DE3117187A1 - Blockwaermeaustauscher - Google Patents

Description

SlGRI ELEKTROGRAPHIT GMBH Meitingen, den 28, APR. 1981

Blockwärmeaus taus eher

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, der mindestens aus einem Graphitblock mit Gruppen von sich kreuzenden, von wärmeaustauschenden Fluiden durchströmten Kanälen besteht.

Graphitwärmeaustauscher, die sich aufgrund der Korrosionsbeständigkeit und günstigen Wärmeleitfähigkeit für den Wärmeaustausch zwischen korrosiven Fluiden vorzüglich eignen, sind wegen der verhältnismäßig geringen Härte und Erosionsfestigkeit des Werkstoffs Beschränkungen unterworfen, die gegebenenfalls die genannten Vorteile vollständig aufheben können. Das gilt besonders dann, wenn das oder die wärmeaustauschenden Fluide mit abrasiven Partikeln beladen sind, die mit einer Geschwindigkeit von einigen Metern je Sekunde besonders auf die eingangsseitigen Mantelflächen der die Graphitblöcke durchsetzenden Kanäle prallen. Der Eingang zylindrischer Kanäle wird dabei kegelförmig ausgeweitet und gleichzeitig bilden sich, ausgehend von den Fugen zwischen den übereinandergestapelten Blöcken eines Austauschers kolkartige Auswaschungen. Da der Verschleiß nicht auf die Eingangsseite des Austauschers beschränkt ist, sondern - wenn auch mit abnehmender Intensität - sich über die gesamte Länge der

PA 81/6 Dr.We/Ma ' - 3 -

Blocksäule erstreckt, kann die durch Erosionsschaden begrenzte Betriebszeit des Austauschers durch Auswechseln der eingangsseitigen Blöcke nur verhältnismäßig geringfügig verlängert werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Erosion der Graphitblöcke vollständig zu vermeiden, ohne die günstigen in Wärmeaustauschern genutzten Eigenschaften des Werkstoffs, vor allem Korrosionsfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit, zu beeinträchtigen.

Die Aufgabe wird mit einem Wärmeaustauscher der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in die für das Produkt vorgesehenen Kanäle eingangsseitig Büchsen aus einem verschleißfesten, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Werkstoff eingelassen sind und die Stirnseiten des Blocks mit einer verschleißfesten Schicht versehen sind. Die Büchsen bestehen nach einer bevorzugten Ausführung aus einem siliciumhaltigen Werkstoff, vorzugsweise aus Siliciumcarbid. Als Stirnseite werden die Flächen des Blocks verstanden, die sich im wesentlichen senkrecht zu den Bohrungskanälen erstrecken.

Prinzipiell sind alle Werkstoffe für die Büchsen geeignet, die etwa eine gleichgünstige Korrosionsfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit wie Graphit und eine größere Härte und Erosionsfestigkeit aufweisen. Da sich in der Regel aus derartigen Werkstoffen nur kleinere Pormate mit großem technischen Aufwand herstellen lassen, sind ausschließlich aus diesen Werkstoffen bestehende Blockaustauscher praktisch nicht zu realisieren. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht nun in Verbindung mit Graphitblöcken die unbegrenzte Nutzung der Vorzüge dieser Werkstoffe. Die an den Büchsenwerkstoff zu stellenden Bedingungen werden besonders von Siliciumcarbid und Siliciumnitrid erfüllt, die

PA 81/6 Dr.We/Ma - 4 -

etwa die gleiche Wärmeleitfähigkeit wie Graphit und im allgemeinen auch eine sehr günstige Korrosionsfestigkeit aufweisen. Siliciumcarbid ist mit einer Mohs-Härte von etwa 9,5 einer der härtesten Stoffe und verschleißt unter den Bedingungen eines Blockwärmeaustauschers praktisch nicht. Die eingangsseitig in die Kanäle eingesetzten Büchsen sind beispielsweise mit einem temperaturfesten Kleber oder Kitt mit dem Graphit verbunden oder der Einsatz ist als Steckverbindung ausgeführt. Die Büchsen sind vorzugsweise konisch oder trichterförmig ausgebildet/ wobei die Trichterflächen um 3 bis 15° gegen die Kanalachse geneigt sind. Zweckmäßig nimmt der Neigungswinkel mit der Länge der Büchse ab, so daß sich die Büchse der Kanalkontour nähert. Bei einer anderen bevorzugten Ausführung wird die Büchse eingangsseitig von einem Dichtungsring aus einem elastomeren Werkstoff begrenzt der einen geringen Prallverschleiß aufweist. Besonders günstig, auch wegen der guten Temperatur- und Korrosionsfestigkeit, sind chlorierte und fluorierte Elastomere.

