DE69802820T2

DE69802820T2 - Wärmetauschvorrichtung

Info

Publication number: DE69802820T2
Application number: DE69802820T
Authority: DE
Inventors: D. Christy; R. Pearl
Original assignee: Millipore Corp
Current assignee: EMD Millipore Corp
Priority date: 1997-09-19
Filing date: 1998-08-21
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2018-08-22
Also published as: US6131649A; EP1012524A1; EP1012524B1; JP3394521B2; WO1999015848A1; JP2001517773A; AU8917298A; DE69802820D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetauschvorrichtung und insbesondere auf eine aus einer polymeren Zusammensetzung gebildete Wärmetauschvorrichtung.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Derzeit werden Wärmetauschvorrichtungen zum Regulieren der Temperatur eines Prozeßfluids gebildet, um einen Strömungsweg für eine gekühlte oder eine erwärmte Wärmetauschflüssigkeit bereitzustellen, der dem Prozeßfluid entweder Wärme zur Verfügung stellt oder von diesem extrahiert. Die Wärmeübertragung zwischen den Fluiden wird im allgemeinen durch eine dünne, wärmeleitende Barriere, wie z. B. eine dünne Wand einer Leitung ausgeführt. Die große Mehrheit derzeit verfügbarer, kommerziell eingesetzter Wärmetauschvorrichtungen sind aus Metall, wie z. B. rostfreiem Stahl gefertigt.
Die Verwendung von Metallen zur Bildung einer Wärmetauschvorrichtung bringt bestimmte erhebliche Nachteile mit sich, beispielsweise daß sie schwer und kostspielig sind. Solche Metalle sind gute Wärmeleiter, wobei die den Wärmetauscher umgebende Atmosphäre entweder eine Quelle unerwünschter Wärme für ein Kühlfluid oder eines unerwünschten Wärmeentzugs von einem in dem Wärmetauscher verwendeten Heizfluid darstellt. Außerdem ist die Verwendung von Metallen bei der Behandlung korrosiver Fluide ziemlich eingeschränkt und resultiert im allgemeinen in der erforderlichen Anwendung spezialisierter, teurer Metalle. Darüber hinaus sind die meisten Metalle leicht mit Flüssigkeiten benetzbar, wie z. B. wäßrigen Flüssigkeiten, die ihrerseits die Interaktion mit der Flüssigkeit, z. B. durch chemische Reaktion, sowie ein Verrotten bzw. Korrodieren des Metalls fördern.
Vorbekannte Wärmetauscher sind in der FR-A-2290646 und der US-A-4744414 offenbart.
Demgemäß wäre es wünschenswert, eine Wärmetauschvorrichtung mit hohen Wärmetauschleistungen bereitzustellen. Es wäre auch erwünscht, eine Vorrichtung bereitzustellen, die leicht gebildet werden kann.

