EP2513589A1 - Faserarmierter körper - Google Patents

Faserarmierter körper

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Publication number
EP2513589A1
EP2513589A1 EP10784732A EP10784732A EP2513589A1 EP 2513589 A1 EP2513589 A1 EP 2513589A1 EP 10784732 A EP10784732 A EP 10784732A EP 10784732 A EP10784732 A EP 10784732A EP 2513589 A1 EP2513589 A1 EP 2513589A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber bundles
silicon carbide
heat exchanger
ceramic material
outer side
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10784732A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marcus Franz
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.)
SGL Carbon SE
Original Assignee
SGL Carbon SE
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 SGL Carbon SE filed Critical SGL Carbon SE
Publication of EP2513589A1 publication Critical patent/EP2513589A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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
    • F28F21/04—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2225/00—Reinforcing means
    • F28F2225/04—Reinforcing means for conduits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making

Definitions

  • the present invention relates to a fiber-reinforced body, a process for its production, and its use as a pipe or tube sheet in a heat exchanger.
  • components of ceramic material such as silicon carbide tubes are often used.
  • Dense silicon carbide tubes are susceptible to brittle fracture as ceramic materials, in case of mechanical failure, the tubes break catastrophically, that is, there are fragments. The tube loses its integrity.
  • a heat exchanger made from such tubes can be destroyed by such a rupture as corrosive acids enter the non-corrosive service compartment of the heat exchanger. In addition, further damage can occur in the cooling system or heating system to which the heat exchanger is connected.
  • Object of the present invention is to provide a material that is insensitive to catastrophic brittle fracture.
  • the body according to the invention is a body comprising a ceramic material and suitable for use in a heat exchanger and for the passage of fluids.
  • the outside of the body is at least partially spanned by at least two fiber bundles in the longitudinal direction and / or circumferential direction and connected to them non-positively.
  • the fiber bundles are prestressed. Adjacent portions of the fiber bundles are arranged at a predetermined distance.
  • the fiber reinforcement improves the properties of bodies as follows: increase of the bursting pressure, the body becomes less resistant to brittle fracture, steam blows and impermissible exceeding of the operating pressure. Even if fluids are conducted through the fiber-reinforced body during operation and a longitudinal crack occurs as a result of, for example, its age, improper use or overstress, no significant leakage occurs in this body up to a predetermined differential pressure.
  • the pushing out or breaking of fragments of the body is intercepted due to the tension with fiber bundles on the body to a certain extent such that a adoptedschiebendes from the original shape of the body or piece by the surrounding fiber bundles under bias in a predetermined shape is held back. The breaking out of pieces from the body and thus the escape of large amounts of fluid are prevented.
  • the heat exchanger, in which the body is used can usually continue to operate without interruption until a planned shutdown. Therefore, the body of the present invention, even in a defective state, is dense to a predetermined degree unlike the body without reinforcement.
  • the body is a tubular body.
  • a tubular body is understood in particular to mean a body which preferably has a circular cross-section and, in order to be suitable for conducting fluids, is open at the ends of its longitudinal extent.
  • the tubular body may also have a polygonal, oval or other cross-section.
  • the longitudinal extent of the tubular body is greater than its cross-section.
  • the tubular body is a tube with a circular cross-section.
  • the body is a lid, with a plurality of holes extending in the longitudinal direction of the lid.
  • a lid in the sense of underlying invention, a body having a preferably circular cross-section understood that does not have a single cavity, but a plurality of cavities.
  • the lid has a multiplicity of holes which extend in the longitudinal direction of the lid and thus represent cavities.
  • the lid is considered as a tubular body whose length dimension is traversed not by a single cavity, but by a plurality of cavities, which can open into a single cavity within the longitudinal extent of the lid or continuously along the longitudinal direction of the lid can extend separately.
  • the longitudinal extension of the lid is preferably smaller than its cross section.
  • the lid has the shape of a round disc or plate which is traversed by holes extending in the longitudinal direction.
  • the entire cross section of the lid may have a plurality of holes.
  • the fiber bundles form a network.
  • the at least two fiber bundles against each other for example, ⁇ 80 °, inclined to the longitudinal axis of the body.
  • the density of the network depends on the type of application of the body, the load to which the body is exposed, and the strength and dimensions of the body. If the body is expected to break up into smaller fragments in the event of breakage, a dense fiber bundle network is desirable. On the other hand, increasing the cost of fiber bundles increases the costs, so that the density of used and crosslinked fiber bundles should be individually adapted to the desired effects with regard to the resulting material costs.
  • the ratio between adjacent fiber bundles / diameter of the fiber bundles is 5: 1 to 10: 1. It is a function of the mechanical stress of the body. The ratio of the proportional thermal resistance of the body is only slightly changed.
  • the at least two fiber bundles can partially or completely span or reinforce the body.
  • Full armor is desirable for heavily loaded bodies.
  • end areas which are connected to other components in an apparatus such as a heat exchanger are particularly stressed or fracture-prone areas which may require special protection in the form of the reinforcement.
  • the body is a thermally stressed component, it should further be considered that body and fiber bundles may have different coefficients of thermal expansion, and the length and width of the array of fiber bundles should be adjusted accordingly.
  • the fiber bundles should therefore be arranged on the at least one outer side of the body in such a way that the thermal expansion of the body from the fiber bundles can be or can be compensated and does not lead to their destruction.
  • the ceramic material is preferably densely sintered silicon carbide. Its selection is due to its excellent properties such as high thermal conductivity, high strength, high corrosion resistance to acidic and basic media and high load capacity.
  • the silicon carbide is pressureless sintered silicon carbide, which has an extremely high corrosion resistance to acidic and basic media, which it can also withstand very high temperatures, high thermal shock resistance, high thermal conductivity, high wear resistance and a diamond-like hardness.
  • the silicon carbide may be liquid phase sintered silicon carbide made of silicon carbide and various oxide ceramics and being high in strength.
  • the silicon carbide may contain at least one ceramic or mineral filler, the choice of fillers being adapted to the application.
  • fillers are substances from the group of naturally occurring flake graphites, artificially produced electrographites, carbon blacks or carbon, graphite or carbon fibers or boron carbide.
  • ceramic or mineral fillers in grain, platelet or fiber form such as silicates, Carbonates, sulfates, oxides, glasses or selected mixtures thereof may be used.
  • the fiber bundles are carbon fiber bundles.
  • a carbon fiber has good tensile strength, corrosion resistance and rigidity, low elongation at break, and is durable at the load temperature of loaded bodies. The specific behavior of the carbon fiber bundles has the effect that the prestressing of the reinforcement is maintained even in the case of strongly changing or swelling loading of the pipe.
  • the reinforcement Due to the negative thermal expansion coefficients of carbon fiber bundles, the reinforcement is further biased at a temperature increase, the bursting and sealing holding pressure is greater at higher temperature than at room temperature.
  • the carbon fiber reinforcement improves the properties of bodies, particularly in silicon carbide tubes, as follows: increase in bursting pressure, body becomes less sensitive to steam shocks, and inadmissible excesses of operating pressure, as the bursting pressure of the body at room temperature is 30 to 40% higher than that at room temperature unreinforced body is increased.
