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Dokumentenidentifikation DE102004005832B4 08.12.2005
Titel Verbundwärmetauscher
Anmelder Dr. Schnabel GmbH & Co KG, 65549 Limburg, DE
Erfinder Than, Eberhard, Dr.rer.nat.habil., 09127 Chemnitz, DE;
Reitz, Matthias, Dr.-Ing., 08412 Werdau, DE;
Wilk, Andreas, Dipl.-Ing.,Dipl.-Wi.-Ing., 65185 Wiesbaden, DE
Vertreter Helge, R., Dipl.-Ing. Faching. f. Schutzrechtswesen, Pat.-Anw., 08223 Falkenstein
DE-Anmeldedatum 06.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004005832
Offenlegungstag 02.09.2004
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 08.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.12.2005
IPC-Hauptklasse F28F 3/00
IPC-Nebenklasse F28F 21/04   F28D 9/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Verbundwärmetauscher für den Einsatz im chemischen Apparatebau sowie auf weiteren Gebieten, beispielsweise der Energietechnik, bestehend aus einem metallischen Rahmenkörper und einem Plattenstapel aus faserverstärkter Keramik, wobei die gestapelten Platten mindestens zwei Kanalsysteme bilden, die übereinander durch mindestens eine Platte getrennt in beliebig vielen Schichten angeordnet sind und an gegenüberliegenden Seiten des Plattenstapels durch Deckplatten, die Zulauf- und Ablaufeinrichtungen aufnehmen, begrenzt sind.

Bekannt ist aus der DE 42 38 190 C2 ein Keramikmodul, bei dem durchgehende Kanäle in Reihen angeordnet und zwischen den Kanalreihen Strömungsräume ausgebildet sind, die an gegenüberliegenden Seiten durch Deckplatten begrenzt sind. In den Strömungsräumen sind mindestens zwei Querstege hintereinander auf gleicher Ebene angeordnet. Mindestens die Hälfte der Strömungsräume sind durch Querstege unterschiedlicher Länge voneinander getrennt, und die Kanäle erstrecken sich im wesentlichen senkrecht zu den Strömungskanälen.

Durch Variieren der Länge der Stege kann der Wärmetausch sowie die Medienverwirbelung in den Strömungsräumen beeinflußt werden. Die einzelnen Karten zum Aufbau des Keramikmoduls können aus einer endlos herstellbaren Karte geschnitten werden, wodurch sich die Struktur der einzelnen Karten variieren läßt. so daß innerhalb des Keramikmoduls mindestens 3 bis 20 verschiedene Kartenstrukturen zu dessen Aufbau verwendet werden können. Es lassen sich ferner Module für parallel strömende Medien durch Gestaltung der Deckplatten bzw. durch Verwendung von Blindkarten aufbauen. Durch Abweichung der Lochmittelpunkte von der gemeinsamen Lochreihenachse können Module aufgebaut werden, bei denen die durch die Löcher gebildeten Kanäle eine stufen- bis schraubenförmige Oberfläche erhalten.

Nachteilig ist die große Anzahl unterschiedlicher Kartenmuster für den Aufbau des Keramikmoduls, sowie die begrenzte Reinigungsmöglichkeit der Kanäle.

Weiterhin ist aus der DE 36 43 750 A1 ein Wärmetauschermodul aus gebranntem keramischem Material, der aus einem Stapel gestanzter und laminierter grüner keramischer Karten hergestellt ist. Der Stapel besteht aus mindestens zwei Karten. Die Karten weisen erste Ausnehmungen auf, die bei gestapelten Karten rohrförmige Kanäle bilden und zweite Ausnehmungen, die um die ersten Ausnehmungen angeordnet sind, und die sich bei gestapelten Karten mit den zweiten Ausnehmungen benachbarter Karten teilweise überlappen. Dabei bilden sich in Kartenebene liegende Kanäle aus, die die rohrförmigen Kanäle umgeben.

Durch Brennen eines Stapels gestanzter und laminierter grüner keramischer Karten wird ein Wärmetauschermodul hergestellt. Die Wärmetauschermodule eignen sich zum Aufbau von Wärmetauschersystemen, wobei diese zweckmäßig zu Säulen zusammengesetzt werden.

Der Nachteil der Lösung besteht darin, daß die einzelnen Karten ein relativ kompliziertes Muster von kreisförmigen und schlitzförmigen Ausnehmungen aufweisen. Zwar können einzelne Module (Kartenstapel) innerhalb des Wärmetauschersystems ausgetauscht werden, aber nicht einzelne Karten des Moduls bzw. Kartenstapels.

