FI82550B - Foerfarande foer tillverkning av en skivvaermevaexlare. - Google Patents

Description

1 82550

Menetelmä levylämmönvaihtimen valmistamiseksi

Keksintö koskee levylämmönvaihdinta, joka koostuu ainakin kolmesta yhdensuuntaisesta grafiitista ja fluori-5 polymeeristä muodostetuista, etäisyydelle toisistaan sijoitetuista levyelementeistä, jotka muodostuvat levystä ja tätä ympäröivästä kehyksestä, ja levylämmönvaihtimen kunkin kahden levyn välisen tilan kautta virtaavan lämmön-vaihtonesteen syöttö- ja poistovälineistä, 10 Suodatinpuristimien periaatteen mukaisesti tähän asti kuvatut levylämmönvaihtimet koostuvat ainakin kolmesta tai yleensä useammasta levyosasta, joissa on kouruja ja jotka on yhdistetty pinon muodostamiseksi, jossa levyt ovat erillään toisistaan. Pino ja jokainen levyosa on va-15 rustettu välineillä levyjen välisen tilan läpi virtaavien lämmönvaihtonesteiden syöttöä ja poistoa varten. Läheisten levyjen välisen etäisyyden määräävät välikkeet, jotka on sijoitettu kulloinkin kahden levyn väliin. On edullista venyttää välikkeiden kärki levyosien reunojen kohdalle 20 esim. syvävetämällä (saksalainen malli 82 08 878) ja on myös tunnettua sijoittaa levyosien tasoihin aallotukset, jotka lisäävät vakavuutta ja parantavat nesteen jakelua, kennorakenteita ja muita pintarakenteita. Aallotukset voidaan muodostaa niin syvälle aineesta, että ne koskevat 25 läheiseen levyosaan ja täten kantavat sen. Näin voidaan käyttää hyvin ohuita levyosia, jotka ovat lähinnä metalli-levyä ja lehtiä ja myöskin kestomuovia. Kestomuoviset le-vyosat valmistetaan yksinkertaisesti ja yleensä ne kestävät syövyttäviä väliaineita paremmin kuin metallit. Tämä 30 koskee varsinkin fluoripolymeerejä, esim. polyvinylideeni-fluoridia (PVDF). Tämän aineen huonoja puolia ovat verraten pieni lämpötilan kestävyys, rajoitettu jäykkyys ja ryömyn aiheuttamat muodonmuutokset. On tunnettua parantaa PVDF:n ominaisuuksia sekoittamalla muoviin hiilikuituja, 35 jolloin kuitusuhteet ovat yli 30 %, mutta tämä huonontaa 2 82550 seoksen virtauskykyä, jolloin ei voi enää käyttää normaaleja muotissavalumenetelmiä (6B pat.selitys 1 324 424). Lopuksi tunnetaan sellainen kappaleiden valmistusmenetelmä, jossa puristetaan seokset, jotka sisältävät solugra-5 fiittia ja syöpymisen kestäviä hartseja, kuten PVDF (US pat.selitys 4 199 628). Grafiittihiukkaset järjestetään olennaisesti tasoihin, jotka ovat suorassa kulmassa suhteessa puristussuuntaan, joka on levylämmönvaihtimien valmistuksen määräämän lämpövirran suunta. Grafiittisuomujen 10 anisotropian vuoksi saadaan näin väistämättä levyt, joilla on suuri lämpövastus tässä suunnassa, ja vastaavasti läm-mönvaihtimet, joiden siirtokyky on huono. Näitä muotokappaleita käytetään siksi yksinomaan syöpymisen kestävinä päällyksinä yms.

15 Keksinnön tavoitteena on siten kehittää lämmönvaih timen valmistusmenetelmä, joka on alussa mainittua lajia ja jonka levyosat valmistetaan yksinkertaisesti ja niillä on sama syöpymisenkestävyys kuin fluoripolymeereillä, suurempi mekaaninen vakavuus kuin näillä muoveilla sekä al-20 hainen lämpövastus.

