EP3405732A1

EP3405732A1 - Neuartiger waermeuebertrager

Info

Publication number: EP3405732A1
Application number: EP17700833.1A
Authority: EP
Inventors: Martin Christ; Arash RASHIDI; Bastian Hudler; Martin Kucher; Klaus BALDERMANN; Thomas Koeck
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2017-01-19
Publication date: 2018-11-28
Also published as: WO2017125490A1; DE202016000316U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen neuartigen Wärmeübertrager und dessen Verwendung.

Description

NEUARTIGER WAERMEUEBERTRAGER

Die Erfindung betrifft einen neuartigen Wärmeübertrager und dessen Verwendung. Wärmeübertrager werden insbesondere im Bereich Heizungstechnik, vorzugsweise als Gas/Flüssig-Wärmeübertrager eingesetzt. Es ist bekannt, Wärmeübertragerelemente von Wärmeübertragern in den verschiedensten Werkstoffen, wie z.B. Metalle oder Kunststoffe, auszuführen. Für beispielsweise korrosive Medien werden

Wärmeübertragerelemente aus mit Phenolharz imprägniertem Graphit benutzt. Gemäß dem Stand der Technik (Chemische Industrie Heft 5, 1993, S. 24-27) wird dazu ein massiver synthetischer Graphitblock verwendet, mechanisch in der Weise bearbeitet wird, dass Kanäle für eine primäre und eine sekundäre Seite entstehen, in denen Rauchgas bzw. Wasser geführt werden kann. Das heiße Rauchgas gibt dabei die Energie an das Wasser ab und wärmt dieses vor. Der Graphitblock agiert dabei als korro- sionsfester Wärmeübertrager in z.B. Heizungsanlagen, um eine energieeffiziente Abkühlung des Rauchgases unterhalb des Taupunktes zu ermöglichen. Um Leckagen zwischen den beiden Seiten auszuschließen, muss der poröse Graphitblock mit einem Phenolharz imprägniert und damit gas- und flüssigkeitsdicht gemacht werden. Durch die relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit des synthetischen Graphits ist die Geometrievariabilität dieses Wärmeübertragers sehr stark begrenzt; schmale Stege und filigrane Strukturen sind ohne additive Fertigung nicht darstellbar. Somit sind kompakte Blockvarianten nicht möglich, obwohl diese u.a. wegen einer größeren Oberfläche sehr vorteilhaft wären.

Durch die hohe Restporosität des verwendeten Graphits muss der synthetische Graphit grundsätzlich mit einem Harz nachverdichtet werden, so dass hohe Kosten auftreten. Die DE 24 06 522 U zeigt einen Plattenwärmetauscher mit wärmetauschenden Elementen und Stützen. Die Fertigung eines derartigen Plattenwärmetauschers ist aufwändig und kostenintensiv. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Geometrievariabilität von Wärmeübertragern zu erhöhen, sowie die Herstellungskosten und die Umweltbelastung zu senken.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Wärmeübertrager, umfassend einen Stapel von parallelen, plattenförmigen Wärmeaustauschelementen (A), zum Wärmeübertrag von einem ersten Medium zu einem zweiten Medium und mindestens zwei Abstandshaltern (B), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschelemente (A) und die mindestens zwei Abstandshalter (B) aus Graphitfolien und/oder imprägnierten Graphitfolien bestehen und die Strömungen des ersten Mediums und des zweiten Mediums als Kreuzströmung angeordnet sind.

Im Rahmen dieser Erfindung wird unter einem Stapel von parallelen, plattenförmigen Wärmeaustauschelementen (A) eine Anzahl von mindestens zwei parallelen, plattenförmigen Wärmeaustauschelementen (A) verstanden, wobei die mindestens zwei pa- rallelen, plattenförmigen Wärmeaustauschelemente (A) in direktem Kontakt übereinander liegen können.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager gibt es keinen Graphitkern aus einem synthetischen Graphitblock, sondern einen Kern aus einzelnen, gestapelten Graphitfo- lien. Durch die gezielte Ausnutzung der hohen Wärmeleitfähigkeit der Graphitfolie in der Ebene lässt sich beispielsweise die Wärme eines Gasstroms hocheffektiv an Wasser als Wärmeübertragerfluid ableiten, wodurch sich hochkompakte Bauformen realisieren lassen. Die Graphitfolie gemäß der vorliegenden Erfindung kann entweder aus expandiertem Graphit oder synthetischem Graphit hergestellt werden.