  • Other examples of the fiber bundles are glass fiber bundles or aramid fiber bundles.
  • the frictional connection between fiber bundles and the outside of the body is an adhesive system. It serves to fix the fiber bundles on the body.
  • the adhesive system is selected from the group consisting of adhesives composed of phenol resin, epoxy resin or polysilazane resin base. Possibly.
  • the adhesive system may contain a silicon or silicon carbide filler. It is also referred to as putty in the present invention.
  • the adhesive system may include one or more of the comprising adhesive and / or putty. If necessary, the adhesive or putty may further contain a curing catalyst and / or a plasticizer. Such adhesives or putties are usually resistant to oxidation. These adhesives or putty also adhere well to both a ceramic material such as silicon carbide and fiber bundles such as carbon fiber bundles, and are able to wet a fiber well.
  • the adhesive system is a phenolic resin. More preferably, the phenolic resin is a resole. Alternatively, the phenolic resin may also be a novolak.
  • Suitable epoxy resins are resin systems containing bisphenol A diglycidyl ether or bisphenol F diglycidyl ether. In particular, are suitable as an epoxy resin, resin systems containing in addition to more than 50 wt .-% of bisphenol A diglycidyl ether or Bispenhol F-diglycidyl ether Methylhexahydrophthalklareanhydrid in particular in an amount of 25 to 50 wt .-%, each based on the total weight.
  • a Polysilazanharzsystem can be used as an adhesive system.
  • All the above-mentioned adhesives may further contain silicon or silicon carbide as a filler.
  • the plasticity of the cement can be adjusted via the proportion of resin in the mixture or by adding plasticizers of the desired adhesive bond.
  • the use of a putty, which contains in addition to the resin adhesive silicon or silicon carbide as a filler, is particularly suitable when it is applied to the fiber bundles. By impregnation of the fiber bundles with the putty and subsequent firing, silicon with carbon fibers can form silicon carbide, or by silicon carbide as filler, the impregnated and fired carbon fiber has silicon carbide.
  • the choice of the adhesive system depends on the desired binding and essentially on the nature of the field of use of the body according to the invention.
  • an epoxy resin as an adhesive system, which is applied to the body or with which the fiber bundles impregnated and cured, for example, due to the brittleness of the cured layer greater stress relief is rather not possible, it will be a rigid connection between fiber bundles and get body.
  • plasticizers this compound can be made more malleable, for example, to intercept possible shear stresses or different extents of fiber bundles and body in temperature changes.
  • the body and fiber bundles may be fixed by means of an adhesive system wherein the adhesive system has been applied to either the body, the fiber bundles or both and then cured or fired.
  • the body and the fiber bundles can each be provided with an adhesive system independently of each other and fixed together.
  • the adhesive system applied in each case can be identical or different in this case. The choice depends on the desired adhesiveness and can be suitably selected and adjusted by the person skilled in the art.
  • the adhesive system may be arranged selectively or in sections between the body and the fiber bundle so that a number of predetermined locations of the fiber bundles are fixed to the body.
  • the fiber bundles may be completely fixed to the body by gluing. Preferably, the fiber bundles are completely fixed to the body.
  • the fiber bundles can be in the form of a yarn, this is the case in particular if the fiber bundles are wound onto bodies and if necessary fixed.
  • the yarn is a fiber bundle of a variety of filaments.
  • the yarn may have straight, diagonal and / or curved portions.
  • To form a network at least one, preferably two, yarns intersect at predetermined locations at a desired angle, preferably ⁇ 80 °.
  • Yarn sections may also be sleeved, meshed or otherwise cross-linked.
  • the fiber bundles can also be present as a braid, scrim, knitted fabric, woven or knitted fabric, preferably woven or knitted fabric, which is pushed onto the body under prestressing and possibly fixed.
  • a braid is understood to mean a flat structure which, by crossing, runs diagonally in opposite directions Flecht thread systems are created, whereby the braiding threads intersect at an adjustable angle to the edge of the fabric.
  • a scrim is understood as a sheet of one or more stretched, superimposed yarn systems of different orientation directions without or with fixation of the intersection points.
  • a knit fabric is a fabric in which the stitches are formed from a horizontally submitted thread individually and successively, in addition, further thread systems can be integrated for reinforcement.
  • a fabric is considered to be a fabric which contains at least two thread systems, which generally intersect at right angles.
  • a knitted fabric is a fabric made from one or more yarns by simultaneously forming stitches in the longitudinal direction, in addition to reinforcement, of course, other yarns may be incorporated.
  • the thread here is at least one fiber bundle of predetermined length. Under a thread system several threads are understood.
  • the woven or knitted fabric has a greater length than the body, so that the woven or knitted fabric, if appropriate, the connection of the body to another component by its arrangement on the same protects.
  • the body according to the invention can be produced by the following method, which comprises the steps
  • a body comprising a ceramic material and suitable for use in a heat exchanger and for the passage of fluids
  • the pressure resistance of the body which is generally required in apparatus construction, is achieved by reinforcing the body with fiber bundles.
  • the bias voltage used according to the invention can be selected by the person skilled in the art be adjusted according to the fiber material and the field of application of the body.
  • step b) comprises re-clamping at least portions of the outside of the body with at least two fiber bundles so that the fiber bundles are in the form of a network.
  • fiber bundles can be suitably wound around bodies.
  • step b) is carried out such that the ratio between adjacent fiber bundles / diameter of the fiber bundles is 5: 1 to 10: 1. Increasing the strength of the body is thus achieved with a relatively small coverage of the outside of the body.
  • an adhesive system is at least partially applied to the fiber bundles and / or the body prior to step b) and then cured or fired.
  • the adhesive system used for fixing is preferably selected from the group consisting of adhesives, which are composed of phenolic resin, epoxy resin or Polysilazanharzbasis and optionally mixed with silicon and silicon carbide filler.
  • adhesives are well mouldable and conformable to the shape of the body, or are well suited for impregnating a fiber, have good adhesiveness to a ceramic material such as silicon carbide and many types of fibers and especially to a carbon fiber after heat curing or firing.
  • the body and the fiber bundles may be fixed by means of an adhesive system, wherein the adhesive system is applied either to the body, the fiber bundles or both and then cured or fired.
  • An adhesive system that does not contain silicon or silicon carbide as a filler is cured while an adhesive system containing silicon or silicon carbide as a filler is fired.
  • the curing is preferably carried out at temperatures of 120 to 180 ° C within up to two hours, without pressure or at pressures of 0.5 to 1, 5 bar. At high temperatures, ie at 170 to 180 ° C, a curing time of up to 15 minutes is generally sufficient. The higher the temperature, the better ringer is the cure time. If the adhesive system contains a curing catalyst, the cure may also be at room temperature.
  • the firing is preferably carried out at temperatures of over 1500 ° C within up to 2 hours, without pressure or at pressures of 0.5 to 1, 5 bar. After curing of the adhesive or firing of the cement, the fiber bundles are placed on the outside of the body.
  • the body and the fiber bundles can be provided with an adhesive or putty independently of each other and then fixed.
