熱交換器元件的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種熱交換器元件(34)，用于熱交換器、特別是用于同流熱交換器或類似熱交換器，和一種由主要由碳構(gòu)成的材料制成的熱交換器元件，熱交換器元件以熱交換器元件在熱交換器的第一流道(35)中形成第一接觸面(36)并在熱交換器的第二流道(37)中形成第二接觸面(38)的方式實現(xiàn)，其中熱交換器元件滲透有熱解碳(42)。
【專利說明】
熱交換器元件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及用于熱交換器的熱交換器元件，特別是用于同流熱交換器或類似熱交換器的熱交換器元件。該熱交換器元件由碳為主構(gòu)成的材料制成，熱交換器元件以在熱交換器的第一流道中形成第一接觸面并在熱交換器中的第二流道中形成第二接觸面的方式實現(xiàn)。
【背景技術(shù)】
[0002]熱交換器使熱能從一種流體交換到另一種流體，其中各流體或熱傳遞介質(zhì)可以是液體、氣體、凝膠、糊狀介質(zhì)等。熱交換器通常以在分離熱傳遞介質(zhì)并表現(xiàn)出良好的熱傳導(dǎo)使得第一熱傳遞介質(zhì)可以經(jīng)由熱交換器傳送熱能到第二熱傳遞介質(zhì)的方式實現(xiàn)。對此，在熱交換器的表面和熱傳遞介質(zhì)之間的熱的傳遞必須越高越好。在這種情況下，板式熱交換器或管束式熱交換器是已知的，例如，其中板或管形成被熱傳遞介質(zhì)交替地填充或淹沒的間隙。因此，所描述的那種熱交換器形成至少兩個用于熱傳遞介質(zhì)的流道，每個流道具有一個接觸面。
[0003]特別是在化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域中，所使用的熱交換器包括基本上由石墨材料制成的熱交換器元件。只有熱交換器元件與各個熱傳遞介質(zhì)接觸，才能與石墨材料接觸。對熱交換器元件使用石墨是不利的，因為石墨是多孔的，這意味著各種熱傳遞介質(zhì)可以穿透石墨且可能到達(dá)相鄰流道。在本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)中已知的這種熱交換器元件中，該問題通過用樹脂材料浸漬石墨以封閉存在于石墨的孔而解決。然而已表明，這樣的樹脂浸漬的顆粒在物理和/或化學(xué)上是可溶解的，并可能污染各個熱傳遞介質(zhì)。并且，已經(jīng)觀察到在熱交換器元件的石墨上的腐蝕和伴隨的石墨的脫落。
[0004]在DE102010030780Al中，用樹脂或酚醛樹脂浸漬、還具有流道的各個接觸面上的附加涂層的熱交換器元件是已知的。所述涂層可由碳化硅材料、碳化物氧化物材料、硅化物材料或鎢鈦酸材料構(gòu)成。這種類型的涂層應(yīng)該是堅固且耐磨的，防止了熱交換器元件的石墨的腐蝕或樹脂的脫落。
[0005]然而，這種類型的涂層也已被證明有許多缺點。特別是，該涂層易受表面損壞，這可能會重新暴露出滲透的樹脂或石墨。在處理熱交換器元件的期間，在接觸面上容易造成表面損壞(不會變得立即易見)，諸如在熱交換器的生產(chǎn)或安裝過程中。此外，涂層在熱應(yīng)力的情況下容易開裂，使得熱傳遞介質(zhì)可以穿透涂層。這基本上限制了這種類型的熱交換器的使用范圍。特別是在樹脂滲透的熱交換器元件的情況下，涂層只能在非常低的加工溫度下被施加，因為否則會出現(xiàn)不被期望的樹脂碳酸鹽。并且，這限制樹脂滲透的熱交換器的使用范圍最大為250°C。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]因此，本實用新型的目的是提出一種熱交換器元件和一種熱交換器，通過其可以防止在流道區(qū)域中的物質(zhì)泄漏。