Zur Herstellung von Graphitfolie wird expandierter Graphit zu Graphitfolien ausgewalzt. Graphitfolien sind für Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten undurchlässig und in oxidierend wirkenden Gasen wie z.B. Luft bis etwa 500 °C beständig.

Zur Herstellung von expandiertem Graphit mit einer wurmförmigen Struktur wird üblicherweise Graphit, wie Naturgraphit, mit einem Interkalaten wie beispielsweise Salpetersäure oder Schwefelsäure vermischt und bei einer erhöhten Temperatur von bei- spielsweise 600° - 1200°C wärmebehandelt (DE 10003927A1 ).

Expandierter Graphit stellt einen Graphit dar, der im Vergleich zu natürlichem Graphit in der Ebene senkrecht zu den Hexagonalen Kohlenstoffschichten beispielsweise um den Faktor 80 oder mehr expandiert ist. Aufgrund der Expansion zeichnet sich expandierter Graphit durch eine hervorragende Formbarkeit und gute Verzahnbarkeit aus. Expandierter Graphit kann in Folienform verwendet werden, wobei bevorzugt eine Graphitfolie mit einer Dichte von 1 ,3 bis 2,0 g/cm³ verwendet wird. Eine Graphitfolie in diesem Dichtebereich weist Wärmeleitfähigkeiten von 300 W/(m-K) bis 500 W/(m-K) auf. Die Wärmeleitfähigkeit wird mittels der Angström-Methode („Angström's Method of

Measuring Thermal Conductivity"; Amy L. Lytle; Physics Department, The College of Wooster, Theses) bestimmt.

Vorteilhafterweise beträgt die Dicke der Graphitfolie aus expandiertem Graphit 100 μηη - 3,0 mm, bevorzugt 0,5 mm - 2,0 mm, besonders bevorzugt 1 ,0 mm - 1 ,5 mm. Weiterhin kann Graphitfolie auch über eine synthetische Prozessroute hergestellt werden. Wird beispielsweise Polyimidfolie carbonisiert und anschließend bei bis zu 3000 °C graphitiert, erhält man eine synthetische Graphitfolie mit Wärmeleitfähigkeiten in der Folienebene von bis zu 1500 W/(m-K). Vorteilhafterweise beträgt die Dicke der Graphitfolie aus synthetischem Graphit 25 μηη - 50 μηη.

Der Vorteil von synthetischem Graphit ist, dass die Herstellung dünnerer Graphitfolien im Vergleich zu expandiertem Graphit möglich ist.

Vorteilhafterweise werden die Graphitfolien mit Harz, bevorzugt Acrylatharz oder Furanharz imprägniert. Die Imprägnierung ermöglicht eine zusätzliche Abdichtung zur Vermeidung von einem unerwünschten Kontakt und somit einer Reaktion des ersten Mediums mit dem zweiten Medium, höhere Festigkeit der Graphitfolien und verhindert eine unerwünschte Medienaufnahme in die Graphitfolie.

Vorteilhafterweise kann der Wärmeübertrager sowohl aus expandierten Graphitfolien oder synthetischen Graphitfolien oder einer Kombination hieraus bestehen. Beispiels- weise kann der Stapel der Wärmeaustauschelemente (A) abwechselnd expandierte Graphitfolie und synthetische Graphitfolie umfassen.

Im Rahmen dieser Erfindung werden bei einer Kreuzströmung die Ströme der Medien so geführt, dass sich ihre Richtungen kreuzen, bevorzugt senkrecht zueinander verlau- fen.

Vorteil der Kreuzströmung ist die optimale Ausnutzung der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten der Graphitfolie in paralleler sowie in senkrechter Richtung bei der Wärmeübertragung von einem ersten Medium auf ein zweites Medium. Somit ist eine kom- pakte Bauweise des Wärmeübertragers möglich.