  • the adhesive or putty applied in this case may be identical or different in this case.
  • the person skilled in the art can select suitable adhesives or putties which adhere well to one another.
  • the fiber bundles are impregnated with an adhesive or cement, then hardened or fired and subsequently arranged on the body.
  • the adhesive system can be arranged selectively or in sections between the body and fiber bundles so that a number of predetermined locations of the fiber bundles are fixed to the body.
  • the fiber bundles can be completely fixed to the body by means of glue or putty.
  • the fiber bundles are completely fixed to the body.
  • the body used in the method according to the invention is a tubular body or lid, wherein a plurality of holes extend in the longitudinal direction of the lid.
  • the ceramic material used in the process according to the invention is sintered silicon carbide optionally containing at least one ceramic or mineral filler.
  • the fiber bundles preferably represent carbon fiber bundles.
  • the carbon fiber bundles can be wound around the body under a predetermined pretension in the form of a yarn.
  • the carbon fiber bundles are in the form of a braid, Geleges, knitted fabric, fabric or knitted fabric, preferably woven or knitted fabric, before and are pulled over the at least one outer side of possibly provided with a cured adhesive or baked cement body.
  • the carbon fiber bundles are used in the inventive method as provided with a cured adhesive or fired cement fiber bundles.
  • the use of a filler with silicon as a filler is suitable, since by the firing process silicon can react with the carbon fiber to form silicon carbide and thus a firmer bond between the carbon fiber and the cement is achieved.
  • the body according to the invention is particularly suitable for use as a pipe, for example for heat exchangers with increased mechanical stress and / or extremely corrosive media and solvents, as well as all other components subjected to pressure and temperature.
  • it is an ideal material for the construction of heat exchangers, because it is highly thermally conductive, pressure-resistant and insensitive to brittle fracture.
  • the body according to the invention is particularly preferably used as a tube in a heat exchanger because it is resistant to erosion and permits high flow velocities and therefore a self-cleaning effect of the tube can be achieved by rapidly flowing media, which may be loaded with particles.
  • the inventive body is preferably used as a tube sheet in a heat exchanger. In combination, a plurality of tubular bodies and lids according to the invention are used as a shell-and-tube heat exchanger.
  • a heat exchanger comprising a body according to the invention, for example, the following structure according to DE 197 14 423:
  • the heat exchanger comprises a shell, a bottom with nozzle, a spacer to create a distribution space, a distributor base with the inner and outer tube sheets and in arranged the bores of the tubesheets and sealed by means of a seal therein pipes.
  • the bottom and the mantle are usually screwed, the spacer being interposed to create the distributor space.
  • the inner tube bottom of the distributor base is smaller in diameter than the sheath inner diameter is formed.
  • the outer tube sheet is formed larger in diameter and thus takes over the sealing function between shell and distribution space.
  • the tubes represent the body according to the invention in the form of a tube of pressureless sintered silicon carbide, the outside of which is spanned by carbon fiber bundles under pretension.
  • the bias of the reinforcement is advantageously increased by the negative thermal expansion coefficient of the carbon fiber.
  • the heat exchanger now works more reliably and safely.
  • the outer and / or inner tubesheet can furthermore consist of pressurelessly sintered silicon carbide, which is spanned by carbon fiber bundles under prestressing.
  • the tubes besides the silicon carbide tube and the network of carbon fiber bundles for fixing the two elements furthermore have an adhesive system described above. If the adhesive system is resistant to oxidation, oxidizing media for cooling or heating can also be used in the service area of the heat exchanger constructed therefrom.
  • Figure 1 is a schematic side view of a body according to the invention.
  • Figure 2 is a further schematic side view of the body according to the invention shown in Figure 1, in which a partial cross-section is shown;
  • Figure 3 is an enlarged detail of Figure 2, which is circled in Figure 2 with a dash-dot line and marked as III-III;
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a body 1 according to the invention.
  • Body 1 comprises a smooth-walled tube 3 of pressureless sintered silicon carbide. At its two ends 5, 7, the tube 3 in each case has an opening in order to be suitable for the passage of fluids.
  • the tube 3 is with yarns 9 wrapped carbon fiber bundles, which are under high bias and serve as a reinforcement of the tube 3.
  • the yarns 9 have a phenolic resin layer (not shown) which acts as an adhesive layer.
  • the yarns 9 are wound around the pipe 3 so as to cross each other at predetermined positions so as to form a network.
  • FIG. 2 shows a further schematic side view of the body 1 according to the invention shown in FIG. 1, in which a cross section is partially shown.
  • the smooth-walled tube 3 is also shown with the tube ends 5, 7, which is wrapped by yarns 9 of carbon fiber bundles with phenolic resin under tension.
  • the part of the cross-sectional view further shows a tube wall 13 of the tube 3, which has an inner side 14 and an outer side 15.
  • the inner side 14 defines the cavity 1 1 of the tube 3, which is unlimited in the longitudinal direction and ends at the tube ends 5, 7 in each case an opening. By the limited by the inside 14 cavity 1 1, a fluid can be passed.
  • the yarns 9 are arranged on the outside 15 of the pipe wall 13.
  • FIG. 3 shows an enlarged detail from FIG. 2, which is circled in FIG. 2 with a dash-dot line and identified as III-III.
  • the same reference numerals as in FIG. 2 are used for the same elements. Due to the enlarged view can be seen that the yarns 9 are arranged on the outer side 15 of the tube wall 13, while through the inner side 14 of the tube wall 13 of the cavity 1 1 is formed.
  • FIG. 4 shows a cross section through a partial region of a further body 41 according to the invention.
  • the body 41 according to the invention represents a smooth-walled tube 43 made of silicon carbide sintered without pressure.
  • the tube 43 has a tube wall 413 which has an inner side 414 and an outer side 415.
  • a phenolic resin adhesive 417 is disposed, on which yarns 49 of carbon fibers are arranged.
  • the adhesive 417 is located only in areas of the outside 415 of the tube 413, in which the Yarns 49 are arranged.
  • the adhesive 417 serves to fix the yarns 49 on the outside 415 of the pipe wall 413.
  • the pipe has a cavity 41 1 which is delimited by the inside 414 of the pipe wall 413 of the pipe 43.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Körper (1), der ein Keramikmaterial umfasst und zur Verwendung in einem Wärmetauscher und zur Durchleitung von Fluiden geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite (15) des Körpers (3) zumindest teilweise von mindestens zwei Faserbündeln (9) in Längsrichtung und/oder Umfangsrichtung umspannt ist und mit ihnen kraftschlüssig verbunden ist, wobei die Faserbündel (9) vorgespannt sind und benachbarte Abschnitte der Faserbündel (9) in einem vorbestimmten Abstand angeordnet sind. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers (1), das die Schritte a) Bereitstellen von einem Körper (3), der ein Keramikmaterial umfasst und zur Verwendung in einem Wärmetauscher und zur Durchleitung von Fluiden geeignet ist, und b) Umspannen von zumindest Abschnitten der Außenseite (15) des Körpers (3) mit mindestens zwei Faserbündeln (9) unter einer vorbestimmten Vorspannung unter Ausbildung einer kraftschlüssigen Verbindung umfasst, wobei benachbarte Abschnitte der Faserbündel (9) in einem vorbestimmten Abstand angeordnet werden. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Körpers (1) als ein Rohr oder Rohrboden in einem Wärmetauscher.