ABRISS DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Wärmetauschvorrichtung bereitgestellt, wie sie im Anspruch 1 definiert ist. Die vorliegende Erfindung stellt eine Wärmetauschvorrichtung bereit, die gänzlich oder im wesentlichen aus einer polymeren Zusammensetzung gebildet ist. Die Wärmetauschvorrichtung ist mit mindestens einem Durchgang für ein Prozeßfluid versehen, dem Hitze zu liefern ist oder von dem Hitze abzuziehen ist, und mindestens einem Durchgang für ein Wärmetauschfluid, welches dem Prozeßfluid Wärme liefert oder aus diesem extrahiert. Der Wärmetauscher dieser Erfindung ist so ausgebildet, daß er sowohl Durchgangswege als auch eine Wärmetauschersperre zwischen den Durchgangwegen aufweist, was eine Wärmeübertragung zwischen den Fluiden innerhalb der Durchgänge ermöglicht, während es eine Masseübertragung von Fluid zwischen den Durchgängen verhindert. Die Durchgänge können Siebe aufweisen, welche eine Fluid-Turbulenz fördern, die ihrerseits die Wärmeübertragung fördert. Der Wärmetauscher ist mit einem Fluideinlaß und einem Fluidauslaß für das Wärmetauschfluid versehen. Die Wärmeübertragung wird durch eine dünne Sperrschicht, wie z. B. eine polymere Sperrschicht, eine Metall-Sperrschicht oder eine Metall-Polymer-Laminat- Sperrschicht bewerkstelligt.
Die Wärmetauschvorrichtung dieser Erfindung wird durch Formen von die Fluid-Durchgänge und Wärmeübertragungsschichten definierenden Sieben in einer Konfiguration ausgebildet, welche eine Vermengung des Wärmetauschfluids und des Prozeßfluids während des Einsatzes der Vorrichtung verhindert. Die Wärmetauschvorrichtung umfaßt auch einen Fluideinlaß und einen Fluidauslaß für das Wärmetauschfluid und einen Fluideinlaß sowie einen Fluidauslaß für das Prozeßfluid. Zum Abdichten des Prozeßfluids und des Wärmetauschfluids innerhalb ihrer zugeordneten Durchgänge können am Einlaß und Auslaß Endkappen vorgesehen sein.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 die Komponenten eines Wärmetauschers, der zur Bildung der Wärmetauschvorrichtung dieser Erfindung von Nutzen ist,
Fig. 2 die zusammengeformten Komponenten von Fig. 1,
Fig. 3 die Bildung einer Wärmetauschvorrichtung dieser Erfindung,
Fig. 4 die Wärmetauschvorrichtung von Fig. 3 mit Anti- Ablenkungskappen,
Fig. 5 die endbearbeitete Wärmetauschvorrichtung von Fig. 4,
Fig. 6 eine Veranschaulichung der Anwendung der Vorrichtung von Fig. 5,
Fig. 7 ein Fluid-Behandlungssystem unter Verwendung der Wärmetauschvorrichtung dieser Erfindung,
Fig. 8 eine graphische Darstellung des Wärmeübertragungskoeffizienten als Funktion der Masseströmung einer Ausführungsform von Beispiel 1,
Fig. 9 eine graphische Darstellung des Wärmeübertragungskoeffizienten als Funktion der Masseströmung einer zweiten Ausführungsform von Beispiel 1,
Fig. 10 eine graphische Darstellung des Wärmeübertragungskoeffizienten als Funktion der Masseströmung einer dritten Ausführungsform von Beispiel 1,
Fig. 11 eine graphische Darstellung des Wärmeübertragungskoeffizienten als Funktion der Masseströmung einer vierten Ausführungsform von Beispiel 1,
Fig. 12 eine graphische Darstellung des Wärmeübertragungskoeffizienten als Funktion der Masseströmung einer fünften Ausführungsform von Beispiel 1,
Fig. 13 eine graphische Darstellung des Wärmeübertragungskoeffizienten als Funktion der Masseströmung einer sechsten Ausführungsform von Beispiel 1,
Fig. 14 eine graphische Darstellung des Wärmeübertragungskoeffizienten als Funktion der Masseströmung einer siebten Ausführungsform von Beispiel 1, und
Fig. 15 eine graphische Darstellung des Wärmeübertragungskoeffizienten als Funktion der Masseströmung einer achten Ausführungsform von Beispiel 1.