Die an den Stirnseiten der Graphitblöcke vorgesehene verschleißfeste Schicht spielt für den Wärmeaustausch zwischen den Fluiden nur eine unwesentliche Rolle, so daß auch keramische Schichten mit einer kleinen Wärmeleitfähigkeit aber mit einem hohen Verschleißwiderstand . verwendet werden können. Die verschleißfeste Schicht wird mit verschiedenen an sich bekannten Verfahren auf die Stirnfläche des Blocks aufgebracht oder in situ erzeugt. Nach einem zweckmäßigen Verfahren wird der poröse Graphitblock an der Oberfläche durch Eintauchen in eine Siliciumschmelze, durch Erhitzen in einer siliciumdampfhaltigen Atmosphäre oder durch Zersetzen einer gasförmigen Siliciumverbindung (CVD) mit Silicium imprägniert oder Silicium wird durch Plasma- oder Flammspritzen auf die Stirnfläche des Graphitblocks aufgebracht. Die be-

PA 81/6 Dr.We/Ma - 5 -

— 5 —

schichteten Blöcke werden auf eine Temperatur von etwa 1600 bis 22OO°C und durch Reaktion des Siliciums mit dem Kohlenstoff eine festhaftende Schicht aus Siliciumcarbid gebildet, die sich besonders bei den imprägnierten Typen über einige Millimeter in das Innere des Blocks erstreckt. Die Härte und Verschleißfestigkeit von Siliciumcarbid wurden bereits weiter oben beschrieben. Ein anderer für die verschleißfeste Schicht geeigneter Werkstoff ist beispielsweise Korund. 10

Die Erfindung wird im folgenden durch Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 - eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Blockaustauschers

Fig. 2 - eine andere Ausbildung nach der Erfindung

In den Figuren sind 1 die übereinandergestapelten Graphitblöcke eines Blockaustauschers mit Kanälen 2, an deren Eingänge Büchsen 3 aus Siliciumcarbid eingesetzt sind. Die Stirnfläche 4 der Blöcke weisen verschleißfeste Schichten 5 ebenfalls aus Siliciumcarbid auf, die durch Bedampfen der Flächen mit Siliciumdampf und Tempern der Blöcke auf ca. 2000 C erzeugt wurden.

In der Ausführung nach Figur 2 ist an der Eingangsseite der Büchse ein Dichtungsring 6 aus einem elastomeren Material angeordnet, der einen vergleichsweise günstigen Prallverschleiß aufweist und den Spalt zwischen den Stirnflächen der Blöcke wenigstens zu einem Teil abdichtet und dadurch zu einer Verminderung des erosiven Verschleißes der Stirnflächen beiträgt.

In einem Vergleichsversuch wurde der Verschleiß von beispielgemäßen Blockwärmeaustauschern und normalen Aus-PA 81/6 Dr.We/Ma - 6 -

tauschern aus Graphit mit feststoffbeladener Phosphorsäure als Fluid, entsprechend der bei der Phosphorsäure-Hersteilung anfallenden Konzentration, geprüft. Die Standzeit der Graphitblöcke betrug nur zwei bis sechs Wochen, Blöcke nach der Erfindung wiesen nach den gleichen Benutzungszeiten keinen erkennbaren Verschleiß auf.

PA 81/6 Dr.We/Ma ' - 7 -

Claims (5)

1. 311718V

   Patentansprüche

   Wärmeaustauscher, bestehend aus mindestens einem Graphitblock mit Gruppen von sich kreuzenden, von wärmeaustauschenden Fluiden durchströmten Kanälen, dadurch gekennzeichnet , daß in die für das Produkt vorgesehenen Kanäle eingangsseitig Büchsen aus einem verschleißfesten, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Werkstoff eingelassen sind und die Stirnflächen des Blocks mit einer verschleißfesten Schicht versehen sind.
2. 2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Büchsen aus einem siliciumhaltigen Werkstoff bestehen.
3. 3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Büchsen aus Siliciumcarbid bestehen.
4. 4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Büchsen konisch ausgebildet sind und der Neigungswinkel gegen die Kanalachse 3 bis 15° beträgt.
5. 5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Büchse eingangsseitig mit einem Dichtungsring aus einem elastomeren Werkstoff versehen ist

   PA 81/6 Dr.We/Ma - 2 -