Description

Faserarmierter Körper Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind ein faserarmierter Körper, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung als ein Rohr oder Rohrboden in einem Wärmetauscher.
In Wärmetauschern werden oft Bauteile aus Keramikmaterial wie beispielsweise Siliciumcarbid-Rohre eingesetzt. Dichte Siliciumcarbid-Rohre sind als keramische Werkstoffe empfindlich gegen Sprödbruch, bei mechanischem Versagen brechen die Rohre katastrophal, d.h., es liegen Bruchstücke vor. Das Rohr verliert seine Integrität. Ein Wärmetauscher, der aus solchen Rohren hergestellt wurde, kann durch einen derartig verlaufenden Bruch zerstört werden, da korrosive Säuren in den nicht vor Korrosion geschützten Serviceraum des Wärmetauschers gelangen. Zudem können weitere Schäden im Kühlsystem bzw. Heizsystem entstehen, an das der Wärmetauscher angeschlossen ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Werkstoff zur Verfügung zu stellen, der gegen katastrophalen Sprödbruch unempfindlich ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Körper mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren zu seiner Herstellung mit den Merkmalen von Anspruch 7 gelöst.
Der erfindungsgemäße Körper ist ein Körper, der ein Keramikmaterial umfasst und zur Verwendung in einem Wärmetauscher und zur Durchleitung von Fluiden geeignet ist. Die Außenseite des Körpers ist zumindest teilweise von mindestens zwei Faserbündeln in Längsrichtung und/oder Umfangsrichtung umspannt und mit ihnen kraftschlüssig verbunden. Die Faserbündel sind vorgespannt. Benachbarte Abschnitte der Faserbündel sind in einem vorbestimmten Abstand angeordnet. Durch die Armierung des Körpers mittels der Faserbündel wird der Körper un- empfindlicher gegen Sprödbruch, seine Druckfestigkeit und Belastbarkeit werden gesteigert.
Die Faserverstärkung verbessert die Eigenschaften von Körpern wie folgt: Erhö- hung des Berstdrucks, der Körper wird unempfindlicher gegenüber Sprödbruch, Dampfschlägen und unzulässigen Überschreitungen des Betriebsdrucks. Selbst wenn durch den faserarmierten Körper in einem laufenden Betrieb Fluide geleitet werden und ihm infolge von beispielsweise seinem Alter, einer nicht sachgemäßen Benutzung oder Überbeanspruchung ein Längsriss entsteht, so tritt bei diesem Körper dennoch bis zu einem vorbestimmten Differenzdruck keine nennenswerte Leckage auf. Das Herausschieben oder -brechen von Bruchstücken des Körpers wird aufgrund der Umspannung mit Faserbündeln auf dem Körper in einem bestimmten Umfang derart abgefangen, dass ein sich aus der ursprünglichen Form des Körpers herausschiebendes bzw. -brechendes Stück durch die umgebenden Faserbündel unter Vorspannung in einer vorbestimmten Form zurückgehalten wird. Das Ausbrechen von Stücken aus dem Körper und damit der Austritt großer Fluidmengen werden verhindert. Der Wärmetauscher, in dem der Körper verwendet wird, kann in der Regel ohne Unterbrechung bis zu einem geplanten Stillstand weiterbetrieben werden. Daher ist der erfindungsgemäße Körper auch in defektem Zustand im Gegensatz zu dem Körper ohne Armierung bis zu einem vorbestimmten Grad dicht.
Bevorzugt ist der Körper ein rohrförmiger Körper. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter einem rohrförmigen Körper insbesondere ein Körper verstanden, der bevorzugt einen kreisrunden Querschnitt aufweist und, um zur Leitung von Fluiden geeignet zu sein, an den Enden seiner Längserstreckung offen ist. Der rohrförmige Körper kann aber alternativ auch einen eckigen, ovalen oder anders- förmigen Querschnitt aufweisen. Bevorzugt ist die Längserstreckung des rohrförmigen Körpers größer als sein Querschnitt. Bevorzugt ist der rohrförmige Körper ein Rohr mit kreisrundem Querschnitt.
Alternativ ist der Körper ein Deckel, wobei sich in die Längsrichtung des Deckels eine Vielzahl von Löchern erstrecken. Unter einem Deckel wird im Sinne der vor- liegenden Erfindung ein Körper mit einem bevorzugt kreisrunden Querschnitt verstanden, der nicht einen einzelnen Hohlraum, sondern eine Vielzahl von Hohlräumen aufweist. Um zur Durchleitung von Fluiden geeignet zu sein, weist der Deckel eine Vielzahl von Löchern auf, die sich in die Längsrichtung des Deckels er- strecken und somit Hohlräume darstellen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird der Deckel als rohrförmiger Körper angesehen, dessen Längenabmessung nicht von einem einzelnen Hohlraum, sondern von einer Vielzahl von Hohlräumen durchzogen ist, die innerhalb der Längserstreckung des Deckels in einen einzigen Hohlraum münden können oder sich durchgängig entlang der Längsrichtung des Deckels getrennt erstrecken können. Die Längserstreckung des Deckels ist bevorzugt kleiner als sein Querschnitt. Sie kann beispielsweise so gering sein, dass der Deckel die Gestalt einer runden Scheibe oder Platte aufweist, die von Löchern durchzogen ist, die sich in die Längsrichtung erstrecken. Der gesamte Querschnitt des Deckels kann eine Vielzahl von Löchern aufweisen. Alternativ ist auch denk- bar, dass nur mindestens ein Teilbereich eine Vielzahl von Löchern aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform bilden die Faserbündel ein Netzwerk. Dazu sind zum Beispiel die mindestens zwei Faserbündel gegeneinander, beispielsweise um ± 80°, gegen die Längsachse des Körpers geneigt.
Die Dichte des Netzwerks hängt von der Art der Anwendung des Körpers, der Belastung, der der Körper ausgesetzt wird, und von der Festigkeit und den Abmessungen des Körpers ab. Wenn erwartet wird, dass der Körper im Falle eines Brechens in kleinere Bruchstücke zerfällt, ist ein dichtes Faserbündel-Netzwerk wünschenswert. Andererseits steigen durch erhöhten Materialeinsatz an Faserbündeln auch die Kosten, sodass die Dichte an eingesetzten und vernetzten Faserbündeln individuell an die gewünschten Effekte im Hinblick auf die entstehenden Material kosten angepasst werden sollte. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Verhältnis Abstand benachbarter Faserbündel/Durchmesser der Faserbündel 5 : 1 bis 10 : 1 . Es ist eine Funktion der mechanischen Belastung des Körpers. Der dem Verhältnis proportionale thermische Widerstand des Körpers ist nur unwesentlich verändert. In jeder gegen die Längserstreckung der Faserbündel geneigten Richtung alternieren verhältnismäßig dünne Faserbündel und flächenmäßig breite unbedeckte Streifen an der Außenseite des Körpers. Die mindestens zwei Faserbündel können den Körper teilweise oder vollständig umspannen bzw. armieren. Eine vollständige Armierung ist bei hochbelasteten Körpern wünschenswert. Alternativ kann es aus Kostengründen auch sinnvoll sein, nur besonders belastete Teilbereiche des Körpers zu armieren. Beispielsweise sind bei Rohren insbesondere Endbereiche, die mit anderen Bauteilen ver- bunden werden, in einem Apparat wie einem Wärmetauscher besonders belastete oder für Brüche anfällige Bereiche, die einen besonderen Schutz in Form der Armierung benötigen können. Wenn der Körper ein temperaturbelastetes Bauteil darstellt, sollte weiterhin berücksichtigt werden, dass Körper und Faserbündel unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen können, und Länge und Breite der Anordnung der Faserbündel sollten dementsprechend angepasst sein. Die Faserbündel sollten daher derart auf der mindestens einen Außenseite des Körpers angeordnet sein, dass die Wärmeausdehnung des Körpers von den Faserbündeln kompensiert werden kann bzw. gestattet werden kann und nicht zu ihrer Zerstörung führt.