In der vorliegenden Erfindung verläuft die Strömung (S1 ) des ersten Mediums entlang den parallelen, plattenförmigen Wärmeaustauschelementen (A) zwischen Abstandshalter (B) (siehe Figur 4). Die Strömung (S2) des zweiten Mediums verläuft entlang von Bohrungen (D), die sowohl durch die Wärmeaustauschelemente (A) als auch durch Abstandshalter (B) verlaufen (siehe Figur 4). Vorteilhafterweise verlaufen diese Bohrungen (D) senkrecht zu der Ebene der parallelen, plattenförmigen Wärmeaustauschelemente (A).

Eine bevorzugte Ausführungsform ist eine mäanderförmige Umlenkung der Strömung (S2) des zweiten Mediums an den Bohrungen (D). Mithilfe einer mäanderförmigen Um- lenkung der Strömung kann der Druckverlust sowie die Fließgeschwindigkeiten individuell auf die jeweilige Anwendung eingestellt werden und ermöglicht somit eine optimale Dimensionierung des Wärmeübertrager.

Je kleiner die Bohrung (D), desto höher ist der Druckverlust in der Strömung (S2) des zweiten Mediums. Je größer die Bohrung (D), desto größer ist die

Wärmeübertragerfläche.

Die Wärmeübertragung erfolgt von dem ersten Medium entlang der parallel angeordneten Stapel von Graphitfolie als Wärmeaustauschelemente (A) an das zweite Medium, wobei die Wärme nach außen in der Ebene der Wärmaustauschelemente (A) zu dem durch die Bohrungen (D) strömenden zweiten Medium abgeführt wird.

Erfindungsgemäß sind zwischen den einzelnen parallelen, plattenförmigen Wärmeaustauschelementen (A) mindestens zwei Abstandshalter (B) platziert, die einen Abstand zwischen den Wärmeaustauschelementen (A) und somit einen Zwischenraum (E) für die Strömung des ersten Mediums bilden. Diese Abstandshalter (B) begrenzen seitlich die Zwischenräume (E) für die Strömung (S1 ) des ersten Mediums. Dadurch wird eine gleichförmige Strömungsgeschwindigkeit des ersten Mediums ohne Druckverlust ermöglicht. Vorteilhafterweise sind zwischen den einzelnen parallelen, plattenförmigen Wärmeaustauschelementen (A) mindestens zwei Stapel aus Abstandshaltern (B) vorhanden.

Im Rahmen dieser Erfindung wird unter einem Stapel von Abstandshaltern (B) eine An- Ordnung von mindestens zwei Abstandshaltern (B) direkt übereinander verstanden.

Der erfindungsgemäße Abstand zwischen den Wärmeaustauschelementen (A) beträgt bevorzugt 0,3 mm bis 5,0 mm. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand 0,5 mm bis 1 ,5 mm. Ein Abstand kleiner 0,3 mm ist nicht sinnvoll, da dann die Graphitfolie zu schwer handhabbar und der Druckverlust in der Strömung (S1 ) unerwünscht hoch ist. Ein Abstand von größer 5,0 mm ist nicht sinnvoll, da ein gefräster Wärmeübertrager aus einem Graphitblock bei dieser Größe einfacher herzustellen ist als ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager. Erfindungsgemäß ist mindestens eine Bohrung (D) angebracht, die sowohl die Wärmeaustauschelemente (A) als auch die mindestens zwei Abstandshalter (B) durchläuft und somit einen oder mehrere Kanäle für die Strömung (S2) des zweiten Mediums bildet. Durch die erfindungsgemäße mindestens eine Bohrung (D) stehen die Wärmeaustauschelemente (A) und die Abstandshalter (B) in direktem Kontakt zu dem zweiten Medium. Dies ermöglicht den Wärmeübertrag von dem ersten Medium auf das zweite Medium.