Das Gebrauchsmuster DE 73 42 844 U1 betrifft einen Wärmetauscher, bei dem verhältnismäßig dünne Einzelplatten aus Glas Tauscherplatten bilden und sowohl die Dichtung der Stoßfugen als auch die Streifen mit Dichtung von einer zusammenhängenden Anhäufung von gleichzeitig dichtenden Klebematerial gebildet wird und in den Durchflußkanälen an vorgegebenen Positionen übereinanderliegende Klebematerialhäufchen Tragsäulen bilden.

Bei dieser Lösung wird ein Skelett aus einem Dichtungs- und Klebematerial, wobei einer der wesentlichsten Eigenschaften des Skeletts ist, daß es elastisch ist, das heißt die Tauscherplatten werden elastisch dichtend und miteinander verklebt im Skelett gehalten.

Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß sich dieser nach der Montage nicht mehr zerstörungsfrei demontieren läßt.

Die DE 689 05 718 T2 beschreibt ein regeneratives Wärmetauschersystem zur Anwendung in Stirling-Motoren. Dieses Wärmetauschersystem ist nicht vergleichbar mit dem Verbundwärmetauscher des Anmelders.

Regenerator und die Wärmezufuhr- und -abgabeaustauscher müssen hier aufgrund der häufigen Flußumkehrungen, die in einem Motor im Betrieb auftreten können, sehr leistungsfähig sein. Bei Drehzahlen von 3000 Umdrehungen pro Minute steht für die Wärmeübertragung eine Zykluszeit für die Wärmeübertragung in und aus dem gasförmigen Arbeitsmedium nur 0,02 Sekunden zur Verfügung. Das regenerative Wärmetauschersystem besteht aus gestapelten alternierenden Schichten, wobei jede Schicht aus Materialien mit abwechselnd hohen Koeffizienten und niedrigen Koeffizienten der Wärmeleitfähigkeit und entsprechenden, ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der geometrischen Ebene jeder Schicht besteht.

Die DE 100 49 890 A1 betrifft einen Stapelscheiben-Wärmeüberträger, bei dem mittels Trennwände Strömungsweg und Verweilzeit des Mediums durch Umlenkung vergrößert wird.

Aus der DE 196 17 396 A1 in Strömungsmodul, umfassend eine Mehrzahl von Plattenelementen bekannt, wobei von der beiden jeweils sich gegenüberliegenden Oberflächen benachbarter Plattenelemente mindestens eine Plattenelementoberfläche eine geradlinig parallel ausgebildete Profilierung aufweist, so daß zwischen benachbarten Plattenelementen Strömungsräume aus einer Mehrzahl geradliniger, paralleler Strömungskanäle gebildet werden.

Die zur Realisierung einer verläßlichen Dichtung sowie zur Minimierung der Gestehungskosten zwischen jeweils zwei Plattenelementen eingesetzten Dichtungen sind jeweils als umlaufende Dichtungen ausgebildet, die in einer umlaufenden Nut einer Plattenoberfläche integriert wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen Verbundwärmetauscher zu schaffen, dessen keramische Platten in einfacher Form ausgebildet sind, wobei diese ohne zusätzliches Brennen bzw. Laminieren zu einem Plattenstapel und somit zu einem Verbundwärmetauscher zusammenfügbar sind, wobei dieser zerstörungsfrei demontiert werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem der Verbundwärmetauscher aus einem metallischen Rahmenkörper und einem Plattenstapel mit einer Vielzahl von ebenen Platten besteht, in deren Eckbereichen jeweils ein Einlaß- und ein Auslaß und zwischen den einzelnen ebenen Platten umlaufende, gleichzeitig als Abstandshalter ausgebildete Dichtelemente angeordnet sind, wobei die Platten derart ausgebildet sind, daß diese aus einer unprofilierten ebenen Grundplatte und einem auf dieser aufgesetzten ebenen Rahmenplatte bestehen und die ebene Grundplatte mit der Rahmenplatte mittels eines Keramikklebers aus artgleichem keramischen Material verbunden ist.

Die ebene Grundplatte und die Rahmenplatte bestehen aus einem faserverstärkten Keramikwerkstoff, wobei in einer keramischen Matrix beschichtete Endlosfasern in einem geordneten Zustand angeordnet sind.