Das Keramikmaterial stellt bevorzugt dicht gesintertes Siliciumcarbid dar. Seine Auswahl ist durch die hervorragenden Eigenschaften wie beispielsweise hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Festigkeit, hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber sauren und basischen Medien und eine hohe Belastbarkeit bedingt. Bevorzugt stellt das Siliciumcarbid drucklos gesintertes Siliciumcarbid dar, welches eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber sauren und basischen Medien, denen es ebenfalls bis zu sehr hohen Temperaturen standhalten kann, eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Verschleißbeständigkeit und eine diamantähnliche Härte aufweist. Weiterhin alternativ kann das Silicium- carbid flüssigphasengesintertes Siliciumcarbid darstellen, welches aus Siliciumcarbid und verschiedenen oxidischen Keramiken hergestellt ist und sich durch eine hohe Festigkeit auszeichnet. Das Siliciumcarbid kann mindestens einen keramischen oder mineralischen Füllstoff enthalten, wobei die Auswahl der Füllstoffe auf die Anwendung abzustimmen ist. Beispiele für Füllstoffe stellen Stoffe aus der Gruppe der natürlich vorkommenden Flockengraphite, der künstlich hergestellten Elektrographite, Ruße oder Koh- lenstoffe, Graphit- oder Kohlenstofffasern oder Borcarbid dar. Des weiteren können keramische oder mineralische Füllstoffe in Korn-, Plättchen- oder Faserform wie Silikate, Carbonate, Sulfate, Oxide, Gläser oder ausgewählte Mischungen davon verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform stellen die Faserbündel Kohlenstofffaserbündel dar. Eine Kohlenstofffaser besitzt eine gute Zugfestigkeit, Korrosionsfestigkeit und Steifigkeit, geringe Bruchdehnung und ist bei den Verwendungstemperaturen von belasteten Körpern beständig. Das spezifische Verhalten der Kohlenstofffaserbündel bewirkt, dass auch bei stark wechselnder bzw. schwellender Be- lastung des Rohres die Vorspannung der Armierung erhalten bleibt. Aufgrund des negativen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten von Kohlenstofffaserbündeln wird die Armierung bei einer Temperaturerhöhung weiter vorgespannt, der Berst- und Dichthaltedruck ist bei höherer Temperatur größer als bei Raumtemperatur. Die Kohlenstofffaserarmierung verbessert die Eigenschaften von Kör- pern insbesondere bei Siliciumcarbid-Rohren wie folgt: Erhöhung des Berstdrucks, der Körper wird unempfindlicher gegenüber Dampfschlägen und unzulässigen Überschreitungen des Betriebsdrucks, da der Berstdruck des Körpers bei Raumtemperatur je nach Abmessung um 30 bis 40 % gegenüber dem nicht verstärkten Körper erhöht wird. Andere Beispiele für die Faserbündel stellen Glasfaserbündel oder Aramidfaserbündel dar.
In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die kraftschlüssige Verbindung zwischen Faserbündeln und Außenseite des Körpers ein Klebersystem dar. Es dient dazu, die Faserbündel auf dem Körper zu fixieren. Das Klebersystem ist ausge- wählt aus der Gruppe, bestehend aus Klebern, die aus Phenolharz, Epoxidharz oder Polysilazanharzbasis aufgebaut sind. Ggf. kann das Klebersystem einen Sili- cium- oder Siliciumcarbid-Füllstoff enthalten. Es wird in der vorliegenden Erfindung auch als Kitt bezeichnet. Das Klebersystem kann einen oder mehrere der vorste- hend genannten Kleber und/oder Kitts umfassen. Wenn nötig, kann der Kleber oder der Kitt weiterhin einen Härtungskatalysator und/oder ein Plastizierungsmittel enthalten. Derartige Kleber oder Kitts sind in der Regel oxidationsbestandig. Diese Kleber oder Kitts haften zudem gut sowohl an einem Keramikmaterial wie Silicium- carbid als auch an Faserbündeln wie Kohlenstofffaserbündeln und sind in der Lage, eine Faser gut zu benetzen.
Bevorzugt stellt das Klebersystem ein Phenolharz dar. Bevorzugter stellt das Phenolharz ein Resol dar. Alternativ kann das Phenolharz auch ein Novolak darstel- len. Als Epoxidharz eignen sich Harzsysteme, die Bispenhol A-diglycidylether oder Bispenhol F-diglycidylether enthalten. Insbesondere eignen sich als Expoxidharz, Harzsysteme, die neben mehr als 50 Gew.-% Bispenhol A-diglycidylether oder Bispenhol F-diglycidylether Methylhexahydrophthalsäureanhydrid insbesondere in einer Menge von 25 bis 50 Gew.-% enthalten, jeweils bezogen auf das Gesamt- gewicht. Bevorzugt kann auch ein Polysilazanharzsystem als Klebersystem verwendet werden.
Alle vorstehend genannten Kleber können weiterhin Silicium oder Siliciumcarbid als Füllstoff enthalten. Die Plastizität des Kitts kann über den Harzanteil im Ge- misch oder durch Zugabe von Plastizierungsmitteln der gewünschten Klebebindung angepasst werden. Der Einsatz eines Kitts, der neben dem Kleber aus Harz Silicium oder Siliciumcarbid als Füllstoff enthält, eignet sich insbesondere, wenn er auf die Faserbündel aufgebracht ist. Durch eine Imprägnierung der Faserbündel mit dem Kitt und anschließenden Brennen kann Silicium mit Kohlenstofffasern Sili- ciumcarbid ausbilden bzw. durch Siliciumcarbid als Füllstoff weist die imprägnierte und gebrannte Kohlenstofffaser Siliciumcarbid auf.