Vorteilhafterweise sind die mindestens zwei Abstandshalter (B) an äußeren Rändern der Wärmeaustauschelemente angeordnet. Entsprechend der vorliegenden Erfindung schließen die Abstandshalter (B) seitlich Kante an Kante mit den plattenförmigen Wärmeaustauschelementen (A) ab. Die mindestens zwei Abstandshalter (B) sind an zwei gegenüberliegenenden Seiten zwischen den Wärmeaustauschelementen (A) angebracht.

Die Abstandshalter (B) dienen zudem als Abdichtung zwischen den einzelnen Wärme- austauschelementen (A), wodurch keine zusätzliche Dichtung erforderlich ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind innenliegende Abstandshalter (C) angebracht. Unter innenliegend wird der Bereich zwischen den mindestens zwei Abstandshaltern (B) verstanden. Die innenliegenden Abstandshalter (C) können zwischen den einzelnen Wärmeaustauschelementen (A) angeordnet sein. Vorteilhafterweise sind die innenliegenden Abstandshalter (C) mittig in diesem Bereich angeordnet. Dadurch wird ein Durchhängen der Wärmeaustauschelemente (A) verhindert und eine gleichmäßige Strömung (S1 ) ermöglicht. Vorteilhafterweise bestehen die innenliegenden Abstandshalter (C) aus Graphitfolien und/oder imprägnierten Graphitfolien.

Die Anzahl an Bohrungen (D), Abstandshaltern (B), Abstandshaltern (C) und

Wärmeauschtauschelementen (A) hängen von der Verwendung ab.

Vorteilhafterweise wird der Wärmeübertrager im Bereich Heizungstechnik als

Gas/Flüssig-Wärmeübertrager eingesetzt.

Die Geometrie des Wärmeübertragers, wie Länge, Breite, Zwischenräume (E) zwischen den Wäremaustauschelementen (A), sowie Anzahl und Position der Bohrungen (D) sind frei anpassbar. Somit weist der erfindungsgemäße Wärmeübertrager eine hohe Flexibilität im Aufbau auf.

Durch die sehr hohe Wärmeleitfähigkeit der Graphitfolien (basierend auf expandiertem Graphit bis zu 500 W/m-K, synthetische Graphitfolien bis zu 1500 W/m-K) lässt sich der erfindungsgemäße Wärmeübertrager variabel und höchstkompakt konstruieren. Er kann für ein vielfältiges Anwendungsspektrum eingesetzt werden. Wegen des großen Wirkungsgrades ist der erfindungsgemäße Wärmeübertrager insbesondere dann von Vorteil, wenn der verfügbare Raum die Aufstellung oder den Einbau eines großvolumigen Wärmeübertragers nicht zulässt. Vorteilhafterweise werden die Wärmeaustauschelemente (A), die Abstandshalter (B) und/oder die Abstandshalter (C) durch Stanzen hergestellt. Die Wärmeaustauschelemente (A), die Abstandshalter (B) und/oder die Abstandshalter (C) lassen sich bei- spielsweise einfach durch mechanisches Ausstanzen oder durch Wasserstrahl- oder Laserschneiden herstellen. Alternativ werden die Wärmeaustauschelemente (A), die Abstandshalter (B) und/oder die Abstandshalter (C) aus expandiertem Graphit end- konturnah gepresst.

Bezugszeichenliste

A Wärmeaustauschelement

B Abstandshalter (am äußeren Rand)

C Abstandshalter (innenliegend)

D Bohrung

E Zwischenraum

51 Strömungsrichtung des ersten Mediums

52 Strömungsrichtung des zweiten Mediums

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Erfindung wird durch die Figuren nicht beschränkt. Figur 1 zeigt ein einzelnes plattenförmiges Wärmeaustauschelement (A) mit Bohrungen (D).

Figur 2 zeigt einen Abstandshalter (B) mit Bohrungen (D).

Figur 3 ist eine Explosionszeichnung, die die Anordnung von Wärmeaustauschelementen (A) und Abstandshaltern (B) zeigt.

Figur 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit parallelen, plattenförmi- gen Wärmeaustauschelementen (A) und Abstandshaltern (B).

