Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers sowie Wärmeübertrager Method for producing a heat exchanger and heat exchanger
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers umfassend insbesondere Fluide führende Kanäle aufweisende oder begrenzende Formteile aus keramischem Material. Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen Wärmeübertrager mit insbesondere Fluide führenden Kanäle aufweisende oder begrenzende Formteile aus keramischem Material, insbesondere Wärmetauscher wie Kreuzstromwärmetauscher oder Rektifiziereinrichtung. The invention relates to a method for producing a heat exchanger comprising in particular fluid-carrying channels having or limiting shaped parts made of ceramic material. Furthermore, the invention relates to a heat exchanger with in particular fluid-carrying channels having or limiting molding parts of ceramic material, in particular heat exchangers such as cross-flow heat exchanger or rectifier.
Der DE-C- 139 33 426 ist ein Wärmetauscher zu entnehmen, der aus Formteilen aus Keramik besteht. Dabei werden die keramischen Formteile vor dem Brennen zusammengesetzt und durch das Brennen miteinander verbunden. DE-C-139 33 426 discloses a heat exchanger which consists of molded parts made of ceramic. The ceramic moldings are assembled before firing and connected by burning.
Wärmetauscher dienen dem Zweck, Wärme von einem Stoffstrom höherer Temperatur auf einen Stoffstrom niedriger Temperatur zu übertragen. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, ist es dabei erforderlich, dass die die Stoffströme trennenden Bauteile eine gute Wärmeleitung aufweisen. Eine solche ist auch bei Rektifiziereinrichtungen bzw. -apparaten nötig, mit denen flüssige Gemische getrennt werden. Dabei werden z. B. die Flüssigkeit und der Dampf eines zu trennenden Gemisches im Gegenstrom zueinander geführt, dass sich beide Phasen zum Stoff- und Wärmeaustausch möglichst innig berühren. Die Einrichtungen bestehen daher hierzu grundsätzlich aus einem senkrechten rohrförmigen Apparat, der Einbauten in Form von in Abständen angeordneten Plattenelementen mit Durchbrüchen oder Füllkörpern, enthält.
Aus der US-A-2002/0011683 ist ein aus Siliziumkarbid bestehender Wabenkörper bekannt, der als Rußfilter für Dieselmotoren benutzt werden kann. Die Formgebung des Wabenkörpers erfolgt durch Extension einer aus Siliziummetallpulver, Harz und Bindemittel enthaltenden Mischung. Heat exchangers serve the purpose of transferring heat from a stream of higher temperature to a stream of low temperature. In order to achieve optimum efficiency, it is necessary that the components separating the material streams have good heat conduction. Such is also necessary in rectifying apparatuses or apparatuses with which liquid mixtures are separated. This z. B. the liquid and the vapor of a mixture to be separated in countercurrent to each other, that touch both phases for material and heat exchange as intimately. For this purpose, the devices basically consist of a vertical tubular apparatus which contains internals in the form of plate elements with openings or packing elements arranged at intervals. From US-A-2002/0011683 a honeycomb body consisting of silicon carbide is known, which can be used as a soot filter for diesel engines. The honeycomb body is shaped by extension of a mixture containing silicon metal powder, resin and binder.
Zur Herstellung eines Hochtemperaturkörpers wie Wärmetauscher wird nach der EP-A- 1 284 251 eine Wellpappe als Ausgangskörper benutzt, die mit Schlicker beschichtet oder in einen solchen eingebracht wird. Anschließend erfolgt ein Trocknen und Carbo- nisieren. For the production of a high-temperature body such as heat exchangers, according to EP-A-1 284 251 a corrugated cardboard is used as the starting body, which is coated with slip or introduced into it. This is followed by drying and carbonization.
Gegenstand der DE-A- 197 13 068 ist ein Heißgasfilter-Element. Zur Herstellung kann auf ein Wabenmaterial auf Hartpapier-Basis Kohlenstofffaser- Vlies bzw. Filz aufge- presst bzw. laminiert werden, um sodann die so hergestellte CFK-Struktur zu pyrolysie- ren. The subject of DE-A-197 13 068 is a hot gas filter element. For production, carbon fiber nonwoven or felt can be pressed or laminated onto a honeycomb material based on hard paper, in order then to pyrolyze the CFRP structure produced in this way.
Um einen Wärmetauscher nach der JP-A-2005047014 herzustellen, wird ein Ausgangsmaterial in Form eines wellenförmigen Pappkörpers verwendet, der sodann laminiert und mit einem Schlicker beschichtet wird. Anschließend erfolgt ein Pyrolysieren. In order to produce a heat exchanger according to JP-A-2005047014, a raw material in the form of a corrugated cardboard body is used, which is then laminated and coated with a slurry. Subsequently, a pyrolysis takes place.
Unter Verwendung von zellulosehaltigen Halbzeugformteilen, die pyrolysiert werden, werden nach der DE-A-101 61 108 Keramikbauteile hergestellt. Using cellulosic semi-finished molded parts which are pyrolyzed, according to DE-A-101 61 108 ceramic components are produced.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass bei einfacher Herstellung eine gute Wärmeleitung sichergestellt ist. Dabei soll auch die Möglichkeit gegeben sein, aggressive Stoffe durch den Wärmeübertrager zu leiten. The present invention is based on the object, a method and a heat exchanger of the type mentioned in such a way that with simple production good heat conduction is ensured. It should also be possible to direct aggressive substances through the heat exchanger.
Erfindungsgemäß wird verfahrensmäßig vorgeschlagen:
Herstellen von Preformen aus Papier, das zumindest Zellulosefasern und zumindest einen Füllstoff enthält, mit dem das Papier bei dessen Herstellung beladen wird, und According to the invention, it is proposed by the method: Production of preforms of paper, containing at least cellulose fibers and at least one filler, with which the paper is loaded during its production, and
Pyrolysieren der Papierpreformen zur Bildung der Formteile oder Abschnitte dieser. Pyrolysing the paper preforms to form the moldings or sections thereof.
