热交换器元件 |
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| 申请号 | CN201520937800.6 | 申请日 | 2015-11-23 | 公开(公告)号 | CN205482540U | 公开(公告)日 | 2016-08-17 |
| 申请人 | 申克碳化技术股份有限公司; | 发明人 | 斯蒂芬·施纽维斯; 沃尔克·劳胡特; 约翰内斯·格蕾; | ||||
| 摘要 | 本实用新型涉及一种 热交换器 元件(34)，用于热交换器、特别是用于同流热交换器或类似热交换器，和一种由主要由 碳 构成的材料制成的热交换器元件，热交换器元件以热交换器元件在热交换器的第一流道(35)中形成第一 接触 面(36)并在热交换器的第二流道(37)中形成第二接触面(38)的方式实现，其中热交换器元件渗透有 热解 碳(42)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种热交换器元件(12、25、31、34、44)，用于热交换器(10、23、30)，所述热交换器元件由主要由碳构成的材料制成，所述热交换器元件在所述热交换器的第一流道(35)中形成第一接触面(36)并在所述热交换器的第二流道(37)中形成第二接触面(38)，其特征在于，所述热交换器元件渗透有热解碳(42、47)。 |
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| 说明书全文 | 热交换器元件技术领域[0001] 本实用新型涉及用于热交换器的热交换器元件，特别是用于同流热交换器或类似热交换器的热交换器元件。该热交换器元件由碳为主构成的材料制成，热交换器元件以在热交换器的第一流道中形成第一接触面并在热交换器中的第二流道中形成第二接触面的方式实现。 背景技术[0002] 热交换器使热能从一种流体交换到另一种流体，其中各流体或热传递介质可以是液体、气体、凝胶、糊状介质等。热交换器通常以在分离热传递介质并表现出良好的热传导使得第一热传递介质可以经由热交换器传送热能到第二热传递介质的方式实现。对此，在热交换器的表面和热传递介质之间的热的传递必须越高越好。在这种情况下，板式热交换器或管束式热交换器是已知的，例如，其中板或管形成被热传递介质交替地填充或淹没的间隙。因此，所描述的那种热交换器形成至少两个用于热传递介质的流道，每个流道具有一个接触面。 [0003] 特别是在化学工业领域中，所使用的热交换器包括基本上由石墨材料制成的热交换器元件。只有热交换器元件与各个热传递介质接触，才能与石墨材料接触。对热交换器元件使用石墨是不利的，因为石墨是多孔的，这意味着各种热传递介质可以穿透石墨且可能到达相邻流道。在本领域现有技术中已知的这种热交换器元件中，该问题通过用树脂材料浸渍石墨以封闭存在于石墨的孔而解决。然而已表明，这样的树脂浸渍的颗粒在物理和/或化学上是可溶解的，并可能污染各个热传递介质。并且，已经观察到在热交换器元件的石墨上的腐蚀和伴随的石墨的脱落。 [0004] 在DE102010030780 A1中，用树脂或酚醛树脂浸渍、还具有流道的各个接触面上的附加涂层的热交换器元件是已知的。所述涂层可由碳化硅材料、碳化物氧化物材料、硅化物材料或钨钛酸材料构成。这种类型的涂层应该是坚固且耐磨的，防止了热交换器元件的石墨的腐蚀或树脂的脱落。 [0005] 然而，这种类型的涂层也已被证明有许多缺点。特别是，该涂层易受表面损坏，这可能会重新暴露出渗透的树脂或石墨。在处理热交换器元件的期间，在接触面上容易造成表面损坏(不会变得立即易见)，诸如在热交换器的生产或安装过程中。此外，涂层在热应力的情 况下容易开裂，使得热传递介质可以穿透涂层。这基本上限制了这种类型的热交换器的使用范围。特别是在树脂渗透的热交换器元件的情况下，涂层只能在非常低的加工温度下被施加，因为否则会出现不被期望的树脂碳酸盐。并且，这限制树脂渗透的热交换器的使用范围最大为250℃。实用新型内容 [0006] 因此，本实用新型的目的是提出一种热交换器元件和一种热交换器，通过其可以防止在流道区域中的物质泄漏。 [0007] 根据本实用新型的用于热交换器的热交换器元件，由主要为碳构成的材料制成，该热交换器元件在热交换器的第一热传递介质的第一流道内形成第一接触面，在热交换器的第二热传递介质的第二流道内形成第二接触面，其中，该热交换器元件或接触面渗透有热解碳。 [0008] 根据本实用新型的热交换器元件用于同流热交换器。 [0009] 根据本实用新型的热交换器元件最初完全由主要以碳构成的材料制成，以热交换器元件是由该材料构成的本体方式制成。由于生产加工和材料的晶体结构的同质取向，该本体具有多孔结构。因此，所述本体的表面是多孔的，这整体增大了相应的接触面。因为多孔结构，各个热传递介质可穿透热交换器元件的材料。