 EP 1895259 A1 EP1895259 A1 EP 1895259A1 EP 07014982 A EP07014982 A EP 07014982A EP 07014982 A EP07014982 A EP 07014982A EP 1895259 A1 EP1895259 A1 EP 1895259A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
films
sections
exchanger according
flow
Prior art date
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Granted
Application number
EP07014982A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP1895259B1 (de
Inventor
Thomas Dr. Weimer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Makatec GmbH
Original Assignee
Makatec GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Makatec GmbH filed Critical Makatec GmbH
Publication of EP1895259A1 publication Critical patent/EP1895259A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1895259B1 publication Critical patent/EP1895259B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/04—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being formed by spirally-wound plates or laminae
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0087—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall with flexible plates
    • 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
    • F28F21/065—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material the heat-exchange apparatus employing plate-like or laminated conduits

Definitions

  • the present invention is in the field of heat transfer between fluids.
  • the present invention relates to a heat exchanger or a heat exchanger.
  • thermodynamic fundamentals for the construction of heat exchangers can be found, for example, in "Baehr, Stephan, Heat and Mass Transfer, Springer Verlag".
  • the development of the last decades has focused on the structuring of heat transfer surfaces by embossing processes to improve flow characteristics, ie to achieve turbulence with the lowest possible pressure loss, thus contributing to the improvement of the corresponding heat transfer coefficient.
  • heat exchangers also made of plastics, which are mainly used for increased requirements, especially in chemically aggressive media.
  • Such heat exchangers can be found eg on the website www.calorplast.de.
  • An object of the invention is to provide an easy-to-manufacture heat exchanger made of inexpensive materials, which has no disadvantages compared to conventional heat exchangers with reduced costs and better chemical resistance in terms of the characteristic variables heat transfer coefficient and pressure drop.
  • the invention provides a device for heat transfer or exchange of heat between fluids, are used in the thin, elastic plastic-containing films as heat transfer surfaces between flow channels of the fluids, wherein at least two flow channels formed essentially by a stacking at least two films or two film sections are arranged and means for spacing the films or the film sections and to increase the flow turbulence between the films or the film sections, which form flow channels with defined cross-section with the films or the film sections.
  • the films or film sections are spirally wound around at least one common axis and the device has a substantially cylindrical shape. Furthermore, the films or the film sections are firmly connected to end faces of the substantially cylindrical device.
  • fluid is to be understood as meaning in general a flowable medium. This means that not only gases and liquids, i. homogeneous phases, but for example. Emulsions and suspensions but also two-phase flows are to be understood.
  • the means for spacing the foils and for increasing the turbulence of flow comprise surface structures arranged on the corresponding foils or the corresponding foil sections, which may be formed as knobs and rest on the respective other foil as support points.
  • the surface structures can be made in one piece with the film.
  • the means for spacing the foils and increasing the flow turbulence may include flow screens interposed between the foils and described in more detail below.
  • the surface structures provide a defined distance between the two foils to each other and thus a defined cross-section or a defined height of the flow channel ready.
  • the surface structures are structured such that the flow channels formed during winding are not narrowed or destroyed.
  • the surface structures therefore preferably include the already described nubs, which rest only punctiform on the opposite film and, unlike webs during winding not einknikken and thereby narrow the channel cross-section.
  • the surface structure with nubs makes it possible to increase the turbulence of the flow. In this way, in contrast to a substantially laminar flow, a higher heat transfer can be achieved.
  • Laminar flows are to be expected in particular in narrow flow channels, for example when using webs.
  • wide channels are provided whose cross-sectional height is provided by the described surface structures and which additionally increase the turbulence of the flow.
  • foils generally foils can be used, which extend essentially over the width of the device or partial sections of the width and in contrast to for example wound hoses a flow within the foil layer in two-dimensional direction (radially along the spiral winding and axially) allow and not define a substantially one-dimensional flow along the longitudinal extent of a hose or a channel formed therein.
  • the films are not yet firmly connected to each other at the time of winding, so that they can be easily wound, since they are mutually displaceable. In this way, the different path lengths of the winding around a common axis radially outer and innenligenden films are taken into account. Tensions and folds due to tensile and compressive stresses, such as occur in hoses or other flow channels made in a flat state due to the different path lengths of the channel walls during winding are avoided. There are thus no constrictions of the channels due to the folding or tearing due to the voltages. A firm connection of the superimposed films may, for example, take place during winding or subsequently in a suitable manner, which will be described in more detail below.
  • the common axis can be formed by at least one central tube for supplying and / or discharging a fluid into the flow channels.
  • At least one of the fluids may be supplied to and / or discharged from a lateral surface of the cylindrical device or axially along a central axis of the cylindrical device.
  • the supply and / or discharge of the fluids can take place via tubes with openings, which allow the discharge of the fluids into the flow channels.
  • the inlet and outlet in the tube is carried out, as described, for example, in the axial direction in the center of the winding or in the region of the outer ends of the wound film on the surface or the Shell surface of the device, so that the fluids flow either from the center along the spiral winding to the outside or in the opposite direction from outside to inside.
  • a combined flow guidance in both directions is possible.
  • the fluid first flows from the inside to the outside and then from the outside back inside again to be discharged there or in the opposite direction from outside to inside and then back to the outside. It is conceivable, of course, any further combination of the described flow guides.
  • At least one fluid to flow axially through the spirally wound device or the spiral body formed thereby.
  • At least one flow channel in the axial direction on both end faces of the cylindrical device for the axial flow of a fluid through the cylindrical device is opened.
  • At least one of the flow channels is separated by solid compounds of the films partially into at least two sections.
  • the sections are connected at defined connection points in such a way that the fluid is conducted from a first to a neighboring further section.
  • the solid compounds of the films meander the flow channel in the axial direction into juxtaposed and interconnected sections, wherein the sections guide the respective fluid substantially in the radial direction along the spiral winding of the flow channel, wherein the connection points direct the fluid into the adjacent section in a substantially axial direction.
  • a supply line and a discharge of a fluid via a single tube wherein the supply of the fluid into the flow channel via a supply section of the tube takes place, and the discharge of the fluid from the flow channel via a discharge section of the tube takes place, and the supply line section and the discharge section of the pipe are sealed against each other and each connected to openings with a supply and a discharge end of the flow channel.
  • the tube can run as a central tube axially along the central axis of the cylindrical heat exchanger or be arranged in the axial direction on a lateral surface of the cylindrical heat exchanger.
  • the spiral flow passage as described above is divided into sections such that the fluid in the first section flows out of the exit holes of the pipe into the spiral first sub-passage, at the end of the spiral in FIG can cross the other section and by the spiral-shaped second sub-channel or section flows back to the pipe with the inlet openings. Accordingly, it is also possible by multiple subdivisions of the spiral to deflect at least one fluid several times within the spiral body of the heat exchanger. This is particularly advantageous if at least one fluid flows axially through the spiral body, since then receives a heat transfer in the cross-countercurrent.
  • the films used may also contain other materials, in particular metal and / or carbon black, for increasing thermal conductivity, fibers for increasing mechanical strength, and / or minerals and / or ceramics for improving film properties.
  • the heat transfer surfaces can be constructed of several film layers.
  • defined flow channels for fluid flows can be created by additional surface structuring of the films, and the surfaces of the films can be enlarged in addition to the optionally existing surface structuring with the nubs.
  • the heat exchanger is used either as a condenser or evaporator.
  • the membrane-enclosed flow channel can for example be integrated into the device by the membrane is placed on the films during winding and wound up together with the films.
  • membranes semipermeable membranes such as flat membranes or hollow fiber membranes can be used.
  • the heat exchanger as an absorber or desorber.
  • a two-phase flow with simultaneous mass transfer flows in at least one channel.
  • membranes with suitable porosity and materials which merely permit a transfer of gases through the membrane from one fluid to another fluid, while liquids can not pass through the membrane due to their surface tension.
  • gluing of the films during or after the winding process at the corresponding positions and edges or a subsequent potting process can be used for the firm connection of the films and for the sealing of the end faces.
  • connection of the films and the sealing of the end faces by welding during the winding process, preferably laser or ultrasound methods are used.
  • a pretreatment of the films can take place.