Tavoitteeseen päästään keksinnön mukaisella menetelmällä, jolle on tunnusomaista se, että levylämmönvaih-dinta valmistetaan seuraavissa vaiheissa: a) grafiittipulveri, jonka partikkelikoko on alle 25 0,5 mm sekoitetaan pulverimaisella fluoripolymeerilla, jonka partikkelikoko on alle 0,001 mm suhteessa, joka on 95:5 ja 70:30 välillä lämpötilassa, joka on 200 ja 350 eC välillä, b) sekoitus jäähdytetään huoneenlämpötilaan, jonka 30 jälkeen se jauhetaan partikkelikokoon alle 0,3 mm, ja c) jauhettu aine puristetaan levyelementeiksi ainakin 200 barin paineella lämpötilassa, joka on ainakin 200 eC, ja d) levyelementit kootaan lämmönvaihtimeksi ja vie-35 reisten kehysten väliin järjestetään joustavat tasotiivis- I: 3 82550 teet.

Keksinnön muille edullisille sovellutusmuodoille on tunnusomaista se, mitä jäljempänä olevissa patenttivaatimuksissa on esitetty.

5 Levylämmönvaihtimen muodostavat levyosat sisältävät eräässä parhaana pidetyssä toteutusmuodossa ainakin 70 % grafiittijauhetta ja enintään 30 % fluoripolymeeriä. Tämän koostumuksen omaavat levyosat voidaan valmistaa hyvin pienellä paksuudella; niiden hauraus on olennaisesti pienempi 10 kuin levyjen, jotka koostuvat yksinomaan grafiitista, ja palautuvat sekä lopulliset muodonmuutokset ovat paljon pienempiä kuin pituuden ja volyymin muutokset levyosissa, jotka on tehty muoveista ja täytetyistä muoveista. Levy-lämmönvaihtimille sopivat aineen ominaisuudet johtuvat 15 ilmeisesti fluoripolymeeristä, joka ympäröi yksittäisiä grafiittihiukkasia ohuena kalvona ja sitoo ne yhteen, jolloin tällä sidoksella on suuri leikkauslujuus. Sopiva sideaine on varsinkin lämpöplastillisesti työstettävä fluo-ripolymeeri, kuten tetrafluorieteenin tai trifluorikloori-20 eteenin kopolymeeri, polyvinyylifluoridi sekä polyvinyyli-deenifluoridi, jota pidetään parhaana sideaineena, koska se on helposti työstettävä seoksessa grafiittijauheen kanssa.

Grafiitti jauheesta ja fluoripolymeeriryhmän sideai-25 neesta valmistettujen levyosien mekaaniset ja lämpöominai-suudet ovat säädettävissä laajalla alueella eri käyttöolosuhteiden mukaan, mahdollisesti muuttamalla sideaineen määrää tai jotakin muuta valmistusparametriä. Erityisen edullisia ovat levyosat, joiden tilavuuspaino on 2,0-2,1 30 g/cm3, lämmön johtavuus 15-20 W/m.K ja vetolujuus 20-40 MPa. Tällaisten levyosien käyttöalue on laaja ja myöskin ison pinta-alan omaavilla osilla on riittävä jäykkyys. Erikoisissa käyttöolosuhteissa, esim. kun lämmönvaihtonesteen jähmeäkuormitus on suuri, voi levyosien kuluminen tietyis-35 sä olosuhteissa kasvaa suuremmaksi grafiitin vähäisen ko- 4 82550 den vuoksi. Kulumisen vähentämiseksi on tietyissä olosuhteissa eduksi käyttää levyosia, joihin on dispergoitu kulutuksen kestäviä hiukkasia. Hiukkasten määrän määrää le-vyosien kulutusrasitus ja hiukkasten sopiva koko on pie-5 nempi kuin lämmönvaihtolevyjen puoli paksuus. Erityisen sopivina ja parhaina pidetään piikarbidihiukkasia, joiden kovuus on suurempi ja lämmönjohtavuus sopivampi ja jotka eivät juuri vaikuta levyosien syöpymisenkestävyyteen ja joiden määrä voi siksi olla jopa 50 paino-%. Jos syövyttä-10 vä vaikutus on erityisen suuri, on edullisinta lisätä kok-sihiukkasia. Lämmönvaihtimille, joita käytetään suuremmilla paineilla tai joiden mekaaninen kuormitus on suurempi, ovat sellaiset levyosat edullisia, jotka sisältävät lujituksena hiilikuituja, mieluiten lyhyiden, leikattujen kui-15 tujen muodossa, joiden määrä on 2-20 %. Koska kuituvahvis-tus on erityisen tehokas levyjen tasaisilla pinta-alueilla, olisi kuidut kerättävä levyosien raja- sekä syöttö- ja poistoalueisiin.

