DE966473C - Graphitwaermeaustauscher - Google Patents

Description

(WiGBI. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 12. SEPTEMBER 1957

C4490Ia/17f

Graphitwärmeaustauscher

Die Verwendung des Graphits als Werkstoff zum Bau von Wärmeaustauschern für korrodierende Flüssigkeiten und¹ Gase hat in den letzten- Jahrzehnten wegen, der ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit dieses Werkstoffes einen immer größer werdenden; Umfang angenommen. Die Graphitwärmeiaustau'scher sind zum Teil in. Anlehnung an die bekannten Konstruktionen der Metallwärmeiaustauscher (Röhren Wärmeaustauscher, Rieselkühler) entwickelt wordein. Röhrenwärmeaustauscher aus Graphit können, für Drücke bis zu, etwa 5 atü verwendet werdein. Wegen der¹ verhältnismäßig großen Wandstärke: der Graphitrohre ist aber die auf ein, gegebenes Appa,ra,tevolumen unterzubringende Austauschfläche wesentlich, ungünstiger als bei den Wärmeaustauschern aus Metall. Mit dem Bau von kastenförmigen Austauschen! (s. A. S chm i dt, Werkstoff und Korrosion [1951], S. 93) ist die Technik Wege gegangen, die den spezifischen Werkstoff- und. V erarbeitungseigenscbaften des Graphits besser gerecht werden. Bei den Kastenwärmeaustauschern läßt sich, zwar auf einem gegebenen, Raum eine größere Austauschfläche unterbringen·, doch können diese Austauscher nicht mit nennenswertem Überdruck betrieben werden. Sowohl der Röhren- als auch der Kastenwärmeia,usta,uscher haben den. Nachteil, daß die von. den Mitteln, durchströmten Räume Leimfugen besitzen,, so daß beim Undichtwerden der Leimverbindungen, das eine Mittel in das andere übertreten kann,. In der Praxis ist es außerordentlich zeitraubend und schwierig, die Stelle der Undichtheit zu finden und zu reparieren. Weiterhin wird, bei diesen, Konstruktionen eine verhältnismäßig große Anzahl verschiedener Bau,-elemente benötigt.

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Man. ist wegen dieser Schwierigkeiten dazu übergegangen, Graphitwärmaaustauscher zu konstruieren,, bei denen: die beiden Mittel durch neibeneinanderliegendei Kanäle oder Kanalsysteme, die entweder parallel oder hinitereinandergeschaltet sain können, geführt werden und dabei in Wärmeaustausch, treten. Da diesel Austauscher einen festen. Block bilden, können, relativ hohe Drücke angewendet werden. Sie können: auch ohne wesentliehen Aufwand so> gebaut werden, daß Leimverbindungen zwischen den Kanälen verschiedener Mittel vermieden, werden.. Um bei derartigen. Konstruktionen für den. Wärmeaustausch die optimalen technischen Verhältnisse zu schaffen, müssen die Kanäle für jedes der beiden Mittel zueinander parallel geführt werden, um die Kanalreihen der verschiedenen, Mittel möglichst nahe nebeneinander anordnen. und um beide Mittel im Gegenstrom zueinander führen: zu können.

Die bei der Erfüllung dieser Forderungen, auftretenden, Schwierigkeiten bestehen darin, bei den aus Reihen, paralleler Kanäle bestehenden Wärmeaustauschern die Mündungen der Kanäle beider Mittel jeweils für jedes Mittel getrennt zu vareinigen,. Nach dem deutschen Patent 821 653 wird die Zusammenfassung der einzelnen. Kanäle für jedes Mittel außerhalb¹ des eigentlichen Austauscherblocks an verschiedenen Apparateflächen, vorgenommen. Damit ist eine Parallelführung dier Kanalredhen der verschiedenen. Mittel nicht mehr möglich. Die Kanalreihen werden, in einem rechten oder einem nahezu rechten. Winkel zueinander geführt. In der deutschen Patentschrift 508965 wird ein. aus aufeinandergeschichteten Metallplatten bestehender Wärmeaustauscher beschrieben, bei welchem zwar die Kanäle der verschiedenen Mittel parallel zueinander geführt werden. Um die Kanalreihen jedes Mittels getrennt zusammenfassen zu können, werden die Kanäle an ihren Enden, unter einem Winkel entgegengesetzt nach außen, geführt und dort vereinigt. Abgesehen davon, daß bei der Verwendung vom Graphit an, Stelle von Metall diese Konstruktion! auf erhebliche Schwierigkeiten stößt, hat sie noch den wesentlichen Nachteil, daß diese Ableitungeni sich nicht mehr vollständig überdecken., so' daß ein großer Teil des Materialaufwandes nicht für die Wärmeübertragung ausgenutzt wird.

