EP3198214B1 - Wabenblock und hieraus hergestellte wärmetauscherelemente, insbesondere für rauchgasreinigungsanlagen von kraftwerken - Google Patents

Wabenblock und hieraus hergestellte wärmetauscherelemente, insbesondere für rauchgasreinigungsanlagen von kraftwerken Download PDF

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EP3198214B1
EP3198214B1 EP15780777.7A EP15780777A EP3198214B1 EP 3198214 B1 EP3198214 B1 EP 3198214B1 EP 15780777 A EP15780777 A EP 15780777A EP 3198214 B1 EP3198214 B1 EP 3198214B1
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EP
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honeycomb block
less
heat exchanger
honeycomb
accordance
Prior art date
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Michael Schlipf
Katja Widmann
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ElringKlinger AG
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D19/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium
    • F28D19/04—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium using rigid bodies, e.g. mounted on a movable carrier
    • F28D19/041—Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium using rigid bodies, e.g. mounted on a movable carrier with axial flow through the intermediate heat-transfer medium
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    • F28D19/044—Rotors; Assemblies of heat absorbing masses shaped in sector form, e.g. with baskets
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    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
    • F28F2255/06—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes composite, e.g. polymers with fillers or fibres

Definitions

  • the invention relates to a honeycomb block, in particular for the production of heat exchanger elements for flue gas cleaning systems of power plants, wherein the honeycomb block comprises a body made of a plastic material integrally formed with a plurality of mutually parallel flow channels, which are separated by channel walls, and a heat exchanger element under Use of honeycomb blocks according to the invention is made.
  • honeycomb blocks of the type mentioned and produced therefrom heat exchanger elements for use in flue gas cleaning systems of power plants are for example from the DE 195 12 351 C1 known.
  • the honeycomb blocks disclosed therein are made from a polytetrafluoroethylene regenerate alone or in admixture with another plastic and optionally contain fillers.
  • honeycomb blocks are sufficiently heat resistant and resistant to the corrosive components contained in the flue gases, but the mechanical strength is usually too low to use them economically. In addition, conditions are necessary in the production, which make the manufacturing process as such expensive.
  • Heat exchanger elements of such honeycomb blocks are provided in particular for use in so-called Ljungström heat exchangers. These are used in coal or gas fired power plants mainly in flue gas desulphurisation (REA) use. In addition to use in REA, Ljungström heat exchangers in power plants are also used to preheat the combustion air (LUVO) or to additionally heat the flue gases for optimum reaction conditions in the selective catalytic denitrification (SCR) modules.
  • REA flue gas desulphurisation plants
  • pure and raw gas flows are directed in opposite directions through a rotor, which is equipped with the heat exchanger elements. By doing Area in which raw or flue gas flows through the rotor, the heat exchanger elements are heated, the raw or flue gas cools down. In the region in which clean gas flows through the rotor in the reverse flow direction, the heat exchanger elements release energy to the clean gas, the temperature of which rises while the heat exchanger elements cool down again.
  • the object of the invention is to propose a honeycomb block, from the economic heat exchanger elements with sufficiently good mechanical properties can be manufactured, which meet the above requirements.
  • the virgin polytetrafluoroethylene (PTFE) in an amount of about 80 wt .-% or more and optionally a non-PTFE high performance polymer in a proportion of about 20 wt .-% or surprisingly, it is not only possible to produce honeycomb blocks under significantly less demanding production conditions than those in the DE 195 12 351 C1 honeycomb blocks according to the invention also have mechanical strength values, in particular for the tear strength and the elongation at break, which are considerably higher than those of conventionally manufactured honeycomb blocks. The same applies to heat exchanger elements produced from the honeycomb blocks according to the invention.
  • a virgin PTFE having a melting enthalpy of about 40 J / g or more is used as the plastic.
  • the density of preferred PTFE materials is about 2.1 g / cm 3 or more.
  • the virgin PTFE to be used in the present invention may have a co-monomer content of about 1 wt% or less, preferably about 0.1 wt% or less.
  • Virgin PTFE materials having such a co-monomer content are typically weldable without the addition of foreign material (e.g., PFA).
  • Typical co-monomers are hexafluoropropylene, perfluoroalkyl vinyl ether, perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole) and chlorotrifluoroethylene.
  • Sintered PTFE and this includes PTFE Regenerat to count, can be obtained due to the lower crystallinity compared to virginal PTFE only with particle sizes of about 400 microns or larger.
  • the primary particle size is referred to above since particle agglomerates of virgin PTFE with significantly larger particle sizes can also be processed, provided that the particle agglomerates decompose into their primary particles under the processing conditions.
  • particle agglomerates having particle sizes of from 100 ⁇ m to 3000 ⁇ m can be used if they break down into the primary particles at about 150 bar or less.
  • Suitable fillers include both non-metallic and metallic fillers, which can also be used in a mixture. Not only particulate fillers but also fibrous fillers come into question as fillers. In particular, both the thermal conductivity and the heat capacity of the plastic materials to be used according to the invention and optionally also the mechanical properties of the honeycomb block according to the invention can be optimized with the fillers.
  • the plastic material contains a non-metallic filler and / or a metallic filler, wherein the average particle size D 50 of the respective filler is preferably about 100 microns or less.
  • the particle size of the fillers will be about 2 ⁇ m to about 300 ⁇ m, preferably about 2 ⁇ m to about 150 ⁇ m, with regard to the desired uniform distribution in the plastic material.
  • the ratio of the average particle size D 50 of the primary particles of the plastic or of the plastics to the mean particle size D 50 of the fillers is preferably in the range from about 1: 2 to about 2: 1.
  • the non-metallic filler is present in a proportion of up to about 80 wt .-%, more preferably in a proportion of up to about 40 wt .-%, in certain embodiments, more preferably of up to about 35 wt .-% contained in the plastic material. Due to its higher density, proportions of up to about 90% by weight, preferably up to about 60% by weight, of the metallic filler may be contained in the plastic material.
  • the total volume fraction of the fillers in the plastic material may be at most about 90% by volume, but should preferably be about 50% by volume or less, more preferably about 40% by volume or less.
  • the plastic material processed into the honeycomb block has a tensile strength of about 10 N / mm 2 or more, measured according to ISO 12086-2 (EN ISO 12086-2: 2006-05) with a strip-shaped test specimen having a cross section of 1 ⁇ 5 mm 2 .
  • the tensile strength of the plastic material of the honeycomb block in these strip-shaped specimens is preferably 15 N / mm 2 or more, more preferably about 20 N / mm 2 or more, still more preferably about 25 N / mm 2 or more.
  • the tear strength will be about 35 N / mm 2 or less. Within the range of tear strengths defined above, higher values are achieved with plastic materials without fillers, and lower values with plastic materials with fillers.
  • the elongation at break of the plastic material processed to the honeycomb block measured according to ISO 12086-2 (EN ISO 12086-2: 2006-05) on a strip-shaped test specimen with a cross section of 1 ⁇ 5 mm 2 , is about 80% or more, in particular approximately
  • honeycomb blocks are available with very cleanable surfaces, for which purpose the average roughness Ra of the surfaces of the honeycomb block, measured according to DIN EN ISO 1302 in the longitudinal direction of the honeycomb block channels, about 10 microns or less, preferably about 5 microns or less.
  • the roughness depth Rz of the surfaces of the honeycomb block measured according to DIN EN ISO 1302 in the longitudinal direction of the flow channels of the honeycomb body, is approximately 50 ⁇ m or less, in particular approximately 40 ⁇ m or less, preferably approximately 30 ⁇ m or less , most preferably about 20 microns or less.
  • honeycomb blocks according to the invention preferably have a plastic material with a thermal conductivity of about 0.3 W / (m ⁇ K) or more.
  • honeycomb blocks according to the invention preferably have a plastic material with a heat capacity of about 0.9 J / (g ⁇ K) or more.
  • thermal conductivity and the heat capacity promote effective heat exchange between the heat exchanger elements formed from the honeycomb block and the flue gas flowing through, as well as the storage capacity of the heat exchanger element.
  • honeycomb blocks In the geometry of the honeycomb blocks according to the invention a variety of configurations are possible.
  • the flow channels have a polygonal, in particular a square or hexagonal, cross section.
  • the channel walls of the flow channels of the honeycomb block preferably have a thickness of about 0.8 mm to about 2 mm, more preferably up to about 1.6 mm.
  • the open cross-sectional area of the flow channels of a honeycomb block preferably sums up to about 75% or more of the base area of the honeycomb block.
  • honeycomb blocks of the present invention can be used either as such or in their geometry by cutting adapted as a heat exchanger element.
  • the heat exchanger elements which serve the assembly of a rotor, are typically required in several different dimensions of their bases.
