EP3224562B1 - Plattenelement für einen plattenwärmetauscher - Google Patents

Plattenelement für einen plattenwärmetauscher Download PDF

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EP3224562B1
EP3224562B1 EP15774855.9A EP15774855A EP3224562B1 EP 3224562 B1 EP3224562 B1 EP 3224562B1 EP 15774855 A EP15774855 A EP 15774855A EP 3224562 B1 EP3224562 B1 EP 3224562B1
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plate
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Kai Klingenburg
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Klingenburg GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0015—Heat and mass exchangers, e.g. with permeable walls

Definitions

  • the invention relates to a plate element for a plate heat exchanger.
  • Such plate elements are customary in the most varied of shapes and made of a large number of different materials.
  • EP-A-2053335 discloses a plate element according to the preamble of claim 1, ie a plate element for a heat exchanger, which is an at least two-layer arrangement, with a layer by means of which enthalpy can be transferred between two fluid flows separated by the plate element, and at least one perforated layer.
  • the invention is based on the object of providing a plate element for a plate heat exchanger which, on the one hand, can be manufactured with little effort, has a comparatively low weight and yet, in addition to the usual heat exchange properties, also has excellent enthalpy exchange properties. In addition to sensible heat or temperature, moisture or water vapor should also be transferred or exchanged between different fluid flows.
  • Such a plate element can be produced with the desired properties with little effort.
  • the membrane layer of the plate element according to the invention can advantageously be configured as a plastic membrane layer.
  • the at least one carrier layer of the plate element according to the invention can be designed as a woven or non-woven layer with comparatively little effort, the selection of the materials mentioned advantageously resulting in the necessarily perforated structure of the carrier layer.
  • the at least one carrier layer of the plate element is formed from a thermally deformable material.
  • this is designed as a three-layer laminate arrangement, with a further carrier layer, which is arranged on the side of the membrane layer facing away from the first carrier layer and by means of which the plate element also has a predeterminable mechanical strength and a spatial structure can be lent and this can be maintained.
  • a planar, punctiform, striped or grid-shaped connection of each carrier layer with the membrane layer can be realized by the material properties of each carrier and / or membrane layer. No additional connecting means, such as adhesives or the like, are then required.
  • the fleece layers can advantageously be configured from a polyester fleece.
  • This polyester fleece should expediently have a weight which is between 20 and 80, preferably about 50 g / m 2 .
  • the polyester fleece can be adjusted hygroscopically.
  • polyester fleece has a coating made of a zeolite and a binder.
  • the enthalpy transmission properties of the plastic membrane layer can be achieved with comparatively little effort if the plastic membrane layer is made from a polymer or polyurethane material.
  • the plate elements described above can be crimped and welded or glued at their edges so that they can be joined together to form a plate heat exchanger with extremely little technical and structural effort.
  • an at least two-layer laminate arrangement of a membrane layer, preferably a plastic membrane layer, and at least one carrier layer, preferably a fleece layer on both sides of the plastic membrane layer, is created in a flat shape, after which this flat Laminate arrangement is provided with the spatial, stable and upright maintainable structure provided for the plate element by means of a single deformation step.
  • those tools can be used which are also used in plate elements made of materials known from the prior art. Therefore, no complex changes etc. to existing production facilities are required.
  • the deformation associated with the production of the adhesive connection takes place by means of pressing at a maximum of 160 degrees C. This ensures that the enthalpy transmission properties of the membrane layer are not impaired.
  • the hygroscopic setting of the carrier or nonwoven layers can be achieved with comparatively little effort by providing the carrier or nonwoven layers with a coating of a zeolite and a binder by means of an immersion or spraying process.
  • the carrier or nonwoven layers Due to the hygroscopic setting of the carrier or nonwoven layers, if a hydrophilic setting of the carrier or nonwoven layers is provided, it can be achieved that water deposited in the carrier or nonwoven layers is evenly distributed over the surface of the carrier or nonwoven layers , whereby the permeability of the plate element is retained as a whole.
  • the plate element 1 shown in the single figure is not to scale in this figure, but only shown in principle. In the embodiment shown in the figure of the panel element 1 according to the invention, this is designed as a three-layer laminate arrangement 1.
  • This three-layer laminate arrangement 1 includes a plastic membrane layer 2 arranged centrally in the laminate arrangement 1, a first fleece layer 3 arranged above the plastic membrane layer 2 in the figure, and a second fleece layer 4 arranged below the plastic membrane layer 2 in the figure.
