DE3207213C2 - Speichermaterial aus Kunststoff für Wärmeübertragung zwischen Gasströmen in Wärmetauschern - Google Patents
Speichermaterial aus Kunststoff für Wärmeübertragung zwischen Gasströmen in WärmetauschernInfo
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Abstract
Speichermaterial aus Kunststoff für Wärmeübertragung zwischen Gasströmen in Wärmetauschern. Das insbesondere für die Wärmeübertragung zwischen den in einer Naßreinigungsstufe gereinigten Kesselabgasen und den der Naßreinigung zuzuführenden ungereinigten Kesselabgasen vorgesehene Speichermaterial ist aus Profilelementen (2; 4a, 4b, 4c) zusammengesetzt, die aus thermoplastischem Kunststoff aus der Gruppe der Polyphenylenoxide bestehen oder diese enthalten.
Description
Die Erfindung betrifft ein Speichermaterial aus Kunststoff für Wärmeübertragung zwischen Gasströmen
in Wärmetauschern.
ι Metallische und keramische Wc'kMoffe werden als
Speichermaterial in umlaufenden Regenerativ-Wärmetauschern
für Kessel- und Klimaanlagen sowie für fahrbare und ortsfeste Gasturbinen eingesetzt. Dabei ist
ein alter Vorschlag bekannt, nichtmetallische, die
Wärme schlecht leitende Werkstoffe, wie Kunststoffe, Asbest. Papier oder Textilien im Niedertemperaturbereich
— je nach Arbeitsternperatur im speziellen Anwendungsfall — auszuwählen, um diese Werkstoffe
vornehmlich in Klimaaniagen für den Wärmetausch zwischen Raumab- und zuluft einzusetzen (CH-PS
3 34 078). Papier und Textilgewebe haben sich auch bei Verwendung entsprechend ausgewählter Imprägnierungen
bzw. Textilhilfsmittel aufgrund ihrer geringen Naßfestigkeit, Formbeständigkeit, der leichten Entflammbarkeit
und der geringen Beständigkeit gegenüber Agenzien, z. B. mineralischen oder organischen
Säuren, nicht durchsetzen können. Darüber hinaus bestehen gegenüber Papier und Textilgeweben wegen
der Gefahr der Verrottung erhebliche Bedenken bezüglich des Einsatzes dieser Werkstoffe in Lüftungsund
Klimaanlagen.
Wenngleich Kunststoffe wiederholt als Austauschmaterial benannt wurden, liegen für Kunststoffe keine
Erfahrungen über den technischen Einsatz vor. Einem breiten Einsatz von Kunststoffen als Wärmcspcichermatcrial
stehen die den Kunststoffen in der Rcuel
spezifischen wärmeisolierenden Eigenschaften sowie die geringe Zeitstandfestigkeit unter höheren Tempera-
türen entgegen. Eine wechselnde Beanspruchung von Kunststoffen hat eine mit der Zeit schnell abfallende
Standfestigkeit derselben zur Folge.