  • the honeycomb blocks can be produced economically as units with a base of, for example, 440 mm x 450 mm and a height (corresponding to the flow channel length) of 150 mm.
  • the dimensions of the base are, for example, 510 mm x 525 mm at a height of 250 mm.
  • the flow channel geometry may, for example, have a hexagonal cross section with an edge length of approximately 7.2 mm.
  • a heat exchanger element in the geometry required in each case can be prepared in a simple manner using two or more inventive honeycomb blocks.
  • the two or more honeycomb blocks can be connected one behind the other in the longitudinal direction of the flow channels for varying the flow channel length.
  • the flow channels of the honeycomb blocks are preferably aligned in this case.
  • spacers can be placed between the honeycomb bodies, which ensure sufficient gas flow when the flow channels are not aligned. These can be mounted, for example, in the corner regions of the honeycomb body.
  • the connection of the spacer with the honeycomb body can be done mechanically, for example by means of positive and non-positive, or cohesively, for example by welding or gluing.
  • the honeycomb blocks are connected with the flow channels in parallel side by side to form a heat exchanger element.
  • connection of the honeycomb blocks to a heat exchanger element which can be handled as a whole can be effected mechanically, for example by means of a positive or non-positive connection, or cohesively, for example by gluing or welding.
  • the heat exchanger element can also be adapted in this case in its geometry to the requirements by cutting or Zusägen and in particular in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the flow channels are wedge-shaped.
  • honeycomb structures which have been severed during the blanking of the honeycomb blocks or honeycomb structures can readily be connected to a honeycomb block in the manner already described in order to produce further heat exchanger elements.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a coal power plant 10 with a burner 12 and a flue gas cleaning system 14.
  • the burner 12 comprises a boiler 16 with a combustion chamber 18, the coal via a fuel supply line 20 coal in ground form and via a supply line 22 combustion air is supplied.
  • a steam generator 24 is arranged in the boiler 16, in which for the operation of a steam turbine 26 water vapor is generated.
  • the steam turbine 26 drives a power generator, not shown.
  • the resulting during combustion of the coal in the combustion chamber 18 flue gas is removed via a flue gas pipe 28 from the boiler 16.
  • the combustion air is passed via the supply line 22 before feeding into the combustion chamber 18 of the boiler 16 via a heat exchanger 30 and heated there by the flue gas fed via the flue gas line 28.
  • the heat exchanger has a supply air region 32 and a flue gas region 34.
  • a rotor 36 is equipped with a heat storage and transmission medium available, which absorbs heat from the flue gas passed through there in the flue gas region 34 and emits the heat to the passing therethrough combustion air when passing the opposite supply air region 32.
  • the temperature of the flue gas sinks during passage through the heat exchanger 30, for example, from about 250 ° C to about 160 ° C, while the temperature of the supply air of ambient temperature, for example, increased to about 150 ° C.
  • the diameter of the rotor 36 is often in the range of 5 m to 25 m, depending on the required heat exchanger capacity.
  • the weight of a fully loaded with a heat storage and transmission medium rotor can be 1000 tons and more depending on the size, especially when only a conventional medium based on enameled steel sheets is used.
  • the cooled flue gas is fed to dedusting through line 29 to an electrostatic particle separator, hereinafter referred to as ESP unit 44 for short.
  • the treated (largely dusted) flue gas via a line 48 a regenerative heat exchanger 50, also called REGA-VO, fed, in which the processed flue gas, for example, from about 160 ° C to a temperature of about 90 ° C or lower is cooled further.
  • a regenerative heat exchanger 50 also called REGA-VO
  • the heat exchanger 50 contains a rotor 52 equipped with a heat storage and transmission medium, which receives the heat emitted by the dedusted flue gas, which is for this purpose passed through a first region 54 of the heat exchanger 50 and then fed via line 62 to a flue gas desulfurization system 64.
  • the temperature of the dedusted flue gas drops when passing through the first region 54 of the heat exchanger 50 from, for example, about 150 ° C to about 85 to about 90 ° C.
  • the desulfurized flue gas coming from the flue gas desulphurisation system 64 still has a temperature in the range of, for example, about 40 to about 50 ° C. and is conducted via the line 66 through a second region 56 of the heat exchanger 50 in countercurrent to the flue gas which has not yet been desulfurized and heated to about 90 to about 100 ° C.
  • a line 68 leads the desulfurized, reheated flue gas to the chimney 70.
  • the flue gas has a sufficiently large buoyancy to get out of the chimney into the atmosphere.
  • REA flue gas desulphurisation plant
  • SCR catalytic denitrification
  • Ljungström gas preheaters are used as heat exchangers, which are equipped with a rotor 36 and 52, the heat transport from the flue gas area to the supply air or from the first to the second Take over the area of the respective heat exchanger 30 and 50, respectively.
  • FIG. 2 schematically in the form of the disc-shaped rotor 100, whose diameter may be 20 m and more.
  • the volume of the disc-shaped rotor 100 is bounded by a cylindrical outer wall 102 and divided into a plurality of chambers 104, 105, 106, 107, 108, 109 with a substantially trapezoidal plan.
  • the division takes place on the one hand by means of a plurality of radially extending partitions 110, 112 and on the other by cylinder walls 114, 115, 116, 117, 118, 119 formed concentrically with the outer wall.
  • the chambers 104, 105, 106, 107, 108, 109 can be equipped with replaceable, size-adapted heat exchanger elements 130, which are formed from honeycomb blocks according to the invention.
  • Such honeycomb blocks or heat exchanger elements are interspersed with a plurality of flow channels which extend parallel to the axial direction of the rotor 100.
  • FIG. 3 shows a honeycomb block 150 according to the invention with a plurality of parallel flow channels 152, which are separated from each other by flow channel walls 154.
  • the cross-sectional area of the flow channels 152 is hexagonal. At a flow channel wall thickness of 1.2 mm results in a distance of the opposing flow channel walls of 14.3 mm (expansion of the channel walls in each case about 7.2 mm), a free cross section for the passage of gases through the honeycomb block 150 of about. 83% based on the base area of the honeycomb block 150.
  • the specific surface area is about 150 m 2 / m 3 .
  • Another embodiment with a footprint of 525 mm x 510 mm at a height of 250 mm has a weight of about 34 kg (Inoflon 230 PTFE virginal agglomerated).
  • a filler in the form of a graphite- or carbon-based heat-conducting pigment as part of a compounding added can be.
  • the resulting in the compounding and then agglomerated particles have a lower bulk density than the agglomerated virgin PTFE. Because of this, weights of about 11 kg and about 28 kg are then obtained in the honeycomb blocks in the above sizes.
  • the heat exchanger elements are often not manufactured in one piece, but it is depending on the required size several, for example two or four, cuboid honeycomb blocks connected to each other, in particular welded together, and then the heat exchanger elements are produced by cutting into the required wedge shape.
  • a honeycomb body 200 is shown which was obtained by welding four honeycomb blocks 202, 204, 206 and 208, wherein PFA foils (eg from PFA 6515NZ, Film thickness 50 ⁇ m, manufacturer Novoflon principless GmbH, Siegsdorf) were used in order to achieve a secure and mechanically loadable connection of the honeycomb blocks with each other.
  • PFA foils eg from PFA 6515NZ, Film thickness 50 ⁇ m, manufacturer Novoflon architectures GmbH, Siegsdorf
  • honeycomb blocks 202, 204, 206 and 208 with the dimensions 440 mm x 450 mm honeycomb body 200 with the dimensions 870 mm x 880 mm can be achieved.
  • honeycomb blocks 202, 204, 206 and 208 of the size 510 mm x 525 mm we obtain in this way honeycomb body 200 with the dimensions 1020 mm x 1030 mm.
  • FIG. 5 schematically shows the cutting of a cuboid honeycomb block or honeycomb body 250 to a heat exchanger element 252 with a trapezoidal base surface, as typically in the associated with the FIG. 1 described rotors 30, 50 or in which in connection with the FIG. 2 described rotor 100 is used as a heat exchanger element 130 or used there in the rotor chambers and for cleaning inline there remains or for off-line cleaning can be replaced again.
  • honeycomb block parts separated at the time of cutting can be further used and connected with further honeycomb blocks to heat exchanger elements, e.g. stick or weld.
  • the heat exchanger elements must be regularly cleaned due to the entry of corrosive gases and ash particles through the flue gas - even in its treated, dedusted form, so that the simple and safe handling of these elements on the one hand, but also the simple cleaning of the honeycomb on the other hand is of great importance.
  • the heat resistance of the PTFE material is also important in view of the temperatures of the flue gases occurring at the heat exchangers, for example about 250 ° C.
  • the parameters of the heat capacity and the thermal conductivity of the heat storage and transfer media used are of crucial importance.