Nachstehend wird ein Graphitwärmeaustauscher für gasförmige und/oder flüssige Mittel beschrieben, der gegenüber den bekannten: Konstruktionen; erhebliche Vorteile besitzt. Bei diesem Wärmeaustauscher, der aus einzelnen, gas- und/oder flüssigkeitsdicht zusammengefügten Platten! mit parallel verlaufenden: und. die Kanäle für die Mittel bildenden Rillen! beliebigen Querschnitts besteht und mit Elementen zur Verbindung der Kanäle der einzelnem Platten sowie Elementen für die Zu- bzw. Ableitung der Mittel versehen, ist, weist jede Platte an zwei gegenüberliegenden, Seiten rillenförmige und mit den Zu- bzw. Ableitungselementen in Verbindung stehende Sammel- bzw. Umlenkräunie für die Kanäle auf, wobei die Kanäle sämtlicher Platten untereinander in an sich bekannter Weise parallel verlaufen. Dabei können die Kanäle durch geeignete Anordnung der plattenförmigen Bauelemente 6g parallel oder hintereiinandargeschaltet werden. Auch ist es möglich, Gruppen der Kanäle unter sich parallel und die Gruppen hintereinanderzuschalten, In Anpassung an die Erfordernisse des Konstruktionsmaterials Graphit wird bei dem Wärmeaustauscher dieser Konstruktion, bis zur Vereinigung der einzelnen, Kanäle eime vollständige Überdeckung der Kanäle beider Mittel erreicht und die Vereinigung der einzelnen Kanäle innerhalb· des Wärmeaustauschers durchgeführt. Damit wird die gesamte Fläche des Austauschers für den, Wärmeaustausch ausgenutzt. Dieses Konstruktionsprinzip ermöglicht in einfacher Weise, z. B. durch Einbau von Sperrstücken, die wahlweise Schaltung der Einzelkanäle hintereinander oder parallel. Der neue Wärmeaustauscher gestattet das Unterbringen, einer hohem Wärmeaustauschfläche auf ein gegebenes Volumen und damit eine hohe spezifische Leistung. Ferner kann der neue Wärmeaustauscher trotz geringer Wandstärke zwischen, den Kanälen auf Druck wie die Röhrenwärmeaustauscher beansprucht werden. Außerdem läßt sich der Wärmeaustauscher mit Hilfe von wenigen, leicht herstellbaren Bauelementen herstellen!, schließlich werden Leimvarbindungen zwischen den. von den beideni Austauschmedien durchströmten Räumen vermieden.

In den Zeichnungen! (Abb. 1 bis 9) wird das Konstruktionsprinzip des beanspruchten Graphitwärmeaustauschers näher erläutert.

Die einzelnen, plattenförmigen! Bauelemente, im folgenden kurz als Platte bezeichnet, besitzen in der Längsrichtung verlaufende Rillen beliebigen Querschnitts. Abb. ι zeigt eine solche Platte mit Rillen auf beiden, Seiten, doch kann: man auch. Platten verwenden, die nur auf der einen Seite Rillen, besitzen. Um günstige Wärmeauetauschverhältnisse zu erzielen, ist as bei den zweiseitig mit Rillen, versehenen Platten zweckmäßig, die Rillen, wie Abb. 1 zeigt, gegeneinander versetzt anzuordnen. Durch Aufeinanderfügen einer Anzahl der beispielsweise nach, Abb. 1 hergestellten Platten, erhält man, einen Block, der, wie die Abb. 2 bis 5 zeigen, von parallel laufenden, Kanälen, durchzogen! ist. M₁ und M₂ sind die Kanäle für die verschiedenen Mittel M₁ und M₂. no

Während Abb. 1 und 2 halbrunde Rillen, zeigen, veranschaulichen die Abb. 3, 4 und 5 Rillen mit halb elliptischen, rechteckigen- bzw. dreieckigen Querschnitten. Die Rillen können jedoch auch andere Formen haben, Wia sich aus Abb. 6 ergibt, sind die in der Längsrichtung der Platte angeordneten Rillen an den beiden. Enden durch Querrillen r verbunden. Diese Querrillen: münden bei e bzw. α nach außen, Beim Zusammensetzen werden die einzelnen Platten so> aufeinandergelegt, daß die Öffnungen e und α abwechselnd rechts und links liegen. Dadurch werden durch entsprechendes Anordnen der Verbindungselemente U₁ sämtliche Kanäle M₁ (vgl. Abb. 2 bis 5) und durch Anbringen entsprechender Verbindungselemente U₂ sämtliche Kanäle M₂ (vgl. Abb. 2 bis 5) jeweils parallel

geschaltet, so daß auf eine vom Mittel M₁ durchströmtet Kanalreihei eine solche des Mittels M₂ folgt, darauf wieder eine Reihe, die vom Mittel M₁ durchströmt wird,, usw. Die Einitrittsöftnungen beider Mittel M₁ und M₂ Hegern in diesem Falle nebeneinander an der einen, Stirnseite, die Austrittsöffnungen auf der anderen. Stirnseite des- Wärmeaustauschers. Vom den Verbindüngselenienten U₁ und U₂ führen, entsprechende Anschlüsse zu den Zu- bzw. Ableitungen der Mittel.