  • This pre-treatment can be carried out both over the entire surface and selectively at the intended connection points.
  • surface treatment methods such as a plasma treatment are suitable.
  • the at least one corresponding channel must not be bonded during the winding.
  • the method includes the step of winding thin, resilient plastic-containing films with interlayer spacing means and increasing flow turbulence, wherein the film portions are spirally wound about at least one common axis. Further, the method includes a step of firmly bonding the sheets during the step of winding by partially adhering or welding the foil layers, or firmly bonding the foils after the step of winding by gluing or potting the edges of the spiral heat exchanger.
  • a step of pretreating the surfaces of the films prior to the partial bonding step may also be part of the process, wherein the pretreatment may be partial or areal.
  • the pretreatment can be carried out with a plasma process.
  • the method may additionally comprise coating the surfaces of the films with diffusion-inhibiting coatings or metal coatings.
  • a coating can be carried out by a plasma process.
  • Particularly suitable film materials are the plastics polyethylene (PE), polypropylene (PP), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyetheretherketone (peek).
  • PET polyethylene
  • PP polypropylene
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • peek polyetheretherketone
  • aluminum, copper or other metals may be incorporated into the respective films.
  • metallised films can also be used.
  • the thermal conductivity of film materials can also be improved by the addition of non-metallic additives during film production (e.g., carbon black, ceramic, mineral dusts).
  • non-metallic additives e.g., carbon black, ceramic, mineral dusts.
  • the mechanical strength of the films can also be improved, for example, by fibers in the film, for example glass, carbon, metal, aramid fibers.
  • maximum service temperature and chemical resistance are criteria for selecting a film material.
  • Additional baffles 4 can be placed between the foils, for example extruded knotless meshes, e.g. offered by the companies NSW (www.nsw.de) and Tenax (www.tenax-net.de).
  • said lattices can be used in conjunction with conventional planar films.
  • These grids increase the turbulence of fluid flows in the heat exchanger and thus improve the heat transfer coefficient of the corresponding fluid.
  • they serve as a close-meshed support material for the films, whereby the resulting forces on the respective film from pressure differences are very small.
  • a constant thickness of the flow channel formed by the film boundary is ensured and thus a uniform flow through the device.
  • the corresponding heat exchanger is also ideal for heat exchange or heat transfer between media with very different flow rates.
  • films 3a and 3b are used with staggered rows of nubs.
  • 3a + 3b defined flow channels arise between the films.
  • any other structure is conceivable which, when the corresponding foils are placed on one another or wound, results in defined flow channels being formed.
  • FIG. 3 shows by way of example a film membrane desorber.
  • a loaded fluid or a loaded liquid 1 through a heating medium 2 is heated.
  • a gas-permeable, but liquid-tight membrane 9 enclosed flow grid 10 is introduced.
  • the flow grid 10 increases the turbulence of the flow in the flow channel, but also fulfills a supporting function in order to obtain the cross section of the flow channel between the membrane.
  • a surface structuring of the membrane comparable to the surface structuring of the films for the same purpose, however, is difficult to achieve.
  • This additional channel naturally requires no inlet. As exit possibility for the resulting gas, the channel is not wound in the winding, or only sealed at one edge, so that the resulting gas can escape from the device.
  • FIG. 4 shows a film heat exchanger or transformer with a spiral structure. This gives a particularly high volume-specific heat transfer performance and a particularly low pressure drop by minimizing flow deflections while maintaining good mechanical strength.
  • a heat exchanger can be prepared by a simple winding of films 3, possibly in addition to grid 4 to central pipes 5 and 8.
  • the foils 3 and possibly inserted grids 4 are then arranged spirally.
  • the fluids preferably flow countercurrently through the device.
  • a flow channel 6 is attached to the edge for fluid 1 in addition to the central inlet channel 5, and for fluid 2 corresponding to the central outlet channel 7, an inlet channel 8 at the edge.
  • the inlet and outlet channels can have any desired geometry. For the winding, however, round or elliptical central channels are recommended. Due to the approximately uniform curvature of the resulting flow channels then the deflection losses of the flow in the spiral channel are minimized.
  • the channels can be sealed at the edges by suitable bonds or welds directly against each other and against the environment during the winding process. But it is also possible, the edge seal by potting or a so-called potting, e.g. with synthetic resin, after completing the wrapping process. A sealing before the winding process is also possible for sufficiently elastic materials, but then you get during winding relatively large stresses in the outer layer and wrinkles o.ä. in the inner layer.
  • FIG. 5 shows the development of a flow channel 50 according to a further embodiment with a tube 51 as inlet and outlet tube.
  • the tube 51 is divided by means of a seal 52 into a feed section 53a and a discharge section 53b, each having lateral openings 54a, 54b.
  • the supply openings 54a are connected to the supply line of the flow channel 50 and the discharge openings 54b are connected to the outlet of the flow channel 50.
  • the flow channel 50 is essentially divided into two sections 57a, 57b by a wall 56, which is produced, for example, by a firm connection of the films forming the flow channel 50. This solid connection can be made for example during the winding process by welding or gluing, so that in this way stresses between the films are avoided.
  • the portions 57a, 57b are connected to each other via a joint 57c provided by a recess in the wall 56.
  • a fluid can thus flow into the supply section 53a of the pipe 51 and from there through the lateral supply openings 54a of the pipe 51 into the supply section 57a of the flow channel 50 a. From there, the fluid follows the course of the flow channel 50 towards the side of the flow channel remote from the tube, where it passes through the junction 57c in the wall 56 into the discharge section 57b of the flow channel 50. From there, the fluid passes through the lateral discharge openings 54b of the flow channel Pipe 51 in the discharge section 53b of the tube 51 and can drain.
  • the flow within the inlet and outlet sections 57a and 57b of the flow channel corresponds to a radial flow along the spiral flow channel 50 from inside to outside or from outside to inside.
  • the junction 57c there is a substantially axially directed (parallel to the tube axis or to the winding axis) flow.
  • a heat exchanger in countercurrent method is provided. The winding can begin both on the pipe 51 and on the opposite edge of the flow channel 50, so that in the wound state, the tube 51 is disposed either in the center of the winding or on the mantle surface of the wound spiral body. If a plurality of flow channels 50 are wound together, then combinations of the different arrangements of the tubes 51 are conceivable.
  • the illustrated flow channels can also be used, for example, in planar design, so that a flat heat exchanger is provided.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the flow channel described in FIG.
  • the flow channel 60 has a meandering course, which is achieved essentially by a juxtaposition of two described in Figure 5 flow channels.
  • the essential difference to a mere juxtaposition consists in the guidance of the fluid between the discharge section 67b, which corresponds to the discharge section of a first flow channel of Figure 5, and the supply section 68a of a second flow channel of Figure 5.
  • the fluid is not passed back into the pipe 61 but can enter through a junction 67d in the second supply section 68a and there follows the further course of the flow channel according to the description of Figure 5.
  • With the illustrated flow channel it is thus possible to pass the fluid through the spiral body of the heat exchanger along the spiral several times ,
  • a wound film heat exchanger is selected, which can be manufactured with minimal tooling.
  • a section through the device is shown in FIG.
  • the layers shown in dashed lines indicate the spaces between the films which are stretched either by means of the surface structures pronounced in the films or by interposed interstices, for example of the material PP.
  • Central channels 5 and 8 and peripheral channels 6 and 7 are PP tubes (500 mm long, 12 mm internal diameter) with numerous holes for the inlet and outlet of the fluids.
  • a separating film made of polypropylene 6 m long, 400 mm wide and 0.05 mm thick is placed so that the respective tube protrudes 100 mm on one side and the folded film on both sides is the same length (about 2990 mm ). If the films do not have any surface structuring to provide the gap between the films, then flow guards are alternatively used.
  • a flow grid for fluid 1 is placed on the film, the flow grid for fluid 2 and the second PP pipe in such a way that it lies flush with the first tube, but on the other side. Both grids have the width of the film and a length of about 1.5 m at a thickness of 1 mm.
  • the heat transfer surface is then about 1.2 m 2 .
  • the heat exchanger is wound up.
  • a tube is inserted and then further wound.