  • enthalpy can be transferred between two fluid flows not shown in the figure, one of the fluid flows flowing above the plate element 1 and the other of the two fluid flows flowing below the plate element 1.
  • the plastic membrane layer 2 is formed from a polyurethane material in the illustrated embodiment.
  • the first nonwoven layer 3 and the second nonwoven layer 4 are formed from a thermally deformable nonwoven material, in the illustrated embodiment from a polyester nonwoven.
  • the polyester fleece has a weight of 50 g / m 2 .
  • the polyester fleece is designed to be hygroscopically adjustable, for which purpose the polyester fleece is provided with a coating which consists of a suitable zeolite and a binder.
  • the plate element 1 is given a predeterminable mechanical strength and a spatial structure.
  • This mechanical strength and this spatial structure are for the duration of the use of the plate element can be maintained upright in a plate heat exchanger.
  • a flat adhesive connection is provided between the plastic membrane layer 2 on the one hand and the fleece layers 3, 4 on the other hand.
  • this can be realized by means of material properties of the polyester nonwoven forming the nonwoven layers 3, 4 and / or by means of material properties of the plastic membrane layer 2.
  • a flat three-layer laminate arrangement 1 is first created.
  • the plastic membrane layer 2 is placed on the lower fleece layer 4 and the upper fleece layer 1 is placed on the plastic membrane layer 2.
  • the plate element 1 created.
  • the same tools can be used for this process step that are also used in the production of conventional plate elements.
  • these are provided with a coating of a zeolite and a binder, this coating being able to be produced by an immersion or a spraying process.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Plattenelement für einen Plattenwärmetauscher.
  • Derartige Plattenelemente sind in unterschiedlichster Form und aus einer Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe üblich.
  • EP-A-2053335 offenbart ein Plattenelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, d.h. ein Plattenelement für einen Wärmetauscher, das eine zumindest zweischichtige Anordnung ist, mit einer Schicht, mittels der Enthalpie zwischen zwei durch das Plattenelement getrennten Fluidströmen übertragbar ist, und zumindest einer durchbrochenen Schicht.
  • US-A-20070151447 , DE-A-102005003543 , US-A-2012073791 , US-A-2013233514 und GB-A-2417315 offenbaren weitere Plattenelemente für einen Wärmetauscher.
  • Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Plattenelement für einen Plattenwärmetauscher zur Verfügung zu stellen, das einerseits mit einem geringen Aufwand herstellbar ist, ein vergleichsweise geringes Gewicht aufweist und dennoch neben den üblichen Wärmeaustauscheigenschaften auch über hervorragende Enthalpie-Austauscheigenschaften verfügt. Neben sensibler Wärme bzw. Temperatur soll zwischen unterschiedlichen Fluidströmen auch Feuchtigkeit bzw. Wasserdampf übertragen bzw. ausgetauscht werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Plattenelement für einen Plattenwärmetauscher gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Ein derartiges Plattenelement ist mit einem geringen Aufwand mit den gewünschten Eigenschaften herstellbar.
  • Die Membranschicht des erfindungsgemäßen Plattenelements lässt sich vorteilhaft als Kunststoffmembranschicht ausgestalten.
  • Die zumindest eine Trägerschicht des erfindungsgemäßen Plattenelements kann mit einem vergleichsweise geringen Aufwand als Gewebe- oder Vliesschicht ausgebildet werden, wobei sich durch die Auswahl der genannten Werkstoffe die notwendigerweise durchbrochene Struktur der Trägerschicht vorteilhaft ergibt.
  • Um das erfindungsgemäße Plattenelement mit einem technischkonstruktiv geringen Aufwand mit der vorgebbaren mechanischen Festigkeit und der gewünschten räumlichen Struktur zu versehen, ist es vorteilhaft, wenn die zumindest eine Trägerschicht des Plattenelements aus einem thermisch verformbaren Werkstoff ausgebildet ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plattenelements ist dieses als dreischichtige Laminatanordnung ausgebildet, mit einer weiteren Trägerschicht, die auf der der ersten Trägerschicht abgewandten Seite der Membranschicht angeordnet ist und mittels der dem Plattenelement ebenfalls eine vorgebbare mechanische Festigkeit und eine räumliche Struktur verleih- und diese aufrecht erhaltbar sind.