Eräs tärkeämpi parametri lämmönvaihtimien vaihtote-20 hokkuuden kannalta on nesteiden jakelunopeus lämmönvaihtimen sisällä. Nestevirtauksen ohjausta varten on levyosat mieluiten varustettu nupeilla, jotka on sijoitettu eräänlaiseen sihtiin ja keskitetty nesteen syöttöalueelle. Ne ulottuvat esim. riveissä poikittain suhteessa nesteen vir-25 taussuuntaan. Katkokartion muotoiset nupit koskettavat mieluiten läheisiin levyosiin, minkä seurauksena saavutetaan levypinon ylimääräinen jäykistys. Eräässä toisessa rakennemuodossa voidaan vahvistavia osia vahvistaa lami-naarisilla hiilikuitumuodoilla, kuten nauhoilla tai esi-30 astelevykerroksilla, joissa hiilikuidut on järjestetty yksi- tai kaksisuuntaisesti. Laminaariset kuitumuodot kiinnitetään levyosien pintaan esim. sulalla polyvinyyli-kloridilla tai ne puristetaan sen sisään osien valmistuksen yhteydessä. Levyosan tasaiset pinta-alueet, joista . . 35 erilleen sijoitetut nuput alkavat, ovat mieluiten jäykis- 5 82550 tettyj ä.

Kahden levyosan raja-alueiden väliin sijoitetaan tiivisteet, jotka ovat taipuisaa ja syöpymisen kestävää ainetta, esim. fluoripolymeeria. Parhaina pidetään gra-5 fiittilehtitiivisteitä, joiden kylmävirta on hyvin pieni. Tiivisteet, jotka on tehty solugrafiitista, jonka tilavuuspaino on n. 0,8-1,2 g/cm3, puristetaan yhteen mieluiten 0,1-0,3 mm:n paksuuteen puristamalla kokoon levypino. Näiden tiivisteiden irrotusta levyosien rajoista helpote-10 taan pinnoittamalla ne fluoripolymeerilla, esim. dispersioilla, jotka sisältävät tetrafluorieteenikopolymeerejä. Alhaisilla käyttöpaineilla voidaan vaihtoehtoisesti saada aikaan riittävä tiiviys pinnoittamalla raja-alueen tiivis-tyspinnat tällaisella dispersiolla. Tässä rakennemuodossa 15 tiivistyspintoja karhennetaan tai niihin tehdään uria tms.

Keksinnön mukaisilla levylämmönvaihtimilla on sama kestävyys suhteessa syövyttäviin aineisiin kuten grafiitilla, mutta niillä ei ole tämän haurautta, jonka takia ohutseinäisten grafiittiosien valmistus ja käyttö on mah-20 doton käytännössä. Levyosien ryömylujuus on suurempi kuin lämmönvaihtimien, jotka on tehty yksinomaan polymeereistä. Muita etuja ovat suurempi lämmönjohtavuus ja muodon ja ominaisuuksien helppo sovitus käyttötarkoituksen mukaan lisäämällä hiukkas- tai kuituaineita.

25 Levyosien valmistamiseksi sekoitetaan grafiitti jau he fluoripolymeerin kanssa suhteessa 95:5 - 70:30. Seoksen grafiitti on luonnongrafiittia, kuten suomugrafiittia tai maagrafiittia tai sähkögrafiittia, joka saadaan kiviöljy-koksin, neulakoksin tai bitumipitoisen tervapikikoksin 30 grafitoinnilla. Grafiitin hiukkaskoko on alle 0,5 mm. Tunnetulla tavalla sekoitetaan myös yhteen useat hiukkasja-keet, esim. 0-0,063, 0,063-0,1 ja 0,1-0,3 mm:n jakeet sopivan säädön saamiseksi määrättyyn pakkaustiheyteen. Fluoripolymeeria käytetään samoin jauheena tai se lisätään 35 seokseen dispersion muodossa. Yksinomaan jauhetta sisältä- 6 82550 vät seokset sekoitetaan 200-350 °C lämpötilassa ja dispersioita sisältävät seokset huonelämpötilassa tai vähemmän kohotetussa lämpötilassa. Dispergoivan väliaineen jäähtymisen tai höyrystymisen jälkeen seoksista muodostetut ai-5 nekset jauhetaan. Mieluiten puristuslisäaineen, kuten steariinihapon tai metallisaippuan, lisäyksen jälkeen täytetään sitten jauhetulla aineella puristusmuotti, jossa on sydän. Sydän on puristusmatriisin muotoinen ja muotin pinnan ja sydämen välimatka eri kohdissa on verrannollinen 10 puristetun levyosan paksuuteen. Kehyksen tai rajan paksuuden suhde lämmönvaihtopinnan paksuuteen on esim. 4:1, joten muotti ja sydän erotetaan toisistaan asemiin, joissa vastaava suhde on 4:1. Jauhekerros, joka täytetään muotin ja sydämen väliin, on vastaavasti neljä kertaa paksumpi 15 reuna-alueella kuin keskellä niin että kun puristetaan lopulliseen arvoon, tulee jauhe puristetuksi joka kohdassa samaan suuruuteen. Muottipuristuspaine on vähintään 200 baria ja muottipuristuslämpötila vähintään 200 eC. Puristettaessa raja-alueet, lämmönvaihtopinnat ja mahdollisesti 20 nupit yms. nestevirran ohjausta varten on yhdistetty keskenään .