Dabei können die die Formteile und somit die Abschnitte des Wärmeübertragers bildenden Papierpreformen nach oder bevorzugterweise vor dem Pyrolysieren bzw. Car- bonisieren zusammengesetzt werden. Es können folglich die Preformen vor dem Pulverisieren verbunden wie verklebt werden. Auch besteht die Möglichkeit, die pyrolisierten Preformen zu verbinden und zu verkleben, und zwar vor einem Silicierprozessschritt. In this case, the paper preforms forming the shaped parts and thus the sections of the heat exchanger can be assembled after or preferably before the pyrolysis or carbonization. Consequently, the preforms can be adhesively bonded as before being pulverized. It is also possible to join and bond the pyrolyzed preforms prior to a siliconizing process step.
Das Verbinden der Papierpreformen vor dem Pyrolysieren kann mittels Kleber mit hoher Kohlenstoffausbeute erfolgen. Werden die Papierpreformen nach dem Pyrolysieren und damit Carbonisieren verbunden, so erfolgt dies vorzugsweise im Rahmen des SiIi- cierens der pyrolysierten Preformen. The joining of the Papierpreformen before pyrolysis can be done by means of adhesive with high carbon yield. If the paper preforms are connected after pyrolysis and hence carbonization, this is preferably done in the context of the siliconizing of the pyrolyzed preforms.
Erfindungsgemäß wird eine aus einem keramischen Papier bestehende Preform benutzt, also ein Papier, das während der Herstellung bereits mit einem Füllstoff beladen wird. According to the invention, a preform consisting of a ceramic paper is used, that is to say a paper which is already loaded with a filler during production.
Als Füllstoffe kommen solche in Frage, die carbonisierbar sind. Aber auch Keramikfüllstoffe wie Al2O3 oder ZrO2 können benutzt werden, um das Papier entsprechend zu beladen. Ein weiterer bevorzugter Füllstoff ist Ruß. Suitable fillers are those which are carbonizable. But ceramic fillers such as Al 2 O 3 or ZrO 2 can be used to load the paper accordingly. Another preferred filler is carbon black.
Des Weiteren können dem zu pyrolysierenden Papier Additive in Form von Bindemitteln wie Phenolharz und/oder Zellulose beigegeben werden. Furthermore, additives in the form of binders such as phenolic resin and / or cellulose can be added to the paper to be pyrolyzed.
Bevorzugterweise beträgt der Gewichtsanteil des Füllstoffs 30 Gew.-% bis 95 Gew.-%, insbesondere 60 Gew.-% bis 90 Gew.-%, bezogen auf die aus Zellulosefasern des Papiers und Füllstoff bestehende Trockensubstanz des Papiers, wobei Additive einbezogen sind.
Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, dass das pyrolysierte, d.h. das carboni- sierte Papier siliciert wird. Dies kann mit Reinstsilicium erfolgen, wobei im Überschuss oder Unterschuss gearbeitet wird. Das Silicieren ist mit üblichen Verfahren durchzuführen. Insbesondere wird jedoch das pyrolysierte Papier zum Silicieren mit einer Silici- umschmelze in Kontakt gebracht, z. B. durch Dochte, Transferplatten oder ähnliche Techniken. The weight fraction of the filler is preferably from 30% by weight to 95% by weight, in particular from 60% by weight to 90% by weight, based on the paper's paper stock and filler dry matter, with additives being included. According to the invention, provision is made in particular for the pyrolyzed, ie the carbonized, paper to be silicided. This can be done with hyperpure silicon, working in excess or deficiency. The siliciding is carried out by conventional methods. In particular, however, the pyrolyzed paper is contacted with a silicon melt for siliconization, e.g. B. by wicks, transfer plates or similar techniques.
Das pyrolysierte Papier wird in einem Reaktionsraum vorzugsweise bei Unterdruck siliciert, der in einem Bereich von 50 mbar bis 0,05 mbar, insbesondere im Bereich von 0,1 mbar, jeweils absolut, liegen sollte. Nach der Reaktion des C mit dem Si zu SiC wird sodann der Reaktionsraum mit Inertgasatmosphäre belüftet, um die Möglichkeit zu bieten, dass sich überschüssiges Silicium auf dem silicierten Keramiksubstrat als Si- Schicht ausbilden kann. The pyrolyzed paper is preferably silicided in a reaction space at a reduced pressure which should be in a range from 50 mbar to 0.05 mbar, in particular in the range of 0.1 mbar, in each case absolute. After the reaction of C with Si to SiC, the reaction space is then vented with an inert gas atmosphere to provide the possibility that excess silicon may be formed on the siliconized ceramic substrate as a Si layer.
Wird eine entsprechende Si-Schicht gewünscht, sollte der Prozess derart gesteuert werden, dass die Si-Schicht eine Dicke d mit 0,5 μm < d < 50 μm, insbesondere 10 μm < d < 20 μm aufweist. If a corresponding Si layer is desired, the process should be controlled such that the Si layer has a thickness d of 0.5 μm <d <50 μm, in particular 10 μm <d <20 μm.
Das Silicieren findet in einem Temperaturbereich mit 1350 0C < T < 2000 0C, insbesondere im Bereich von 1650 0C < T < 1700 0C statt. The siliconizing takes place in a temperature range of 1350 0 C <T <2000 0 C, in particular in the range of 1650 0 C <T <1700 0 C instead.
Als Preform werden insbesondere eine oder mehrere eine Wellpappengeometrie aufweisende Papierlagen verwendet. Dabei kann als Preform eine solche benutzt werden, die drei Lagen mit einer inneren ersten Lage, einer mit dieser verbundenen wie verklebten eine Wellengeometrie aufweisenden Zwischenlage und einer mit dieser verbundenen wie verklebten und die Zwischenlage abdeckenden ebenen dritten Lage umfasst. Dabei werden die ersten und die zweiten Lagen über die Zwischenlage beabstandet. As preform, in particular one or more corrugated board having paper layers are used. In this case can be used as a preform one such that comprises three layers with an inner first layer, a bonded as this bonded as a wave geometry having intermediate layer and connected with this as glued and the intermediate layer covering level third layer. In this case, the first and the second layers are spaced over the intermediate layer.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, als Preform geprägte Papierlagen zu wählen, die derart einander zugeordnet und aufeinander abgestützt sowie miteinander verbunden werden, dass die gewünschte Kanalausbildung vorliegt, sofern eine solche benötigt
wird. Andere Geometrien, die insbesondere für Plattenelemente als Formteil für Rektifizierapparate benötigt werden, können gleichfalls hergestellt wie geprägt werden. However, it is also possible to choose paper layers embossed as a preform, which are assigned to one another in such a way and supported on one another and connected to one another that the desired channel formation is present, if one is required becomes. Other geometries, in particular required for plate elements as molding for rectification, can also be produced as stamped.