  • the outermost webs are merely foil webs. These are used for sealing in the radial direction and for mechanical stabilization by multiple layers. To improve the tightness of the films can also be additionally welded.
  • the heat exchanger is potted with epoxy resin.
  • two end pieces (caps) with openings for each two tubes are attached on each side in the axial direction.
  • the openings are sealed, ie glued, for example, and then the caps are filled with resin so far that it runs sufficiently far into the flow channels (about 1 cm) to ensure tightness.
  • the heat exchanger can be pushed into a jacket tube, which is foamed to isolate and increase the mechanical stability.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung bzw. zum Austausch von Wärme zwischen Fluiden (1, 2), bei der dünne, elastische kunststoffhaltige Folien (3) als Wärmeübertragungsflächen zwischen Strömungskanälen der Fluide (1, 2) eingesetzt sind, wobei mindestens zwei Strömungskanäle im wesentlichen durch ein Aufeinanderlegen mindestens zweier Folien oder Folienabschnitte (3) gebildet werden und Mittel (4) zur Beabstandung der Folien bzw. der Folienabschnitte und zur Erhöhung der Strömungsturbulenz zwischen den Folien bzw. den Folienabschnitten (3) angeordnet sind, welche mit den Folien bzw. den Folienabschnitten (3) Strömungskanäle mit definiertem Querschnitt bilden. Die Folien bzw. Folienabschnitte (3) sind spiralförmig um mindestens eine gemeinsame Achse gewickelt und die Vorrichtung weist eine im wesentlichen zylindrische Form auf. Des weiteren sind die Folien bzw. die Folienabschnitte (3) an Stirnseiten der im wesentlichen zylinderförmigen Vorrichtung fest verbunden.

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet von Wärmeübertragung zwischen Fluiden. Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher bzw. einen Wärmeübertrager.
    • Stand der Technik
  • Da ein Wärmeaustausch bzw. eine Wärmeübertragung, insbesondere zwischen Fluiden, oft ein elementarer Prozeßschritt bei verschiedenartigen Vorgängen ist, gibt es in diesem Bereich vielfältige Entwicklungen, um die resultierenden Kosten einer Wärmeübertragung bei unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich chemischer Beständigkeit, Verschmutzung und eines Temperaturbereichs zu erfüllen. Vereinfachend kann gesagt werden, dass vorwiegend Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit zum Bau von Wärmetauschern bzw. Wärmeübertragern eingesetzt werden. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Kupfer, Aluminium und Edelstahl.
  • Bei Ausgestaltung eines Wärmeübertragers können die Anforderungen an den entsprechenden Wärmeübertrager wie folgt zusammengefasst werden:
    • Kompakte Bauweise, um den Platzbedarf zu reduzieren.
    • Dünne Trennwände zwischen den Fluiden, um einen auftretenden Wärmetransportwiderstand zu minimieren.
    • Optimierte Strömungsführung, um mit möglichst geringem Druckverlust eine turbulente Strömung zu erhalten, da bei laminarer Strömung der Wärmetransportwiderstand der Fluide selbst überwiegen würde.
    • Geringe Anfälligkeit gegen Verschmutzungen ("fouling") .
  • Auf der Basis dieser Anforderungen können im wesentlichen die drei folgenden Typen von Wärmeübertragern unterschieden werden:
    1. a) Plattenwärmeübertrager sind die derzeit am häufigsten eingesetzten Wärmeübertrager, wobei dabei verwendete Platten entweder plan gestapelt oder auch gebogen sein können. Gebräuchliche Typen und Materialien sind zum Beispiel auf der Internetseite www.alfalaval.com beschrieben, die auf einen weltweit führenden Anbieter verweist bzw. diesem zuzuordnen ist.
    2. b) Rohrbündelwärmeübertrager werden hauptsächlich bei verschmutzten Fluiden oder bei zusätzlichen Anforderungen, z.B. bei einem simultanen Stoffaustausch zwischen Fluiden, eingesetzt.
    3. c) Doppelmantelwärmeübertrager, die zumeist aus zwei konzentrischen Rohren bestehen.
  • Die thermodynamischen Grundlagen für den Bau von Wärmeübertragern können zum Beispiel bei "Baehr, Stephan, Wärme- und Stoffübertragung, Springer Verlag" nachgelesen werden.
    Die Entwicklung der letzten Jahrzehnte konzentrierte sich auf die Strukturierung von Wärmeübertragungsflächen durch Prägeprozesse zur Verbesserung von Strömungseigenschaften, d.h. zur Erzielung von Turbulenzen mit einem möglichst geringen Druckverlust, was somit zur Verbesserung des entsprechenden Wärmedurchgangskoeffizienten beiträgt. Zwischenzeitlich gibt es die oben genannten Typen von Wärmeübertragern auch aus Kunststoffen, die vorwiegend für erhöhte Anforderungen, insbesondere bei chemisch aggressiven Medien, eingesetzt werden. Derartige Wärmeübertrager können z.B. auf der Internetseite www.calorplast.de gefunden werden.
  • Alle gängigen metallischen Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager benötigen verhältnismäßig aufwändige Fertigungsverfahren, um die Wärmeübertragungsflächen hinsichtlich der Wärmeübertragungseigenschaften zu optimieren. Zudem sind Kupfer, Aluminium und Edelstahl sehr teure Werkstoffe.
  • Gebräuchliche Wärmeübertrager aus Kunststoffen benötigen sehr große Oberflächen, da hier zumeist auf die genannte Oberflächenstrukturierung verzichtet wird. Zudem ist Kunststoff ein schlechter Wärmeleiter, welcher bei konventioneller Bauweise, aufgrund der schlechteren mechanischen Festigkeit gegenüber Metallen, zudem noch dickere Wandstärken benötigt. Darüber hinaus wird bei konventionellen Wärmeübertragern durch eine häufige Umlenkung der Fluide ein Druckverlust erzeugt, der nicht oder nur sehr wenig zur Turbulenz bei der Wärmeübertragung beiträgt und daher im Grunde unnötige Betriebskosten, bspw. durch dabei benötigte Pumpenenergie, verursacht.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfach zu fertigenden Wärmetauscher aus kostengünstigen Materialien bereitzustellen, der bei reduzierten Kosten und besserer chemischen Beständigkeit hinsichtlich der charakteristischen Größen Wärmedurchgangskoeffizient und Druckverlust keine Nachteile gegenüber konventionellen Wärmetauschern aufweist.
  • Dazu stellt die Erfindung eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung bzw. zum Austausch von Wärme zwischen Fluiden bereit, bei der dünne, elastische kunststoffhaltige Folien als Wärmeübertragungsflächen zwischen Strömungskanälen der Fluide eingesetzt sind, wobei mindestens zwei Strömungskanäle im wesentlichen durch ein Aufeinanderlegen mindestens zweier Folien oder zweier Folienabschnitte gebildet werden und Mittel zur Beabstandung der Folien bzw. der Folienabschnitte und zur Erhöhung der Strömungsturbulenz zwischen den Folien bzw. den Folienabschnitten angeordnet sind, welche mit den Folien bzw. den Folienabschnitten Strömungskanäle mit definiertem Querschnitt bilden. Die Folien bzw. Folienabschnitte sind spiralförmig um mindestens eine gemeinsame Achse gewickelt und die Vorrichtung weist eine im wesentlichen zylindrische Form auf. Des weiteren sind die Folien bzw. die Folienabschnitte an Stirnseiten der im wesentlichen zylinderförmigen Vorrichtung fest verbunden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll unter der Bezeichnung "Fluid" ganz allgemein ein fließfähiges Medium verstanden werden. Das bedeutet, daß hierunter nicht nur Gase und Flüssigkeiten, d.h. homogene Phasen, sondern bspw. auch Emulsionen und Suspensionen aber auch Zweiphasenströmungen zu verstehen sind.
  • Entsprechend einer Ausführungsform umfassen die Mittel zur Beabstandung der Folien und zur Erhöhung der Strömungsturbulenz auf den entsprechenden Folien bzw. den entsprechenden Folienabschnitten angeordnete Oberflächenstrukturen, welche als Noppen ausgebildet sein können und als Auflagepunkte auf der jeweils anderen Folie aufliegen. Die Oberflächenstrukturen können einstückig mit der Folie hergestellt sein.