Keksintöä selitetään lähemmin seuraavassa esimerkkien ja piirustusten avulla, joissa: kuvio 1 esittää kaaviomaista kuvantoa levylämmön-25 vaihtimesta; kuvio 2 esittää pöhjakuvantoa levyosasta; ja kuvio 3 esittää läpileikkauskuvantoa pinosta, joka sisältää useat levyosat.

Kuviossa 1 levyosat 1 on sijoitettu siirrettävästi 30 kehykseen 2. Jokaisessa levyosassa on sen läpi ulottuvia aukkoja, joiden kautta lämmönvaihtonesteet syötetään levy-osan aallotetulle osalle 4. Useat levyosat on kiinnitetty yhteen levylämmönvaihtimen 5 muodostamiseksi, joka on suljettu etulevyn 6 ja takalevyn 7 avulla. Etulevyyn 6 on si-35 joitettu ulokkeet 8 samalle linjalle aukkojen 3 kanssa, 7 82550 joiden kautta lämmönvaihtonesteet F1# F2 syötetään ja poistetaan. Levyosat, etulevyt ja takalevyt, on tuettu yhteen sidetangoilla, joita ei näytetä piirustuksissa. Kuvion 2 mukaisesti jokainen levyosa koostuu kehyksestä tai raja-5 alueesta 9 ja kehyksen ympäröimästä, aallotetusta osasta 4. Raja-alueisiin on sijoitettu urat 10 kehyksessä 2 tapahtuvaa ohjausta varten (kuvio 1) ja nupit 11 nestevirran ohjausta varten on sijoitettu läpiulottuvien aukkojen 3 ja aallotetun osan 4 välille. Reunukset 12 toimivat myös nes-10 tettä jakavasti. Kuvion 3 mukaisesti on litteä tiiviste 13 sijoitettu läheisten kehysten tai raja-alueiden 9 väliin ja ne on tehty taipuisasta, syöpymisen kestävästä aineesta, lähinnä grafiittilehdestä.

Esimerkki 1 15 80 osaa sähkögrafIittijauhetta - 60 % 60-200 mikro- metriä, 40 % < 60 mikrometriä - sekoitettiin 20 osaan po-lyvinyylideenifluoridijauhetta sekoituskaukalossa Sigma-sekoitusvälineillä, jolloin polyvinyylideenifluoridin hiukkaskoko oli alle 1 mikrometri. Sekoituslämpötila oli 20 220 °C ja sekoitusaika yksi tunti. Sekoitetun tuotteen jäähdyttyä huonelämpötilaan se jauhettiin tappilautasmyl-lyssä hiukkaskokoon < 0,3 mm ja sillä täytettiin edellä kuvatulla tavalla puristusmuotti ja se puristettiin yhtenäiseksi levyosaksi; puristuspaine oli 400 baria, lämpöti-25 la 270 °C ja oloaika 10 minuuttia. Seuraavat ainemäärät mitattiin:

Tilavuuspaino 2,02 g/cm3

Taivutuslujuus 50 MPa

Vetolujuus 30 MPa

30 Lämmönjohtavuus 25 W/m.K

Läpäisevyyskerroin 3.10'6cm2/s

Seitsemäntoista levyosaa tuettiin kuvion 1 mukaisesti yhteen etulevyn ja takalevyn kanssa ja läheisten kehysten väliin sijoitettiin litteä tiiviste, jonka paksuus 35 oli 0,3 mm. Levylämmönvaihtimella jäähdytettiin laimennet- β 82550 tua kloorivetyhappoa (noin 20 % HC1), Joka tehtiin epäpuhtaaksi orgaanisilla liuottimilla. Nestelämpötilat olivat: hapon tulolämpötila 116 °C ja hapon ulosmenolämpötila 52 °C, jäähdytysveden tulolämpötila 7 eC, jäähdytysveden 5 ulosvirtauslämpötila 40 eC. Lämmönsiirtokerroin oli 2000-3000 W/m.K eikä syöpymisvaurioita tai vuotoja esiintynyt 3,5 barin käyttöpaineella.