  • the present invention also addresses these issues by selecting the plastic materials and optionally the fillers for making the heat exchanger elements or the honeycomb blocks made for making them.
  • honeycomb blocks are similar to those described in the DE 195 12 351 C1 be recommended for the second variant of the production of honeycomb blocks.
  • samples having the dimensions 1 mm ⁇ 5 mm in cross-section and a length of 60 mm were taken from the honeycomb blocks and subjected to the test method according to ISO 12086-2.
  • the free clamping length during the test was 23 mm.
  • the surface roughness values Ra and Rz were determined according to DIN EN ISO 1302 on wall surfaces of the obtained honeycomb blocks in the longitudinal direction of the flow channels.
  • a non-agglomerated virginal PTFE eg Inoflon 640
  • a filler 3% by weight
  • a compound granular granules
  • the non-free-flowing compound is subjected to granulation for producing agglomerated particles.
  • the particle size D 50 of the agglomerates achieved in this case can be, for example, in the range from about 1 to about 3 mm. Due to the thus formed agglomerates, which have a lower bulk density than the agglomerated virgin PTFE, results in a lower filling weight of the mold and consequently a lower specific gravity of the honeycomb blocks of about 300 kg / m 3 , although the agglomerate particles during pressing (pressing pressure of for example about 120 bar) disintegrate. This sintered material will also be referred to below as PTFE (black).
  • the heat exchanger elements according to the invention based on the material PTFE (white) or PTFE (black), can be compared to the use of heat storage and transmission media made of steel or enamelled steel in the so-called cold end layer achieve heat capacities that are more than twice as large at the same time significantly reduced specific weight, which is reflected not only in the handling of the media themselves, but also in the maintenance of the heat exchanger overall in economic benefits.
  • the plastic material used is an agglomerated virgin PTFE (Inoflon 230).
  • FIG. 6A shows two material samples in different magnification in comparison, in the case of FIG. 6A the material sample based on a mixture of Inoflon 510 (presintered PTFE) with a particle size D 50 of about 400 microns and a share of 3 wt .-% of a sauleitpigments (Timrex C-therm TM002) with a particle size D 50 in the range ca 38 ⁇ m was produced while in the case of FIG. 6B a material sample composed according to the invention based on a mixture of virgin non-agglomerated PTFE (Inoflon 640) having a primary particle size D 50 of about 25 ⁇ m and also 3% by weight of the same heat-conducting pigment was obtained.
  • a hollow cylindrical specimen having an outer diameter of 75 mm and an inner diameter of 40 mm was pressed at a pressure of about 250 bar, then sintered at a temperature of about 380 ° C for 240 min. Cooling from about 380 ° C to room temperature was carried out at a cooling rate of about 1 ° C / min, according to the specifications of the test standard ASTM D 4894.
  • the mechanical properties of the sample based on PTFE regrind are so insufficient that no heat exchanger elements that can be used in the long term during operation of a rotor can be produced.
  • This is of particular importance because, as such, the PTFE materials would allow very long service life of the heat exchanger elements due to their chemical inertness.
  • these extremely long service lives for example 15 years or more, can be guaranteed with the honeycomb blocks according to the invention or the heat exchanger elements produced therefrom.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wabenblock, insbesondere für die Herstellung von Wärmetauscherelementen für Rauchgasreinigungsanlagen von Kraftwerken, wobei der Wabenblock einen aus einem Kunststoffmaterial einstückig hergestellten Körper mit einer Vielzahl an parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen umfasst, die über Kanalwände voneinander getrennt sind, sowie ein Wärmetauscherelement, das unter Verwendung von erfindungsgemäßen Wabenblöcken hergestellt ist.
  • Wabenblöcke der eingangs genannten Art und hieraus hergestellte Wärmetauscherelemente für den Einsatz in Rauchgasreinigungsanlagen von Kraftwerken sind beispielsweise aus der DE 195 12 351 C1 bekannt. Die dort offenbarten Wabenblöcke werden aus einem Polytetrafluorethylen-Regenerat allein oder in Abmischung mit einem anderen Kunststoff hergestellt und beinhalten gegebenenfalls Füllstoffe.
  • Diese Wabenblöcke sind zwar ausreichend wärmebeständig und gegenüber den in den Rauchgasen enthaltenen korrosiv wirkenden Komponenten resistent, jedoch ist die mechanische Belastbarkeit in der Regel zu gering, um diese wirtschaftlich einsetzen zu können. In der Herstellung sind darüber hinaus Bedingungen notwendig, die den Herstellungsprozess als solchen teuer machen.
  • Wärmetauscherelemente aus solchen Wabenblöcken sind insbesondere für den Einsatz in sogenannten Ljungström-Wärmetauschern vorgesehen. Diese finden in kohle-oder gasbefeuerten Kraftwerken hauptsächlich in Rauchgasentschwefelungsanlagen (REA) Verwendung. Neben dem Einsatz im Bereich der REA werden Ljungström-Wärmetauscher in Kraftwerken auch noch zur Vorwärmung der Verbrennungsluft (LUVO) oder der zusätzlichen Erhitzung der Rauchgase für optimale Reaktionsbedingungen in den Modulen der selektiven katalytischen Entstickung (SCR) eingesetzt. Bei deren Einsatz in Rauchgasentschwefelungsanlagen (REA) werden Rein- und Rohgasströme räumlich getrennt gegenläufig durch einen Rotor geleitet, der mit den Wärmetauscherelementen bestückt ist. In dem Bereich, in dem Roh- oder Rauchgas durch den Rotor strömt, werden die Wärmetauscherelemente aufgeheizt, das Roh- oder Rauchgas kühlt dabei ab. In dem Bereich, in dem Reingas in umgekehrter Strömungsrichtung durch den Rotor strömt, geben die Wärmetauscherelemente Energie an das Reingas ab, dessen Temperatur dabei ansteigt, die Wärmetauscherelemente kühlen dabei wieder ab.
  • Bei der Abkühlung der Roh- oder Rauchgase können diese eine Temperatur unter dem sogenannten Taupunkt (TD) erreichen, unter dem der in dem Roh- oder Rauchgas enthaltene Wasserdampf kondensiert und sich zusammen mit Anteilen an SO3, HF und HCl auf den Oberflächen der Wärmetauscherelemente als hochkorrosive Mischung niederschlägt. Die Lage innerhalb eines Wärmetauscherrotors, in der bei üblichen Betriebsbedingungen der Taupunkt TD unterschritten wird, bezeichnet man als Kaltendlage.
  • Von den in diesen Bereichen des Rotors eingesetzten Wärmetauscherelementen wird deshalb neben der Temperaturbeständigkeit auch eine sehr hohe Korrosionsfestigkeit gefordert. Da die hochkorrosiven Niederschläge, typischerweise mit Ascherückständen vermischt, regelmäßig von den Wärmetauscherelementen entfernt werden müssen, ist eine einfache Handhabung und effiziente Möglichkeit zur Abreinigung der Wärmetauscherelemente ebenfalls von großer wirtschaftlicher Bedeutung.
  • Alternativ wurden in der DE 84 19 655 U1 plattenförmige Elemente zur Bildung von Wärmetauscherelementen vorgeschlagen, die auf plattenförmigen Keramikbauteilen aufbauen, welche mit einer Beschichtung aus Polytetrafluorethylen versehen sind.
  • Aufgrund der Keramikbauteile ist bei diesen Wärmetauscherelementen lediglich eine beschränkte Bruchfestigkeit und damit eine zu geringe Praxistauglichkeit gegeben.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wabenblock vorzuschlagen, aus dem wirtschaftlich Wärmetauscherelemente mit ausreichend guten mechanischen Eigenschaften gefertigt werden können, die die oben genannten Anforderungen erfüllen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wabenblock des Anspruchs 1 gelöst.
  • Aufgrund der Auswahl des Kunststoffmaterials, das einen Kunststoff umfasst, der virginales Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Anteil von ca. 80 Gew.-% oder mehr und gegebenenfalls ein von dem PTFE verschiedenes Hochleistungspolymer mit einem Anteil von ca. 20 Gew.-% oder weniger enthält, gelingt es überraschenderweise, Wabenblöcke nicht nur unter deutlich weniger anspruchsvollen Herstellungsbedingungen herzustellen als die in der DE 195 12 351 C1 beschriebenen Wabenblöcke, sondern die erfindungsgemäßen Wabenblöcke weisen darüber hinaus auch mechanische Festigkeitswerte, insbesondere für die Reißfestigkeit und die Reißdehnung, auf, die erheblich über denen herkömmlich gefertigter Wabenblöcke liegen. Gleiches gilt für aus den erfindungsgemäßen Wabenblöcken hergestellte Wärmetauscherelemente.