  • Eine flächige, punktuelle, streifige oder gitterförmige Verbindung jeder Trägerschicht mit der Membranschicht kann durch Werkstoffeigenschaften jeder Träger- und/oder der Membranschicht realisierbar sein. Hierbei sind dann keine zusätzlichen Verbindungsmittel, wie Klebstoffe od.dgl., erforderlich.
  • Alternativ ist es jedoch auch möglich, die flächige, punktuelle, streifige oder gitterförmige und haftende Verbindung zwischen der Membranschicht jeder Trägerschicht durch ein Bindemittel, vorzugsweise durch ein Hotmelt-Klebemittel, zu realisieren.
  • Die Vliesschichten lassen sich vorteilhaft aus einem Polyestervlies ausgestalten.
  • Dieses Polyestervlies sollte zweckmäßigerweise ein Gewicht aufweisen, das zwischen 20 und 80, vorzugsweise bei etwa 50 g/m2, liegt.
  • Um die Durchlässigkeit des Polyestervlieses für Flüssigkeit und damit den Abtransport von Flüssigkeit zur Kunststoffmenbranschicht zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn das Polyestervlies hygroskopisch einstellbar ist.
  • Dies kann zweckmäßigerweise dadurch erreicht werden, dass das Polyestervlies eine Beschichtung aus einem Zeolithen und einem Binder aufweist.
  • Die Enthalpie-Übertragungseigenschaften der Kunststoffmembranschicht lassen sich mit einem vergleichsweise geringen Aufwand realisieren, wenn die Kunststoffmembranschicht aus einem Polymer- oder Polyurethan-Werkstoff ausgebildet ist.
  • Zweckmäßigerweise sind die vorstehend geschilderten Plattenelemente an ihren Rändern verfalz- und verschweiß- oder verklebbar, so dass sie mit einem äußerst geringen technischkonstruktiven Aufwand zu einem Plattenwärmetauscher zusammengefügt werden können.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Plattenelements für Plattenwärmetauscher gemäß Anspruch 1 wird eine zumindest zweischichtige Laminatanordnung aus einer Membranschicht, vorzugsweise einer Kunststoffmembranschicht, und zumindest einer Trägerschicht, vorzugsweise jeweils einer Vliesschicht auf beiden Seiten der Kunststoffmembranschicht, in einer ebenen Form erstellt, wonach diese ebene Laminatanordnung mittels eines einzigen Verformungsschritts mit der für das Plattenelement vorgesehenen räumlichen, tragfähigen und aufrecht erhaltbaren Struktur versehen wird. Bei diesem Verformungsschritt können diejenigen Werkzeuge verwendet werden, die auch bei Plattenelementen aus aus dem Stand der Technik bekannten Werkstoffen eingesetzt werden. Von daher sind keine aufwändigen Änderungen etc. vorhandener Produktionsanlagen erforderlich.
  • Zweckmäßigerweise wird bei dem Verformungsschritt simultan eine Haftverbindung zwischen jeder Trägerschicht und der Membranschicht geschaffen. Der Aufwand für die Herstellung des erfindungsgemäßen Plattenelements kann somit vergleichsweise niedrig sein.
  • Die Verformung, die mit der Herstellung der Haftverbindung einhergeht, erfolgt mittels Pressung bei maximal 160 Grad C. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Enthalpie-Übertragungseigenschaften der Membranschicht nicht beeinträchtigt werden.
  • Die hygroskopische Einstellung der Träger- bzw. Vliesschichten kann mit einem vergleichsweise geringen Aufwand dadurch realisiert werden, dass die Träger- bzw. Vliesschichten mittels eines Eintauch- oder Sprühvorgangs mit einer Beschichtung aus einem Zeolithen und einem Binder versehen werden.
  • Aufgrund der hygroskopischen Einstellung der Träger- bzw. Vliesschichten kann, sofern eine hydrophile Einstellung der Träger- bzw. Vliesschichten vorgesehen wird, erreicht werden, dass sich in den Träger- bzw. Vliesschichten abgelagertes Wasser gleichmäßig über die Oberfläche der Träger- bzw. Vliesschichten verteilt, wodurch die Durchlässigkeit des Plattenelements insgesamt erhalten bleibt.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Plattenelements zeigt, das mit weiteren gleichartigen Plattenelementen zu einem Plattenwärmetauscher zusammenfügbar ist.
  • Das in der einzigen Figur gezeigte Plattenelement 1 ist in dieser Figur nicht maßstabgerecht, sondern lediglich prinzipiell dargestellt. Bei dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Plattenelements 1 ist dieses als dreischichtige Laminatanordnung 1 ausgebildet.