由于热交换器元件可渗入热解碳，热解碳或热解石墨可以穿透热交换器元件的本体的孔，并且基本上完全地填充该孔。然后，热解碳还可以穿透热交换器元件的本体仅到一定深度，使得在各个接触面的区域中的孔被封闭或密封。 [0010] 通过使用热解碳对热交换器元件渗透，暴露于相应热传递介质的热交换器元件的本体的表面显著减少，从而提高了机械和化学耐受性。如从现有技术中已知的以树脂对热交换器元件的渗透不再是必要的。填充有热解碳的孔由此形成对抗热传递介质和它们的成分的扩散阻挡物。因此，热传递介质不能混和，并且通过热交换器元件的本体的材料，热传递介质的潜在污染显著减少。另外，不再需要提供具有附加表面涂层的流道的接触面。这基本上导致了热交换器元件更长的使用寿命，其中现在热交换器元件还可在高于650℃的温度范围，特别在1000℃至1200℃的范围和甚至1700℃下使用，取决于介质。 [0011] 热交换器元件可完全由碳以及优选地为石墨构成。热交换器可以由多个热交换器元件的组件或者也可以单独由一个热交换器元件形成。 [0012] 有利的是，热交换器元件的本体的石墨可具有<2g/cm3的密度，优选为1.7至1.9g/cm3。然后石墨可具有开放孔结构，这可以很容易地以热解碳渗透。特别地，热解碳可以容易地穿透石墨本体。 [0013] 当渗透热交换器元件时，在热交换器元件的石墨中的孔可随后以热解碳关闭或填充。单独孔的填充可形成扩散阻挡物并提高耐腐蚀性。 [0014] 当以热解碳渗透热交换器元件时，也可以形成渗透层。在这种情况下，热解碳穿透热交换器元件的本体仅到一定深度，以使渗透层在本体内形成。 [0015] 热交换器元件的本体内的渗透层可以在500℃至1900℃、优选地为600℃至低于1700℃的温度下形成。因此，也有可能在相对低的温度下以热解碳执行渗透，使热交换器元件的制造简单划算。 [0016] 优选地，该热交换器元件可通过CVI方法(化学气相渗透)进行渗透。 [0017] 在本实用新型的一个实施例中，所提供的热交换器元件涂覆有热解碳的表面层。相应地，热交换器元件的流道的接触面或本体表面可设有施加于表面且覆盖并关闭热交换器元件的本体的石墨和孔的附加表面层。也特别有利的是，该涂层然后由热解石墨或热解碳构成，因为它基本上和热交换材料的本体的材料以及用于渗透的材料是相同的材料。并且，和石墨相比，例如，热解碳特别表现出不同结晶程度和低氧化和腐蚀速率，在其本身上导致了由此形成的接触面的提高的耐腐蚀性。 [0018] 优选地，可随后通过CVD方法(化学气相沉积)涂覆该热交换器元件。在这种情况下，热交换器元件的本体不仅不可以被渗透，而且不可以表面地被涂覆。例如，可以设想的是，首先进行CVI方法并随后进行CVD方法。 [0019] 还可以设想的是，在热交换器元件本体的涂覆和渗透期间，渗透在第一加工阶段中的第一温度下进行，而随后在第二加工阶段内的第二温度下施加涂覆，其中可选择的第一加工阶段长于第二加工阶段和/或可选择的第一温度低于第二温度。以这种方式，可能的是，例如，使用热解碳首先渗透热交换器元件本体，其中，然后渗透可以有利地在低加工温度下在相对长的加工期间发生。热交换器元件的本体的表面或接触面的外涂层可随后通过提高加工温度至第二温度水平而被施加。然后，由此进行的在升高的加工温度下的第二加工阶段可相对短地进行。例如，包括随后使用热解碳的表面涂覆的渗透可容易地以这种方式在不间断的涂覆加工内发生。 [0021] 热交换器元件以及热交换器可作为单件或多个部分被实现。这意味着，由碳或石墨制成的热交换器元件的本体，例如，可以作为单件被实现，而热交换器也可由石墨制成并且可被放在一起形成热交换器的多个本体组成。基本方面是热交换器元件或热交换器元件的本体不 仅仅是成型本体的形成的层或涂层，还是三维几何对象或成型本体。 [0022] 热交换器元件可以热交换器元件的表面被完全渗透的方式实现。可选地，只有热交换器元件的接触面可被渗透，可与各个热传递介质接触。不和热传递介质接触的热交换器元件的表面区域不一定必须被渗透。用于渗透热交换器元件的方法可因此任选地被简化。 [0023] 此外，具有多达100μm、优选为多达500μm和特别优选为多达2500μm的层厚度的热交换器元件的渗透层可被实现。然后渗透层是指在热交换器元件的本体的表面下或接触面下并且在本体内所形成的层。在这种情况下，甚至和相对薄的渗透层形成扩散阻挡物以及获得显著提高的热交换器元件的本体的耐腐蚀性也是可能的。然而原则上，得到尽可能深地到达进入本体内的渗透层是有利的。 [0024] 热交换器元件的渗透层可具有<1％、优选为<0.1％、特别优选为0％的孔隙率。具有基本上为0％的孔隙率的渗透层可以是特别气密的，即形成高度有效的扩散阻挡物。 [0025] 具有1μm至500μm、优选为5μm至100μm、特别优选为5μm至50μm的层厚度的热交换器元件的表面层可以被实现。然后表面层涉及施加于热交换器元件的本体的表面或接触面的层或涂层，其中，通过如5μm薄的表面层，可获得关于实现提高的耐腐蚀性的明显的效果。