Keramische Werkstoffe sind in der Regel spröde und bruchintolerant. Dies hat zur Folge, daß Bauteile aus Keramik meist klein oder dickwandig ausgeführt werden müssen. Großflächige und dünnwandige Strukturen können aus monolithischer Keramik nicht hergestellt werden. Um diesen Mangel zu beheben, werden Fasern in eine keramische Matrix eingebracht. Um die Bindung zwischen Fasern und Matrix positiv zu beeinflussen, werden die Fasern beschichtet.

Um die keramische Matrix zwischen die einzelnen Filamente zu bringen, bedarf es eines Infiltrationsverfahrens.

Die beschichteten Fasern (Rovings) werden in ein textiles Gebilde überführt, das mit einem Precursor infiltriert wird.

Der Ordnungszustand für die beschichteten Fasern ist durch Ablegen, Wickeln oder Verweben von Rovings herstellbar.

Die infiltrierten textilen Gebilde durchlaufen anschließend folgende Prozeßschritte:

  • – Laminieren der infiltrierten Gewebelagen zu einer Platte bzw. Rahmenplatte
  • – Trocknen und Härten des infiltrierten Precursors zu einem vorkeramischen Netzwerk
  • – Pyrolyse des vorkeramischen Netzwerkes zu einer amorphen, kovalenten Keramik
  • – Wärmebehandlung der amorphen, kovalenten Keramik.

Die keramischen ebenen Platten bzw. Formen können in beliebiger Dicke hergestellt werden.

Die ebene Grundplatte wird mit der Rahmenplatte mittels eines artgleichen keramischen Materials verbunden.

Nach Auftragen eines Keramikklebers, vorzugsweise aus einem artgleichen Material wie die zu verbindenden Teile, auf die Rahmenplatte wird diese auf die Grundplatte aufgesetzt und durch Einwirkung von Druck und Temperatur miteinander verbunden.

Die hergestellten Platten weisen eine offene Porosität auf. Die Poren werden anschließend durch eine keramische Imprägnierung geschlossen, um so eine mediendichten Platte für den erfindungsgemäßen Verbundwärmetauscher zu erhalten.

Die als Abstandshalter ausgebildeten und zwischen den Platten angeordneten Dichtungselemente sind so beschaffen, daß die Randbereiche der Dichtungselemente die einander benachbarten Platten in etwa bis zu ihrer halben Materialdicke umgreifen, so daß beim Verspannen des Plattenstapels im Rahmenkörper sich eine nahezu geschlossene Außenhaut um den Umfang des Plattenstapels ergibt.

Die ebenen Platten sind an ihrem Ende gekröpft ausgeführt, so daß sich im Zusammenbau eine ansteigende bzw. abfallende Kammer ergibt.

Die ebenen Platten weisen in ihren Eckbereichen jeweils zwei diametral gegenüberliegende Bohrungen auf, die den Einlaß bzw. den Auslaß für die jeweilige Kammer bilden.

Die auf der ebenen Grundplatte angeordnete Rahmenplatte besitzt jeweils an zwei gegenüberliegenden Eckbereichen Materialanhäufungen, welche innerhalb des Plattenstapels von Platte zu Platte wechseln.

Im Bereich der Einlaßbohrungen auf der Grundplatte sind Verteilerelemente in Form von Stegen angeordnet.

Auf der Grundplatte sind Turbulenzelemente beliebiger Geometrie und Anordnung vorgesehen.

Die Kammern innerhalb des Plattenstapels bilden sich durch Aufsetzen der Platten aufeinander, wobei die Unterseite der jeweils aufgesetzten Platte die Abdeckung der darunterliegenden Kammer bildet.

Das Kammervolumen wird zum einen durch die Dicke der Rahmenplatte sowie des Dichtelementes und zum anderen vom ausgeschnittenen Bereich der Rahmenplatte bestimmt.

Der unter Verwendung von faserverstärkten keramischen Platten hergestellte Verbundwärmetauscher weist eine hohe Stabilität gegenüber korrosiven Medien und/oder hoher Temperatur auf. Als weitere vorteilhafte Eigenschaft sind eine erhöhte Bruchzähigkeit sowie Temperaturwechselbeständigkeit zu nennen.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher beschrieben werden. Es zeigen

1 – Vorderansicht des Verbundwärmetauschers

2 – Seitenansicht des Verbundwärmetauschers

3 – Draufsicht auf den Plattenstapel – Deckelement

4 – Grundplatte des Verbundwärmetauschers – Bodenelement

5 – perspektivische Darstellung der Grund- und Rahmenplatte

6a – Draufsicht auf die Platte mit Einzelheiten

6b – Draufsicht auf die Platte mit Einzelheiten

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher, als Plattenwärmetauscher im Gegenstromprinzip ausgeführt, ist in 1 – Vorderansicht – und 2 – Seitenansicht – dargestellt. Er besteht im wesentlichen aus einem Plattenstapel 2, der in einem metallischen Rahmenkörper 1 angeordnet ist.