  • Zu dieser dreischichtigen Laminatanordnung 1 gehört eine mittig in der Laminatanordnung 1 angeordnete Kunststoffmembranschicht 2, eine in der Figur oberhalb der Kunststoffmembranschicht 2 angeordnete erste Vliesschicht 3 und eine in der Figur unterhalb der Kunststoffmembranschicht 2 angeordnete zweite Vliesschicht 4.
  • Mittels der Kunststoffmembranschicht 2 ist Enthalpie zwischen zwei in der Figur nicht gezeigten Fluidströmen übertragbar, wobei einer der Fluidströme oberhalb des Plattenelements 1 und der andere der beiden Fluidströme unterhalb des Plattenelements 1 strömt.
  • Die Kunststoffmembranschicht 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Polyurethan-Werkstoff ausgebildet.
  • Die erste Vliesschicht 3 und die zweite Vliesschicht 4 sind aus einem thermisch verformbaren Vlieswerkstoff, im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Polyestervlies, ausgebildet. Das Polyestervlies hat ein Gewicht von 50 g/m2. Darüber hinaus ist das Polyestervlies hygroskopisch einstellbar ausgestaltet, wobei hierzu das Polyestervlies mit einer Beschichtung versehen ist, die aus einem geeigneten Zeolithen und einem Binder besteht.
  • Mittels der beiden Vliesschichten 3, 4 wird erreicht, dass das Plattenelement 1 eine vorgebbare mechanische Festigkeit und eine räumliche Struktur erhält. Diese mechanische Festigkeit und diese räumliche Struktur sind für die Dauer der Nutzung des Plattenelements in einem Plattenwärmetauscher aufrecht erhaltbar.
  • Zwischen der Kunststoffmembranschicht 2 einerseits und den Vliesschichten 3, 4 andererseits ist eine flächige Haftverbindung vorgesehen. Diese kann bei dem in der einzigen Figur gezeigten Ausführungsbeispiel des Plattenelements 1 mittels Werkstoffeigenschaften des die Vliesschichten 3, 4 ausbildenden Polyestervlieses und/oder mittels Werkstoffeigenschaften der Kunststoffmembranschicht 2 realisiert werden.
  • Alternativ ist es möglich, diese Haftverbindung mittels eines Bindemittels, vorzugsweise mittels eines Hotmelt-Klebemittels, zu realisieren.
  • Zur Herstellung eines Plattenwärmetauschers aus den vorstehend geschilderten Plattenelementen 1 sind diese an ihren Rändern verfalz- und verschweißbar. Hierdurch werden voneinander getrennte Strömungskanäle für den einen Fluidstrom und für den anderen Fluidstrom geschaffen. Durch die Plattenelemente 1 hindurch kann zwischen den Fluidströmen Enthalpie ausgetauscht werden.
  • Zur Herstellung des Plattenelements 1 wird zunächst eine ebene dreischichtige Laminatanordnung 1 erstellt. Hierbei wird auf die untere Vliesschicht 4 die Kunststoffmembranschicht 2 und auf die Kunststoffmembranschicht 2 die obere Vliesschicht 1 aufgelegt. Danach wird mittels eines einzigen Verfahrensschritts, der sowohl der Verformung, d.h. der Schaffung einer räumlichen Struktur für das Plattenelement 1, als auch der flächigen Verbindung zwischen der Kunststoffmembranschicht 2 einerseits und den beiden Vliesschichten 3, 4 andererseits dient, das Plattenelement 1 erstellt. Für diesen Verfahrensschritt können dieselben Werkzeuge eingesetzt werden, die auch bei der Herstellung herkömmlicher Plattenelemente verwendet werden.
  • Des Weiteren wird bei diesem Verfahrensschritt eine Maximaltemperatur nicht überschritten, die 160 Grad C beträgt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Kunststoffmembranschicht 3 ihre für die ordnungsgemäße Funktion erforderliche Enthalpie-Durchlässigkeit beibehält.
  • Zur hygroskopischen Einstellung der beiden Vliesschichten 3, 4 werden diese mit einer Beschichtung aus einem Zeolithen und einem Binder versehen, wobei diese Beschichtung durch einen Eintauch- oder einen Sprühvorgang hergestellt werden kann.