Nach der erfindungs gemäßen Lehre erfolgt die Formgebung der Preform durch das Papier selbst, das mit zumindest einem Füllstoff bei der Herstellung beladen worden ist. Das geformte Papier wird sodann carbonisiert. Dadurch, dass die Formgebung der Preform durch das Papier selbst erfolgt, können beliebige Geometrien für den Wärmeübertrager erzeugt werden, eine Möglichkeit, die z. B. beim Extrudieren zur Formgebung nicht möglich ist. According to the teaching according to the invention, the preform is shaped by the paper itself, which has been loaded with at least one filler during production. The shaped paper is then carbonized. Due to the fact that the preform is shaped by the paper itself, any desired geometries for the heat exchanger can be generated, a possibility that z. B. is not possible during extrusion for molding.
Des Weiteren sieht die Erfindung vor, dass die pyrolysierte und ggf. silicierte Zwischenlage eine Dicke dz mit 50 μm < dz < 1000 μm aufweist. Die im eigentlichen Sinne die erste und zweite Lage verbindenden Stege zur Verfügung stellende Zwischenlage bietet bei entsprechender Dicke einen guten Wärmeübergang, wobei die durch die Kanäle strömenden Medien eine Temperatur bis 1400 0C aufweisen können, ohne dass Beschädigungen auftreten. Sofern siliciumfreie pyrolysierte Preformen als Formteile für den Wärmeübertrager verwendet werden, können die Fluide noch höhere Temperaturen aufweisen. Furthermore, the invention provides that the pyrolyzed and optionally silicated intermediate layer has a thickness d z of 50 μm <d z <1000 μm. The webs providing the webs in the true sense of the first and second layer provides a good heat transfer with a corresponding thickness, wherein the media flowing through the channels can have a temperature up to 1400 0 C, without causing damage. If silicon-free pyrolyzed preforms are used as molded parts for the heat exchanger, the fluids may have even higher temperatures.
Unabhängig hiervon sollte als Material für die Preform ein solches verwendet werden, das während des Pyrolysierens bis zu 60 % schrumpft und/oder nach dem Carbonisieren einen Koksanteil im Bereich zwischen 20 % und 60 % aufweist. Die Schrumpfung sollte betragen 0 < Schrumpfung < 60 %. Der Koksausbeutebereich, bezogen auf das Gesamtgewicht des Körpers sollte zwischen 20 % und 60 % liegen. Regardless of this, the material to be used for the preform should be one which shrinks up to 60% during the pyrolysis and / or has a coke content in the range between 20% and 60% after carbonization. The shrinkage should be 0 <shrinkage <60%. The coke yield range, based on the total weight of the body, should be between 20% and 60%.
Abschlussplatten und/oder Trichter des Wärmeübertragers oder ggf. zwischen einzelnen Lagen der Formteile verlaufende Stabilisierungsplatten können aus Zellulose und/oder lignozellulosehaltigen Partikeln bestehenden plattenförmigen Formteilen hergestellt werden, die unter Luftaus Schluss bei einer Temperatur T mit 400 0C < T < 2000 0C, insbesondere 800 0C < T < 1600 0C pyrolysiert werden. Dabei sollten insbesondere Formteile zum Einsatz gelangen, die aus Holzfasern und/oder Pflanzenfasern wie Flachs, Hanf, Sisal, Miscanthus oder Nessel hergestellt werden und nach dem Pyrolysie-
ren eine Dichte zwischen 500 kg/m3 und 900 kg/m3 aufweisen. Hierzu werden vorzugsweise als Ausgangsformteile, die zu pyrolysieren sind, mitteldichte Faserplatten oder hochdichte Faserplatten verwendet. End plates and / or funnels of the heat exchanger or possibly between individual layers of the moldings extending stabilizing plates can be made of cellulose and / or lignocellulose particles existing plate-shaped moldings, the conclusion under air at a temperature T with 400 0 C <T <2000 0 C, in particular 800 0 C <T <1600 0 C pyrolyzed. In particular, moldings should be used which are produced from wood fibers and / or vegetable fibers such as flax, hemp, sisal, miscanthus or nettle and, after pyrolysis. have a density between 500 kg / m 3 and 900 kg / m 3 . For this purpose, medium density fibreboards or high density fiberboards are preferably used as starting moldings to be pyrolyzed.
Insoweit wird auf Kohlenstoff- bzw. Keramikbauteile zurückgegriffen, wie diese der WO-A-03/050058 zu entnehmen sind, auf deren Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird. In that regard, recourse is made to carbon or ceramic components, as can be deduced from WO-A-03/050058, to the disclosure of which reference is expressly made.
Ein Wärmeübertrager der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass die Formteile aus keramisierten Papierpreformen bestehen. Standardpapiere oder Pappe als Ausgangsmaterial für die Preform sind eingeschlossen. Dabei ist das Zellulosefasern und zumindest einen Füllstoff enthaltende Papier carbonisiert. Der Füllstoff sollte aus der Gruppe Ruß, SiC, Si, Keramikfüllstoff wie Al2O3 oder ZiO2 ausgewählt sein. Car- bonisierbare Füllstoffe sind gleichfalls geeignet. A heat exchanger of the type mentioned above is characterized in that the molded parts consist of ceramized Papierpreformen. Standard papers or paperboard as starting material for the preform are included. In this case, the cellulose fibers and at least one filler-containing paper is carbonized. The filler should be selected from the group of carbon black, SiC, Si, ceramic filler such as Al 2 O 3 or ZiO 2 . Car- bonizable fillers are also suitable.