BESCHREIBUNG SPEZIFISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Wärmetauschvorrichtung dieser Erfindung ist aus einer Schichtung von Elementen gebildet, die eine nicht- poröse Wärmeübertragungsschicht und eine Abstandsschicht umfassen. Die Abstandsschichten stellen einen Strömungsweg für einen Prozeßflüssigkeitsstrom und einen Wärmetausch- Fluidstrom bereit. Die Wärmeübertragungsschicht(en) und Abstandsschicht(en) werden hier kollektiv als "Arbeitsschichten" bezeichnet. Elemente, die hier als Module bezeichnet werden, sind aus zwei oder drei Komponenten gebildet, von denen mindestens eine eine nicht-poröse Wärmeübertragungsschicht und mindestens eine eine Abstandsschicht ist. Das Dreikomponentenmodul kann aus zwei Wärmeübertragungsschichten gebildet sein, von denen sich jede an einer Oberfläche einer Abstandsschicht befindet. Die Abstandsschicht kann ein definiertes offenes Volumen oder eine poröse Einzelschicht wie z. B. ein Sieb umfassen. Bei der Verwendung eines offenen Volumens als Abstandsschicht wird dieses mit einer oder zwei zusammenpassenden Rändern gebildet, welche den Umfang des offenen Volumens bilden, der Module trennt oder ein Modul und ein Ende der Wärmetauschvorrichtung trennt. Die Module können aus mehr als drei Arbeitsschichten gebildet sein, wenn dies erwünscht ist, so lange die Abstandsschichten und die Wärmeübertragungsschichten in alternierenden Schichtanordnungen vorkommen. Durch Anordnen der Abstandsschichten und der Wärmeübertragungsschichten in dieser Konfiguration kann die gewünschte Wärmeübertragung stattfinden, während eine unerwünschte Masseübertragung vermieden wird. Die Abstandsschicht umfaßt ein Element mit Löchern, Kanälen oder einem offenen Volumen, durch das Flüssigkeit passieren kann. Die Abstandsschicht grenzt an eine Wärmeübertragungsschicht an oder steht mit dieser in Kontakt, durch die Wärme zwischen dem Prozeßflüssigkeitsstrom und dem Wärmetauschfluidstrom übertragen wird.
Module, die einen Teil der Schichtung bilden, werden vor dem Positionieren in die Schichtung versiegelt und danach als Formeinsatz gegossen bzw. gepreßt. Die vorversiegelte Konfiguration des Moduls hängt von der Position des Elements innerhalb der Schichtung ab. Das Modul kann entweder eine Abstandsschicht für einen Prozeßstrom oder eine Abstandsschicht für einen Wärmeaustauschstrom umfassen. Wenn das Modul eine Prozeßstrom-Abstandsschicht darstellt, wird das Modul vorversiegelt, so daß die Prozeßstrom- Abstandsschicht gegenüber der Prozeßstrom-Einlaßöffnung und der Prozeßstrom-Auslaßöffnung in der Wärmetauschvorrichtung offen ist und gegenüber den Wärmeaustauschstrom-Einlaß- und Auslaßöffnungen geschlossen ist. Wenn das Modul die Wärmeaustauschstrom-Abstandsschicht aufweist, wird das Modul vorversiegelt, so daß die Prozeßstrom-Abstandsschicht gegenüber den Wärmeaustauschstromeinlaß- und -auslaßöffnungen geschlossen ist und gegenüber den Prozeßstromeinlaß- und -auslaß-öffnungen offen ist. Die Einschichtelemente innerhalb der die Wärmetauschvorrichtung bildenden Schichtung umfassen entweder Abstandsschichten oder Wärmeübertragungsschichten. Die in der Schichtung verwendete Wärmeübertragungsschicht ist dünn und kann eine Polymerschicht, eine Metallschicht oder ein Laminat mit Metallschichten, wie z. B. Aluminium und einer Polymerschicht, umfassen.