[0007]根據(jù)本實用新型的用于熱交換器的熱交換器元件，由主要為碳構(gòu)成的材料制成，該熱交換器元件在熱交換器的第一熱傳遞介質(zhì)的第一流道內(nèi)形成第一接觸面，在熱交換器的第二熱傳遞介質(zhì)的第二流道內(nèi)形成第二接觸面，其中，該熱交換器元件或接觸面滲透有熱解碳。
[0008]根據(jù)本實用新型的熱交換器元件用于同流熱交換器。
[0009]根據(jù)本實用新型的熱交換器元件最初完全由主要以碳構(gòu)成的材料制成，以熱交換器元件是由該材料構(gòu)成的本體方式制成。由于生產(chǎn)加工和材料的晶體結(jié)構(gòu)的同質(zhì)取向，該本體具有多孔結(jié)構(gòu)。因此，所述本體的表面是多孔的，這整體增大了相應(yīng)的接觸面。因為多孔結(jié)構(gòu)，各個熱傳遞介質(zhì)可穿透熱交換器元件的材料。由于熱交換器元件可滲入熱解碳，熱解碳或熱解石墨可以穿透熱交換器元件的本體的孔，并且基本上完全地填充該孔。然后，熱解碳還可以穿透熱交換器元件的本體僅到一定深度，使得在各個接觸面的區(qū)域中的孔被封閉或密封。
[0010]通過使用熱解碳對熱交換器元件滲透，暴露于相應(yīng)熱傳遞介質(zhì)的熱交換器元件的本體的表面顯著減少，從而提高了機(jī)械和化學(xué)耐受性。如從現(xiàn)有技術(shù)中已知的以樹脂對熱交換器元件的滲透不再是必要的。填充有熱解碳的孔由此形成對抗熱傳遞介質(zhì)和它們的成分的擴(kuò)散阻擋物。因此，熱傳遞介質(zhì)不能混和，并且通過熱交換器元件的本體的材料，熱傳遞介質(zhì)的潛在污染顯著減少。另外，不再需要提供具有附加表面涂層的流道的接觸面。這基本上導(dǎo)致了熱交換器元件更長的使用壽命，其中現(xiàn)在熱交換器元件還可在高于650°C的溫度范圍，特別在1000°C至1200°C的范圍和甚至1700°C下使用，取決于介質(zhì)。
[0011]熱交換器元件可完全由碳以及優(yōu)選地為石墨構(gòu)成。熱交換器可以由多個熱交換器元件的組件或者也可以單獨由一個熱交換器元件形成。
[0012]有利的是，熱交換器元件的本體的石墨可具有<2g/cm3的密度，優(yōu)選為1.7至1.9g/cm3。然后石墨可具有開放孔結(jié)構(gòu)，這可以很容易地以熱解碳滲透。特別地，熱解碳可以容易地穿透石墨本體。
[0013]當(dāng)滲透熱交換器元件時，在熱交換器元件的石墨中的孔可隨后以熱解碳關(guān)閉或填充。單獨孔的填充可形成擴(kuò)散阻擋物并提高耐腐蝕性。
[0014]當(dāng)以熱解碳滲透熱交換器元件時，也可以形成滲透層。在這種情況下，熱解碳穿透熱交換器元件的本體僅到一定深度，以使?jié)B透層在本體內(nèi)形成。
[0015]熱交換器元件的本體內(nèi)的滲透層可以在500°C至1900°C、優(yōu)選地為600°C至低于1700°C的溫度下形成。因此，也有可能在相對低的溫度下以熱解碳執(zhí)行滲透，使熱交換器元件的制造簡單劃算。
[0016]優(yōu)選地，該熱交換器元件可通過CVI方法(化學(xué)氣相滲透)進(jìn)行滲透。
[0017]在本實用新型的一個實施例中，所提供的熱交換器元件涂覆有熱解碳的表面層。相應(yīng)地，熱交換器元件的流道的接觸面或本體表面可設(shè)有施加于表面且覆蓋并關(guān)閉熱交換器元件的本體的石墨和孔的附加表面層。也特別有利的是，該涂層然后由熱解石墨或熱解碳構(gòu)成，因為它基本上和熱交換材料的本體的材料以及用于滲透的材料是相同的材料。并且，和石墨相比，例如，熱解碳特別表現(xiàn)出不同結(jié)晶程度和低氧化和腐蝕速率，在其本身上導(dǎo)致了由此形成的接觸面的提高的耐腐蝕性。
[0018]優(yōu)選地，可隨后通過CVD方法(化學(xué)氣相沉積)涂覆該熱交換器元件。在這種情況下，熱交換器元件的本體不僅不可以被滲透，而且不可以表面地被涂覆。例如，可以設(shè)想的是，首先進(jìn)行CVI方法并隨后進(jìn)行CVD方法。