Die keramisierte Papierpreform kann aus einem in SiC umgewandeltes und mit dem Füllstoff und/oder SiC beladenen Papier bestehen. The ceramized paper preform may consist of SiC-converted paper loaded with the filler and / or SiC.
Insbesondere weist die Preform eine Wellpappengeometrie auf, wobei die Preform drei Lagen mit einer ebenen ersten Schicht, einer mit dieser verbundenen gewellten Zwischenschicht und einer diese abdeckenden und mit dieser verbundenen ebenen zweiten Schicht umfassen kann, wobei die Zwischenschicht mit der ersten und zweiten Schicht die Kanäle begrenzt. In particular, the preform has a corrugated cardboard geometry, wherein the preform can comprise three layers with a planar first layer, a corrugated intermediate layer joined thereto and a planar second layer covering and joining the latter, the intermediate layer comprising the first and second layers forming the channels limited.
Die Zwischenschicht kann aus Abschnitten bestehen, die im Schnitt eine S-förmige, V-förmige, U-förmige oder kreisabschnittförmige Geometrie aufweisen. Auch besteht die Möglichkeit, geprägtes Papier zur Ausbildung der Formteile zu benutzen, ohne dass zwingend die erste und zweite Lage vorgesehen sind. In diesem Fall sind die geprägten Papiere derart zueinander ausgerichtet, dass diese die gewünschte Kanalausbildung bieten.
Des Weiteren kann der Wärmeübertrager Zwischen- oder Endplatten sowie Fluidein- lass- bzw. Auslasselemente in Form von jeweils einem Keramikbauteil aufweisen, das durch Pyrolyse eines zellulosehaltigen Halbzeugformteils hergestellt ist. Als zellulose- haltiges Halbzeugformteil kommt insbesondere eine mitteldichte- Faserplatte mit einer Ausgangsdichte zwischen 600 kg/m3 und 850 kg/m3 oder eine hochdichte Faserplatte mit einer Ausgangsdichte zwischen 850 kg/m3 und 1050 kg/m3 in Frage, die nach dem Pyrolysieren eine Dichte zwischen 500 kg/m3 und 700 kg/m3 bzw. 700 kg/m3 und 900 kg/m3 aufweisen. Auch das Halbzeugformteil sollte nach dem Pyrolysieren bzw. Carbonisieren siliciert werden. The intermediate layer can consist of sections which have an S-shaped, V-shaped, U-shaped or circular section-shaped section in section. It is also possible to use stamped paper to form the moldings, without necessarily the first and second layer are provided. In this case, the embossed papers are aligned with each other so that they provide the desired channel formation. Furthermore, the heat exchanger can have intermediate or end plates as well as fluid inlet or outlet elements in the form of a respective ceramic component which is produced by pyrolysis of a cellulosic semi-finished molded part. As a cellulose-containing semi-finished molded part is in particular a medium density fiberboard with an initial density between 600 kg / m 3 and 850 kg / m 3 or a high density fiberboard with an initial density between 850 kg / m 3 and 1050 kg / m 3 in question, which the pyrolysis have a density between 500 kg / m 3 and 700 kg / m 3 or 700 kg / m 3 and 900 kg / m 3 . The semifinished product should also be silicided after pyrolysis or carbonization.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen. For more details, advantages and features of the invention will become apparent not only from the claims, the features to be taken these features - alone and / or in combination - but also from the following description of the drawing to be taken preferred embodiments.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 eine erste Ansicht eines Kreuzstromwärmetauschers, 1 is a first view of a cross-flow heat exchanger,
Fig. 2 der Kreuzstromwärmetauscher gemäß Fig. 1 um 90° gedreht, 2 of the cross-flow heat exchanger according to FIG. 1 rotated by 90 °,
Fig. 3 einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform eines Formteils, 3 shows a section of a first embodiment of a molded part,
Fig. 4 einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Formteils und Fig. 4 shows a detail of a second embodiment of a molded part and
Fig. 5 einen Ausschnitt einer dritten Ausführungsform eines Formteils. Fig. 5 shows a detail of a third embodiment of a molded part.
Die erfindung s gemäße Lehre wird nachstehend anhand eines Kreuz stromwärmetau- schers bzw. Formteilen beschrieben, die zum Herstellen des Kreuzstromwärmetauschers verwendet werden, ohne dass hierdurch eine Einschränkung der erfindung s gemäßen Lehre erfolgt. Vielmehr kann diese auch für sonstige Wärmeübertrager benutzt werden, die auch Rektifizierapparate einschließen, die nicht zwingend Kanäle begrenzende
Formteile enthalten, die von Fluiden durchströmt sind. Vielmehr gilt die erfindungsgemäße Lehre für alle Wärme übertragenden Formteile. The teaching according to the invention will be described below with reference to a cross-flow heat exchanger or molded parts which are used for producing the cross-flow heat exchanger, without thereby restricting the teaching according to the invention. Rather, this can also be used for other heat exchangers, which also include rectifiers that are not necessarily limiting channels Contain molded parts, which are flowed through by fluids. Rather, the teaching of the invention applies to all heat-transmitting moldings.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Kreuzstromwärmetauscher 10 dargestellt, mittels dessen Wärme von einem Stoff ström höherer Temperatur auf einen Stoff ström niedriger Temperatur übertragen wird. Dabei hat jeder Stoffstrom seinen eigenen abgegrenzten Strömungsweg, wobei die Stoffströme im rechten Winkel zueinander geführt werden. Typische Anwendungsfälle entsprechender Kreuzstromwärmetauscher sind Rohrregister oder Rippenrohrregister für Heiz- und Kühlaufgaben. In Figs. 1 and 2, a cross-flow heat exchanger 10 is shown, by means of which the heat from a substance Ström higher temperature is transferred to a material Ström low temperature. Each material stream has its own delimited flow path, wherein the material flows are guided at right angles to each other. Typical applications of corresponding cross-flow heat exchangers are pipe registers or finned tube registers for heating and cooling tasks.