Die Wahl des Klebersystems hängt von der gewünschten Bindung und im Wesentlichen von der Art des Einsatzgebietes des erfindungsgemäßen Körpers ab. Bei der Auswahl von einem Epoxidharz als Klebersystem, das auf den Körper aufgetragen oder mit dem die Faserbündel imprägniert und gehärtet wird, ist beispielsweise wegen der Sprödigkeit der gehärteten Schicht ein größerer Spannungsabbau eher nicht möglich, es wird eine starre Verbindung zwischen Faserbündeln und Körper erhalten. Durch den Zusatz von Plastizierungsmitteln kann diese Verbindung verformbarer gemacht werden, beispielsweise um mögliche Schubspannungen oder unterschiedliche Ausdehnungen von Faserbündeln und Körper bei Temperaturänderungen abzufangen.
Der Körper und die Faserbündel können mittels eines Klebersystems fixiert sein, wobei das Klebersystem entweder auf den Körper, die Faserbündel oder auf beide aufgebracht und anschließend gehärtet oder gebrannt wurde. Alternativ können der Körper und die Faserbündel unabhängig voneinander jeweils mit einem Kle- bersystem versehen sein und miteinander fixiert sein. Das jeweilig aufgebrachte Klebersystem kann in diesem Fall identisch oder verschieden sein. Die Auswahl ist von der gewünschten Haftfähigkeit abhängig und kann von dem Fachmann geeignet ausgewählt und angepasst werden. Das Klebersystem kann zwischen Körper und Faserbündel punktuell oder abschnittsweise angeordnet sein, sodass eine Anzahl an vorbestimmten Stellen der Faserbündel an dem Körper fixiert ist. Alternativ können die Faserbündel an dem Körper mittels Verklebung vollständig fixiert sein. Bevorzugt sind die Faserbündel an dem Körper vollständig fixiert.
Die Faserbündel können in Form eines Garns vorliegen, dies ist insbesondere der Fall, wenn die Faserbündel auf Körper aufgewickelt und ggf. fixiert vorliegen. Als Garn gilt ein Faserbündel aus einer Vielzahl an Filamenten. Das Garn kann gerade, diagonal und/oder geschwungen verlaufende Abschnitte aufweisen. Um ein Netzwerk auszubilden, kreuzt sich mindestens ein, vorzugsweise zwei, Garne an vorbestimmten Stellen in einem gewünschten Winkel, bevorzugt ± 80°. Garnabschnitte können auch verschlugen, vermascht oder auf sonstige Weise vernetzt sein. Andernfalls können die Faserbündel auch als Geflecht, Gelege, Gestrick, Gewebe oder Gewirke, bevorzugt Gewebe oder Gewirke, vorliegen, das auf Körper unter Vorspannung aufgeschoben und ggf. fixiert ist. Unter einem Geflecht wird ein Flächengebilde verstanden, das durch Kreuzen gegenläufig diagonal verlaufender Flecht-Fadensysteme entsteht, wobei sich die Flechtfäden in einem einstellbaren Winkel zur Warenkante verkreuzen. Ein Gelege wird als Flächengebilde aus einem oder mehreren gestreckten, übereinander liegenden Fadensystemen verschiedener Orientierungsrichtungen ohne oder mit Fixierung der Kreuzungspunkte verstanden. Ein Gestrick ist ein Flächengebilde, bei dem die Maschen aus einem horizontal vorgelegten Faden einzeln und nacheinander gebildet werden, zusätzlich können zur Verstärkung weitere Fadensysteme eingebunden sein. Als Gewebe gilt ein Flächengebilde, das mindestens zwei sich in der Regel rechtwinkelig kreuzende Fadensysteme enthält. Ein Gewirke ist ein Flächengebilde, das aus einem oder mehreren Fäden durch gleichzeitiges Bilden von Maschen in Längsrichtung erzeugt wird, zusätzlich zur Verstärkung können selbstverständlich weitere Fäden eingearbeitet sein. Als Faden gilt hier mindestens ein Faserbündel von vorbestimmter Länge. Unter einem Fadensystem werden mehrere Fäden verstanden.
Selbstverständlich ist es im Fall der Anordnung der Faserbündel in Form eines Gewebes oder Gewirkes auch möglich, dass das Gewebe oder Gewirke eine größere Länge aufweist als der Körper, sodass das Gewebe oder Gewirke gegebenenfalls den Anschluss des Körpers an ein weiteres Bauteil durch seine An- Ordnung auf demselben schützt.
Der erfindungsgemäße Körper ist durch das folgende Verfahren herstellbar, das die Schritte
a) Bereitstellen von einem Körper, der ein Keramikmaterial umfasst und zur Ver- wendung in einem Wärmetauscher und zur Durchleitung von Fluiden geeignet ist, und
b) Umspannen von zumindest Abschnitten der Außenseite des Körpers mit mindestens zwei Faserbündeln unter einer vorbestimmten Vorspannung unter Ausbildung einer kraftschlüssigen Verbindung, wobei benachbarte Abschnitte der Fa- serbündel in einem vorbestimmten Abstand angeordnet werden.
Durch dieses Verfahren wird die in der Regel im Apparatebau erforderliche Druckfestigkeit des Körpers durch die Armierung des Körpers mit Faserbündeln erreicht. Die erfindungsgemäß verwendete Vorspannung kann vom Fachmann entsprechend dem Fasermaterial und dem Anwendungsfeld des Körpers eingestellt werden.
Bevorzugt kann Schritt b) Umspannen von zumindest Abschnitten der Außenseite des Körpers mit mindestens zwei Faserbündeln umfassen, sodass die Faserbündel in der Form eines Netzwerkes vorliegen. Dazu können Faserbündel geeignet um Körper gewickelt werden. Alternativ ist denkbar, die Faserbündel in Form eines Flächengebildes um den Körper zu ziehen. Bevorzugt wird der Schritt b) derart ausgeführt, dass das Verhältnis Abstand benachbarter Faserbündel/Durchmesser der Faserbündel 5 : 1 bis 10 : 1 beträgt. Die Erhöhung der Festigkeit des Körpers wird so mit einer relativ kleinen Bedeckung der Außenseite des Körpers erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vor dem Schritt b) auf die Faserbündel und/oder den Körper ein Klebersystem zumindest teilweise aufgebracht und an- schließend gehärtet oder gebrannt. Dadurch wird die Anordnung der Faserbündel auf der Außenseite des Körpers fixiert. Das zur Fixierung verwendete Klebersystem ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Klebern, die aus Phenolharz, Epoxidharz oder Polysilazanharzbasis aufgebaut sind und ggf. mit Silicium- and Siliciumcarbid-Füllstoff gemischt sind. Derartige Klebersysteme sind gut formbar und an die Gestalt des Körpers anpassbar bzw. gut zur Imprägnierung einer Faser geeignet, weisen nach Wärmehärtung oder Brennen eine gute Haftfähigkeit zu einem Keramikmaterial wie Siliciumcarbid und vielen Faserarten und insbesondere zu einer Kohlenstofffaser auf. Der Körper und die Faserbündel können mittels eines Klebersystems fixiert werden, wobei das Klebersystem entweder auf den Körper, die Faserbündel oder auf beide aufgebracht wird und anschließend gehärtet oder gebrannt wird. Ein Klebersystem, das nicht Silicium oder Siliciumcarbid als Füllstoff enthält, wird gehärtet, während ein Klebersystem, das Silicium oder Siliciumcarbid als Füllstoff enthält, gebrannt wird. Die Härtung wird bevorzugt bei Temperaturen von 120 bis 180°C innerhalb von bis zu zwei Stunden, drucklos oder bei Drücken von 0,5 bis 1 ,5 bar durchgeführt. Bei hohen Temperaturen, d. h. bei 170 bis 180°C, genügt im Allgemeinen eine Härtungszeit bis zu 15 Minuten. Je höher die Temperatur, desto ge- ringer ist die Härtungszeit. Wenn das Klebersystem einen Härtungskatalysator enthält, kann die Härtung auch bei Raumtemperatur erfolgen. Das Brennen wird bevorzugt bei Temperaturen von über 1500 °C innerhalb von bis zu 2 Stunden, drucklos oder bei Drücken von 0,5 bis 1 ,5 bar, durchgeführt. Nach dem Härten des Klebers oder Brennen des Kitts werden die Faserbündel auf der Außenseite des Körpers angeordnet.