[0019]還可以設(shè)想的是，在熱交換器元件本體的涂覆和滲透期間，滲透在第一加工階段中的第一溫度下進(jìn)行，而隨后在第二加工階段內(nèi)的第二溫度下施加涂覆，其中可選擇的第一加工階段長于第二加工階段和/或可選擇的第一溫度低于第二溫度。以這種方式，可能的是，例如，使用熱解碳首先滲透熱交換器元件本體，其中，然后滲透可以有利地在低加工溫度下在相對長的加工期間發(fā)生。熱交換器元件的本體的表面或接觸面的外涂層可隨后通過提高加工溫度至第二溫度水平而被施加。然后，由此進(jìn)行的在升高的加工溫度下的第二加工階段可相對短地進(jìn)行。例如，包括隨后使用熱解碳的表面涂覆的滲透可容易地以這種方式在不間斷的涂覆加工內(nèi)發(fā)生。
[0020]此外，滲透或涂覆施加(如退火、石墨化等)后的熱后處理可以省略。不再需要熱交換器元件的也可超過所選的加工溫度的其他處理步驟。
[0021]熱交換器元件以及熱交換器可作為單件或多個部分被實現(xiàn)。這意味著，由碳或石墨制成的熱交換器元件的本體，例如，可以作為單件被實現(xiàn)，而熱交換器也可由石墨制成并且可被放在一起形成熱交換器的多個本體組成?；痉矫媸菬峤粨Q器元件或熱交換器元件的本體不僅僅是成型本體的形成的層或涂層，還是三維幾何對象或成型本體。
[0022]熱交換器元件可以熱交換器元件的表面被完全滲透的方式實現(xiàn)?？蛇x地，只有熱交換器元件的接觸面可被滲透，可與各個熱傳遞介質(zhì)接觸。不和熱傳遞介質(zhì)接觸的熱交換器元件的表面區(qū)域不一定必須被滲透。用于滲透熱交換器元件的方法可因此任選地被簡化。
[0023]此外，具有多達(dá)ΙΟΟμπι、優(yōu)選為多達(dá)500μπι和特別優(yōu)選為多達(dá)2500μπι的層厚度的熱交換器元件的滲透層可被實現(xiàn)。然后滲透層是指在熱交換器元件的本體的表面下或接觸面下并且在本體內(nèi)所形成的層。在這種情況下，甚至和相對薄的滲透層形成擴(kuò)散阻擋物以及獲得顯著提高的熱交換器元件的本體的耐腐蝕性也是可能的。然而原則上，得到盡可能深地到達(dá)進(jìn)入本體內(nèi)的滲透層是有利的。
[0024]熱交換器元件的滲透層可具有〈1%、優(yōu)選為〈0.1%、特別優(yōu)選為0%的孔隙率。具有基本上為0%的孔隙率的滲透層可以是特別氣密的，即形成高度有效的擴(kuò)散阻擋物。
[0025]具有Ιμπι至500μηι、優(yōu)選為5μηι至ΙΟΟμπι、特別優(yōu)選為5μηι至50μηι的層厚度的熱交換器元件的表面層可以被實現(xiàn)。然后表面層涉及施加于熱交換器元件的本體的表面或接觸面的層或涂層，其中，通過如5μπι薄的表面層，可獲得關(guān)于實現(xiàn)提高的耐腐蝕性的明顯的效果。因此，沒有必要對各個熱交換器元件施加更厚的表面層。有利的是，因為可進(jìn)一步提高耐腐蝕性，熱交換器元件或熱交換器元件本體的涂層的表面層可由各向異性的碳制成。熱交換器元件或熱交換器的使用壽命可由此顯著提高。
[0026]熱交換器元件可整體地實現(xiàn)并形成用于塊式熱交換器的熱交換器塊，用于板式熱交換器的熱交換板或用于管式熱交換器的熱交換管。
[0027]根據(jù)本實用新型的熱交換器包括以上所述的熱交換器元件。
【附圖說明】
[0028]在下面的段落中，將參考附圖更詳細(xì)地解釋實用新型的優(yōu)選實施例。
[0029]在圖中:
[0030]圖1顯示了第一實施例的熱交換器的俯視圖；
[0031 ]圖2顯示了第二實施例的熱交換器的俯視圖；
[0032]圖3顯示了第三實施例的熱交換器的透視圖；
[0033I圖4顯示了滲透層的截面圖；
[0034I圖5顯示了滲透加工的圖解說明；以及