Die Strömungsrichtungen der Fluide, die durch den Kreuzstromwärmetauscher 10 strömen, sind in Fig. 1 und 2 durch die Pfeile 12 und 14 symbolisiert, wobei die Strömungsrichtung des einen Stoffes in Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene verläuft. The flow directions of the fluids flowing through the cross-flow heat exchanger 10 are symbolized in FIGS. 1 and 2 by the arrows 12 and 14, the flow direction of the one substance in FIG. 1 extending perpendicular to the plane of the drawing.
Die einzelnen Kanäle des Kreuzstromwärmetauschers 10 werden durch pyrolysierte, d. h. carbonisierte Papierpreformen gebildet, die ggf. siliciert sind. Folglich werden kera- misierte Preformen benutzt, die die Kanäle bildenden bzw. begrenzenden Formteile des Wärmetauschers 10 bilden. The individual channels of the cross-flow heat exchanger 10 are characterized by pyrolyzed, d. H. carbonized Papierpreformen formed, which are optionally silicided. Consequently, ceramic preforms are used which form the ducts forming or delimiting molded parts of the heat exchanger 10.
Als Materialien für die Papierpreformen kommen auch Standardpapiere und Pappe in Frage. As materials for Papierpreformen also standard papers and cardboard in question.
Bei den Papierpreformen kann es sich um solche unterschiedlicher Geometrien handeln, von denen Abschnitte den Fig. 3 - 5 zu entnehmen sind. So ist in Fig. 3 ein Abschnitt einer Preform 16 dargestellt, die eine Wellpappengeometrie aufweist. Dabei besteht die Preform 16 aus einer ersten und zweiten ebenen Lage 18, 20, zwischen denen eine im Schnitt eine Wellengeometrie aufweisende und die erste und zweite Lage 18, 20 beabstandenden Zwischenlage 22 verläuft. Die Zwischenlage 22 besteht dabei aus aneinander gereihten Abschnitten, die eine S-Geometrie zeigen. The paper preforms may be those of different geometries, portions of which are shown in FIGS. 3-5. Thus, in Fig. 3, a portion of a preform 16 is shown having a corrugated cardboard geometry. In this case, the preform 16 consists of a first and second planar layer 18, 20, between which a section having a wave geometry and the first and second layer 18, 20 spaced intermediate layer 22 extends. The intermediate layer 22 consists of juxtaposed sections that show an S-geometry.
Eine entsprechende Preform 16 erstreckt sich über die wirksame Wärmetauscherlänge des Wärmetauschers 10, wobei entsprechende Preformen 16 beabstandet zueinander
angeordnet sind. In den Zwischenräumen sind vorzugsweise geometrisch gleich ausgebildete Preformen angeordnet, die jedoch um 90° zu den ersten Preformen gedreht verlaufen, um den gewünschten Kreuzstrom zu ermöglichen. A corresponding preform 16 extends over the effective heat exchanger length of the heat exchanger 10, with corresponding preforms 16 spaced from one another are arranged. In the intermediate spaces preferably geometrically identical preforms are arranged, which, however, run rotated by 90 ° to the first preforms to allow the desired cross flow.
In Fig. 4 ist ein Ausschnitt von Formteilen 20 eines Kreuzstromwärmetauschers dargestellt, wobei die einzelnen Formteile aus halbkreisförmig geprägten Abschnitten 22, 24 aus Papier bestehen, die in ihren Rändern zusammengefügt sind. Dies wird durch die verdickten Bereiche 26, 28 angedeutet. Entsprechende im Schnitt eine Rohrgeometrie bildende geprägte Abschnitte 22, 24 werden aneinander gereiht, um eine erste Reihe von Kanälen zu bilden. Oberhalb dieser verlaufen entsprechende, jedoch um 90° gedrehte Reihen von geprägten Papierpreformen, um die sich kreuzenden Kanäle des Wärmetauschers zu bilden. Die angrenzenden um 90° gedrehten Kanäle sind mit den Bezugszeichen 30, 32 gekennzeichnet. 4, a section of molded parts 20 of a cross-flow heat exchanger is shown, wherein the individual molded parts consist of semicircular embossed sections 22, 24 of paper, which are joined together in their edges. This is indicated by the thickened regions 26, 28. Corresponding embossed sections 22, 24 forming a tube geometry on average are strung together to form a first series of channels. Above this are corresponding rows of embossed paper preforms rotated 90 degrees to form the intersecting channels of the heat exchanger. The adjacent channels rotated by 90 ° are identified by reference numerals 30, 32.
Aber auch andere Geometrien zur Ausbildung der Formteile bzw. der die Fluide führenden Kanäle sind möglich. Dies sei anhand der Fig. 5 verdeutlicht. So werden V- förmig geprägte Papierstreifen 34, 36 miteinander verbunden (Verbindungsstellen 38, 40) und aneinander gereiht, um Kanäle zu bilden. Die angrenzenden um 90° gedrehten Kanäle weisen die Bezugszeichen 42, 44 auf. But other geometries for forming the moldings or the fluids leading channels are possible. This will be clarified with reference to FIG. 5. Thus, V-shaped embossed paper strips 34, 36 are joined together (joints 38, 40) and lined up to form channels. The adjacent channels rotated by 90 ° have the reference numerals 42, 44.
Neben den drei beispielhaft angegebenen Geometrien von Preformen bzw. Abschnitten dieser sind jedoch z. B. auch U-Geometrien oder eine offene Ovalform bildende geprägte Papiere bzw. Papierbahnen oder -streifen möglich, um Formteile eines Wärmeübertragers zu bilden. In addition to the three exemplified geometries of preforms or sections of these, however, z. B. U-geometries or an open oval-shaped embossed papers or paper webs or strips possible to form molded parts of a heat exchanger.
Die die Kanäle bildenden Formteile bestehen erfindungs gemäß aus zumindest Zellulosefasern enthaltendem Papier wie Standardpapier oder Pappe sowie zumindest einem Füllstoff. Hierbei kann es sich um Ruß, einen carbonisierbaren Füllstoff, einen reaktiven Füllstoff wie Bor oder Si oder einen Keramikfüllstoff handeln. Als bevorzugte Füllstoffe sind Ruß oder A2O3 bzw. ZrO2 als Keramikfüllstoffe zu nennen. The moldings forming the channels consist fiction, according to at least cellulose-containing paper such as standard paper or paperboard and at least one filler. This may be carbon black, a carbonizable filler, a reactive filler such as boron or Si or a ceramic filler. Carbon black or A 2 O 3 or ZrO 2 may be mentioned as ceramic fillers as preferred fillers.