  • Alternativ können die Mittel zur Beabstandung der Folien und Erhöhung der Strömungsturbulenz Strömungsgitter umfassen, die zwischen den Folien angeordnet sind und nachfolgend noch detaillierter beschrieben werden.
  • Die Oberflächenstrukturen stellen einen definierten Abstand der beiden Folien zueinander und damit einen definierten Querschnitt bzw. eine definierte Höhe des Strömungskanals bereit. Die Oberflächenstrukturen sind derart strukturiert, dass die gebildeten Strömungskanäle beim Wickeln nicht verengt bzw. zerstört werden. Die Oberflächenstrukturen umfassen daher vorzugsweise die bereits beschriebenen Noppen, die nur punktuell auf der gegenüberliegenden Folie aufliegen und im Gegensatz zu Stegen beim Wickeln nicht einknikken und dadurch den Kanalquerschnitt verengen. Des weiteren ermöglicht die Oberflächenstruktur mit Noppen eine Erhöhung der Turbulenz der Strömung. Hierdurch kann im Gegensatz zu einer im wesentlichen laminaren Strömung eine höhere Wärmeübertragung erzielt werden. Laminare Strömungen sind insbesondere in schmalen Strömungskanälen beispielsweise bei Verwendung von Stegen zu erwarten. Im Gegensatz dazu werden in der vorliegenden Beschreibung breite Kanäle bereitgestellt, deren Querschnittshöhe durch die beschriebenen Oberflächenstrukturen bereitgestellt wird und welche die Turbulenz der Strömung zusätzlich erhöhen.
  • Als Folien können generell Folien verwendet werden, die sich im wesentlichen über die Breite der Vorrichtung bzw. Teilabschnitte der Breite erstrecken und im Gegensatz zu beispielsweise aufgewickelten Schläuchen eine Strömung innerhalb der Folienschicht in zweidimensionaler Richtung (radial entlang der spiralförmigen Wickelung und axial) erlauben und nicht eine im wesentlichen eindimensionale Strömung entlang der Längsausdehnung eines Schlauches bzw. eines darin ausgebildeten Kanals vorgeben.
  • Es ist denkbar, dass die Folien zum Zeitpunkt der Wickelung noch nicht fest miteinander verbunden sind, so dass sie sich problemlos aufwickeln lassen, da sie gegeneinander verschiebbar sind. Auf diese Weise werden die unterschiedlichen Weglängen der beim Wickeln um eine gemeinsame Achse radial außen- und innenligenden Folien berücksichtigt. Spannungen und Faltungen aufgrund von Zug- und Druckspannungen, wie sie beispielsweise bei Schläuchen oder anderen in ebenem Zustand gefertigten Strömungskanälen aufgrund der unterschiedlichen Weglängen der Kanalwände während der Wicklung auftreten, werden vermieden. Es treten somit keine Verengungen der Kanäle aufgrund der Faltungen oder ein Einreißen aufgrund der Spannungen auf. Eine feste Verbindung der aufeinanderliegenden Folien kann beispielsweise während dem Wickeln oder im Anschluß daran auf eine geeignete Art und Weise erfolgen, die nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird.
  • Entsprechend einer Ausführungsform kann die gemeinsame Achse durch mindestens ein Zentralrohr zur Zu- und/oder Ausleitung eines Fluids in die Strömungskanäle gebildet werden.
  • Des weiteren kann mindestens eines der Fluide an einer Mantelfläche der zylinderförmigen Vorrichtung oder axial entlang einer Mittelachse der zylindrischen Vorrichtung zugeleitet und/oder ausgeleitet werden.
  • Die Zu- und/oder Ausleitung der Fluide kann dabei über Rohre mit Öffnungen erfolgen, welche den Austritt der Fluide in die Strömungskanäle ermöglichen. Die ZU- und Ausleitung im Rohr erfolgt, wie beschrieben, beispielsweise in axialer Richtung im Zentrum der Wicklung oder im Bereich der äußeren Enden der gewickelten Folie auf der Oberfläche bzw. der Mantelfläche der Vorrichtung, so dass die Fluide entweder vom Zentrum entlang der spiralförmigen Wicklung nach außen fließen oder in Gegenrichtung von außen nach innen. Selbstverständlich ist auch eine kombinierte Strömungsführung in beiden Richtungen möglich. Hierbei fließt das Fluid zunächst von innen nach außen und anschließend von außen wieder zurück nach innen, um dort ausgeleitet zu werden oder in Gegenrichtung von außen nach innen und anschließend wieder nach außen. Denkbar ist hierbei selbstverständlich jede weitere Kombination der beschriebenen Strömungsführungen.
  • Es ist jedoch auch möglich, mindestens ein Fluid axial durch die spiralförmig gewickelte Vorrichtung bzw. den dadurch gebildeten Spiralkörper strömen zu lassen.
  • Hierzu ist entsprechend einer anderen Ausführungsform mindestens ein Strömungskanal in axialer Richtung auf beiden Stirnseiten der zylinderförmigen Vorrichtung zum axialen Durchfluß eines Fluids durch die zylinderförmige Vorrichtung geöffnet.
  • Entsprechend einer weiteren Ausführungsform wird mindestens einer der Strömungskanäle durch feste Verbindungen der Folien bereichsweise in mindestens zwei Abschnitte abgetrennt. Die Abschnitte sind an definierten Verbindungsstellen derart miteinander verbunden, dass das Fluid von einem ersten in einen nebenliegenden weiteren Abschnitt geleitet wird.
  • Hierbei können die festen Verbindungen der Folien den Strömungskanal in axialer Richtung mäanderförmig in nebeneinander angeordnete und miteinander verbundene Abschnitte aufteilen, wobei die Abschnitte das jeweilige Fluid im wesentlichen in radialer Richtung entlang der spiralförmigen Wicklung des Strömungskanals führen, wobei die Verbindungsstellen das Fluid in im wesentlichen axialer Richtung in den nebenliegenden Abschnitt leiten.
  • Entsprechend einer weiteren Ausführungsform erfolgt eine Zuleitung und eine Ausleitung eines Fluids über ein einzelnes Rohr, wobei die Zuleitung des Fluids in den Strömungskanal über einen Zuleitungsabschnitt des Rohres erfolgt, und die Ausleitung des Fluids aus dem Strömungskanal über einen Ausleitungsabschnitt des Rohres erfolgt, und der Zuleitungsabschnitt und der Ausleitungsabschnitt des Rohres gegeneinander abgedichtet sind und jeweils mit Öffnungen mit einem Zuleitungs- bzw. einem Ausleitungsende des Strömungskanals verbunden sind.
  • Hierbei kann das Rohr als Zentralrohr axial entlang der Mittelachse des zylinderförmigen Wärmeübertragers verlaufen oder in axialer Richtung an einer Mantelfläche des zylinderförmigen Wärmeübertragers angeordnet sein.
  • Bei der Verwendung von Rohren zur Zu- und Ausleitung der Fluide ist es somit neben der Verwendung von je einem separaten einzelnen Rohr je Fluid am Spiralanfang und am Spiralende (Anfang und Ende des Strömungskanals) möglich, für mindestens ein Fluid nur ein einzelnes Rohr als Zu- und Ablaufrohr zu verwenden. Hierzu ist das mindestens eine Rohr, wie bereits beschrieben, zwischen den Öffnungen zum Flüssigkeitsaustritt (Zuleitungsabschnitt) und den Öffnungen zum Wiedereintritt (Ausleitungsabschnitt) abgedichtet. Zusätzlich wird durch Verbindung, zum Beispiel durch Klebung, der spiralförmige Strömungskanal, wie voranstehend beschrieben, derart in Abschnitte unterteilt, dass das Fluid im ersten Abschnitt aus den Austrittsbohrungen des Rohrs in den spiralförmigen ersten Teilkanal bzw. -abschnitt strömt, am Ende der Spirale in den anderen Abschnitt übertreten kann und durch den spiralförmigen zweiten Teilkanal bzw. -abschnitt zum Rohr mit den Eintrittsöffnungen zurückströmt. Entsprechend ist es durch mehrere Unterteilungen der Spirale auch möglich, mindestens ein Fluid mehrmals innerhalb des Spiralkörpers des Wärmetauschers umzulenken. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn mindestens ein Fluid axial durch den Spiralkörper strömt, da man dann eine Wärmeübertragung im Kreuz-Gegenstrom erhält.