  • Vorzugsweise kommt als Kunststoff ein virginales PTFE mit einer Schmelzenthalpie von ca. 40 J/g oder mehr zum Einsatz.
  • Die Dichte von bevorzugten PTFE-Materialien beträgt ca. 2,1 g/cm3 oder mehr.
  • Das erfindungsgemäß einzusetzende virginale PTFE kann einen Co-Monomeranteil von ca. 1 Gew.-% oder weniger, bevorzugt ca. 0,1 Gew.-% oder weniger, aufweisen. Virginale PTFE-Materialien mit einem solchen Co-Monomeranteil sind typischerweise ohne Zusatz von Fremdmaterial (z.B. PFA) schweißbar. Typische Co-Monomere sind Hexafluorpropylen, Perfluoralkylvinylether, Perfluor-(2,2-dimethyl-1,3-dioxol) und Chlortrifluorethylen.
  • Erfindungsgemäß wird bevorzugt das virginale PTFE und gegebenenfalls das von dem PTFE verschiedene Hochleistungspolymer mit einer mittleren Primärpartikelgröße D50 von ca. 10 µm bis ca. 200 µm, bevorzugt ca. 10 µm bis ca. 100 µm, eingesetzt. Mit diesen Partikelgrößen lassen sich bei der Herstellung der Wabenblöcke insbesondere
    • gute Oberflächeneigenschaften, insbesondere geringe Rautiefen und eine leichte Abreinigbarkeit,
    • homogene Verteilungen der optional mit zu verarbeitenden Füllstoffe,
    • gute mechanische Eigenschaften mit hoher Reißfestigkeit und Reißdehnung,
    • selbst bei der Anwendung von niedrigen bis mittleren Pressdrücken gute mechanische Eigenschaften
    erzielen.
  • Gesintertes PTFE, und hierzu ist auch PTFE-Regenerat zu zählen, lässt sich aufgrund der geringeren Kristallinität gegenüber virginalen PTFE lediglich mit Partikelgrößen von ca. 400 µm oder größer erhalten.
  • Vorstehend wird auf die Primärpartikelgröße Bezug genommen, da auch Partikelagglomerate von virginalem PTFE mit erheblich größeren Teilchengrößen verarbeitbar sind, vorausgesetzt, die Partikelagglomerate zerfallen bei den Verarbeitungsbedingungen in ihre Primärpartikel. Beispielsweise lassen sich Partikelagglomerate mit Partikelgrößen von 100 µm bis 3000 µm einsetzen, wenn diese bei ca. 150 bar oder weniger in die Primärpartikel zerfallen.
  • Geeignete Füllstoffe beinhalten sowohl nichtmetallische als auch metallische Füllstoffe, die auch in einer Mischung eingesetzt werden können. Als Füllstoffe kommen nicht nur partikuläre Füllstoffe, sondern auch faserförmige Füllstoffe in Frage. Mit den Füllstoffen lassen sich insbesondere sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch die Wärmekapazität der erfindungsgemäß zu verwendenden Kunststoffmaterialien und gegebenenfalls auch die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Wabenblocks optimieren.
  • Bevorzugt enthält das Kunststoffmaterial einen nichtmetallischen Füllstoff und/ oder einen metallischen Füllstoff, wobei die mittlere Partikelgröße D50 des jeweiligen Füllstoffes vorzugsweise ca. 100 µm oder weniger beträgt.
  • Im Hinblick auf die bevorzugte Auswahl der Primärpartikelgröße der erfindungsgemäß zu verwendenden Kunststoffe wird die Partikelgröße der Füllstoffe im Hinblick auf die anzustrebende gleichmäßige Verteilung im Kunststoffmaterial ca. 2 µm bis ca. 300 µm, bevorzugt ca. 2 µm bis ca. 150 µm, betragen.
  • Das Verhältnis der mittleren Partikelgröße D50 der Primärpartikel des Kunststoffs oder der Kunststoffe zu der mittleren Partikelgröße D50 der Füllstoffe liegt vorzugsweise in dem Bereich von ca. 1:2 bis ca. 2:1.
  • Bevorzugt ist der nichtmetallische Füllstoff mit einem Anteil von bis zu ca. 80 Gew.-%, weiter bevorzugt mit einem Anteil von bis zu ca. 40 Gew.-%, bei bestimmten Ausführungsformen weiter bevorzugt von bis zu ca. 35 Gew.-% in dem Kunststoffmaterial enthalten. Von dem metallischen Füllstoff können aufgrund seiner höheren Dichte Anteile von bis ca. 90 Gew.-%, bevorzugt bis zu ca. 60 Gew.-% in dem Kunststoffmaterial enthalten sein.
  • Der gesamte Volumenanteil der Füllstoffe in dem Kunststoffmaterial kann maximal ca. 90 Vol.-% betragen, sollte aber bevorzugt ca. 50 Vol-% oder weniger betragen, weiter bevorzugt ca. 40 Vol-% oder weniger.
  • Bevorzugt weist das zu dem Wabenblock verarbeitete Kunststoffmaterial eine Reißfestigkeit von ca. 10 N/mm2 oder mehr auf, gemessen nach ISO 12086-2 (EN ISO 12086-2:2006-05) mit einem streifenförmigen Prüfkörper mit einem Querschnitt von 1 x 5 mm2. Die Reißfestigkeit des Kunststoffmaterials des Wabenblocks beträgt bei diesen streifenförmigen Probekörpern bevorzugt 15 N/mm2 oder mehr, weiter bevorzugt ca. 20 N/mm2 oder mehr, noch weiter bevorzugt ca. 25 N/mm2 oder mehr. Typischerweise wird die Reißfestigkeit ca. 35 N/mm2 oder weniger betragen. Innerhalb des vorstehend definierten Bereichs an Reißfestigkeiten werden mit Kunststoffmaterialien ohne Füllstoffe die höheren Werte und bei Kunststoffmaterialien mit Füllstoffen eher die niedrigeren Werte erzielt.
  • Bevorzugt beträgt die Reißdehnung des zu dem Wabenblock verarbeiteten Kunststoffmaterials, gemessen nach ISO 12086-2 (EN ISO 12086-2:2006-05) an einem streifenförmigen Probekörper mit einem Querschnitt von 1 x 5 mm2, ca. 80 % oder mehr, insbesondere ca.
  • 100 % oder mehr, weiter bevorzugt ca. 150 % oder mehr, am meisten bevorzugt ca. 200 % oder mehr.
  • Erfindungsgemäß sind Wabenblöcke mit sehr gut abreinigbaren Oberflächen erhältlich, wobei hierzu der Mittenrauwert Ra der Oberflächen des Wabenblocks, gemessen nach DIN EN ISO 1302 in Längsrichtung der Wabenblockkanäle, ca. 10 µm oder weniger, bevorzugt ca. 5 µm oder weniger, beträgt.
  • Vorzugsweise beträgt im Hinblick auf die Reinigbarkeit die Rautiefe Rz der Oberflächen des Wabenblocks, gemessen nach DIN EN ISO 1302 in Längsrichtung der Strömungskanäle des Wabenkörpers, ca. 50 µm oder weniger, insbesondere ca. 40 µm oder weniger, bevorzugt ca. 30 µm oder weniger, am meisten bevorzugt ca. 20 µm oder weniger.
  • Die erfindungsgemäßen Wabenblöcke weisen bevorzugt ein Kunststoffmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,3 W/(m · K) oder mehr auf.
  • Die erfindungsgemäßen Wabenblöcke weisen bevorzugt ein Kunststoffmaterial mit einer Wärmekapazität von ca. 0,9 J/(g · K) oder mehr auf.
  • Die vorstehend empfohlenen Werte für die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität begünstigen einen effektiven Wärmeaustausch zwischen den aus dem Wabenblock gebildeten Wärmetauscherelementen und dem durchströmenden Rauchgas sowie die Speicherfähigkeit des Wärmetauscherelements.
  • Bei der Geometrie der erfindungsgemäßen Wabenblöcke sind vielfältige Ausgestaltungen möglich.
  • Gemäß einer bevorzugten Geometrie weisen die Strömungskanäle einen polygonalen, insbesondere einen quadratischen oder hexagonalen, Querschnitt auf.
  • Die Kanalwände der Strömungskanäle des Wabenblocks weisen bevorzugt eine Dicke von ca. 0,8 mm bis ca. 2 mm, weiter bevorzugt bis ca. 1,6 mm auf.
  • Die offene Querschnittsfläche der Strömungskanäle eines Wabenblocks summiert sich vorzugsweise auf ca. 75 % oder mehr der Grundfläche des Wabenblocks.
  • Die Wabenblöcke der vorliegenden Erfindung können entweder als solche oder in ihrer Geometrie durch Zuschnitt angepasst als Wärmetauscherelement eingesetzt werden.