Der Plattenstapel 2 besteht aus den Platten 3 und 3', wobei zwischen einzelnen Platten 3 und 3' jeweils ein Dichtelement 6 angeordnet ist.

Auf dem Bodenelement 134 – werden im Wechsel die Platten 3 und 3' angeordnet. Ist die gewünschte Anzahl der Kammern erreicht, wird das Deckelement 143 –, das mit Einrichtungen für den Einlaß 8, 9' und den Auslaß 9, 8' versehen ist, aufgesetzt und mittels der Stegbolzen 12 verspannt.

Der zwischen Bodenelement 13 und Deckelement 14 verspannte Plattenstapel 2 wird in den Rahmenkörper 1 eingebracht. Dieser dient zur Montage des Verbundwärmetauschers in der entsprechenden Anlage.

Die 5 zeigt eine perspektivische Darstellung der Grundplatte 4 und der Rahmenplatte 5. Die Grundplatte 4 ist als dünne faserverstärkte Keramikplatte ausgebildet und weist in den Eckbereichen jeweils den Einlaß 8 und 9' sowie den Auslaß 9 und 8' auf. Auf diese Grundplatte 4 wird jeweils eine Rahmenplatte 5 aufgesetzt. Die Rahmenplatte 5 ist ebenfalls aus einem faserverstärkten Keramikmaterial hergestellt.

Über die Dicke der Rahmenplatte 5 kann das Kammervolumen variiert werden. In zwei diametral gegenüberliegenden Eckbereichen sind Materialanhäufungen 7 vorgesehen, in denen ein Einlaß 8' und ein Auslaß 9' für die darüber- bzw. darunterliegende Kammer angeordnet ist.

Diese Rahmenplatten 5 werden nun mit Grundplatten 4 durch Kleben verbunden und zwar derart, daß die Rahmenplatte 5 abwechselnd um 360° verdreht aufgebracht ist.

In den 6a und 6b sind die jeweils so ausgeführten Platten 3 und 3' dargestellt.

Auf der Grundplatte 4 sind im Bereich des Einlasses 8' Verteilerelemente 11 und im Mittelbereich Turbulenzelemente 15 angeordnet (6a).

Bei der Platte 3'6b – sind auf der Grundplatte 4 die Verteilerelemente im Bereich des Einlasses 8 angeordnet. Im Mittelbereich sind hier ebenfalls Turbulenzelemente 15 angeordnet.

Durch den inneren ausgeschnittenen Bereich und die Dicke der Rahmenplatte 5 sowie des Dichtelementes 6 wird das Kammervolumen bestimmt.

Bei einer Möglichkeit zur Herstellung der Grundplatten 4 und Rahmenplatten 5 werden die vorliegenden Faserbündel (Rovings) mit einer Schicht, beispielsweise aus C, SiC oder anderen kohlenstoffhaltigen Materialien beschichtet. Die Fasern sind in Rovings von 1000 und mehr Filamenten zusammengefaßt, wobei die Fasern einen Durchmesser < 10 &mgr;m aufweisen.

Die Rovings werden als Ganzes durch einen CVD-Prozeß (Chemical Vapour Deposition) beschichtet. Nach der Beschichtung werden diese Rovings als Gelege oder Gewebe eingesetzt.

Die Gelege oder Gewebe werden geschnitten und mit einem Schlicker, bestehend zum Beispiel aus Carbosilan (Precursor für die SiC-Matrix), einem Lösungsmittel, beispielsweise Xylol, und SiC-Pulver getränkt. Die getränkten Gelege bzw. Gewebe in einer Form zu einem Laminat übereinander gelegt und unter Druck bei ca. 200 °C zu einer Preform umgewandelt. Während dieser Umwandlungsphase wird das Carbosilan in Polycarbosilan umgewandelt und das Lösungsmittel ausgetrieben.

Anschließend wird der so erhaltenen Körper auf eine Temperatur von 1100 °C gebracht und so lange auf diesem Temperaturniveau gehalten, bis sich das Polycarbosilan zu SiC zersetzt hat (Pyrolyse).