Repräsentative geeignete Polymerverbindungen zum Bilden der Wärmetauschvorrichtung dieser Erfindung weisen eine Wärmeleitfähigkeit auf, die geringer als etwa 20 Hr-Fr²-ºF (2,884 W/(mk)) ist und vorzugsweise zwischen etwa 1 und etwa 3 (etwa 0,1442 und etwa 0,4326 W/(mk)) liegt. Sie umfassen Polymide, Polyetheretherketone (PEEK), Zellulose, Polypropylen, Polyethylen, Polyvinyldifluorid (PVDF), Polysulfon, Perfluorocelkoxyharz (PFA), Polysulfon, Polyäthersulfon, Polycarbonat, Acrylonitril-Butadien-Styrol, Polyester, Polyvinylchlorid (PVC), Acryle, Polytetrafluorethylen, fluoriertes Ethylenpolymer, Polyamid o. dgl. oder gefüllte oder ungefüllte Verschnitte derselben. Die nicht-poröse Wärmeübertragungsschicht kann aus einer Polymerverbindung gebildet sein, welche die oben genannten Polymerverbindungen für die Wärmetauschvorrichtung, eine Metallschicht wie z. B. Aluminium oder rostfreier Stahl oder ein Laminat einer Polymerzusammensetzung und einer Metallschicht umfassen. Es wird bevorzugt, eine Metallschicht mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens etwa 60, vorzugsweise mindestens etwa 110, zu verwenden, um die Wärmeübertragungsrate zu erhöhen. Im allgemeinen weist die Wärmeübertragungsschicht eine Dicke zwischen etwa 0,5 und 10 mil, vorzugsweise zwischen etwa 2 und etwa 3 mil auf.
Geeignete polymere Dichtungsverbindungen sind jene, die die gewünschte Abdichtungskonfiguration innerhalb der Filtervorrichtung liefern und die die Vorrichtung bildenden Elemente, wie z. B. die Wärmeübertragungsschichten, Abstandsschichtöffnungen und Gehäuseelemente, nicht signifikant beeinträchtigen. Außerdem sollte die abdichtende Zusammensetzung keine signifikante Quelle von extrahierbaren Elementen während der Verwendung der Vorrichtung liefern. Repräsentative geeignete Dichtungsverbindungen sind thermoplastische Polymerverbindungen, welche diejenigen auf der Basis der oben genannten Polymerzusammensetzungen für die Wärmetauschvorrichtung umfassen.
Die Abdichtung kann durch ein beliebiges herkömmliches Mittel erfolgen, wie z. B. ein Formeinsatzschmelzen, Vibrationsbonden, Klebemittel o. dgl.
In den Fig. 1 und 2 ist eine Wärmetauschvorrichtung dieser Erfindung aus einer Abstandsschicht 16 für eine Wärmeaustauschflüssigkeit gebildet, die ein Sieb o. dgl., eine Wärmeübertragungsschicht 18 und eine Endkappe 20 umfassen kann, welche eine Wärmetauschflüssigkeit-Einlaßöffnung 10 und eine Wärmetauschflüssigkeit-Auslaßöffnung 12 aufweisen kann. Das Modul 14 wird durch Einbringen der Wärmeübertragungsschicht 18 und der Abstandsschicht 16 sowie der Endkappe 20 in eine Gießform und Vergießen einer Kunststoffverbindung um die Schichten herum und selektiv in die Schichten hinein gebildet, um eine erste Dichtung um die Schichten herum und eine am Umfang angehobene Rippe 22 (Fig. 2) zu formen. Das Modul 15 wird auch aus einer Wärmeübertragungsschicht, einer Abstandsschicht und einer Endkappe 23 gebildet. Die Endkappe 23 unterscheidet sich von der Endkappe 20 darin, daß sie eine Prozeßfluid-Einlaßöffnung 24, eine Prozeßfluid-Auslaßöffnung 26, einen Wärmetauschfluid-Einlaß 28 und einen Wärmetauschfluid-Auslaß 30 umfaßt. Eine Dichtungslippe 19 erstreckt sich um den Umfang des Moduls 14 und paßt mit einer Dichtungslippe (nicht dargestellt) am Modul 15 zusammen, um eine Abdichtung zwischen dem Wärmetauschfluid und dem Prozeßfluid zu bewerkstelligen. Die Module 14 und 15 sowie die Abstandsschicht 17 sind zwischen Anti-Ablenkungskappen 32 und 34 innerhalb einer Gießform positioniert, und all diese Elemente werden zusammengefügt, um eine zweite Abdichtung zu bilden, indem sie als Formeinsatz innerhalb der Gießform vergossen werden. Die Anti-Ablenkungskappen 32 und 34 dienen dazu, die Wärmetauschvorrichtung 36 (Fig. 4) so zu verstärken, daß sie einem hohen internen Druck widerstehen kann. Gemäß Fig. 6 wird das Wärmetauschfluid in den Einlaß 28 eingeleitet und durch Leitungen 33 und 38 in die innerhalb der Module 14 und 15 positionierten Abstandsschichten 16 gerichtet. Das Wärmetauschfluid wird von der Wärmetauschvorrichtung 36 vom Auslaß 30 entfernt, der in Fluidverbindung mit den Leitungen 40 und 42 steht, welche ihrerseits in Fließverbindung mit den Abstandsschichten 16 in den Modulen 14 und 15 stehen. Das Prozeßfluid wird in die Wärmetauschvorrichtung 36 durch den Einlaß 24 eingeleitet, durch die Abstandsschicht 17 geleitet und durch den Auslaß 26 abgezogen.