Claims (17)

  1. Plattenelement für einen Wärmetauscher, das eine zumindest zweischichtige Anordnung (1) ist, mit einer Schicht (2), mittels der Enthalpie zwischen zwei durch das Plattenelement (1) getrennten Fluidströmen übertragbar ist, und zumindest einer durchbrochenen Schicht (3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenelement (1) als Laminatanordnung (1) ausgebildet ist, dass die der Übertragung der Enthalpie zwischen den beiden vom Plattenelement (1) getrennten Fluidströmen dienende Schicht als Membranschicht (2) ausgebildet ist, dass die zumindest eine durchbrochene Schicht (3, 4) als Trägerschicht (3, 4) aus einem durchbrochenen und verformbaren Werkstoff ausgebildet ist, und dass mittels der zumindest einen Trägerschicht (3, 4) dem Plattenelement (1) eine vorgebbare mechanische Festigkeit und eine räumliche Struktur verleih- und diese aufrechterhaltbar ist.
  2. Plattenelement nach Anspruch 1, dessen Membranschicht (2) als Kunststoffmembranschicht (2) ausgebildet ist.
  3. Plattenelement nach Anspruch 1 oder 2, dessen zumindest eine Trägerschicht (3, 4) als Gewebe- oder Vliesschicht (3, 4) ausgebildet ist.
  4. Plattenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen zumindest eine Trägerschicht (3, 4) aus einem thermisch verformbaren Werkstoff ausgebildet ist.
  5. Plattenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das eine dreischichtige Laminatanordnung (1) ist, mit einer weiteren Trägerschicht (4), die auf der der ersten Trägerschicht (3) abgewandten Seite der Membranschicht (2) angeordnet und mittels der dem Plattenelement (1) eine vorgebbare mechanische Festigkeit und eine räumliche Struktur verleih- und diese aufrecht erhaltbar sind.
  6. Plattenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine flächige, punktuelle, streifige oder gitterförmige Verbindung jeder Trägerschicht (3, 4) mit der Membranschicht (2) mittels Werkstoffeigenschaften jeder Träger- (3, 4) und/oder der Membranschicht (2) realisierbar ist.
  7. Plattenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine flächige, punktuelle, streifige oder gitterförmige Verbindung jeder Trägerschicht (3, 4) mit der Membranschicht (2) mittels eines Bindemittels, vorzugsweise eines Hotmelt-Klebemittels, realisierbar ist.
  8. Plattenelement nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem jede Vliesschicht (3, 4) aus einem Polyestervlies ausgebildet ist.
  9. Plattenelement nach Anspruch 8, bei dem das Polyestervlies ein Gewicht zwischen 20 und 80, vorzugsweise von 50 g/m2, aufweist.
  10. Plattenelement nach Anspruch 8 oder 9, bei dem das Polyestervlies hygroskopisch einstellbar ist.
  11. Plattenelement nach Anspruch 10, bei dem das Polyestervlies zu seiner hygroskopischen Einstellung eine Beschichtung aus einem Zeolithen und einem Binder aufweist.
  12. Plattenelement nach einem der Ansprüche 2 bis 11, bei dem die Kunststoffmembranschicht (2) aus einem Polyurethan-Werkstoff oder einem Polymer-Werkstoff ausgebildet ist.
  13. Plattenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, das an seinen Rändern verfalz- und verschweiß- oder verklebbar und so mit weiteren gleichartigen Plattenelementen (1) zu einem Plattenwärmetauscher zusammenfügbar ist.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Plattenelements (1) für Plattenwärmetauscher gemäß Anspruch 1 bei dem eine zumindest zweischichtige Laminatanordnung aus einer Membranschicht, vorzugsweise einer Kunststoffmembranschicht (2), und zumindest einer Trägerschicht (3, 4), vorzugsweise jeweils einer Vliesschicht (3, 4) auf beiden Seiten der Kunststoffmembranschicht (2), in ebener Form erstellt wird und diese ebene Laminatanordnung (1) mittels eines Verformungsschritts mit einer räumlichen, tragfähigen und aufrecht erhaltbaren Struktur versehen wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem bei dem Verformungsschritt auch eine Haftverbindung zwischen jeder Trägerschicht (3, 4) und der Membranschicht (3) geschaffen wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dessen Verformungsschritt bei einer Temperatur <160 Grad C durchgeführt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem jede Trägerschicht (3, 4) mittels eines Eintauch- oder Sprühvorgangs mit einer Beschichtung aus einem Zeolithen und einem Binder versehen wird.
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