Das Papier kann auch mit SiC bzw. Si + SiC beladen sein.
Unabhängig hiervon sollte der Gewichtsanteil des Füllstoffes 30 Gew.-% bis 95 Gew.- % bezogen auf die aus Zellulosefasern des Papiers und Füllstoff bestehende Trockensubstanz des Papiers betragen. Auch können weitere Additive wie z. B. Bindemittel wie Phenolharz oder Zellulose beigegeben werden. The paper may also be loaded with SiC or Si + SiC. Regardless of this, the weight fraction of the filler should be from 30% by weight to 95% by weight, based on the paper's paper content and filler's dry matter in the paper. Also, other additives such. As binders such as phenolic resin or cellulose are added.
Das bei der Herstellung bereits mit einem Füllstoff beladene Papier nennt man auch keramisches Papier, das nach dem Carbonisieren eine ein Formteil des Wärmeübertragers bildende keramisierte Papierpreform ist. The paper already loaded with a filler in the production is also called ceramic paper which, after carbonization, is a ceramized paper preform forming a shaped part of the heat exchanger.
Eine entsprechende Preform, wie sie der Fig. 3 zu entnehmen ist oder durch Prägen von Papierbahnen oder -streifen gebildete und zusammengesetzte Preformen z. B. entsprechend der Fig. 4 und 5, werden sodann in einem Temperaturbereich zwischen 800 0C und 1400 0C pyrolysiert, d. h. carbonisiert. Anschließend kann ein Silicieren des carbo- nisierten Papiers in einem Temperaturbereich zwischen 1350 0C und 2000 0C, insbesondere zwischen 1650 0C und 1700 0C erfolgen. Dabei wird insbesondere ein Silicieren mittels eines Dochtes mit einer Siliciumschmelze bevorzugt. Beim Silicieren sollte die carbonisierte Preform in einem Reaktionsraum angeordnet sein, in dem ein Unterdruck im Bereich von 0,1 mbar herrscht. A corresponding preform, as shown in FIG. 3 can be found or formed by embossing of paper webs or strips and composite preforms z. B. according to FIGS. 4 and 5, are then pyrolyzed in a temperature range between 800 0 C and 1400 0 C, ie carbonized. Subsequently, a siliconizing of the carbonized paper in a temperature range between 1350 0 C and 2000 0 C, in particular between 1650 0 C and 1700 0 C take place. In particular, siliconizing by means of a wick with a silicon melt is preferred. In siliconizing, the carbonized preform should be arranged in a reaction space in which a negative pressure in the range of 0.1 mbar prevails.
Die Preformen, die auch die geprägten Papiere wie Papierabschnitte bzw. -bahnen oder -streifen begrifflich einschließen, können vor dem Pyrolysieren oder nach dem Pyroly- sieren zusammengefügt werden. Erfolgt letzteres, werden die Preformen beim Silicieren miteinander verbunden. The preforms, which also include embossed papers such as paper sections or strips or strips, can be combined before the pyrolysis or after the pyrolyzing. If the latter happens, the preforms are joined together during siliciding.
Werden die Preformen vor dem Pyrolysieren miteinander verbunden, so erfolgt dies mittels vorzugsweise eines Klebstoffes mit hoher C-Ausbeute. If the preforms are connected to one another prior to pyrolysis, this is done preferably by means of an adhesive with a high C yield.
Wie sich aus den Fig. 1 und 2 ergibt, weist der Kreuzstromwärmetauscher 10 an seinen gegenüberliegenden Enden Fluidein- und -austrittstrichter 44, 46 auf, die von Flanschen 48, 50 begrenzt werden, über die der Kreuzstromwärmetauscher 10 in eine Anlage eingebaut und in dieser fixiert werden kann.
Sowohl die Trichter 44, 46 als auch die Flansche 48, 50 können dabei aus entsprechend zurechtgeschnittenen bzw. geformten mitteldichten oder hochdichten zellulosehaltigen, insbesondere lignozellulosehaltigen Halbzeugformteilen bestehen, die durch in nicht- oxidierender Gasatmosphäre durchgeführte Pyrolyse keramisiert sind. Dabei sind die pyrolysierten, also carbonisierten Halbzeugformteile insbesondere siliciert derart, dass das Keramikbauteil ein SiSiC- Keramikbauteil mit definiertem freien C-Anteil ist. Es werden also Keramikbauteile für die Flansche 48, 50 und die trichterförmigen Endabschnitte 44, 46 benutzt, die nach der Lehre der WO-A-03/050058 hergestellt sind, auf deren Offenbarung verwiesen wird. Die Verbindung zwischen den die Kanäle begrenzenden Formteilen des Kreuzstromwärmetauschers 10 und den trichterförmigen Bauteilen 44, 46 kann in einem Silicierprozess erfolgen. Auch besteht die Möglichkeit, Bauelemente mittels Klebstoff mit hoher C-Ausbeute vor dem Silicierprozess zu verbinden. As is apparent from Figs. 1 and 2, the cross-flow heat exchanger 10 at its opposite ends fluid inlet and -austritthaler 44, 46 which are bounded by flanges 48, 50, through which the cross-flow heat exchanger 10 installed in a system and in this can be fixed. Both the funnels 44, 46 and the flanges 48, 50 can consist of appropriately cut or shaped medium-density or high-density cellulosic, in particular lignocellulose-containing semi-finished molded parts, which are ceramized by pyrolysis carried out in a non-oxidizing gas atmosphere. In this case, the pyrolyzed, ie carbonized semi-finished molded parts are in particular siliconized such that the ceramic component is a SiSiC ceramic component with a defined free C content. Thus ceramic components are used for the flanges 48, 50 and the funnel-shaped end portions 44, 46, which are made according to the teaching of WO-A-03/050058, the disclosure of which is referred to. The connection between the channels delimiting the molded parts of the cross-flow heat exchanger 10 and the funnel-shaped components 44, 46 can take place in a siliconizing process. It is also possible to connect components by means of adhesive with high C-yield prior to the siliconizing process.