Gemäß Fig. 7 kann die Wärmetauschvorrichtung 36 dieser Erfindung gemeinsam mit einem Filtermodul 50 verwendet werden. Ein Reservoir 51 für ein Prozeßfluid ist mit der Filtervorrichtung 50 durch zwei Sammelrohre 52 und 54 verbunden, die eine Fluidverbindung zwischen dem Reservoir 51 und dem Filtermodul 50 bereitstellen. Das Sammelrohr 52 ist integral mit dem Reservoir 51 ausgebildet oder kann integral mit einem separaten Flanschelement 56 ausgebildet sein, welches auf einen oberen Abschnitt des Reservoirs 51 aufgesetzt werden kann. Ein Verbinder 54 in Fluidverbindung mit dem Reservoir 51 und dem Verbinder 60 steht in Fluidverbindung mit einer (nicht dargestellten) Pumpe sowie mit einer Rohrleitung (nicht dargestellt), wenn das Ventil 62 geöffnet ist. Das Sammelrohr 52 kann integral mit einem Träger 53 für das Reservoir 84 nach der Darstellung ausgebildet sein. Die Sammelrohre 52 und 54 sind integral mit dem Reservoir 51 oder mit Elementen ausgebildet, welche an das Reservoir 51 angrenzen, statt mit dem Filtermodul 50, da das Filtermodul 50 eher periodisch ausgetauscht wird als das Reservoir 51. Der Verbinder 60 steht in Fluidverbindung mit der Pumpe (nicht dargestellt), wenn er an einer Rohrleitung (nicht dargestellt) befestigt ist, die ihrerseits in Fluidverbindung mit der Pumpe steht.
Der Verbinder 60 steht in Fluidverbindung mit dem Prozeßfluid-Zuführkanal 62 zur Einspeisung in das Wärmetauschmodul 36 durch den Einspeisekanal 62. Prozeßfluid tritt in die Wärmetauschvorrichtung 36 durch den Einlaß 24 ein und durch den Auslaß 26 aus, wie oben mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben wurde. Das Prozeßfluid durchläuft dann das Sammelrohr, den Filtermoduleinlaß 66 und mündet im Filtermodul 50. Das Wärmetauschfluid tritt in das Modul 36 durch Einlässe 70 und 28 ein und wird durch Auslässe 30 und 72 abgezogen. Zusätzliche Permeat-Auslässe 74 und 76 können für ein mit den Verbindern 78, 80, 82 und 84 verbundenes Filtermodul vorgesehen sein. Das Filtermodul 50 ist so strukturiert, daß es ein Einspeisefluid in einen Permeatstrom und einen Retentatstrom aufteilt, und es ist in der Anmeldungsnummer 08/856856 vom 15. Mai 1997 offenbart, die hiermit durch Bezugnahme einbezogen wird. Das Permeat wird aus dem Modul 50 durch die Auslässe 66 und 68 entfernt. Ungefiltertes Retentat läuft in den Retentat-Kanal 100, um die Retentat-Rohrleitung 101 zu durchlaufen und zum Reservoir 51 zurückgeführt zu werden.
Wenn die Öffnung 86 des Reservoirs 56 abgedichtet ist, kann in das Reservoir 51 durch die Öffnung 88 Luft eintreten, die durch ein Filtergehäuse 90 abgedichtet ist, welches ein (nicht dargestelltes) Luftfilter aufweist. Das verwendete Luftfilter ist ein herkömmliches Sterilisierungsfilter. Die in das Reservoir eintretende Luft kann steril gemacht werden, wenn das verwendete Filter ein herkömmliches Sterilisierungsfilter ist. Die eintretende Luft ersetzt abgezogenes Permeat, wodurch der Filtervorgang fortgesetzt wird.
Die Figuren veranschaulichen zwar die Anwendung der Vorrichtung dieser Erfindung auf einen Gegenstromprozeß, die Vorrichtung kann aber auch so angewendet werden, daß das Prozeßfluid und das Wärmetauschfluid gleichlaufend strömen. Außerdem können die Abstandsschichten, durch welche das Wärmetauschfluid und das Prozeßfluid strömen, umgekehrt werden.
Das folgende Beispiel veranschaulicht die vorliegende Erfindung und soll diese nicht einschränken.