Das Speichermaterial umlaufender Regenerativ-Wännetauscher
für die Wiederaufheizung der zuvor in einer Naßreinigungsstufe gereinigten Kesselabgase
durch Wärmeübertragung von den der Naßreinigung zuzuführenden ungereinigten Kesselabgasen ist besonderen
betrieblichen Beanspruchungen unterworfen. Auf der bezüglich des Speichermaterials Wärme aufnehmenden
Seite wird das Speichermaterial von höher temperierten Rohgasen beaufschlagt, die nicht oder nur
unvollständig entstaubt sind, und auf der Wärme abgebenden Seite von niedriger temperierten Gasen
hoher Feuchte, die zusätzlich Reste von chemischen Sorptions- und Neutralisationsmitteln und Produkte aus
der Naßreinigung mit sich führen. Je nach der chemischen Zusammensetzung der innerhalb des
Speichermaterials unter diesen Bedingungen beim Wärmetausch gebildeten Niederschläge erfolgt in
kürzerer oder längerer Zeit ein Aushärten der Niederschläge zu mehr oder weniger fest auf dein
Speichermaterial haftenden, in der Regel in Wasser unlöslichen Verkrustungen, weiche die Durchgangskanäle
des Speichermaterials vollständig verschließen, so daß ein Weiterbetrieb des Wärmetauschers und im
Gefolge damit auch der Kesselanlage nicht mehr möglich ist. Um stark verschmutzte und verkrustete
Heizflächen — in üblicher Weise aus Stahl oder auch emailliertem Stahl — von Wärmetauschern in Nachschaltung
zu Kesselaniagen zu reinigen, werden bereits besonders gestaltete Rußbläser eingesetzt, deren
Reinigungsstrahlen das Speichermaterial im eingebauten Zustand reinigen, die Durchgangskanäle erneut
öffnen und die festen Beläge zuverlässig und vollständig aus der Speichermasse des Wärmetauschers herausspülen.
Die hierbei aus den Reinigungsdüsen der Rußbläser austretenden scharfen Reinigungsstrahlen führen zu
örtlichen Verformungen, die in ihrer Gesamtheit eine
walkartige Beanspruchung der plattenförmigen Bestandteile des Speichermaterials zur Folge haben.
Andererseits sind gerade derartige walkartige Beanspruchungen in plattenförmig vorliegendem Speichermaterial
in besonderem Maße dazu geeignet, auch fest auf dem Speichermaterial haftende Verkrustungen und
Beläge abzusprengen.
Umlaufende Regenerativ-Wärmetauscher mit metallischen
Speichermaterialien haben sich jedoch unter den vorbezeichneten besonderen Betriebsbedingungen nur
mit begrenzter Betriebszeit und nur unter stark erhöhtem Reinigungsaufwand einsetzen lassen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Speichermaterial tiir wie VTarrncu^crtragüng anzugeben,
das sich einfach und wirtschaftlich herstellen läßt, dessen Oberfläche eine geringe Affinität zu den
Abgasbcstandteilen der Rohgase vor und der Reingast
nach der Naßreinigung hat. und das eine hohe Zeitstandfestigkeit auch bei wechselnder Beanspruchung
durch auftreffende Rcinigungsstrah:en aufweist.
Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, t daß das .Speichermaterial aus absianclhaltcndcn. leistenförmigen
Profiielementcn und mehreren, als Speicherelemente dienenden platienförmigen Profiielementcn
/u Spcicherblöckcn zusammengesetzt ist. und diese Elemente aus Polvphen\lou>\id oder einem Copolyme- '
ris.ii ;ms Pol\ pheciyle'iovid und i'okstwol oder aus
IOk pheinlenoxid-Polysis ml-Pols blends besiehe η. Die
thermoplastischen Eigenschaften der für die Herstellung
der Speichermaterialien vorgeschlagenen Kunststoffe ermöglichen eine einfache Herstellung der
Profilelemer.te unter Beachtung der im späteren Betrieb vorgesehenen Betriebstemperaturen des Wärmetauschers,
wobei die physikalischen Eigenschaften des Speichermaterials nach der Verarbeitung ebenso wie
die Verarbeitungseigenschaften beispielsweise durch unterschiedliche Gehalte von Polyphenylenoxid und
Polystyrol veränderbar und an vorgegebene Bedingungen anpaßbar sind.
Mit besonderem Vorteil wird das erfindungsgemäße Speichermaterial für die Wiederaufheizung der in einer
Naßreinigungsstufe gereinigten Kesselabgase durch Wärmeübertragung von den der Naßreinigung zuzuführenden
ungereinigten Kesselabgasen verwendet.
Die Herstellung der abstandhaltenden leistenförmigen Profilelemente erfolgt vorzugsweise durch Spritzgießen,
während die die Speicherelemente bildenden plattenförmigen Profilelemente durch Extrusion hergestellt
sind.