因此，没有必要对各个热交换器元件施加更厚的表面层。有利的是，因为可进一步提高耐腐蚀性，热交换器元件或热交换器元件本体的涂层的表面层可由各向异性的碳制成。热交换器元件或热交换器的使用寿命可由此显著提高。 [0026] 热交换器元件可整体地实现并形成用于块式热交换器的热交换器块，用于板式热交换器的热交换板或用于管式热交换器的热交换管。 [0028] 在下面的段落中，将参考附图更详细地解释实用新型的优选实施例。 [0029] 在图中： [0030] 图1显示了第一实施例的热交换器的俯视图； [0031] 图2显示了第二实施例的热交换器的俯视图； [0032] 图3显示了第三实施例的热交换器的透视图； [0033] 图4显示了渗透层的截面图； [0034] 图5显示了渗透加工的图解说明；以及 [0035] 图6显示了另一种渗透层的截面图。 [0036] 图1显示了由热交换器元件12的圆筒形整体式本体11形成的热交换器10。在卷状本体11中，通孔13在本体11的纵向方向上形成，通孔14在本体11的横向方向上形成。通孔13和14分别形成流道15和16，用于热传递介质(未图示)。因此，接触面17和18分别和在流道15和16中的各个热传递介质接触，热能通过由石墨制成的本体11从一种热传递介质传递到另一种热传递介质。本体11被热解碳渗透。热解碳还没有完全穿透本体11，使得渗透层20、21和22分别在接触面17和18中的每一个下以及外表面19下形成。 [0037] 图2显示了另一个实施例的热交换器23，其原则上以图1中所图示的热交换器相同的方式实现。热交换器23也具有多个流道26和流路27，流道26在整体式热交换器元件25的本体24的纵向方向上实现，流路27横向于本体25的纵向方向运行，它们以其中的流体相交的流路26和27分别形成层28和29的方式所设置。本体24和流道26和27完全被热解碳渗透。 [0038] 在图3中所示的实施例的热交换器30包括由一体本体32构成的热交换器元件31。热交换器元件31基本上以如前述所描述的热交换器元件的相同的方式实现，并由热解碳渗透。 [0039] 图4显示了热交换器元件34的渗透层33的放大图，渗透层33在截面图中仅图示部分。热交换器元件34形成具有第一接触面36的第一流道35和具有第二接触面38的第二流道37，流道35和37被热交换器元件34的壁39分开。热交换器元件34由石墨制成并被热解碳渗透，从而形成至层深40的渗透层33。石墨或热交换器元件34具有多个孔41，孔41可以是相互连接的并可使传热介质扩散进入热交换器元件34。在渗透层40的区域中，孔41被渗透并基本上完全被热解碳42填充。因此，在接触面36和38的区域中的孔41是完全封闭的。 [0040] 图5显示了用于涂覆热交换器元件的加工图。在热交换器元件或热交换器元件的本体的涂覆加工的加工持续时间t中，例如，在第一加工阶段P1的温度T1为600℃，在第一加工阶段P1之后发生第二加工阶段P2，在第二加工阶段P2期间，使用例如1700℃的第二温度T2。在第一加工阶段P1期间形成渗透层，而在第二加工阶段P2期间形成表面层。CVI方法或CVD方法被设想为涂覆方法。 [0041] 图6显示了放大图中的渗透层43的另一个截面图。和图4所示的渗透层相比，在此情况下，热交换器元件44具有已施加于热交换器元件44的表面层45。该表面层45由热解碳制成并具有基本上为0％的孔隙率。表面层45特别地覆盖石墨表面46和填充有热解碳47的渗透层43的孔48。 [0042] 附图标记列表 [0043] 10 热交换器 44 热交换器元件 [0044] 11 本体 45 表面层 [0045] 12 热交换器元件 46 石墨表面 [0046] 13 通孔 47 热解碳 [0047] 14 通孔 48 孔 [0048] 15 流道 [0049] 16 流道 [0050] 17 接触面 [0051] 18 接触面 [0052] 19 外表面 [0053] 20 渗透层 [0054] 21 渗透层 [0055] 22 渗透层 [0056] 23 热交换器 [0057] 24 本体 [0058] 25 热交换器元件 [0059] 26 流道 [0060] 27 流道 [0061] 28 层 [0062] 29 层 [0063] 30 热交换器 [0064] 31 热交换器元件 [0065] 32 本体 [0066] 33 渗透层 [0067] 34 热交换器元件 [0068] 35 第一流道 [0069] 36 第一接触面 [0070] 37 第二流道 [0071] 38 第二接触面 [0072] 39 壁 [0073] 40 层深 [0074] 41 孔 [0075] 42 热解碳 [0076] 43 渗透层 |
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