  • Die Wärmetauscherelemente, die der Bestückung eines Rotors dienen, werden typischerweise in mehreren unterschiedlichen Abmessungen ihrer Grundflächen benötigt.
  • Die Wabenblöcke lassen sich wirtschaftlich als Einheiten mit einer Grundfläche von beispielsweise 440 mm x 450 mm und einer Höhe (entsprechend der Strömungskanallänge) von 150 mm herstellen. In einer anderen Konfiguration betragen die Abmessungen der Grundfläche beispielsweise 510 mm x 525 mm bei einer Höhe von 250 mm. Die Strömungskanalgeometrie kann beispielsweise einen hexagonalen Querschnitt aufweisen mit einer Kantenlänge von ca. 7,2 mm.
  • Werden die Wärmetauscherelemente in größeren Abmessungen benötigt, kann in einfacher Weise ein Wärmetauscherelement in der jeweils benötigten Geometrie unter Verwendung zweier oder mehrerer erfindungsgemäßer Wabenblöcke hergestellt werden.
  • Hierzu können die zwei oder mehr Wabenblöcke in Längsrichtung der Strömungskanäle hintereinander zur Variation der Strömungskanallänge verbunden werden. Die Strömungskanäle der Wabenblöcke werden dabei vorzugsweise fluchtend ausgerichtet.
  • Alternativ können zwischen den Wabenkörpern Spacer platziert werden, die bei nicht fluchtend angeordneten Strömungskanälen einen ausreichenden Gasdurchfluss gewährleisten. Diese können z.B. in den Eckbereichen der Wabenkörper angebracht werden. Die Verbindung der Spacer mit dem Wabenkörper kann mechanisch, beispielsweise mittels Form- und Kraftschluss, oder stoffschlüssig erfolgen, beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben.
  • Wird eine Vergrößerung der Grundfläche angestrebt, werden die Wabenblöcke mit den Strömungskanälen parallel nebeneinander ausgerichtet zu einem Wärmetauscherelement verbunden.
  • Selbstverständlich kann auch eine Verbindung von mehreren Wabenblöcken zur Vergrößerung der Grundfläche und zur Verlängerung der Strömungskanäle kumulativ erfolgen.
  • Die Verbindung der Wabenblöcke zu einem als Ganzes handhabbaren Wärmetauscherelement kann mechanisch, beispielsweise mittels eines Form- oder Kraftschlusses, erfolgen, oder stoffschlüssig, beispielsweise durch Verkleben oder Verschweißen.
  • Das Wärmetauscherelement kann auch in diesem Fall in seiner Geometrie den Erfordernissen durch Zuschneiden oder Zusägen angepasst und insbesondere in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung der Strömungskanäle keilförmig ausgebildet werden.
  • Die bei einem Zuschnitt der Wabenblöcke oder Wabenkörper abgetrennten Teile der Wabenstrukturen lassen sich zur Herstellung weiterer Wärmetauscherelemente ohne Weiteres mit einem Wabenblock in der oben schon beschriebenen Weise verbinden.
  • Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der Zeichnung nachfolgend noch näher erläutert.
  • Es zeigen im Einzelnen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung eines Kohle-Kraftwerks mit einer Rauchgasreinigungsanlage;
    Figur 2
    eine schematische Darstellung eines Rotors zur Aufnahme erfindungsgemäßer Wärmetauscherelemente;
    Figur 3
    eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wabenblocks;
    Figur 4
    eine schematische Darstellung mehrerer miteinander zu einem größeren Wärmetauscherelement verbundenen Wabenblöcke der Figur 3;
    Figur 5
    eine schematische Darstellung eines in seiner Grundflächengeometrie keilförmig ausgebildeten erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementes; und
    Figuren 6A und 6B
    fotografische Abbildungen von Materialproben nach dem Stand der Technik und gemäß der vorliegenden Erfindung, jeweils mit Wärmeleitpigment.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kohlekraftwerks 10 mit einem Brenner 12 und einer Rauchgasreinigungsanlage 14. Der Brenner 12 umfasst einen Kessel 16 mit einem Brennraum 18, dem über eine Brennstoff-Versorgungsleitung 20 Kohle in gemahlener Form und über eine Zuleitung 22 Verbrennungsluft zugeführt wird. Oberhalb des Brennraums 18 ist in dem Kessel 16 ein Dampferzeuger 24 angeordnet, in dem zum Betrieb einer Dampfturbine 26 Wasserdampf erzeugt wird. Die Dampfturbine 26 treibt einen nicht dargestellten Stromgenerator an. Das bei der Verbrennung der Kohle im Brennraum 18 entstehende Rauchgas wird über eine Rauchgasleitung 28 aus dem Kessel 16 abgeführt.
  • Die Verbrennungsluft wird über die Zuleitung 22 vor dem Einspeisen in den Brennraum 18 des Kessels 16 über einen Wärmetauscher 30 geleitet und dort von dem über die Rauchgasleitung 28 eingespeisten Rauchgas aufgewärmt. Der Wärmetauscher weist einen Zuluftbereich 32 und einen Rauchgasbereich 34 auf. In dem Wärmetauscher 30 sind in vertikaler Richtung gesehen mehrere Temperaturzonen vorhanden, wobei die Zone, bei der die Temperatur des Rauchgases unter die Kondensationstemperatur (Taupunkt TD) sinkt, aufgrund der sich dann ergebenden Kondensationsprodukte besonders korrosionsgefährdet ist.
  • In dem Wärmetauscher 30 ist ein Rotor 36 mit einem Wärmespeicher- und -übertragungungsmedium bestückt vorhanden, das im Rauchgasbereich 34 Wärme von dem dort durchgeleiteten Rauchgas aufnimmt und beim Passieren des gegenüber liegenden Zuluftbereichs 32 die Wärme an die dort hindurchströmende Verbrennungsluft abgibt. Die Temperatur des Rauchgases sinkt beim Durchgang durch den Wärmetauscher 30 beispielsweise von ca. 250 °C auf ca. 160 °C, während sich die Temperatur der Zuluft von Umgebungstemperatur beispielsweise auf ca. 150 °C erhöht. Der Durchmesser des Rotors 36 liegt je nach benötigter Wärmetauscherkapazität häufig im Bereich von 5 m bis 25 m. Das Gewicht eines mit einem Wärmespeicher- und -übertragungsmedium voll bestückten Rotors kann je nach Größe 1000 Tonnen und mehr betragen, insbesondere wenn ausschließlich ein herkömmliches auf emaillierten Stahlblechen basierendes Medium zum Einsatz kommt.
  • Das abgekühlte Rauchgas wird zur Entstaubung durch die Leitung 29 einem elektrostatischen Partikelabscheider, im Folgenden kurz ESP-Einheit 44 genannt, zugeführt.
  • Nach der ESP-Einheit 44 wird das aufbereitete (großenteils entstaubte) Rauchgas über eine Leitung 48 einem regenerativen Wärmetauscher 50, auch kurz REGA-VO genannt, zugeführt, in dem das aufbereitete Rauchgas beispielsweise von ca. 160 °C auf eine Temperatur von ca. 90 °C oder niedriger weiter abgekühlt wird.
  • Der Wärmetauscher 50 enthält einen mit einem Wärmespeicher- und -übertragungsmedium bestückten Rotor 52, der die von dem entstaubten Rauchgas abgegebene Wärme aufnimmt, das hierfür durch einen ersten Bereich 54 des Wärmetauschers 50 hindurchgeleitet und danach über die Leitung 62 einer Rauchgasentschwefelungsanlage 64 zugeführt wird.
  • Die Temperatur des entstaubten Rauchgases sinkt beim Durchgang durch den ersten Bereich 54 des Wärmetauschers 50 von beispielsweise ca. 150 °C auf ca. 85 bis ca. 90 °C.
  • Das aus der Rauchgasentschwefelungsanlage 64 kommende entschwefelte Rauchgas weist immer noch eine Temperatur im Bereich von beispielsweise ca. 40 bis ca. 50 °C auf und wird über die Leitung 66 durch einen zweiten Bereich 56 des Wärmetauschers 50 im Gegenstrom zum noch nicht entschwefelten Rauchgas geführt und dadurch auf ca. 90 bis ca. 100 °C erwärmt.
  • Vom Wärmetauscher 50 führt eine Leitung 68 das entschwefelte, wieder erwärmte Rauchgas zum Schornstein 70. Durch die erneute Erwärmung auf ca. 90 bis ca. 100 °C weist das Rauchgas einen genügend großen Auftrieb auf, um aus dem Schornstein in die Atmosphäre zu gelangen.