  • Die eingesetzten Folien können neben verschiedenen Kunststoffen auch andere Materialien, insbesondere Metall und/oder Russ, zur Erhöhung von Wärmeleitfähigkeit, Fasern zur Erhöhung mechanischer Festigkeit, und/oder Mineralien und/oder Keramiken zur Verbesserung von Folieneigenschaften enthalten. Auch können die Wärmeübertragungsflächen aus mehreren Folienschichten aufgebaut sein.
  • Des weiteren sind zur Vergleichmäßigung von Fluidströmungen in der Vorrichtung und zur Erhöhung von Strömungsturbulenzen zusätzliche Einbauten in den durch die Folien begrenzten Strömungskanälen denkbar, welche beispielsweise als Gitternetze ausgeführt sein können. Sie stellen alternativ zu den Oberflächenstrukturen verwendbare Mittel zur Beabstandung der Folien und zur Erhöhung der Strömungsturbulenz dar.
  • In einer weiteren Ausführungsform können durch eine zusätzliche Oberflächenstrukturierung der Folien definierte Strömungskanäle für Fluidströmungen geschaffen und die Oberflächen der Folien zusätzlich zu der gegebenenfalls vorhandenen Oberflächenstrukturierung mit den Noppen vergrößert werden.
  • Denkbar ist eine spiralförmige Struktur der Strömungskanäle, welche durch eine Wicklung der Folien erreicht werden kann.
  • Neben der reinen Wärmeübertragung zwischen Fluiden kann während der Wärmeübertragung auch ein Phasenübergang in mindestens einem der Fluide stattfinden. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager wahlweise als Kondensator oder Verdampfer eingesetzt.
  • Ist zusätzlich ein weiterer, von einer halbdurchlässigen Membran umschlossener Strömungskanal vorhanden, ergibt sich die zusätzliche Möglichkeit eines Stofftransports zwischen Fluiden mit simultaner Beheizung oder Kühlung.
  • Der membranumschlossene Strömungskanal kann beispielsweise in die Vorrichtung integriert werden, indem beim Wickeln die Membran auf die Folien gelegt und zusammen mit den Folien aufgewickelt wird. Als Membranen können halbdurchlässige Membranen, wie beispielsweise Flachmembranen oder Hohlfasermembranen verwendet werden.
  • Damit ist es beispielsweise möglich, den Wärmeübertrager als Absorber oder Desorber zu verwenden. In diesem Fall strömt in mindestens einem Kanal eine Zweiphasenströmung mit simultanem Stoffaustausch. Hierzu können anstelle der Folien Membranen mit geeigneter Porosität und Werkstoffen verwendet werden, die lediglich einen Übertritt von Gasen durch die Membran aus einem Fluid in ein anderes Fluid ermöglichen, während Flüssigkeiten aufgrund ihrer Oberflächenspannung nicht durch die Membran treten können.
  • Durch eine Kombination dieser Absorber bzw. Membranabsorber mit einer simultanen Kühlung und dieser Desorber bzw. Membrandesorber mit einer simultanen Beheizung kann ein Destillationsprozess mit besonders geringem Energiebedarf gegenüber konventionellen sogenannten Destillationskolonnen mit einer Verdampfung in einem sogenannten Sumpf und einer Kondensation an einem sogenannten Kolonnenkopf realisiert werden.
  • Werden anstelle von porösen Membranen sogenannte Lösungs-Diffusionsmebranen oder eine Mischform aus beiden Membranen gewählt, kann neben der Verwendung als Absorber und Desorber auch eine Verwendung als sogenannter Membranextraktor und/oder sogenannter Membranreaktor mit simultaner Beheizung und Kühlung realisiert werden. Dann kann zusätzlich die den Reaktionsraum gegen ein Heiz-/Kühlmedium begrenzende Folie oder/und die Einbauten oder /und die Membraninnenseite katalytisch beschichtet sein.
  • Somit eröffnen sich allgemein Möglichkeiten eines Stofftransports zwischen verschiedenen Phasen und/oder von chemischen Reaktionen mit simultaner Beheizung oder Kühlung.
  • Zur festen Verbindung der Folien und zur Abdichtung der Stirnseiten kann beispielsweise eine Verklebung der Folien während oder nach dem Wickelprozess an den entsprechenden Positionen und Rändern oder ein nachträglicher Vergießprozess verwendet werden.
  • Es ist jedoch auch möglich, die Verbindung der Folien und die Abdichtung der Stirnseiten durch eine Verschweissung während des Wickelprozesses durchzuführen, wobei vorzugsweise Laser- oder Ultrasschallverfahren verwendet werden.
  • Zur Verbesserung der festen Verbindung der Folien miteinander insbesondere zur Erhöhung der Stabilität der Verbindung kann eine Vorbehandlung der Folien erfolgen. Diese Vorbehandlung kann sowohl flächig über die gesamte Oberfläche als auch gezielt an den vorgesehenen Verbindungsstellen erfolgten. Hierzu eignen sich Oberflächenbehandlungsverfahren, wie beispielsweise eine Plasmabehandlung.
  • Soll mindestens ein Fluid axial durch den Spiralkörper strömen, so darf der mindestens eine entsprechende Kanal während der Wicklung nicht verklebt werden. Es ist jedoch auch möglich, nur den mindestens einen für die axiale Durchströmung vorgesehenen Kanal am Rand zunächst zu verkleben, den Wärmeübertrager danach an den Stirnseiten zu vergießen und die vergossenen Stirnseiten abschließend so aufzuschneiden, dass nur der mindestens eine verklebte Kanal wieder an den Stirnseiten geöffnet wird.
  • Des weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung des bereits beschriebenen spiralförmigen Wärmeübertragers bereitgestellt. Das Verfahren umfasst den Schritt des Wickelns dünner, elastischer kunststoffhaltiger Folien mit zwischen den Folien angeordneten Mitteln zur Beabstandung der Folien und Erhöhung der Strömungsturbulenz, wobei die Folien bzw. Folienabschnitte spiralförmig um mindestens eine gemeinsame Achse gewickelt werden. Des weiteren umfasst das Verfahren einen Schritt zum festen Verbinden der Folien während dem Schritt des Wickelns durch partielles Verkleben oder Verschweißen der Folienschichten, oder zum festen Verbinden der Folien nach dem Schritt des Wickelns durch Verkleben oder Vergießen der Ränder des spiralförmigen Wärmeübertragers.
  • Ein Schritt zum Vorbehandeln der Oberflächen der Folien vor dem Schritt des partiellen Verklebens kann ebenfalls Teil des Verfahrens sein, wobei die Vorbehandlung partiell oder flächig erfolgen kann. Beispielsweise kann eine solche Vorbehandlung mit einem Plasmaverfahren durchgeführt werden.
  • Das Verfahren kann zusätzlich ein Beschichten der Oberflächen der Folien mit diffusionshemmenden Beschichtungen oder Metallbeschichtungen umfassen. Beispielsweise kann eine solche Beschichtung mit einem Plasmaverfahren durchgeführt werden.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnung
    • Figur 1
    zeigt eine schematische Darstellung eines geschichteten Aufbaus eines Wärmeübertragers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in abgewickeltem Zustand;
    Figur 2
    zeigt eine Oberflächenstruktur mit Noppen von Folien gemäß einer weiteren Ausführungs form der vorliegenden Erfindung in abgewickelten Zustand;
    Figur 3
    zeigt eine schematische Darstellung eines Folien-Membran-Desorbers als eine weitere Ausführungsform eines Wärmeübertragers gemäß der vorliegenden Erfindung in abgewickeltem Zustand;
    Figur 4
    zeigt in schematischer Darstellung einen Folienwärmetauscher mit spiralförmiger Struktur als eine andere Ausführungsform eines Wärmeübertragers gemäß der vorliegenden Erfindung;
    Figur 5
    zeigt die Abwicklung eines Strömungskanals für ein Fluid mit einem Rohr als Zu- und Ablaufrohr.