Zu der Dimensionierung der Formteile ist anzugeben, dass diese eine flächige Erstreckung von ohne Weiteres 1 m aufweisen können, also den Längs- bzw. Querschnitt des Kreuzstromwärmetauschers vorgeben können. Die Wandstärken der die Kanäle begrenzenden Formteile kann aufgrund der aus Papier bestehenden Preform unter 100 μm liegen, so dass ein guter Wärmeübergang sichergestellt ist. Bevorzugte Stärken der Papierlagen liegen zwischen 50 μm und 1000 μm nach dem Carbonisieren und ggf. Silicieren. For the dimensioning of the molded parts is to indicate that they can have a planar extension of easily 1 m, so the length or cross section of the cross-flow heat exchanger can pretend. The wall thicknesses of the mold parts delimiting the channels can be less than 100 μm due to the preform made of paper, so that a good heat transfer is ensured. Preferred thicknesses of the paper layers are between 50 μm and 1000 μm after carbonization and optionally siliconizing.
Die Papierlage selbst sollte ein Gewicht von 50 g/m bis 1000 g/m aufweisen. The paper layer itself should have a weight of 50 g / m to 1000 g / m.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von drei Beispielen weitergehend erläutert, aus denen sich für sich Merkmale und/oder Merkmalskombinationen ergeben, die die Erfindung prägen. The invention will be further elucidated below on the basis of three examples, from which characteristics and / or combinations of features emerge which characterize the invention.
Beispiel 1: Example 1:
Es wird eine Papierbahn mit einem Flächengewicht von 200 g/m benutzt, die mit einem aus Ruß bestehenden Füllstoff beladen ist. Der Gewichts anteil des Füllstoffes beträgt ca. 75 % bezogen auf die aus Cellulosefasern und Füllstoff bestehende Trockensubstanz
des Papiers. Das so beladene Papier wird sodann zu einem Papierhalbzeug weiterverarbeitet, das eine Wellpappengeometrie aufweist und zu einer Preform aufgewickelt und verklebt. Die entstehende Preform wird in inerter Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 800 0C und 1400 0C pyrolisiert. Sodann erfolgt ein Silicieren des carbonisier- ten Papiers mittels eines Dochtes mit einer Siliciumschmelze, bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1650 0C und 1700 0C. In dem Reaktionsraum selbst herrscht ein Unterdruck im Bereich zwischen 1650 0C und 1700 0C. In dem Reaktionsraum selbst herrscht ein Unterdruck im Bereich von 0,1 mbar absolut. Das Silicieren erfolgt dabei mit Überschuss von Silicium. Nach erfolgter Reaktion des Siliciums mit Kohlenstoff zu SiC wird der Reaktionsraum belüftet, um zu vermeiden, dass das überschüssige Silicium ausgetragen wird. Hierdurch bildet sich auf dem Keramiksubstrat eine Si-Schicht, wobei der Prozess derart gesteuert wird, dass die Dicke im Bereich zwischen 10 μm und 20 μm liegt. Die erstarrte Schicht wird sodann bei einer Temperatur kurz oberhalb des Schmelzpunktes von Silicium erneut aufgeschmolzen und rekristallisiert. Für das Silicieren selbst wird Reinstsilicium verwendet. It is a paper web with a basis weight of 200 g / m used, which is loaded with a carbon black filler. The weight fraction of the filler is about 75%, based on the consisting of cellulose fibers and filler dry matter of the paper. The thus loaded paper is then further processed into a paper semi-finished product, which has a corrugated cardboard geometry and wound into a preform and glued. The resulting preform is pyrolyzed in an inert atmosphere at a temperature between 800 0 C and 1400 0 C. Then, a siliconization of the carbonized paper by means of a wick with a silicon melt, at a temperature in the range between 1650 0 C and 1700 0 C. In the reaction chamber itself, there is a negative pressure in the range between 1650 0 C and 1700 0 C. In the Reaction space itself prevails a negative pressure in the range of 0.1 mbar absolute. The siliconizing takes place with excess of silicon. After reaction of the silicon with carbon to form SiC, the reaction space is vented to avoid that the excess silicon is discharged. As a result, an Si layer is formed on the ceramic substrate, the process being controlled such that the thickness is in the range between 10 .mu.m and 20 .mu.m. The solidified layer is then remelted at a temperature just above the melting point of silicon and recrystallized. For the silicization itself hyperpure silicon is used.
Es ergab sich eine dünnwandige hochstabile Struktur. Schliffbilder zeigen, dass das Substrat im Wesentlichen aus freiem Silicium umgebendem SiC besteht. Nicht reagiertes C im verschwindenden Umfang kann enthalten sein. It resulted in a thin-walled highly stable structure. Micrographs show that the substrate consists essentially of free silicon surrounding SiC. Unreacted C can be contained to a negligible extent.
Die Keramik kann als Wärmetauscher wie Kreuzstromwärmetauscher oder Rektifiziereinrichtung eingesetzt werden. The ceramic can be used as a heat exchanger such as cross-flow heat exchanger or rectifier.