Beispiel 1

Dieses Beispiel liefert eine Festlegung des Gesamt- Wärmeaustauschkoeffizienten und der Wirksamkeit des in den Fig. 4 und 5 gezeigten Wärmetauschers unter Verwendung verschiedener Strömungsraten und Konfigurationen.
Um den Wärmetauscher richtig zu bewerten, müssen der Gesamt-Wärmeaustauschkoeffizient und die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad der Vorrichtung quantifiziert werden. Da beide Eigenschaften von der Strömungsrate abhängen, muss auf die Beziehung zu der Masseströmungsrate eingegangen werden. Die Definition von U, dem Gesamt-Wärmeaustauschkoeffizienten, ist folgende:
wobei Q die Wärmeübertragung ist, A der verfügbarer Bereich bzw. die Fläche für die Wärmeübertragung und ΔTLM der logarithmische mittlere Temperaturunterschied ist. Da A und ΔTLM einfach meßbar sind, kann die über die Wärmekapazität der Fluide berechnete übertragene Wärme U einfach bestimmt werden.
Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers wird durch Teilen der beobachteten Wärmeübertragung durch die maximal mögliche Wärmeübertragung Qmax bestimmt, wobei Qmax definiert ist als:
Qmax = (mCp)min·ΔTmax (2)
Ein Siegel-Strömungsmesser wird in-line mit dem in den Wärmetauscher gerichteten Heiz-/Kühlfluid plaziert. Die Strömungsrate des Prozeßfluids (Wasser) wurde unter Verwendung einer Waage und einer Stoppuhr gemessen.
Temperaturmessungen wurden durch vier einzeln an den vier Einlaß-/Auslaßöffnungen der Wärmetauschvorrichtung befindliche Thermoelemente vorgenommen. Diese Thermoelemente wurden in dem Datenerfassungs-Package verdrahtet und ihre Temperaturwerte wurden jede Sekunde gesammelt. Die Blockmittlungsfunktion wurde dazu verwendet, die durchschnittliche Ablesung für die vorausgegangenen fünf Sekunden auf einem Microsoft Excel Worksheet zu protokollieren.
Das Kühlfluid wurde auf eine Strömungsrate von etwa 75 mi/min festgesetzt. Das Prozeßfluid wurde mit unterschiedlichen Strömungsraten im Bereich von 10 bis 80 mi/min strömen gelassen. Das Prozeßfluid wurde nicht umgewälzt, sondern wurde einmal durchlaufen gelassen, um ein Dauerzustandsystem zu modellieren. Während die Strömung durch Gewicht pro Minute gemessen wurde, wurde die Temperatur ebenfalls aufgezeichnet, so daß die geeigneten Temperaturen verwendet werden konnten, um die Wärmeübertragungseigenschaften bei dieser Strömungsratenmessung auszuwerten. Die gleiche Prozedur wie die bei dem Kühlfluid verwendete wurde für den Heißwassertest verfolgt, außer daß die Strömungsrate infolge von Einschränkungen beim Pumpen des Heißwassers bei etwa 50 mi/min lag.
Experimente wurden in vier verschiedenen Konfigurationen ausgeführt. Wärmetauscher können auf zwei unterschiedliche Weisen betrieben werden, nämlich im Gegenstrom oder im Parallelstrom. Außerdem kann das Wärme-/Kühlfluid auf dem Einspeisekanal (innen) oder den äußeren Kanälen strömen. Alle diese Umwandlungen wurden mit verschiedenen Strömungsraten getestet.
Die Ergebnisse der gesammelten Daten unter Verwendung von Propylenglycol, um das Prozeßfluid zu kühlen, sind in den Fig. 8 bis 11 dargestellt. Die Fig. 12 bis 15 enthalten ähnliche Daten, außer daß Heißwasser zum Erwärmen des Prozeßfluids verwendet wurde. Zur Umwandlung von cal/(M·min·ºC) in BTU/ft·2 hr·ºF) wird mit 0,039816 multipliziert.
Basierend auf den Graphen von Fig. 8 bis 15 erzeugt der Gegenstrom-Wärmetauscher einen höheren Wärmeübertragungskoeffizienten und einen höheren Wirkungsgrad als die Parallelströmung bei gleicher Strömungsrate. Hinsichtlich des Wirkungsgrads läuft der Wärmetauscher wirkungsvoller, wenn das Heiz-/Kühlfluid durch den Einspeisekanal (mittleren Kanal) gepumpt wird. Durch das Durchlaufenlassen des Heiz- /Kühlfluids durch den mittleren Kanal wird der Verlust an die Umgebung minimiert. Dies ist in den Fig. 8 und 12 dargestellt. Typische Prozeß-Strömungsraten für den Wärmetauscher liegen zwischen 30 und 40 mi/min. In diesem Bereich beträgt der Wirkungsgrad des Wärmetauschers in der idealen Konfiguration 85%. Dieser Wirkungsgrad variiert jedoch sowohl mit der Strömungsrate des Prozeßfluids als auch des Heiz-/Kühlfluids.
Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers beträgt 85%, wenn die Prozeßfluid-Strömungsrate im typischen Bereich von 30 bis 40 ml/min liegt. Der Wärmetauscher wird vorzugsweise im Gegenstrom mit dem Heiz-/Kühlfluid in dem Einspeisekanal bzw. mittleren Kanal gefahren, um die Wärmeübertragung zu optimieren. Durch den Betrieb in dieser Konfiguration wird der Wärmeverlust an die Umgebung im Vergleich mit anderen Anordnungen minimal. Die Strömung im Gegenstrom ist vorzuziehen, da die Temperaturantriebskraft entlang dem Wärmetauscher im Vergleich zu einer Parallelströmung gleichmäßig bleibt. Die Werte für U liegen innerhalb des Bereichs von 150-300 BTU/ft·hr·ºF) (oder 2500 bis 3700 von cal/ (M2·tin·ºC)) oder über diesem.