    Figur 6
    zeigt die Abwicklung eines Strömungskanals für ein Fluid mit einem Rohr als Zu- und Ablaufrohr, wobei das Fluid mehrfach in dem spiralförmigen Kanal umgelenkt wird.
    Figur 7
    zeigt in schematischer Darstellung einen gewikkelten Folienwärmetauscher als eine andere Ausführungsform eines Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung.
    Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
  • Der prinzipielle Aufbau eines Folienwärmetauschers bzw. eines Folienwärmeübertragers ist in Figur 1 in abgerolltem Zustand dargestellt.
  • Zwei Fluide 1 und 2, zwischen denen ein Wärmeaustausch bzw. eine Wärmeübertragung stattfindet, sind durch dünne, elastische Folien 3 getrennt.
  • Besonders geeignete Folienwerkstoffe sind die Kunststoffe Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyetheretherketon (peek). Zusätzlich können auch Aluminium, Kupfer oder andere Metalle in die jeweiligen Folien eingearbeitet sein. Ferner können auch metallbedampfte Folien verwendet werden.
  • Die Wärmeleitfähigkeit von Folienwerkstoffen kann auch durch Zusatz von nichtmetallischen Additiven während der Folienherstellung verbessert werden (z.B. Ruß, Keramik-, Mineralstäube).
  • Die mechanische Festigkeit der Folien kann zum Beispiel auch durch Fasern in der Folie, beispielsweise Glas-, Kohle-, Metall-, Aramidfasern, verbessert werden.
  • Neben diesen Anforderungen sind auch eine maximale Einsatztemperatur und eine chemische Beständigkeit Kriterien zur Auswahl eines Folienwerkstoffes. Hierzu kann es auch vorteilhaft sein, die eingesetzten Folien aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Materialien aufzubauen, wobei die jeweiligen Oberflächenschichten die chemische Beständigkeit garantieren.
  • Zwischen die Folien können zusätzliche Einbauten 4 gelegt werden, beispielsweise extrudierte knotenlose Gitternetze, wie sie z.B. von den Firmen NSW (www.nsw.de) und Tenax (www.tenax-net.de) angeboten werden.
  • Alternativ zum Einsatz der bereits beschriebenen Oberflächenstrukturen, welche die Oberfläche der Folie erhöhen und bei der Herstellung plastisch so verformt werden, dass Noppen als Auflagepunkte ausgebildet werden, können die genannten Gitternetze in Verbindung mit konventionellen planen Folien verwendet werden. Diese Gitternetze erhöhen die Turbulenz von Fluidströmungen im Wärmeübertrager und verbessern damit den Wärmeübergangskoeffizienten des entsprechenden Fluids. Zudem dienen sie als engmaschiges Stützmaterial für die Folien, wodurch die resultierenden Kräfte auf die jeweilige Folie aus Druckunterschieden sehr klein werden. Des weiteren wird eine konstante Dicke des durch die Folienbegrenzung gebildeten Strömungskanals gewährleistet und somit eine gleichmäßige Durchströmung der Vorrichtung.
  • Bei der Verwendung von Gitternetzen ist jedoch, insbesondere bei Polymermaterialien, die Auswahl von gleichen Werkstoffen für Folie und Gitternetz vorteilhaft, um eventuell notwendige weitere Abdichtungen zur Bildung geschlossener Strömungskanäle zu vereinfachen.
  • Mit der Wahl unterschiedlicher Gitternetzdicken eignet sich der entsprechende Wärmeübertrager auch hervorragend zum Wärmeaustausch bzw. zur Wärmeübertragung zwischen Medien mit stark unterschiedlichen Volumenströmen.
  • Selbstverständlich können auch mehr als zwei Medien eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch bzw. zur Wärmeübertragung durchströmen. Dann ist lediglich die Anzahl von Zu- und Ablaufkanälen mit zugehörigem Strömungsgitternetz und Trennfolien entsprechend zu erhöhen.
  • Eine beispielhafte Oberflächenstruktur von Folien mit Noppen ist in Figur 2 dargestellt. Hierbei werden Folien 3a und 3b mit versetzten Noppenreihen eingesetzt. Beim Übereinanderlegen 3a + 3b ergeben sich definierte Strömungskanäle zwischen den Folien. Selbstverständlich sind neben den Oberflächenstrukturen mit Noppen und den Gitternetzen auch diagonale Faltungen der Folien möglich. Des weiteren ist jede andere Struktur denkbar, welche beim Aufeinanderlegen oder Wickeln der entsprechenden Folien dazu führt, daß definierte Strömungskanäle gebildet werden.
  • In Figur 3 ist beispielhaft ein Folien-Membran-Desorber dargestellt. In einem der Strömungskanäle des Folienwärmetauschers bzw. -übertragers aus Figur 1 strömt nun ein beladenes Fluid bzw. eine beladene Flüssigkeit 1, die durch ein Heizmedium 2 beheizt wird. In den Kanal von Fluid 1 wird zusätzlich ein von einer gasdurchlässigen, aber flüssigkeitsdichten Membran 9 umschlossenes Strömungsgitter 10 eingebracht. Das Strömungsgitter 10 erhöht einerseits die Turbulenz der Strömung in dem Strömungskanal, erfüllt aber auch eine stützende Funktion, um den Querschnitt des Strömungskanals zwischen der Membran zu erhalten. Eine Oberflächenstrukturierung der Membran vergleichbar zu der Oberflächenstrukturierung der Folien zum gleichen Zweck ist dagegen nur schwer realisierbar. Dieser zusätzliche Kanal benötigt naturgemäß keinen Zulauf. Als Austrittsmöglichkeit für das entstandene Gas wird der Kanal bei der Wicklung nicht, oder nur an einem Rand abgedichtet, so dass das entstandene Gas aus der Vorrichtung austreten kann.
  • Anwendungen für eine solche Vorrichtung sind beispielsweise in DE 10324300 zu finden.
  • In Figur 4 ist ein Folienwärmetauscher bzw. -übertrager mit spiralförmiger Struktur dargestellt. Man erhält eine besonders hohe volumenspezifische Wärmeübertragungsleistung und einen besonders geringen Druckverlust durch Minimierung von Strömungsumlenkungen bei gleichzeitiger guter mechanischer Festigkeit. Zudem kann solch ein Wärmeübertrager durch eine einfache Wicklung von Folien 3, eventuell zusätzlich mit Gitternetzen 4 um Zentralrohre 5 und 8 hergestellt werden. Die Folien 3 und eventuell eingesetzte Gitternetze 4 sind dann spiralförmig angeordnet. Die Fluide strömen vorzugsweise im Gegenstrom durch die Vorrichtung. Hierzu wird für Fluid 1 neben dem zentralen Zulaufkanal 5 ein Ablaufkanal 6 am Rand angebracht, und für Fluid 2 entsprechend neben dem zentralen Ablaufkanal 7 ein Zulaufkanal 8 am Rand. Zudem ist in Figur 4 angedeutet, dass die Zu- und Ablaufkanäle eine beliebige Geometrie besitzen können. Für die Wicklung empfehlen sich jedoch runde oder elliptische zentrale Kanäle. Durch die annähernd gleichmäßige Krümmung der resultierenden Strömungskanäle werden dann die Umlenkverluste der Strömung im spiralförmigen Kanal minimiert.
  • Die Kanäle können an den Rändern durch geeignete Verklebungen oder Verschweißungen direkt während des Wickelprozesses gegeneinander und gegen die Umwelt abgedichtet werden. Es ist aber auch möglich, die randseitige Abdichtung durch Vergießen bzw. eine sogenannte Pottung, z.B. mit Kunstharz, nach Abschluss des Wickelvorgangs durchzuführen. Eine Abdichtung vor dem Wickelprozess ist für ausreichend elastische Materialien auch möglich, allerdings erhält man dann beim Wickeln relativ große Spannungen in der außen liegenden Schicht und Falten o.ä. in der innen liegenden Schicht.