Der Körper und die Faserbündel können unabhängig voneinander jeweils mit einem Kleber oder Kitt versehen und dann fixiert werden. Der jeweilig aufgebrachte Kleber oder Kitt kann in diesem Fall identisch oder verschieden sein. Der Fachmann kann geeignete Kleber bzw. Kitts auswählen, die gut aneinander haften.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Faserbündel mit einem Kleber oder Kitt imprägniert, anschließend gehär- tet oder gebrannt und anschließend auf dem Körper angeordnet.
Das Klebersystem kann zwischen Körper und Faserbündeln punktuell oder abschnittsweise angeordnet werden, sodass eine Anzahl an vorbestimmten Stellen der Faserbündeln an dem Körper fixiert werden. Alternativ können die Faserbün- del an dem Körper mittels Kleber oder Kitt vollständig fixiert werden. Bevorzugt werden die Faserbündel an dem Körper vollständig fixiert.
Bevorzugt ist der in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Körper ein rohrförmiger Körper oder Deckel, wobei sich in die Längsrichtung des Deckels eine Vielzahl von Löchern erstrecken.
Bevorzugt stellt das in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Keramikmaterial gesintertes Siliciumcarbid dar, das optional mindestens einen keramischen oder mineralischen Füllstoff enthält.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren stellen die Faserbündel bevorzugt Kohlenstofffaserbündel dar. Die Kohlenstofffaserbündel können unter einer vorbestimmten Vorspannung in Form eines Garns um den Körper gewickelt werden. Alternativ liegen die Kohlenstofffaserbündel in Form eines Geflechts, Geleges, Gestricks, Gewebes oder Gewirkes, bevorzugt Gewebes oder Gewirkes, vor und werden über die mindestens eine Außenseite des ggf. mit einem ausgehärteten Kleber oder gebrannten Kitt versehenen Körpers gezogen. Zum anderen ist denkbar, dass die Kohlenstofffaserbündel in dem erfindungsgemäßen Verfahren als mit einem ausgehärteten Kleber oder gebrannten Kitt versehene Faserbündel eingesetzt werden. Insbesondere im Fall von Kohlenstofffaserbündeln eignet sich die Verwendung eines Kitts mit Silicium als Füllstoff, da durch den Brennvorgang Sili- cium mit der Kohlenstofffaser zu Siliciumcarbid reagieren kann und so eine festere Bindung zwischen Kohlenstofffaser und Kitt erzielt wird.
Besonders geeignet ist der erfindungsgemäße Körper zur Verwendung als ein Rohr beispielsweise für Wärmetauscher bei erhöhter mechanischer Beanspruchung und/oder extrem korrosiven Medien und Lösungsmitteln sowie alle sonsti- gen druck- und temperaturbelasteten Bauteile. Er ist insbesondere ein idealer Werkstoff für den Bau von Wärmetauschern, weil er hoch wärmeleitend, druckfest und unempfindlich gegen Sprödbruch ist. Besonders bevorzugt findet der erfindungsgemäße Körper als Rohr in einem Wärmetauscher Verwendung, weil er er- rosionsbeständig ist und hohe Strömungsgeschwindigkeiten zulässt und daher ein Selbstreinigungseffekt des Rohrs durch schnell strömende Medien, die ggf. mit Partikeln beladen sind, realisierbar ist. Zusätzlich oder alternativ wird der erfindungsgemäße Körper bevorzugt als Rohrboden in einem Wärmetauscher verwendet. Zusammengesetzt finden mehrere erfindungsgemäße rohrformige Körper und Deckel als ein Rohrbündelwärmetauscher Verwendung.
Ein Wärmetauscher, der einen erfindungsgemäßen Körper umfasst, weist beispielsweise den folgenden Aufbau gemäß der DE 197 14 423 auf: Der Wärmeaustauscher umfasst einen Mantel, einen Boden mit Stutzen, ein Distanzstück zur Schaffung eines Verteilerraumes, ein Verteilerboden mit den inneren und äußeren Rohrböden und in den Bohrungen der Rohrböden angeordneten und mittels einer Dichtung darin eingedichteten Rohren. Boden und Mantel sind üblicherweise verschraubt, wobei zur Schaffung des Verteilerraumes das Distanzstück zwischengesetzt wird. Der innere Rohrboden des Verteilerbodens ist im Durchmesser kleiner als der Mantelinnendurchnnesser ausgebildet. Der äußere Rohrboden ist im Durchmesser größer ausgebildet und übernimmt somit die Dichtfunktion zwischen Mantel- und Verteilerraum. Die Rohre stellen den erfindungsgemäßen Körper in Form eines Rohrs aus drucklos gesintertem Siliciumcarbid dar, dessen Außenseite von Kohlen- stofffaserbündeln unter Vorspannung umspannt ist. Bei Temperaturerhöhung wird durch den negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kohlenstofffaser die Vorspannung der Armierung vorteilhaft gesteigert. Der Wärmetauscher arbeitet nun zuverlässiger und sicherer. Zusätzlich oder alternativ kann weiterhin der äußere und/oder innere Rohrboden aus drucklos gesintertem Siliciumcarbid be- stehen, welches von Kohlenstofffaserbündeln unter Vorspannung umspannt ist. Alternativ weisen die Rohre neben dem Siliciumcarbid-Rohr und dem Netzwerk Kohlenstofffaserbündeln zur Fixierung der beiden Elemente weiterhin ein vorstehend beschriebenes Klebersystem auf. Wenn das Klebersystem oxidationsbe- ständig ist, können im Serviceraum des daraus aufgebauten Wärmeüberträgers auch oxidierende Medien zur Kühlung oder Aufheizung genutzt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren erläutert, ohne diese auf sie einzuschränken. Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Körpers;
Figur 2 eine weitere schematische Seitenansicht des in Figur 1 gezeigten, erfindungsgemäßen Körpers, in der teilweise ein Querschnitt gezeigt ist;
Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 2, der in Figur 2 mit einer Strich- Punkt-Linie eingekreist und als III-III gekennzeichnet ist; und
Figur 4 einen Querschnitt durch einen Teilbereich eines weiteren erfindungsgemäßen Körpers. In Figur 1 ist eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Körpers 1 gezeigt. Körper 1 umfasst ein glattwandiges Rohr 3 aus drucklos gesintertem Siliciumcarbid. An seinen beiden Enden 5, 7 weist das Rohr 3 jeweils eine Öffnung auf, um zum Durchleiten von Fluiden geeignet zu sein. Das Rohr 3 ist mit Garnen 9 aus Kohlenstofffaserbündeln umwickelt, die unter hoher Vorspannung stehen und als Armierung des Rohres 3 dienen. Die Garne 9 weisen eine Phenolharzschicht (nicht gezeigt) auf, die als Haftschicht wirkt. Die Garne 9 sind derart um das Rohr 3 gewickelt, dass sie sich an vorbestimmten Stellen kreuzen, sodass sie ein Netzwerk ausbilden.