Für die Fertigung von Speicheri.öcken bringt es
Vorteile, wenn die abstandhaltenden le.itenförmigen Profilelemente im vorgesehenen Anschlußbereich an
den plattenförmigen Profilelementen axial unterbrochene,
im Querschnitt dreieckförmige Stege aufweisen. Bei der Herstellung von Speicherblöcken werden die
plattenförmigen Profilelemente und die die plattenförmigen Profilelemente auf Abstandhaltenden leistenförmigen
Profilelemente zweckmäßig durch Ultraschallschweißung verbunden. Die Speichermasse umlaufender
Regenerativ-Wärmetauscher wird in der Regei in sektorförmigen Räumen einer Tragkonstruktion untergebracht.
Um diese Räume füllende Speicherblöcke auszubilden, sind die plattenförmigen Profilelemente
bzw. die diese auf Abstand haltenden leistenförmigen Profilelemente zweckmäßig abwechselnd aufeinandergeschichtet
und schrittweise durch Ultraschallschweißung miteinander zu einem Speicherblock verbunden.
Zur Erzielung einer festen Verbindung und um eine wirkungsvolle Ultraschallschweißung zu ermöglichen,
aber auch für den späteren betrieblichen Einsatz, werden die plattenförmigen Profilelemente mit den
abstandhalienden leistenförmigen Profilelementen durch in Längsrichtung der abstandhaltenden Profilelemente
verlaufende, linienförmige, jedoch unterbrochene Schweißnähte verbunden.
Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Weiterbildung
derart, daß die abstandhaltenden Profilelemente und die plattenförmigen Profilelemente jeweils abwechselnd
mit einer oder mehreren linienförmigen Ultraschallschweißungen durch punktförmige Ultraschallschweißtingen
verbunden sind.
Auf der einen Siirnsekc des Speichc-rblocks weisen
die pun.a.'örmigen Schweißverbindungen vorzugsweise
einen größeren Abstand von dieser Stirnseite auf. als -iuf der gegenüberliegenden Stirnseite, an welci.er diese
Verbindungen zwischen plattenförmigen Profilelementen und abstandhaltenden. leistenförmigen Profiielcmenten
jeweils mit einer punktförmigcn Schweißverbindung enden. Aui diese Art wird für die spätere
Eintriitsscite des Reinigungsstrahls des Speichcnruucrials
eine quasi gelenkige Einspannung der plat'enförmigcn
Profilelcmente in den jeweiligen Feldern /wischen den abstandhaltenden Profilelementen erhalten, welche
die zum Absprengen von Verkrustungen vorteilhaften Walkbewegungen zu labt.
Um einen unsymmetrischen Verzug des .Speicherblooks
bei der Fertiüimi: aufgrund des schrittweisen
Abliiiils der ein/einen Sehweißvorgange /u νci'iiiculcii.
wird auf der Seite do Speicherhlocks. ;in welcher die
Piinktsehweil.Uingen einen größeren Abstand \mii der
Stirnseite aufweisen, /wischen der jeweiligen Punkt
schweißung und der Stirnseite vorzugsweise unmittelbar an dieser eine I leitschweißung in Form einer
linienförmige!! Schweißnaht geringerer l.iinge vorgesehen,
welche jeweils eine Sollbruchstelle für einen schvvingiiiigsfähigen Fintritlsabschnitt der Profilelcinente
im betrieblichen Einsatz des Speichelblocks bildet. Die l.iinge dieser linienförmigeii lleftsehweilliiiiht
wird /weckmüßig gegenüber den in /\\kilhclming
auf dem abstandhaltenden Profilelement folgenden linienförmigeii Schweißnähten mil verkürzter Länge
ausgeführt.
Rir die Fertigung sektorförmiger .Speicherblöcke in
Anpassung an die Sektorriiume der Tragkonstruktion umlaufender Regenerativ-VViirmetaiischer wird zweckmäßig
ein Speicherblock oder werden mehrere aneinandergereihte Speicherblöcke in die sektorförmigen
Räume der Speichermaierial-Trägerkonstrukiion
passend zugeschnitten.