  • Figur 5 zeigt die Abwicklung eines Strömungskanals 50 entsprechend einer weiteren Ausgestaltungsform mit einem Rohr 51 als Zu- und Ausleitungsrohr. Das Rohr 51 ist mittels einer Abdichtung 52 in einen Zuleitungsabschnitt 53a und einen Ausleitungsabschnitt 53b unterteilt, die jeweils seitliche Öffnungen 54a, 54b aufweisen. Die Zuleitungsöffnungen 54a sind mit der Zuleitung des Strömungskanals 50 bzw. die Ausleitungsöffnungen 54b mit der Ausleitung des Strömungskanals 50 verbunden. Der Strömungskanal 50 ist durch eine Wand 56, die beispielsweise durch eine feste Verbindung der den Strömungskanal 50 bildenden Folien hergestellt wird, im wesentlichen in zwei Abschnitte 57a, 57b unterteilt. Diese feste Verbindung kann beispielsweise während dem Wickelprozeß durch Verschweißen oder Kleben hergestellt werden, so dass auf diese Weise Spannungen zwischen den Folien vermieden werden. Die Abschnitte 57a, 57b sind miteinander über eine Verbindungsstelle 57c verbunden, die durch eine Aussparung in der Wand 56 bereitgestellt wird.
  • Ein Fluid kann somit in den Zuleitungsabschnitt 53a des Rohres 51 einströmen und tritt von dort durch die seitlichen Zuleitungsöffnungen 54a des Rohres 51 in den Zuleitungsabschnitt 57a des Strömungskanals 50 ein. Von dort folgt das Fluid dem Verlauf des Strömungskanals 50 in Richtung der von dem Rohr entfernten Seite des Strömungskanals und tritt dort durch die Verbindungsstelle 57c in der Wand 56 in den Ausleitungsabschnitt 57b des Strömungskanals 50. Von dort tritt das Fluid durch die seitlichen Ausleitungsöffnungen 54b des Rohres 51 in den Ausleitungsabschnitt 53b des Rohres 51 ein und kann abfließen.
  • In aufgerolltem Zustand entspricht die Strömung innerhalb des Zu- und Ausleitungsabschnittes 57a und 57b des Strömungskanals aufgrund der spiralförmigen Wicklung der Folie einer radialen Strömung entlang des spiralförmigen Strömungskanals 50 von innen nach außen bzw. von außen nach innen. An der Verbindungsstelle 57c liegt dagegen eine im wesentlichen axial (parallel zur Rohrachse bzw. zur Wicklungsachse) gerichtete Strömung vor. Durch Aufeinanderlegen zweier gleicher Strömungskanäle, die in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden, wird ein Wärmeüberträger in Gegenstrommethode bereitgestellt. Die Wicklung kann sowohl am Rohr 51 als auch am entgegengesetzten Rand des Strömungskanals 50 beginnen, so dass in gewickeltem Zustand das Rohr 51 entweder im Zentrum der Wicklung angeordnet ist oder aber auf der Manteloberfläche des gewickelten Spiralkörpers. Werden mehrere Strömungskanäle 50 zusammen aufgewickelt, so sind auch Kombinationen der verschieden Anordnungen der Rohre 51 denkbar. Selbstverständlich können die dargestellten Strömungskanäle auch beispielsweise in ebener Ausführung verwendet werden, so dass ein flächiger Wärmetauscher bereitgestellt wird.
  • Figur 6 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform des in Figur 5 beschriebenen Strömungskanals. Der Strömungskanal 60 weist einen mäanderförmigen Verlauf auf, der im wesentlichen durch eine Aneinanderreihung zweier in Figur 5 beschriebener Strömungskanäle erzielt wird. Der wesentliche Unterschied zu einer bloßen Aneinanderreihung besteht in der Führung des Fluids zwischen dem Ausleitungsabschnitt 67b, der dem Ausleitungsabschnitt eines ersten Strömungskanals nach Figur 5 entspricht, und dem Zuleitungsabschnitt 68a eines zweiten Strömungskanals nach Figur 5. Das Fluid wird nicht zurück in das Rohr 61 geleitet, sondern kann durch eine Verbindungsstelle 67d in den zweiten Zuleitungsabschnitt 68a eintreten und folgt dort dem weiteren Verlauf des Strömungskanals entsprechend der Beschreibung zu Figur 5. Mit dem dargestellten Strömungskanal ist es somit möglich, das Fluid mehrmals durch den Spiralkörper des Wärmetauschers entlang der Spirale zu leiten.
  • Neben der gewickelten Ausführung sind natürlich auch weitere geometrische Ausgestaltungen des Folienwärmetauschers vorstellbar, wie z.B. eine Plattengeometrie mit Folien und Gittern. Dabei müssen jedoch eventuell zusätzlich zur Aufnahme von Druckkräften massive Bauteile eingesetzt werden.
    • Ausführungsbeispiel
  • Als Ausführungsbeispiel wird ein gewickelter Folienwärmetauscher gewählt, der mit minimalem Werkzeugaufwand gefertigt werden kann. Ein Schnitt durch die Vorrichtung ist in Figur 7 dargestellt. Die gestrichelt dargestellten Schichten kennzeichnen die Zwischenräume zwischen den Folien, die entweder mittels der in den Folien ausgeprägten Oberflächenstrukturen oder durch eingelegte Zwischengitter, beispielsweise aus dem Material PP, aufgespannt werden.
    • Herstellung:
  • Zentralkanäle 5 und 8 und Randkanäle 6 und 7 sind PP- Rohre (500 mm lang, 12 mm Innendurchmesser) mit zahlreichen Bohrungen zum Ein- bzw. Austritt der Fluide. Um eines dieser Rohre wird eine Trennfolie aus Polypropylen mit 6 m Länge, 400 mm Breite und 0,05 mm Dicke so gelegt, dass das jeweilige Rohr auf einer Seite 100 mm übersteht und die umgelegte Folie auf beiden Seiten gleichlang ist (ca. 2990 mm). Weisen die Folien keine Oberflächenstrukturierung auf, um den Zwischenraum zwischen den Folien bereitzustellen, werden alternativ dazu Strömungsguitter verwendet. Zwischen die Folie wird ein Strömungsgitter für Fluid 1 gelegt, auf die Folie das Strömungsgitter für Fluid 2 und das zweite PP Rohr auf die Weise, dass es bündig am ersten Rohr liegt, aber auf der anderen Seite übersteht. Beide Gitter haben die Breite der Folie und eine Länge von ca. 1,5 m bei einer Dicke von 1 mm. Die Wärmeübertragungsfläche ergibt sich dann zu ca. 1,2 m2.
  • Nun wird der Wärmeübertrager aufgewickelt. Wenn ein Gitter zu Ende ist, wird ein Rohr eingelegt und dann weitergewikkelt. Die äußersten Bahnen sind lediglich Folienbahnen. Diese dienen zur Abdichtung in radialer Richtung und zur mechanischen Stabilisierung durch mehrere Lagen. Zur Verbesserung der Dichtheit können die Folien auch zusätzlich verschweißt werden.
  • Abschließend wird der Wärmeübertrager mit Epoxidharz gepottet. Hierzu werden auf jeder Seite in axialer Richtung zwei Endstücke (Kappen) mit Durchbrüchen für jeweils zwei Rohre aufgesteckt. Die Durchbrüche werden abgedichtet, d.h. z.B. verklebt und anschließend werden die Kappen soweit mit Harz gefüllt, dass dieses ausreichend weit in die Strömungskanale läuft (ca. 1cm), um Dichtheit zu gewährleisten.
  • Zusätzlich kann der Wärmeübertrager in ein Mantelrohr geschoben werden, welches zur Isolierung und Erhöhung der mechanischen Stabilität ausgeschäumt wird.
    • Leistungsfähigkeit:
  • Versuche mit Wasser (40/25°C Eintrittstemperaturen) ergaben für den beschriebenen Wärmeübertrager bei Flüssigkeitsströmen von ca. 200 1/h k-Werte > 1 kW bei Druckverlusten von 80 mbar. Somit steht ein sehr kostengünstiger Wärmeübertrager aus einem Massenkunststoff mit einer vergleichbaren Leistungsfähigkeit wie ein parallel getesteter Edelstahlwärmetauscher für Anwendungen unter 95°C Temperatur zur Verfügung.