Esimerkki 2

Puolet esimerkissä 1 kuvatusta 60-200 mikrometrin 10 grafiittijakeesta korvattiin piikarbidijauheella, jonka hiukkasko oli 50-300 pm, ja seosta työstettiin kuvatulla tavalla ja puristettiin levyosiksi. Piikarbidipitoisten osien ja muutamien piikarbidia ei sisältävien osien kulutuksen kestävyyttä verrattiin. Osiin puhallettiin tätä 15 varten korundihiukkasia, joiden hiukkaskoko oli 150-200 mikrometriä, jolloin suuttimen läpimitta oli 8 mm ja läpi-syöttö 30 g/min. Ainetta poistui seuraavasti:

Suihkun kulma SiC sisältävät näytteet SiC ei sisältävät näytteet 20 30° 0,08 0,12 90° 0,12 0,18

Esimerkki 3 60 g luonnongrafiittijauhetta, jonka suurin hiukkaskoko oli 0,5 mm, sekoitettiin 40 osaan kaupallisesti 25 saatavaa tetrafluorieteeni-perfluorialkoksieteenikopoly- meerien dispersiota. Dispergoidun aineen keskimääräinen hiukkaskoko oli n. 0,3 mikrometriä ja dispergoivan väliaineen määrä 50 %. Dispergoivan väliaineen haihduttamiseksi seos lämmitettiin n. 350 °C lämpötilaan, saatu virtausky-30 kyinen aine jauhettiin ja hlukkasjae < 0,3 mm puristettiin 380 °C lämpötilassa ja 400 barin paineella levyosiksi. Tilavuuspaino 2,03 g/cm3

Taivutuslujuus 25 MPa Lämmönjohtamiskyky 25 W/m.K 35 Läpäisevyyskerroin 5.10'6cm2/s.

Claims (5)

9 82550

1. Menetelmä levylämmönvaihtimen (5) valmistamiseksi, joka koostuu ainakin kolmesta yhdensuuntaisesta 5 grafiitista ja fluoripolymeeristä muodostetuista, etäisyydelle toisistaan sijoitetuista levyelementeistä (1), jotka muodostuvat levystä (4) ja tätä ympäröivästä kehyksestä (9), ja levylämmönvaihtimen (1) kunkin kahden levyn välisen tilan kautta virtaavan lämmönvaihtonesteen syöttö- ja 10 poistovälineistä, tunnettu siitä, että a) grafiittipulveri, jonka partikkelikoko on alle 0,5 mm sekoitetaan pulverimaisella fluoripolymeerllla, jonka partikkelikoko on alle 0,001 mm suhteessa, joka on 95:5 ja 70:30 välillä lämpötilassa, joka on 200 ja 350 °C 15 välillä, b) sekoitus jäähdytetään huoneenlämpötilaan, jonka jälkeen se jauhetaan partikkelikokoon alle 0,3 mm, ja c) jauhettu aine puristetaan levyelementeiksi (1) ainakin 200 barin paineella lämpötilassa, joka on ainakin 20 200 eC, ja d) levyelementit (1) kootaan lämmönvaihtimeksi (5) ja viereisten kehysten (9) väliin järjestetään joustavat tasotiivisteet (13).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n-25 n e t t u siitä, että lämmönvaihtimen (5) levyistä (4) ja kehyksistä (9) koostuvat elementit (1) puristetaan sekoituksesta, joka sisältää grafiittipulveria ja pulverimuo-dossa olevaa polyvinyylideenifluoridia.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, 30 tunnettu siitä, että levyt (4) ainakin osittain lujitetaan tasomaisilla hiilikuiturakenteilla.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vierekkäisten levyjen (4) kehysten (9) väliin sijoitetaan tiivisteitä (13) grafiit- 35 tifoliosta, joiden paksuus on 0,1 - 0,3 mm. 10 82550

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tiivisteet (13) päällystetään fluo-ripolymeerillä. li 11 82550