In Figur 2 ist eine weitere schematische Seitenansicht des in Figur 1 gezeigten, erfindungsgemäßen Körpers 1 dargestellt, in der teilweise ein Querschnitt gezeigt ist. In Figur 2 werden für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in Fi- gur 1 verwendet. In Figur 2 ist ebenfalls das glattwandige Rohr 3 mit den Rohrenden 5, 7 gezeigt, das von Garnen 9 aus Kohlenstofffaserbündeln mit Phenolharzschicht unter Vorspannung umwickelt ist. Der Teil der Querschnittsansicht zeigt weiterhin eine Rohrwand 13 des Rohres 3, die eine Innenseite 14 und eine Außenseite 15 aufweist. Die Innenseite 14 begrenzt den Hohlraum 1 1 des Rohrs 3, der in Längsrichtung unbegrenzt ist und an den Rohrenden 5, 7 in jeweils einer Öffnung endet. Durch den durch die Innenseite 14 begrenzten Hohlraum 1 1 kann ein Fluid geleitet werden. Die Garne 9 sind an der Außenseite 15 der Rohrwand 13 angeordnet. Figur 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 2, der in Figur 2 mit einer Strich-Punkt-Linie eingekreist und als III-III gekennzeichnet ist. In Figur 3 werden für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 2 verwendet. Durch die vergrößerte Ansicht ist erkennbar, dass die Garne 9 auf der Außenseite 15 der Rohrwand 13 angeordnet sind, während durch die Innenseite 14 der Rohrwand 13 der Hohlraum 1 1 gebildet wird.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Teilbereich eines weiteren erfindungsgemäßen Körpers 41 . Der erfindungsgemäße Körper 41 stellt ein glattwandiges Rohr 43 aus drucklos gesintertem Siliciumcarbid dar. Das Rohr 43 weist eine Rohrwand 413 auf, die eine Innenseite 414 und eine Außenseite 415 aufweist. Auf der Außenseite 415 der Rohrwand 413 ist ein Kleber 417 aus Phenolharz angeordnet, auf dem Garne 49 aus Kohlenstofffasern angeordnet sind. Der Kleber 417 befindet sich nur in Bereichen der Außenseite 415 der Rohrs 413, in denen die Garne 49 angeordnet sind. Der Kleber 417 dient zur Fixierung der Garne 49 auf der Außenseite 415 der Rohrwand 413. Das Rohr weist einen Hohlraum 41 1 auf, der durch die Innenseite 414 der Rohrwand 413 des Rohrs 43 begrenzt wird.

Claims

Patentansprüche
1 . Körper (1 , 41 ), der ein Keramikmaterial umfasst und zur Verwendung in einem Wärmetauscher und zur Durchleitung von Fluiden geeignet ist, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Außenseite (15, 415) des Körpers (3, 43) zumindest teilweise von mindestens zwei Faserbündeln (9, 49) in Längsrichtung und/oder Umfangrichtung umspannt ist und mit ihnen kraftschlüssig verbunden ist, wobei die Faserbündel (9, 49) vorgespannt sind und benachbarte Abschnitte der Faserbündel (9, 49) in einem vorbestimmten Abstand angeordnet sind.
2. Körper (1 , 41 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein rohrförmiger Körper oder Deckel ist, wobei sich in die Längsrichtung des Deckels eine Vielzahl von Löchern erstrecken, wobei die Faserbündel (9, 49) ein Netzwerk bilden.
3. Körper (1 , 41 ) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Abstand benachbarter Faserbündel/Durchmesser der Faserbündel 5 : 1 bis 10 : 1 beträgt.
4. Körper (1 , 41 ) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel (9, 49) Kohlenstofffaserbündel darstellen.
5. Körper (1 , 41 ) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial dicht gesintertes Silicium- carbid darstellt, das optional mindestens einen keramischen oder mineralischen Füllstoff enthält.
6. Körper (1 , 41 ) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kraftschlüssige Verbindung zwischen Faserbündeln (49) und Außenseite (415) ein Klebersystem (417) umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Klebern, die aus Phenolharz, Epoxidharz oder Polysilazanharzbasis aufgebaut sind und ggf. mit Silicium- and Silicium- carbid-Füllstoff gemischt sind.
7. Verfahren zur Herstellung eines Körpers (1 , 41 ), umfassend die Schritte a) Bereitstellen von einem Körper (3, 43), der ein Keramikmaterial umfasst und zur Verwendung in einem Wärmetauscher und zur Durchleitung von Fluiden geeignet ist, und
b) Umspannen von zumindest Abschnitten der Außenseite (15, 415) des Körpers (3, 43) mit mindestens zwei Faserbündeln (9, 49) unter einer vorbestimmten Vor- Spannung unter Ausbildung einer kraftschlüssigen Verbindung, wobei benachbarte Abschnitte der Faserbündel (9, 49) in einem vorbestimmten Abstand angeordnet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) Umspan- nen von zumindest Abschnitten der Außenseite (15, 415) des Körpers (3, 43) mit mindestens zwei Faserbündeln (9, 49) umfasst, sodass die Faserbündel (9, 49) in der Form eines Netzwerkes vorliegen.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) Umspannen von zumindest Abschnitten der Außenseite (15, 415) des Körpers (3, 43) mit mindestens zwei Faserbündeln (9, 49) umfasst, so dass das Verhältnis Abstand benachbarter Faserbündel/Durchmesser der Faserbündel 5 : 1 bis 10 : 1 beträgt.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt b) ein Klebersystem (417) auf den Körper (43) oder und/oder die Faserbündel (49) zumindest teilweise aufgebracht wird und anschließend gehärtet oder gebrannt wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebersystem (417) ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Klebern, die aus Phenolharz, Epoxidharz oder Polysilazanharzbasis aufgebaut sind und ggf. mit Silicium- and Siliciumcarbid-Füllstoff gemischt sind.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 7 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1 , 41 ) ein rohrförmiger Körper oder Deckel ist, wobei sich in die Längsrichtung des Deckels eine Vielzahl von Löchern erstrecken.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel (9, 49) Kohlenstofffaserbündel darstellen.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial dicht gesintertes Silicium- carbid darstellt, das optional mindestens einen keramischen oder mineralischen Füllstoff enthält.
15. Verwendung von einem Körper (1 , 41 ) nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6 als Rohr oder Rohrboden in einem Wärmetauscher.
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