  • Als weiterer Vorteil neben den geringen Kosten kann die chemische Beständigkeit (keine Korrosion), das geringe Gewicht und die einfache Entsorgung dieses Wärmeübertragers angesehen werden.

Claims (20)

  1. Vorrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen Fluiden (1, 2), wobei dünne, elastische kunststoffhaltige Folien (3) als Wärmeübertragungsflächen zwischen Strömungskanälen der Fluide (1, 2) eingesetzt sind, wobei mindestens zwei Strömungskanäle im wesentlichen durch ein Aufeinanderlegen mindestens zweier Folien oder Folienabschnitte (3) gebildet werden und Mittel zur Beabstandung (4) der Folien bzw. der Folienabschnitte und zur Erhöhung der Strömungsturbulenz zwischen den Folien bzw. den Folienabschnitten (3) angeordnet sind, welche mit den Folien bzw. den Folienabschnitten Strömungskanäle mit definiertem Querschnitt bilden, wobei die Folien bzw. die Folienabschnitte (3) spiralförmig um mindestens eine gemeinsame Achse gewickelt sind und die Vorrichtung eine im wesentlichen zylindrische Form aufweist, wobei die Folien bzw. die Folienabschnitte an Stirnseiten der im wesentlichen zylinderförmigen Vorrichtung fest verbunden sind.
  2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Beabstandung (4) der Folien bzw. der Folienabschnitte (3) und zur Erhöhung der Strömungsturbulenz auf den Folien bzw. den Folienabschnitten (3) angeordnete Oberflächenstrukturen umfassen, welche als Noppen ausgebildet sind und als Auflagepunkte auf der jeweils anderen Folie bzw. dem anderen Folienabschnitt (3) aufliegen.
  3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, wobei die gemeinsame Achse durch mindestens ein Zentralrohr (5, 8) zur Zu- und/oder Ableitung eines Fluids (1, 2) in die Strömungskanäle gebildet wird.
  4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei mindestens eines der Fluide (1,2) an einer Mantelfläche der zylinderförmigen Vorrichtung oder axial entlang einer Mittelachse der zylindrischen Vorrichtung eingeleitet und/oder ausgeleitet wird.
  5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    wobei dass mindestens ein Strömungskanal in axialer Richtung auf beiden Stirnseiten der zylinderförmigen Vorrichtung zum axialen Durchfluß eines Fluids (1, 2) durch die zylinderförmige Vorrichtung geöffnet ist.
  6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    wobei mindestens einer der Strömungskanäle (55) durch feste Verbindungen (56) der Folien bzw. der Folienabschnitte (3) bereichsweise in mindestens zwei Abschnitte (57a, 57b) abgetrennt ist und die Abschnitte (57a, 57b) an definierten Verbindungsstellen (57c) derart miteinander verbunden sind, dass das Fluid (1, 2) von einem ersten (57a) in einen weiteren Abschnitt (57b) geleitet wird.
  7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    wobei die festen Verbindungen (66a, 66b, 66c) der Folien bzw. der Folienabschnitte (3) den Strömungskanal in axialer Richtung mäanderförmig in nebeneinander angeordnete und miteinander verbundene Abschnitte (67a, 67b, 68a, 68b) aufteilen, wobei die Abschnitte (67a, 67b, 68a, 68b) das jeweilige Fluid (1, 2) im wesentlichen in radialer Richtung entlang der spiralförmigen Wicklung des Strömungskanals (55) führen, wobei die Verbindungsstellen (67c, 68) das Fluid (1, 2) in im wesentlichen axialer Richtung in den nebenliegenden Abschnitt (67a, 67b, 68a, 68b) leiten.
  8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    wobei eine Zuleitung und eine Ausleitung eines Fluids (1, 2) über ein einzelnes Rohr (51) erfolgt, wobei die Zuleitung des Fluids (1, 2) in den Strömungskanal (55) über einen Zuleitungsabschnitt (53a) des Rohres (51) erfolgt, und die Ausleitung des Fluids (1, 2) aus dem Strömungskanal (55) über einen Ausleitungsabschnitt (53b) des Rohres (51) erfolgt, und der Zuleitungsabschnitt (53a) und der Ausleitungsabschnitt (53b) des Rohres (51) gegeneinander abgedichtet (52) sind und jeweils mit Öffnungen (54a, 54b) mit einem Zuleitungs- bzw. einem Ausleitungsende des Strömungskanals (55) verbunden sind.
  9. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    wobei das Rohr (51) als Zentralrohr (5, 8) axial entlang der Mittelachse des zylinderförmigen Wärmeübertragers verläuft oder in axialer Richtung an einer Mantelfläche des zylinderförmigen Wärmeübertragers angeordnet ist.
  10. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 9,wobei in den eingesetzten Folien (3) neben verschiedenen Kunststoffen auch andere Materialien, insbesondere Metall und/oder Russ, zur Erhöhung von Wärmeleitfähigkeit, Fasern zur Erhöhung mechanischer Festigkeit, und/oder Mineralien und/oder Keramiken vorhanden sind.
  11. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 10
    wobei die Wärmeübertragungsflächen aus mehreren Folienschichten aufgebaut sind.
  12. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    wobei zur Vergleichmäßigung von Fluidströmungen und Erhöhung der Strömungsturbulenz der Fluide zusätzliche Einbauten in den Strömungskanälen vorhanden sind.
  13. Wärmeübertrager nach Anspruch 12,wobei diese Einbauten als Gitternetz ausgeführt sind.
  14. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    wobei die eingesetzten elastischen Folien bzw. Folienabschnitte (3) zusätzlich eine weitere Oberflächenstruktur besitzen, welche die Oberfläche der Folie erhöht.
  15. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Strömungskanäle zwischen den Folien bzw. den Folienabschnitten (3) eine spiralförmige Struktur besitzen.
  16. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei zusätzlich ein von einer halbdurchlässigen Membran (9) umschlossener weiterer Strömungskanal vorhanden ist, wodurch sich die Möglichkeit eines Stofftransports zwischen verschiedenen Phasen mit simultaner Beheizung oder Kühlung mindestens einer Phase ergibt.
  17. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Wärmeübertrager als Kondensator, Verdampfer, beheizter Desorber, gekühlter Absorber, Extraktor mit simultanem Wärmeaustausch, Reaktor mit simultanem Wärmeaustausch oder eine Kombination dieser Anwendungen einsetzbar ist.
  18. Verfahren zur Herstellung eines spiralförmigen Wärmeübertragers nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    Wickeln dünner, elastischer kunststoffhaltiger Folien bzw. Folienabschnitte (3) mit zwischen den Folien bzw. den Folienabschnitten (3) angeordneten Mitteln zur Beabstandung (4) der Folien bzw. der Folienabschnitte (3) und zur Erhöhung der Strömungsturbulenz, wobei die Folien bzw. Folienabschnitte (3) spiralförmig um mindestens eine gemeinsame Achse gewickelt werden,
    festes Verbinden der Folien bzw. der Folienabschnitte (3) während dem Schritt des Wickelns durch partielles Verkleben oder Verschweißen der Folienschichten, oder
    festes Verbinden der Folien bzw. der Folienabschnitte (3) nach dem Schritt des Wickelns durch Verkleben oder Vergießen von Rändern bzw. an Stirnflächen des spiralförmigen Wärmeübertragers.
  19. Verfahren zur Herstellung eines spiralförmigen Wärmeübertragers nach Anspruch 18, ferner umfassend den folgenden Schritt:
    Vorbehandeln der Oberflächen der Folien bzw. der Folienabschnitte (3) vor dem Schritt des partiellen Verklebens, wobei die Vorbehandlung partiell oder flächig erfolgt.
  20. Verfahren zur Herstellung eines spiralförmigen Wärmeübertragers nach einem der Ansprüche 18 bis 19, ferner umfassend den folgenden Schritt:
    Beschichten der Oberflächen der Folien bzw. der Folienabschnitte (3) mit diffusionshemmenden Beschichtungen oder Metallbeschichtungen.
EP07014982A 2006-08-01 2007-07-31 Folienwärmeübertrager für Fluide Not-in-force EP1895259B1 (de)

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