Um die Eintrittsabschnitte der plattenförmigen Profilelemente der einzelnen Speieherblöcke besonders
schwingungsfähig auszubilden, wird für die plattenförmigen Profilelement eine Stärke von 1 bis 3 mm,
vorzugsweise 1.5 mm, gewählt, während der Speicherblock
eine Höhe £ 100 mm hat.
Des weiteren empfiehlt es sich, die abstandhaltenden leistenförmigen Profilelemente mit einer Teilung von 20
bis 90 mm, vorzugsweise 50 mm, anzuordnen, wobei deren Abmessung über die Steghöhe 3 bis 6 mm.
vorzugsweise 4 mm. und deren Breite 4 bis 6 mm. vorzugsweise 5 mm, beträgt.
Die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden linienförmigen
Schweißnähten wird zweckmäßig zwischen 8 bis 15 mm. vorzugsweise mit 12 mm. bemessen, wobei
die punktförmigen Schweißverbindungen über die Plattenhöhe mit einer Teilung 50 bis 70 mm. vorzugsweise
60 mm. aufeinander folgen.Für die punktförmigen Schweißverbindungen ist es von Vorteil, wenn die
leistenförmigen Profilelemente jeweils im Bereich der punktförmigen Schweißverbindungen eine ringförmige
Verbreiterung mit beidseitig kreisringförmigen, im Querschnitt dreieckförmigen Stegen, aufweisen. -
Die knopfartig ausgebildeten Anschlußbereiche sind dabei auf einen Durchmesser /.wischen 8 und 15 mm.
vorzugsweise 10 mm. verbreitert, wobei dann die kreisringförmigen Stege einen Durchmesser zwischen 6
und 13 mm, vorzugsweise 7.5 mm haben. "
Sehen ücr fur den Grundwerkstoff bekannten
Beständigkeit im Bereich höherer Temperaturen wird
überraschenderweise eine Zeitstundfcsiigkeit des
SpeithcrblotlkS unter betrieblichen Belastungen, und
/war insbesondere auch bezüglich der wechselnden : licinspruthiinucn der im .Speicherblock enthaltenen
plattenförmigen Profilelemente durch die auftreffenden
Keiiiieungsslrjhlen erreicht, die nur geringfügig herabgesetzt
ist. Wesentlich für dieses Verhallen sind die gelenkigen Verbindungen /wischen den plattenförmi- t
gen Profilelemenicn und den abstandhaltenden, leistenforinigcr,
Profileiementen.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Zeichnung ein Plattenstape! bei der Herstellung zum Speicherblock
in Perspektive dargestellt.
eines Stapels ν cm plattend n'mii.'en Pro! ilelemenlen 2 mit
/w ischeiiiresch.ilteien. ahsiandhaltcndcn. leistend innigen l'rofilelemenien A.i. 4Λ. 4c wahrend der I"cniLMini:
des Speicherblocks.
In der Darstellung sind bereits sieben der pl.itieiil'orminen
Pmlileleniente 2 im Wechsel mn abstandhaltenden
leisieiiformigeii Profileiementen 4./. 4/'. 4*.' m drei
R-.'ihen iibeieiiu.nJer durch I'liraschallschweiUuriL1
miteinander verbunden wurden. Auf das oberste Profilelement 2 des Plaltensiapels ist bereits die
nächstfolgende Lage der abst.mdhaltenden Profilelement
4' aiifgesei/t worden. I ur die VerschweilJiuig mit
dem nächstfolgenden (nicht ge/eigten) plattenförmigen
Profilelement sind die ahstandhaltenden Profilelemente
4' beidseitig, d. h. auch auf der nicht sichtbaren Unterseite mit den aiii ihivr Oberseite dargestellten,
sich in axialer Richtung erstreckenden, im Querschnitt
dreieckförmigen Siegen iS für linienförmige Schweißverbindungen einerseits und krcisringförmigen Siegen 8
für puiiktförmige Schweil.lverbindungen andererseits
versehen. Vorder Ultraschallschweißimg wird zunächst
auf die oberste Lage der abstandhaltenden. leistenförmigen
Profilelemente das nächstfolgende plattenförmige Profilelemente aufgelegt. Die Ultraschallschvveißung
erfolgt somit schrittweise zugleich durch eine Fernschweißung zur Verbindung der Unterseite der
leistenförmigen Profilelemente 4' mit dem darunter befindlichen plattenförmigen Profilelement 2 und durch
eine Nahschweißung zur Verbindung hrer Oberseite
mit dem noch auf sie aufzulegenden plattenförmigen Profilelement.