Beispiel 2: Example 2:
Es wird eine Papierbahn mit einem Flächengewicht von 200 g/m2 benutzt, die mit einem aus SiC-Pulver bestehenden Füllstoff beladen ist. Der Gewichts anteil des Füllstoffes beträgt ca. 75 % bezogen auf die aus Cellulosefasern und Füllstoff bestehende Trockensubstanz des Papiers. Das so beladene Papier wird sodann zu einem Papierhalbzeug weiterverarbeitet, das eine Wellpappengeometrie aufweist und zu einer Preform aufgewickelt und verklebt. Die entstehende Preform wird in inerter Atmosphäre bei einer
Temperatur zwischen 800 0C und 1400 0C pyrolisiert. Sodann erfolgt ein Silicieren des carbonisierten Papiers mittels eines Dochtes mit einer Siliciumschmelze, bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1650 0C und 1700 0C. In dem Reaktionsraum selbst herrscht ein Unterdruck im Bereich von 0,1 mbar absolut. Das Silicieren erfolgt dabei mit Überschuss von Silicium. Nach erfolgter Reaktion des Siliciums mit Kohlenstoff zu SiC wird der Reaktionsraum belüftet, um zu vermeiden, dass das überschüssige Silicium ausgetragen wird. Hierdurch bildet sich auf dem Keramiksubstrat eine Si-Schicht, wobei der Prozess derart gesteuert wird, dass die Dicke im Bereich zwischen 10 μm und 20 μm liegt. Die erstarrte Schicht wird sodann bei einer Temperatur kurz oberhalb des Schmelzpunktes von Silicium erneut aufgeschmolzen und rekristallisiert. Für das Silicieren selbst wird Poly-Silicium in Solar- Qualität verwendet. A paper web with a weight per unit area of 200 g / m 2 is used, which is loaded with a filler consisting of SiC powder. The weight fraction of the filler is about 75%, based on the consisting of cellulose fibers and filler dry matter of the paper. The thus loaded paper is then further processed into a paper semi-finished product, which has a corrugated cardboard geometry and wound into a preform and glued. The resulting preform is in an inert atmosphere at a Temperature pyrolyzed between 800 0 C and 1400 0 C. Then, the carbonized paper is siliconized by means of a wick with a silicon melt, at a temperature in the range between 1650 0 C and 1700 0 C. In the reaction chamber itself, there is a negative pressure in the range of 0.1 mbar absolute. The siliconizing takes place with excess of silicon. After reaction of the silicon with carbon to form SiC, the reaction space is vented to avoid that the excess silicon is discharged. As a result, an Si layer is formed on the ceramic substrate, the process being controlled such that the thickness is in the range between 10 .mu.m and 20 .mu.m. The solidified layer is then remelted at a temperature just above the melting point of silicon and recrystallized. For siliconizing itself, solar grade poly-silicon is used.
Es ergab sich eine dünnwandige hochstabile Struktur. Schliffbilder zeigen, dass das Substrat im Wesentlichen aus freiem Silicium umgebendem SiC besteht. Nicht reagiertes C im verschwindenden Umfang kann enthalten sein. It resulted in a thin-walled highly stable structure. Micrographs show that the substrate consists essentially of free silicon surrounding SiC. Unreacted C can be contained to a negligible extent.
Die Keramik kann als Wärmetauscher wie Kreuzstromwärmetauscher oder Rektifiziereinrichtung eingesetzt werden. The ceramic can be used as a heat exchanger such as cross-flow heat exchanger or rectifier.
Beispiel 3: Example 3:
Es wird eine Papierbahn mit einem Flächengewicht von 100 g/m benutzt, die mit einem aus Ruß bestehenden Füllstoff beladen ist. Der Gewichts anteil des Füllstoffes beträgt ca. 50 % bezogen auf die aus Cellulosefasern und Füllstoff bestehende Trockensubstanz des Papiers. Das so beladene Papier wird sodann zu einem Papierhalbzeug weiterverarbeitet, das eine Wellpappengeometrie aufweist und zu einer Preform aufgewickelt und verklebt. Die entstehende Preform wird in inerter Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 800 0C und 1400 0C pyrolisiert. Sodann erfolgt ein Silicieren des carbonisierten Papiers mittels eines Dochtes mit einer Siliciumschmelze, bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1650 0C und 1700 0C. In dem Reaktionsraum selbst herrscht ein Unterdruck im Bereich von 0,1 mbar absolut. Das Silicieren erfolgt dabei mit Überschuss
von Silicium. Nach erfolgter Reaktion des Siliciums mit Kohlenstoff zu SiC wird der Reaktionsraum belüftet, um zu vermeiden, dass das überschüssige Silicium ausgetragen wird. Hierdurch bildet sich auf dem Keramiksubstrat eine Si-Schicht, wobei der Prozess derart gesteuert wird, dass die Dicke im Bereich zwischen 10 μm und 20 μm liegt. Die erstarrte Schicht wird sodann bei einer Temperatur kurz oberhalb des Schmelzpunktes von Silicium erneut aufgeschmolzen und rekristallisiert. Für das Silicieren selbst wird Poly-Silicium in Solar-Qualität verwendet. It is a paper web with a basis weight of 100 g / m used, which is loaded with a carbon black filler. The weight fraction of the filler is about 50% based on the consisting of cellulose fibers and filler dry matter of the paper. The thus loaded paper is then further processed into a paper semi-finished product, which has a corrugated cardboard geometry and wound into a preform and glued. The resulting preform is pyrolyzed in an inert atmosphere at a temperature between 800 0 C and 1400 0 C. Then, the carbonized paper is siliconized by means of a wick with a silicon melt, at a temperature in the range between 1650 0 C and 1700 0 C. In the reaction chamber itself, there is a negative pressure in the range of 0.1 mbar absolute. The siliconizing takes place with excess of silicon. After reaction of the silicon with carbon to form SiC, the reaction space is vented to avoid that the excess silicon is discharged. As a result, an Si layer is formed on the ceramic substrate, the process being controlled such that the thickness is in the range between 10 .mu.m and 20 .mu.m. The solidified layer is then remelted at a temperature just above the melting point of silicon and recrystallized. For siliconizing itself, solar grade poly-silicon is used.
Es ergab sich eine dünnwandige hochstabile Struktur. Schliffbilder zeigen, dass das Substrat im Wesentlichen aus freiem Silicium umgebendem SiC besteht. Nicht reagiertes C im verschwindenden Umfang kann enthalten sein. It resulted in a thin-walled highly stable structure. Micrographs show that the substrate consists essentially of free silicon surrounding SiC. Unreacted C can be contained to a negligible extent.
Die Keramik kann als Wärmetauscher wie Kreuzstromwärmetauscher oder Rektifiziereinrichtung eingesetzt werden.
The ceramic can be used as a heat exchanger such as cross-flow heat exchanger or rectifier.