Die erhaltene Grundplatte 4 bzw. die Rahmenplatte 5 weisen noch Poren im Werkstoff auf. Um diese weitgehend zu schließen, werden Grundplatte 4 und Rahmenplatte 5 mit einer keramischen Imprägnierung versehen. Eine derartige Nachimprägnierung kann beispielsweise auf keramischem Wege über Infiltration von prä-keramischen Polymeren in die Poren und ihrer anschließenden Keramisierung unter Luftausschluß erfolgen.

Neben der vorbeschriebenen Herstellung der Rahmenplatte 5 besteht auch die Möglichkeit, nur Grundplatten herzustellen und dann aus diesen die entsprechenden Rahmen durch Aussägen des inneren Teils herzustellen.

Nachdem Grundplatte 4 und Rahmenplatte 5 hergestellt sind, werden diese durch Kleben miteinander verbunden, wobei als Kleber beispielsweise ein siliziumhaltiges Material zu Anwendung kommt.

Bei allen Platten 3 und 3' des Plattenstapels 2 haben Grundplatte 4 und Rahmenplatte 5 die gleiche Form. Nur durch Wenden der Rahmenplatte 5 auf der Grundplatte 4 um 360° werden die entsprechenden Platten 3 und 3', die für den Aufbau des Plattenwärmetauschers benötigt werden, hergestellt.

1Rahmenkörper 2Plattenstapel 3; 3'Platten 4Grundplatte 5Rahmenplatte 6Dichtelement 7Materialanhäufung 8; 8'Einlaß 9; 9'Auslaß 10Kammer 11Verteilerelemente 12Stegbolzen 13Bodenelement 14Deckelement 15Turbulenzelemente

Anspruch[de]
  1. Verbundwärmetauscher für den Einsatz im chemischen Apparatebau, bestehend aus einem metallischen Rahmenkörper und einem Plattenstapel aus faserverstärkter Keramik, dessen Plattenstapel aus einer Vielzahl von ebenen Platten besteht, in deren Eckbereichen jeweils ein Einlaß und ein Auslaß und zwischen den einzelnen ebenen Platten umlaufende gleichzeitig als Abstandshalter ausgebildete Dichtelemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (3 und 3') derart ausgebildet sind, daß diese aus einer unprofilierten ebenen Grundplatte (4) und einem auf dieser aufgesetzten ebenen Rahmenplatte (5) bestehen und die ebene Grundplatte (4) mit der Rahmenplatte (5) mittels eines Keramikklebers aus artgleichem keramischen Materials verbunden ist.
  2. Verbundwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene Grundplatte (4) und die Rahmenplatte (5) aus einem faserverstärkten Keramikwerkstoff bestehen, wobei in einer keramischen Matrix beschichtete Endlosfasern in einem geordneten Zustand angeordnet sind.
  3. Verbundwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ordnungszustand für die beschichteten Fasern durch Ablegen, Wickeln oder Verweben von Rovings herstellbar ist.
  4. Verbundwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als Abstandshalter ausgebildeten und zwischen den Platten (3 und 3') angeordneten Dichtungselemente (6) einen T-förmigen Querschnitt aufweisen, wobei der stegförmige Bereich zwischen benachbarten Platten (3 und 3') angeordnet ist und der andere Bereich die einander benachbarten Platten (3 und 3') in etwa bis zu ihrer halben Materialdicke umgreifen, so daß beim Verspannen des Plattenstapels (2) im Rahmenkörper (1) sich eine nahezu geschlossene Außenhaut um den Umfang des Plattenstapels (2) ergibt.
  5. Verbundwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Platten (3 und 3') an ihren Endbereichen gekröpft ausgeführt sind, so daß sich im Zusammenbau eine ansteigende bzw. abfallende Kammer (10) ergibt.
  6. Verbundwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Platten (3 und 3') in ihren Eckbereichen jeweils zwei diametral gegenüberliegende Bohrungen aufweisen, die den Einlaß (8; 8') bzw. den Auslaß (9, 9') für die jeweilige Kammer (10) bilden.
  7. Verbundwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der ebenen Grundplatte (4) angeordnete Rahmenplatte (5) jeweils an zwei gegenüberliegenden Eckbereichen Materialanhäufungen (7) besitzt und diese innerhalb des Plattenstapels (2) von Platte zu Platte wechseln.
  8. Verbundwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Grundplatte (4) Turbulenzelemente (15) beliebiger Geometrie und Anordnung vorgesehen sind.
Es folgen 6 Blatt Zeichnungen






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