Figur 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit innenliegenden Abstandshaltern (C). Figur 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit parallelen, plattenförmi- gen Wärmeaustauschelementen (A) und Abstandshaltern (B). Die Strömung (S1 ) des ersten Mediums verläuft entlang den parallelen, plattenförmigen Wärmeaustauschelementen (A), zwischen den Abstandshaltern (B), wobei die Strömung (S2) des zweiten Mediums senkrecht zur Strömung (S1 ) des ersten Mediums durch die Bohrungen (D) verläuft. Figur 5 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit parallelen, plattenformigen Wärmeaustauschelementen (A), Abstandshaltern (B) am äußeren Rand und innenliegenden Abstandshaltern (C). Die innenliegenden Abstandshalter (C) sind mittig angeordnet. Weiterhin zeigt Figur 5 wie die Bohrungen (D) durch die Wärmeaustauschelemente (A) und Abstandshalter (B) verlaufen und dadurch die Kanäle für die Strömung (S2) des zweiten Mediums bilden. Durch die Abstandshalter (B) und (C) werden Zwischenräume (E) für die Strömung (S1 ) des ersten Mediums gebildet.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, wobei das Ausführungsbeispiel keine Einschränkung der Erfindung darstellt.

Es werden 22 plattenförmige Wärmeaustauschelemente (A) mit jeweils 32 Bohrungen (D) und 40 Abstandshalter (B) mit jeweils 16 Bohrungen (D) bereitgestellt. Zwischen jedem Wärmeaustauschelement (A) sind zwei Abstandshalter (B) am äußeren Rand angeordnet und bilden Zwischenräume (E).

Die parallelen, plattenformigen Wärmeaustauschelemente (A) dienen zum Wärmeüber- trag von einem ersten Medium, nicht gezeigt, z.B. heißes Verbrennungsgas, zu einem zweiten Medium, nicht gezeigt, z.B. Wasser, das als Wärmeträger für Heizungssysteme dient. Ferner (nicht gezeigt) sind eine Boden- und eine Deckplatte sowie Zu- und Ableitungsstutzen für das erste Medium und das zweite Medium vorhanden. Das Verbrennungsgas strömt durch die Zwischenräume (E), die durch die Wärmeaustauschelemente (A) und die Abstandshalter (B) begrenzt sind, und gibt die Wärme über die Wärmemaustauschelemente (A) an das durch die Bohrungen (D) strömende Wasser ab, da das Wasser in direktem Kontakt zu den Wärmeaustauschelementen (A) steht.

Claims

Patentansprüche

1. Wärmeübertrager, umfassend einen Stapel von parallelen, plattenförmigen Wärmeaustauschelementen (A), zum Wärmeübertrag von einem ersten Medium zu einem zweiten Medium und mindestens zwei Abstandshaltern (B), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschelemente (A) und die mindestens zwei Abstandshalter (B) aus Graphitfolien und/oder imprägnierten Graphitfolien bestehen und die Strömungen des ersten Mediums und des zweiten Mediums als Kreuzströmung angeordnet sind.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschelemente (A) und die mindestens zwei Abstandshalter (B) durch mindestens eine Bohrung (D) in direktem Kontakt zum zweiten Medium stehen.

3 . Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die min- destens zwei Abstandshalter (B) an äußeren Rändern der Wärmeaustauschelemente (A) angeordnet sind.

4. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager innenliegende Abstandshalter (C) aufweist.

5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegenden Abstandshalter (C) aus Graphitfolien und/oder imprägnierten Graphitfolien bestehen .

6. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitfolie aus expandiertem oder synthetischem Graphit besteht.

7. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager aus expandierten Graphitfolien oder synthetischen Graphitfolien oder einer Kombination hieraus besteht.

8. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschelemente (A),die Abstandshalter (B) und/oder die Abstandshalter (C) durch Stanzen hergestellt werden.

9. Verwendung eines Wärmeübtertragers nach einem der vorangehenden Ansprüche im Bereich Heizungstechnik.

10. Verwendung eines Wärmeübertragers nach Anspruch 9 als Gas/Flüssig- Wärmeübertrager.