Man kann, die Ein- und Austrittsöffnungeni e bzw. φ auch, wie in Abb. 7 gezeigt, nebeneinander anordnen.. Dabei wird jeweils die folgende Platte um i8o° gedreht, so- daß bei dieser Anordnung die Eini- und Austrittsöffnungen des einen. Mittels nebeneinander auf der einen: Stirnseite!, die Ein- und Austrittsöffnungen, des anderen, Mittels, nebeneinander auf der andereni Stirnseite zu liegen, kommeni. Die Ein- und Austrittsöffnungeni lassen.

sich selbstverständlich auch an einer zweckentsprechenden Stelle der Seitenwände anordnen,. Die Verbindungselemente U₁ und U₉ können schließlich auch innerhalb dies Wärmeaustauschers selbst liegen. Bezüglich der Schaltung der Kanäle besteht eine Reihe von Möglichkeiten:, die der Verwendung des Wärmeaustauschers angepaßt werden,. Während bei der durchgehendtem Anordnung' der Verbind dungseleniente U₁ und U₂ sämtliche Kanalreihen untereinander parallel geschaltet sind, lassen sich auch, wie Abb. 8 zeigt, die Kanäle durch eine¹ entsprechende Anordnung hintereinanderschalten. Man, kann, ferner eine Gruppe von, Kanälen, in sich, parallel und die Gruppen ihrerseits hinitereiinanderschalten. Schließlich besteht die Möglichkeit, die Rillen statt in die einzelnen Bauelemente einzufräsen,, durch Aufleimen entsprechender Formstücke auf die Platten herzustellen. Beispiele hierfür zeigen, die Abb. 4 und 7.

Das Imprägnieren der Graphitplatten. bzw. das Verbinden der imprägnierten. Graphitplatten zum Wärmeaustauscher kann, in bekannter Weise durch, Tränken mit Harzern, Pechen, Teeren, usw. bzw. durch Verleimen mit Wachsen, Harzen (Phenolharze^ Furanharzen usw.) erfolgen. Da, die

4-5 zwischen den Rillen, liegenden Berührungsflächen, der Platten durch Verleimen gas- und/oder flüssigkeitsdicht miteinander verbunden werden, erhält man einen zusammenhängenden kompakten. Block, der im Gegensatz zum Kastenaustauscher aus Graphit auch mit höheren Drücken, belastet werden, kann. Dabei kann es zweckmäßig sein, Ober- und Unterseite des fertigen. Blocks durch eine entsprechende Eisenkonstruktion zu armieren.

Durch Versetzen der Platten, wie in Abb. 7 gezeigt, läßt sich, erreichen, daß keine Leimfugen, zwischen, von den, Mitteln durchströmten. Räumen vorhandien sind,, so daß sich Undichtigkeiten, in. den Kanälen von außen feststellen und beseitigen lassen.

Das dem neuen- Wärmeaustauscher zugrunde liegende Prinzip kann sinngemäß auch, zum Bau von Umlauferhitzern, Dephlegmatoren usw., also ganz allgemein für die Zwecke verwendet werden,, für die in der Praxis üblicherweise Röhrenwärmeaustauscher eingesetzt werden. Man kann das Prinzip ferner auch zum Einbau von Heiz- oder Kühlelementen in geschlossenen Apparaturen (z. B. Destillationsblasen;) verwenden. In diesem Falle werden, die Kanäle für das eine Mittel (Dampf oder Kühlflüssigkeit) entsprechend der Abb. 9 nach außen, geführt, während die Kanäle für das zweite Mittel oben und unten offen, bleiben, so daß das. in der Apparatur befindliche! Mittel ungehindert in den Kanälen zirkulieren und sich dabei erhitzen bzw. abkühlen kann (vgl. Abb. 9). Um diese Art vom Wärmeaustauschern auch a,uf Druck bean-Sprüchen zu können, werden. seineAußenwandungen zweckmäßig durch Versteifungsrippen verstärkt und: abgestützt.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Graphitwärmeaustauscher für gasförmige und/oder flüssige Mittel, der aus einzelnen gas- und/oder flüssigkeitsdlchten, zusammengefügten Platten mit parallel verlaufenden und die Kanäle für die Mittel bildenden Rillen beliebigen Querschnitts besteht und der Elemente zur Verbindung der Kanäle der einzelnen Platten, sowie Elemente für die Zu- bzw. Ableitung der Mittel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Platte an zwei gegenüberliegenden Seiten rillenförmige und mit den Zu- bzw. Ableitungselementen in Verbindung stehende Sammelbzw. Umlenkräume für die Kanäle aufweist und daß die Kanäle sämtlicher Platten, untereinander in an, sich, bekannter Weise parallel verlaufen.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle der in Wärmeaustausch, zu bringenden Mittel parallel geschaltet werden.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, da,-durch gekennzeichnet, daß die Kanals der in Wärmeaustausch zu bringenden Mittel hintereimandergeschaltet werden.

4. Wärmeaustauscher nach, Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gruppen der Kanäle der in Wärmeaustausch zu bringenden, Mittel parallel und die Gruppen hinteranandergeschaltet werden. no

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften. Nr. 508965, 821653; britische Patentschriften Nr. 354689, 357605, 363083, 603 112; USA.-Patentschrift Nr. 2496301.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

© 709 672/50 J.