Claims

1. Wärmetauschvorrichtung zum Ausführen eines Wärmetauschs zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid, mit:

mindestens einem Modul (14, 15) mit einer Wärmeübertragungsschicht (18), einer ersten Abstandsschicht (16), durch die das erste Fluid passieren kann und die an die Wärmeübertragungsschicht (18) anschließt oder mit dieser in Kontakt steht, einer Endabdeckung (20,23), einem ersten Fluideinlaß (24) und einem ersten Fluidauslaß (26), wobei der erste Fluideinlaß (24) und der erste Fluidauslaß (26) eine Fluidverbindung mit der ersten Abstandsschicht (16) bereitstellen, wobei die Komponenten des Moduls (14, 15) mit einer polymeren Zusammensetzung abgedichtet sind, um eine Umfangsdichtung um die erste Abstandsschicht (16) und die Wärmeübertragungsschicht (18) herum zu bilden,

einer zweiten Abstandsschicht (17), durch die das zweite Fluid passieren kann und die angrenzend an das mindestens eine bzw. jedes dieser Modul(e) (14, 15) positioniert ist, und

einem zweiten Fluideinlaß (28) und einem zweiten Fluidauslaß (30), die eine Fluidverbindung mit der zweiten Abstandsschicht (17) bereitstellen, und

wobei die zweite Abstandsschicht (17) das mindestens eine bzw. jedes dieser Modul(e) mit einer polymeren Zusammensetzung abgedichtet ist, um eine Umfangsdichtung um den Umfang der zweiten Abstandsschicht (17) und jedes der Module (14, 15) zu bilden, so daß das erste Fluid und das zweite Fluid durch die Vorrichtung geleitet werden können, um einen Wärmeaustausch zwischen den Fluiden zu bewirken, während eine Masseübertragung zwischen den Fluiden verhindert wird, und wobei die polymere Zusammensetzung einen Wärmeleitwert von weniger als ca. 20 BTU·inch/ (ft²·h·deg F) (2.884 W/(m·K)) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Endabdeckung (20,23) den Fluideinlaß und Fluidauslaß für die erste Abstandsschicht (16), abgedichtet in dem betreffenden Modul, aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit zwei an entgegengesetzten Seiten der zweiten Abstandsschicht (17) angeordneten Modulen (14, 15).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Wärmeübertragungsschicht (18) eine Schicht aus einer polymeren Zusammensetzung, eine Metallschicht oder ein Laminat, mit einer Metallschicht und einer Schicht aus einer polymeren Zusammensetzung, aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die Abstandsschicht (16; 17) ein poröses Element oder ein offenes Volumen umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei die polymere Zusammensetzung eine thermoplastische polymere Zusammensetzung ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Wärmeleitwert der polymeren Zusammensetzung zwischen ca. 1 und ca. 3 BTU·inch/(ft²·h·deg F) (ca. 0,1442 und ca. 0,4326 W/ (m·K)) liegt.