  • Optional kann zwischen der Rauchgasentschwefelungsanlage (REA) und dem Schornstein 70 ein weiteres Modul (nicht angezeigt) in den Rauchgasstrom zur katalytischen Entstickung (SCR) des Rauchgases integriert sein. Auch dieses kann ähnlich wie die REA, mit einem Ljungströmwärmetauscher ausgerüstet sein um die Wirkung des Katalysators zu erhöhen.
  • Für die Zulufterwärmung und in Rauchgasentschwefelungsanlagen in dem gezeigten und in einer Vielzahl von anderen Konzepten werden als Wärmetauscher sogenannte Ljungström-Gasvorwärmer verwendet, die mit einem Rotor 36 bzw. 52 bestückt sind, die den Wärmetransport vom Rauchgasbereich zum Zuluftbereich bzw. vom ersten in den zweiten Bereich des jeweiligen Wärmetauschers 30 bzw. 50 übernehmen.
  • Einen solchen Rotor zeigt Figur 2 schematisch in Form des scheibenförmigen Rotors 100, dessen Durchmesser 20 m und mehr betragen kann. Das Volumen des scheibenförmigen Rotors 100 ist von einer zylindrischen Außenwand 102 begrenzt und in eine Vielzahl von Kammern 104, 105, 106, 107, 108, 109 mit im Wesentlichen trapezförmigem Grundriss unterteilt. Die Unterteilung erfolgt einerseits mittels mehrerer radial verlaufender Trennwände 110, 112 und andererseits mittels konzentrisch zur Außenwand ausgebildeter Zylinderwände 114, 115, 116, 117, 118, 119.
  • Die Kammern 104, 105, 106, 107, 108, 109 lassen sich mit austauschbaren, in der Größe angepassten Wärmetauscherelementen 130 bestücken, die aus erfindungsgemäßen Wabenblöcken gebildet sind. Solche Wabenblöcke bzw. Wärmetauscherelemente sind mit einer Vielzahl von Strömungskanälen durchsetzt, die parallel zur Axialrichtung des Rotors 100 verlaufen.
  • Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Wabenblock 150 mit einer Vielzahl von parallel zueinander ausgerichteten Strömungskanälen 152, welche voneinander durch Strömungskanalwände 154 getrennt sind.
  • Die Querschnittsfläche der Strömungskanäle 152 ist hexagonal. Bei einer Strömungskanalwanddicke von 1,2 mm ergibt sich bei einem Abstand der einander gegenüber liegenden Strömungskanalwände von 14,3 mm (Ausdehnung der Kanalwände jeweils ca. 7,2 mm) ein freier Querschnitt für das Durchströmen von Gasen durch den Wabenblock 150 von ca. 83 % bezogen auf die Grundfläche des Wabenblocks 150. Die spezifische Oberfläche ergibt sich zu ca. 150 m2/m3.
  • Betragen die Abmessungen einer Wabenblock-Grundfläche 450 mm x 440 mm und die Höhe 150 mm resultiert ein Gewicht des Wabenblocks von ca. 13 kg (beispielsweise aus Inoflon 230 PTFE virginal agglomeriert; Primärpartikelgröße D50 = 25 µm; Partikelgröße der Agglomerate D50 = 350 µm; Hersteller Gujarat Fluorochemicals Ltd., Indien).
  • Eine andere Ausführungsform mit einer Grundfläche von 525 mm x 510 mm bei einer Höhe von 250 mm weist ein Gewicht von ca. 34 kg auf (Inoflon 230 PTFE virginal agglomeriert).
  • Alternativ lässt sich nicht-agglomeriertes virginales PTFE (z.B. Inoflon 640; Partikelgröße D50 = 25 µm; Hersteller Gujarat Fluorochemicals Ltd., Indien) verwenden, dem bedarfsweise auch ein Füllstoff in Form eines Wärmeleitpigments auf Graphit- oder Rußbasis im Rahmen einer Compoundierung homogen verteilt beigegeben werden kann. Die bei der Compoundierung entstehenden und anschließend agglomerierten Partikel weisen eine geringere Schüttdichte auf als das agglomerierte virginale PTFE. Aufgrund dessen werden dann bei den Wabenblöcken in den oben genannten Größen Gewichte von ca. 11 kg bzw. ca. 28 kg erhalten.
  • Aus produktionstechnischen Gründen werden die Wärmetauscherelemente häufig nicht einstückig hergestellt, sondern es werden je nach der benötigten Größe mehrere, beispielsweise zwei oder vier, quaderförmige Wabenblöcke miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt, und dann werden durch Zuschneiden in die benötigte Keilform die Wärmetauscherelemente hergestellt.
  • In der Figur 4 ist beispielhaft ein Wabenkörper 200 gezeigt, der durch Verschweißen von vier Wabenblöcken 202, 204, 206 und 208 erhalten wurde, wobei an den miteinander in Kontakt stehenden Seitenwänden der einzelnen Wabenblöcke 202, 204, 206 und 208 PFA-Folien (z.B. aus PFA 6515NZ, Foliendicke 50 µm; Hersteller Novoflon Produktions GmbH, Siegsdorf) verwendet wurden, um eine sichere und mechanisch belastbare Verbindung der Wabenblöcke miteinander zu erzielen.
  • Mit dieser Technologie lassen sich aus vier Wabenblöcken 202, 204, 206 und 208 mit den Abmessungen 440 mm x 450 mm Wabenkörper 200 mit den Abmessungen 870 mm x 880 mm erzielen. Startet man mit Wabenblöcken 202, 204, 206 und 208 der Größe 510 mm x 525 mm, erhält man auf diese Weise Wabenkörper 200 mit den Abmessungen 1020 mm x 1030 mm.
  • In Figur 5 ist schematisch der Zuschnitt eines quaderförmigen Wabenblocks oder auch Wabenkörpers 250 zu einem Wärmetauscherelement 252 mit einer trapezförmigen Grundfläche gezeigt, wie es typischerweise in den im Zusammenhang mit der Figur 1 beschriebenen Rotoren 30, 50 bzw. in dem im Zusammenhang mit der Figur 2 beschriebenen Rotor 100 als Wärmetauscherelement 130 zum Einsatz kommt bzw. dort in die Rotorkammern eingesetzt und zur Reinigung inline dort verbleibt oder zur off-line-Reinigung auch wieder ausgetauscht werden kann.
  • Die bei dem Zuschnitt abgetrennten Wabenblockteile lassen sich weiter verwenden und mit weiteren Wabenblöcken zu Wärmetauscherelementen verbinden, z.B. verkleben oder verschweißen.
  • Die Wärmetauscherelemente müssen aufgrund des Eintrags korrosiver Gase und Aschepartikel durch das Rauchgas - auch in dessen aufbereiteter, entstaubter Form - regelmäßig gereinigt werden, so dass die einfache und sichere Handhabung dieser Elemente einerseits, aber auch die einfache Reinigung der Wabenstruktur andererseits von großer Bedeutung ist. Die Reißfestigkeit und die Reißdehnung (gemessen nach ISO 12086-2) der Wabenblockwände sowie deren Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere die Chemikalienbeständigkeit und die Rauigkeit, gemessen als Rautiefe und Mittenrauwert (gemessen nach DIN EN ISO 1302), spielen dabei eine große Rolle.
  • Auch die Wärmebeständigkeit des PTFE-Materials ist von Bedeutung im Hinblick auf die bei den Wärmetauschern auftretenden Temperaturen der Rauchgase von beispielsweise ca. 250 °C.
  • Für die Effektivität des die Wärmetauscherelemente beinhaltenden Rotors bei der Wärmeübertragung von dem einen Gasstrom auf den jeweils im Gegenstrom zugeführten Gasstrom sind die Parameter der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Wärmespeicher- und -übertragungsmedien von entscheidender Bedeutung.
  • Die vorliegende Erfindung trägt auch diesen Gesichtspunkten Rechnung durch die Auswahl der Kunststoffmaterialien und gegebenenfalls der Füllstoffe zur Herstellung der Wärmeaustauscherelemente bzw. der für die Herstellung derselben angefertigten Wabenblöcke.
  • Im Folgenden werden die erfindungsgemäß erzielbaren vorteilhaften Eigenschaften der Wabenblöcke bzw. der daraus hergestellten Wärmetauscherelemente anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen noch näher erläutert.
    • Beispiele und Vergleichsbeispiele
  • Die Werkzeuge, die in den erfindungsgemäßen und Vergleichsbeispielen zur Herstellung von Wabenblöcken verwendet wurden, sind vergleichbar mit denen, die in der DE 195 12 351 C1 für die zweite Variante der Herstellung der Wabenblöcke empfohlen werden.