Die abstandhalienden. leistenlörmigen Profilelemente
oder Stege sind im Bereich der vorgesehenen punktförmigen Schweißverbindungen ebenso wie die zu
ihrer Durchführung vorgesehenen, in der Draufsicht kreisringiörmigen und im Querschnitt dreieckförmigen
Stege 8 jeweils mit abgerundeten Verbreiterungen versehen, so daß ;n diesen Bereichen besonders
belastungsfähige knopfartige Verbindungsbereiche gestaltet werden.
In dem in der Zeichnung dargestellten Ausschnitt des
Plattenstapels liegen die in der Zeichnung rechts dargestellten geradlinigen Stirnkanten der plattenförmigen
Profilelemente in der späteren Eintrittsfläche der staubbeladenen Gase, deren Strömungsriehtung durch
den Pfeil G symbolisiert sein möge. In gleicher Richtung wirken auch die Reinigungsstrahlen des Rußbläsers,
deren Wirkungsrichtung durch den Pfeil S veranschaulicht sein möge.
Die abstandhaltenden. leistenförmigen Profilelemente
4.1. Ab. Ac sind mit bezüglich dieser Eintritt"-fläche
zurückversetzten Verbreiterungen mit den in der Draufsicht kreisringförmigen Stegen für die punktförmigen
Ultraschall-Schweißverbindungen versehen. Unmittelbar an die Eintritifläche angrenzend sind
gegenüber den anderen axial ausgerichteten Dreieckstegen 6 zur Herstellung der ünienförmigen Schweißverbindungen
kürzere, im Querschnitt dreieckige Stege 10 vorgesehen. Diese Stege dienen allein als Montagehilfe.
Sie fixieren den Plattenstapel bzw. den Speicherblock im Bereich der betreffenden Stirnseite und
vermeiden dort eine Verformung aufgrund der schrittweise durchgeführten Ultraschallschweißungen während
der Herstellung des Speicherblocks aus plattenförmigen und abstandhaltenden. leistenförmigen Profilelernenten.
Hierzu 1 Blatt Zeichnuneen
Claims (16)
1. Speichermaterial aus Kunststoff für Wärmeübertragung
zwischen Gasströmen in Wärmetauschern, dadurch gekennzeichnet, daß das
Speichermaterial aus absiandshauenden. leistenförmigen
Profilelementen (4a, 4b, 4t^und mehreren als
Speicherelemente dienenden plattenförmigen Profilelementen (2) zu Speicherblöcken zusammengesetzt
ist, und diese Elemente aus Polyphenylenoxid oder einem Copolymerisat aus Polyphenylenoxid und
Polystyrol oder aus Polyphenylenoxid-Polysiyrol-Polyblends
bestehen.
2. Speichermaterial nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die abstandshaitenden leistenförmigen
Profilelemente (4a, 4b, 4c^ durch Spritzgießen
und die plattenförmigen Profilelemente (2) durch Extrusion hergestellt sind.
3. Speichermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abstandshaitenden,
kastenförmigen Profilelemente (4a. 4b, 4c) zum Anschiußbereich an die plattenförmigen Profi!
elemente (2) vorstehende, axial unterbrochene, im Querschnitt dreieckförmige Stege (6; 10) aufweisen.
4. Speichermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen
Profilelemente (2) mit den leistenförmigen Profilelementen (4a, 4b, 4c) durch in Längsrichtung
der abstandhaltenden Profilelemente verlaufende,
linienförmige, jedoch unterbrochene Schweißnähte zu einem Speicherblock verbunden sind.
5. Speichermaterial nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die abstandhaltenden leistenförmigen
Profilelemente (^a, 4b. 4c) und die
plattenförmigen Profiltlemente (2) jeweils abwechselnd mit einer oder mehrten linienförmigen
Ultraschallschweißungen durch punktförmige UltraschaJIschweißungen
verbunden sind.
6. Speichermaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Stirnseite des
Speicherblocks die punktförmigen Schweißverbindungen einen größeren Abstand von dieser Stirnseite
aufweisen als auf der gegenüberliegenden Stirnseite, an welcher die Verbindungen zwischen
den plattenförmigen Profilelementen (2) und den abstandshaitenden, leistenförmigen Profilelcmenien
(4a, 4b, 4c) jeweils mit einer punktförmigen Schweißverbindung enden.
7. Speichermaterial nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stirnseite des Speicherblocks,
an welcher die punktförmigen Schweißverbindungen einen größeren Abstand von der Stirnseite aufweisen, zwischen der punktförmigen
Schweißverbindung und der Stirnseite eine Heftschweißung in Form einer linienförmigen Schweiß- '
naht geringer Länge vorgesehen ist.
8. Speichermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen
Profilelemente (2) eine Stärke von I bis 3 mm, vorzugsweise 1.5 mm, haben und der Speicherblock *
eine Höhe ä 100 mm aufweist.
9. Speichermaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die abstandhaltenden, leistenförmigen
Profilelemente (4;;. 4b, 4c)eine Teilung von
bis 90 mm, vorzugsweise 50 mm. aufweisen. "
10. .Speichermaterial nach Anspruchs oder 9.
dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der leistenförmigen Profilelemente (4;i. 4b. 4c) über die
Steghohe 3 bis 6 mm. vorzugsweise 4 mni.und ihre Breite 4 bis 6 mm. vorzugsweise 5 mm. beträgt.
11. Speichermaterial nach Anspruch 4 und einem
der Ansprüche» bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abstände zwischen aufeinanderfolsenden Linienförmigen Schweißnähten 8 bis 15 mm. vorzugsweise
12 mm, betragen.
12. Speichermaterial nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 8 bis 11.dadurch gekennzeichnet, daß
r'.ie punktförmigen Schweißverbindungen über die Plattenhöhe mit einer Teilung von 50 bis 70 mm.
vorzugsweise 60 mm, aufeinander folgen.
13. Speichermaterial nach Anspruch !2. dadurch gekennzeichnet, daß die leistenförmigen Profilelemente
(4a. 4b. 4c) zur Ausbildung von jeweils knopfartigen Anschlußbereichen der punktförmigen
Schweißverbindungen eine ringförmige Verbreiterung mit beidseitig kreisringförmigen, im Querschnitt
dreieckförmigen Stegen (8) aufweisen.
14. Speichermaterial nach Anspruch 13. dadurch gekennzeichnet, daß die knopfartig ausgebildeten
Anschlußbereiche auf einen Durchmesser zwischen 8 und 15 mm. vorzugsweise 10 mm. verbreitert sind.
15. Speichermaterial nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisringförmigen
Stege (8) einen Durchmesser zwischen 6 und 13 mm. vorzugsweise 7,5 mm, haben.
16. Verwendung des Speichermaterials nach Ansprüchen 1-15 für die Wiederaufheizung der in
einer Naßreinigungsstufe gereinigten Kesselabgase durch Wärmeübertragung von den der Naßreinigung
zuzuführenden ungereinigten Kesselabgasen.
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