  • Geeignete Bedingungen für die Verarbeitung der erfindungsgemäß verwendeten und herkömmlichen Kunststoffmaterialien zu Wabenblöcken mit im Zusammenhang mit der Beschreibung der Figur 3 genannten Abmessungen, die auch bei den nachfolgend noch beschriebenen erfindungsgemäßen Beispielen 1 bis 5 sowie den Vergleichsbeispielen zum Einsatz kommen, sind wie folgt:
    • Verpressen der in einer Wabenblock-Form eingefüllten Kunststoffmaterialien bei Raumtemperatur mit 250 bar (Beispiele 1 und 2 sowie die Vergleichsbeispiele V1 und V2) oder 120 bar (Beispiele 3 bis 6 und Vergleichsbeispiele V3 und V4) zu einem Rohling;
    • Sinterung der Rohlinge im Umluftofen bei ca. 380 °C für 500 min (alle Beispiele und Vergleichsbeispiele);
    • kontrolliertes Abkühlen der gesinterten Wabenblöcke von ca. 380 °C bis auf ca. 300 °C mit einer Abkühlrate von ca. 0,35 °C/min (Beispiele 2 und 4 bis 6 sowie Vergleichsbeispiele V2 und V4); nachfolgend kann schneller abgekühlt werden, beispielsweise mit ca. 0,5 °C/min;
    • kontrolliertes Abkühlen der gesinterten Wabenblöcke von ca. 380 °C auf ca. 320 °C mit einer Abkühlrate von ca. 0,35 °C/min (Beispiele 1 und 3 sowie Vergleichsbeispiele V1 und V3); nachfolgend wurde schneller abgekühlt mit ca. 10 °C/min.
  • Das schnellere Abkühlen bereits ab einer Temperatur von 320 °C ist, wie die Versuchsergebnisse zeigen, im Prinzip möglich, jedoch weniger empfehlenswert, da bei der Temperatur von 320 °C die Rekristallisierung des gelartig vorliegenden PTFE noch nicht erfolgt ist. Dies geschieht erst ab einer Temperatur von etwa 312 °C. Beginnt man bereits bei 320 °C mit dem schnellen Abkühlen, kann es zu einem unerwünschten, nicht kontrollierbaren Volumenschrumpf kommen, so dass die vorgegebene Bauteilgeometrie häufig nicht erhalten werden kann.
  • Zur Bestimmung der Reißfestigkeit und der Reißdehnung wurden aus den Wabenblöcken Proben mit den Abmessungen 1 mm x 5 mm im Querschnitt und einer Länge von 60 mm entnommen und dem Prüfverfahren nach ISO 12086-2 unterworfen. Die freie Einspannlänge bei der Prüfung betrug 23 mm.
  • Die Oberflächenrauigkeitswerte Ra und Rz wurden gemäß DIN EN ISO 1302 an Wandoberflächen der erhaltenen Wabenblöcke in Längsrichtung der Strömungskanäle bestimmt.
  • Bei der Verwendung von virginalem agglomeriertem PTFE-Material (z.B. Inoflon 230) und einem Pressdruck von 120 bar ergibt sich für die im Zusammenhang mit der Figur 3 beschriebenen Wabenblöcke 150 bzw. die daraus hergestellten Wärmetauscherelemente ein spezifisches Gewicht von 360 kg/m3. Dieses gesinterte Material wird im Folgenden auch mit PTFE (weiß) bezeichnet.
  • Wird dagegen ein nicht-agglomeriertes virginales PTFE (z.B. Inoflon 640) zusammen mit einem Füllstoff (3 Gew.-%) eines auf Graphit- bzw. Rußbasis hergestellten Wärmeleitpigments (z.B. Timrex C-therm TM002, Partikelgröße D50 = 38 µm; Hersteller TIMCAL Ltd., Schweiz) verwendet, so muss zuerst ein Compound (kornförmiges Granulat) aus dem nicht-agglomerierten virginalen PTFE und dem Füllstoff hergestellt werden, um eine homogene Verteilung des Füllstoffs in dem Kunststoffmaterial zu gewährleisten. Anschließend wird das nicht rieselfähige Compound einer Granulierung zur Herstellung agglomerierter Partikel unterworfen. Die dabei erzielte Partikelgröße D50 der Agglomerate kann beispielsweis im Bereich von ca. 1 bis ca. 3 mm liegen. Aufgrund der so gebildeten Agglomerate, die eine geringere Schüttdichte aufweisen als das agglomerierte virginale PTFE, ergibt sich ein geringeres Füllgewicht der Form und demzufolge ein geringeres spezifisches Gewicht der Wabenblöcke von ca. 300 kg/m3, obwohl die Agglomeratpartikel beim Verpressen (Preßdruck von beispielsweise ca. 120 bar) zerfallen. Auf dieses gesinterte Material wird im Folgenden auch unter der Bezeichnung PTFE (schwarz) Bezug genommen.
  • Erstaunlicherweise ergibt sich trotz des geringeren spezifischen Gewichts für die mit dem Füllstoff modifizierten PTFE-Materialien gegenüber den ungefüllten dichteren PTFE-Materialien eine etwas bessere Wärmekapazität, die darüber hinaus deutlich über der Wärmekapazität von Polypropylen oder auch von Stahl liegt und vergleichbar ist mit der Wärmekapazität von emailliertem Stahl (siehe Tabelle 1). Das erheblich geringere Gewicht der Wabenblöcke erleichtert darüber hinaus auch die Handhabung.
  • Die vorstehend genannten Materialien ergeben unterschiedliche Wärmetransportwerte pro Umdrehung eines Rotors mit einem Durchmesser von 21 m, die in der Tabelle 1 ebenfalls aufgelistet sind. Typische Rotorgeschwindigkeiten sind ca. 40 U/h bis ca. 90 U/h. Tabelle 1
    Material spezifisches Gewicht [kg/m3] Wärmekapazität [J/(g·K)] Wärmeleitfähigkeit [W/(m·K)] Wärmetransport pro Umdrehung [kJ/(m3·K)]
    PTFE (weiß) 360 1,01 0,35 364
    PTFE (schwarz) 300 1,24 0,43 372
    Polypropylen 150 2,0 0,22 300
    Stahl 850 0,46 40 391
    Email-beschichteter Stahl 850 0,50 8 425
  • Mit den erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementen, basierend auf dem Material PTFE(weiß) oder PTFE(schwarz), lassen sich gegenüber der Verwendung von Wärmespeicher- und -übertragungsmedien aus Stahl oder emailliertem Stahl in der sogenannten Kaltendlage Wärmekapazitäten erzielen, die mehr als doppelt so groß sind bei gleichzeitig erheblich reduziertem spezifischem Gewicht, was sich nicht nur in der Handhabung der Medien selbst, sondern auch in der Wartung der Wärmetauscher insgesamt in wirtschaftlichen Vorteilen niederschlägt. Für die im Folgenden erläuterten Beispiele 1 bis 5 kommt als Kunststoffmaterial ein agglomeriertes virginales PTFE (Inoflon 230) zum Einsatz.
  • Für die Vergleichsbeispiele wird statt des im Stand der Technik ( DE 195 12 351 C1 ) empfohlenen PTFE-Regenerats aus Gründen der Nacharbeitbarkeit ein vorgesintertes PTFE (Inoflon 510; Partikelgröße D50 = 400 µm; Hersteller Gujarat Fluorochemicals Ltd., Indien) verwendet, das in seinen Verarbeitungseigenschaften vergleichbar ist mit einem PTFE-Recyclat bzw. -Regenerat.
  • Die Versuchsergebnisse bezüglich unterschiedlicher Parameter sind für die Beispiele und Vergleichsbeispiele in der folgenden Tabelle 2 aufgelistet: Tabelle 2
    Beispiel Kunststofftyp Pressdruck [bar] Mechanische Eigenschaften Oberflächenrauigkeit
    Reißfestigkeit [N/mm2] Reißdehnung [%] Ra [µm] Rz [µm]
    V1 Inoflon 510 250 0,2 1 24 136
    V2 Inoflon 510 250 0,2 5 15 90
    V3 Inoflon 510 120 0,4 18 24 147
    V4 Inoflon 510 120 0,4 5 20 121
    1 Inoflon 230 250 18,2 172 1 9
    2 Inoflon 230 250 25,6 213 2 9
    3 Inoflon 230 120 22,1 219 1 10
    4 Inoflon 230 120 19,4 212 2 13
    5 Inoflon 230 120 21,8 254 2 12
    6 Inoflon 640 mit Füllstoff* 120 10,1 120 5 25
    *3 Gew.% Wärmeleitpigment (Timrex C-therm TM002)
  • Aus den Werten für die mechanischen Eigenschaften ergeben sich für die erfindungsgemäßen Wabenblöcke gegenüber den gemäß der DE 195 12 351 C1 hergestellten deutlich bessere Reißfestigkeiten, und zwar auch bei einem weniger als halb so hohen Pressdruck wie im Stand der Technik empfohlen und auch in großem Umfang unabhängig von dem gewählten Abkühltemperaturprofil.
  • Darüber hinaus erzielt man bei den erfindungsgemäßen Wabenblöcken wesentlich glattere Oberflächen, die eine viel einfachere Abreinigung von Ablagerungen aus den Rauchgasen möglich machen.
  • Damit ist nicht nur die Handhabung der Wabenblöcke bzw. der daraus hergestellten Wärmetauscherelemente aufgrund der wesentlich verbesserten mechanischen Robustheit verbessert, sondern die Reinigung kann auch effizienter und kostengünstiger vorgenommen werden.
  • In der Summe ergibt sich somit ein wesentlich wirtschaftlicherer Betrieb der erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente gegenüber den in der DE 195 12 351 C1 vorgeschlagenen, selbst unter Berücksichtigung der höheren Kosten für die Ausgangsmaterialien zur Herstellung derselben.
  • Die Figuren 6A und 6B zeigen zwei Materialproben in unterschiedlicher Vergrößerung im Vergleich, wobei im Falle der Figur 6A die Materialprobe auf der Basis einer Mischung von Inoflon 510 (vorgesintertes PTFE) mit einer Partikelgröße D50 von ca. 400 µm und einem Anteil von 3 Gew.-% eines Wärmeleitpigments (Timrex C-therm TM002) mit einer Partikelgröße D50 im Bereich ca. 38 µm hergestellt wurde, während im Falle der Figur 6B eine erfindungsgemäß zusammengesetzte Materialprobe auf der Basis einer Mischung von virginalem nicht-agglomeriertem PTFE (Inoflon 640) mit einer Primärpartikelgröße D50 von ca. 25 µm und ebenfalls 3 Gew.-% desselben Wärmeleitpigments erhalten wurde.
  • In beiden Fällen wurde ein hohlzylindrischer Prüfkörper mit einem Außendurchmesser von 75 mm und einem Innendurchmesser von 40 mm mit einem Druck von ca. 250 bar gepresst, danach bei einer Temperatur von ca. 380 °C während 240 min gesintert. Das Abkühlen von ca. 380 °C bis auf Raumtemperatur erfolgte mit einer Abkühlrate von ca. 1 °C/min, entsprechend den Vorgaben des Prüfstandards ASTM D 4894.
  • Von den zylindrischen Probekörpern wurden Scheiben mit einer Dicke von 1 mm abgetrennt und unter dem Messmikroskop geprüft (siehe Abbildungen der Figuren 6A und 6B).
  • Während im Fall der erfindungsgemäß zusammensetzen Probe von dem zylindrischen Prüfkörper eine Folie mit einer Dicke von 1 mm abgeschält werden konnte, war die mechanische Festigkeit und Konsistenz der Vergleichsprobe so gering, dass eine Folie nicht abgeschält werden konnte.
  • Aus dem Vergleich der beiden Proben, wie in den Figuren 6A und 6B dargestellt, ist insbesondere in der Vergrößerung ersichtlich, dass mit einem PTFE-Regenerat oder vergleichbaren vorgesinterten PTFE-Qualitäten als Ausgangsmaterial zum einen keine homogene Verteilung des Wärmeleitpigments in der Mischung erhalten werden kann.
  • Zum anderen sind die mechanischen Eigenschaften der auf PTFE-Regranulat basierenden Probe so unzureichend, dass keine im Betrieb eines Rotors längerfristig einsetzbaren Wärmetauscherelemente herstellbar sind. Dies ist von besonderer Bedeutung, da die PTFE-Materialien als solche aufgrund ihrer chemischen Inertheit sehr lange Betriebsdauern der Wärmtauscherelemente zulassen würden. Diese extrem langen Betriebsdauern, beispielsweise 15 Jahre oder mehr, lassen sich allerdings mit den erfindungsgemäßen Wabenblöcken bzw. den daraus hergestellten Wärmetauscherelementen gewährleisten.

Claims (15)

  1. Wabenblock (150), insbesondere für die Herstellung von Wärmetauscherelementen für Rauchgasreinigungsanlagen von Kraftwerken, wobei der Wabenblock (150) einen aus einem Kunststoffmaterial einstückig hergestellten Körper mit einer Vielzahl an parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen (152) umfasst, die über Kanalwände voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial einen Kunststoff umfasst, der virginales Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Anteil von ca. 80 Gew.-% oder mehr und gegebenenfalls ein von dem PTFE verschiedenes Hochleistungspolymer mit einem Anteil von ca. 20 Gew.-% oder weniger enthält.
  2. Wabenblock (150) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das virginale PTFE einen Co-Monomeranteil von ca. 1 Gew.-% oder weniger, bevorzugt ca. 0,1 Gew.-% oder weniger, aufweist.
  3. Wabenblock (150) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das virginale PTFE und gegebenenfalls das von dem PTFE verschiedene Hochleistungspolymer eine mittlere Primärpartikelgröße D50 von ca. 10 µm bis ca. 200 µm, bevorzugt ca. 10 µm bis ca. 100 µm, aufweist.
  4. Wabenblock (150) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittenrauwert Ra der Oberflächen des Wabenblocks, gemessen in Längsrichtung der Wabenblockkanäle, ca. 10 µm oder weniger, insbesondere 5 µm oder weniger, beträgt.
  5. Wabenblock (150) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rautiefe Rz der Oberflächen des Wabenblocks, gemessen in Längsrichtung der Strömungskanäle des Wabenblocks, ca. 50 µm oder weniger, insbesondere ca. 40 µm oder weniger, bevorzugt ca. 30 µm oder weniger, weiter bevorzugt ca. 20 µm oder weniger, beträgt.
  6. Wabenblock (150) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reißfestigkeit des Kunststoffmaterials des Wabenblocks, gemessen nach ISO 12086-2 an einem streifenförmigen Probekörper mit einem Querschnitt von 1 x 5 mm2, ca. 10 N/mm2 oder mehr, bevorzugt ca. 15 N/mm2 oder mehr, weiter bevorzugt ca. 20 N/mm2 oder mehr, am meisten bevorzugt ca. 25 N/mm2 oder mehr, jedoch vorzugsweise ca. 35 N/mm2 oder weniger, beträgt.
  7. Wabenblock (150) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reißdehnung des Kunststoffmaterials des Wabenblocks (150), gemessen nach ISO 12086-2 an einem streifenförmigen Probekörper mit einem Querschnitt von 1 x 5 mm2, ca. 80 % oder mehr, insbesondere ca. 100 % oder mehr, weiter bevorzugt ca. 150 % oder mehr, am meisten bevorzugt ca. 200 % oder mehr, beträgt.
  8. Wabenblock (150) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial einen nichtmetallischen Füllstoff und/oder einen metallischen Füllstoff umfasst, wobei die Partikelgröße D50 des jeweiligen Füllstoffes vorzugsweise ca. 100 µm oder weniger beträgt, wobei optional der nicht-metallische Füllstoff mit einem Anteil von bis zu ca. 80 Gew.-%, bevorzugt von bis zu ca. 40 Gew.-%, weiter bevorzugt von ca. 35 Gew.-% oder weniger in dem Kunststoffmaterial enthalten ist, und/oder der metallischen Füllstoff mit einem Anteil von ca. 90 Gew.-% oder weniger, bevorzugt ca. 60 Gew.-% oder weniger in dem Kunststoffmaterial enthalten ist.
  9. Wabenblock (150) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Volumenanteil der nichtmetallischen und metallischen Füllstoffe ca. 90 Vol.-% oder weniger, bevorzugt ca. 50 Vol.-% oder weniger, weiter bevorzugt ca. 40 Vol.-% oder weniger beträgt.
  10. Wabenblock (150) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial des Wabenblocks (150) eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,3 W/(m·K) oder mehr aufweist.
  11. Wabenblock (150) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial des Wabenblocks (150) eine Wärmekapazität von ca. 0,9 J/(g·K) oder mehr aufweist.
  12. Wabenblock (150) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwände der Strömungskanäle des Wabenblocks (150) eine Dicke von ca. 0,8 mm bis ca. 2 mm, bevorzugt bis ca. 1,6 mm aufweisen.
  13. Wärmetauscherelement (252), hergestellt unter Verwendung von zwei oder mehreren Wabenblöcken gemäß den Ansprüchen 1 bis 12.
  14. Wärmetauscherelement (252) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oder mehr Wabenblöcke in Längsrichtung der Strömungskanäle hintereinander und/oder mit den Strömungskanälen parallel nebeneinander ausgerichtet in dem Wärmetauscherelement angeordnet sind.
  15. Wärmetauscherelement (252) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung der Strömungskanäle keilförmig ausgebildet ist.
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