[0035]圖6顯示了另一種滲透層的截面圖。
[0036]圖1顯示了由熱交換器元件12的圓筒形整體式本體11形成的熱交換器10。在卷狀本體11中，通孔13在本體11的縱向方向上形成，通孔14在本體11的橫向方向上形成。通孔13和14分別形成流道15和16，用于熱傳遞介質(zhì)(未圖示)。因此，接觸面17和18分別和在流道15和16中的各個熱傳遞介質(zhì)接觸，熱能通過由石墨制成的本體11從一種熱傳遞介質(zhì)傳遞到另一種熱傳遞介質(zhì)。本體11被熱解碳滲透。熱解碳還沒有完全穿透本體11，使得滲透層20、21和22分別在接觸面17和18中的每一個下以及外表面19下形成。
[0037]圖2顯示了另一個實施例的熱交換器23，其原則上以圖1中所圖示的熱交換器相同的方式實現(xiàn)。熱交換器23也具有多個流道26和流路27，流道26在整體式熱交換器元件25的本體24的縱向方向上實現(xiàn)，流路27橫向于本體25的縱向方向運行，它們以其中的流體相交的流路26和27分別形成層28和29的方式所設(shè)置。本體24和流道26和27完全被熱解碳滲透。
[0038]在圖3中所示的實施例的熱交換器30包括由一體本體32構(gòu)成的熱交換器元件31。熱交換器元件31基本上以如前述所描述的熱交換器元件的相同的方式實現(xiàn)，并由熱解碳滲透。
[0039]圖4顯示了熱交換器元件34的滲透層33的放大圖，滲透層33在截面圖中僅圖示部分。熱交換器元件34形成具有第一接觸面36的第一流道35和具有第二接觸面38的第二流道37，流道35和37被熱交換器元件34的壁39分開。熱交換器元件34由石墨制成并被熱解碳滲透，從而形成至層深40的滲透層33。石墨或熱交換器元件34具有多個孔41，孔41可以是相互連接的并可使傳熱介質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入熱交換器元件34。在滲透層40的區(qū)域中，孔41被滲透并基本上完全被熱解碳42填充。因此，在接觸面36和38的區(qū)域中的孔41是完全封閉的。
[0040]圖5顯示了用于涂覆熱交換器元件的加工圖。在熱交換器元件或熱交換器元件的本體的涂覆加工的加工持續(xù)時間t中，例如，在第一加工階段Pl的溫度Tl為600 °C，在第一加工階段Pl之后發(fā)生第二加工階段P2，在第二加工階段P2期間，使用例如1700°C的第二溫度T2。在第一加工階段Pl期間形成滲透層，而在第二加工階段P2期間形成表面層。CVI方法或CVD方法被設(shè)想為涂覆方法。
[0041]圖6顯示了放大圖中的滲透層43的另一個截面圖。和圖4所示的滲透層相比，在此情況下，熱交換器元件44具有已施加于熱交換器元件44的表面層45。該表面層45由熱解碳制成并具有基本上為O %的孔隙率。表面層45特別地覆蓋石墨表面46和填充有熱解碳47的滲透層43的孔48。
[0042]附圖標(biāo)記列表
[0043]10熱交換器 44熱交換器元件
[0044]11本體45表面層
[0045]12熱交換器元件46石墨表面
[0046]13通孔47熱解碳
[0047]14 通孔48 孔
[0048]15 流道
[0049]16 流道
[0050]17接觸面[0051 ]18接觸面
[0052]19外表面
[0053]20滲透層
[0054]21滲透層
[0055]22滲透層
[0056]23熱交換器
[0057]24 本體
[0058]25熱交換器元件
[0059]26 流道
[0060]27 流道
[0061]28 層
[0062]29 層
[0063]30熱交換器
[0064]31熱交換器元件
[0065]32 本體
[0066]33滲透層
[0067]34熱交換器元件
[0068]35第一流道
[0069]36第一接觸面
[0070]37第二流道[0071 ]38第二接觸面
[0072]39 壁
[0073]40 層深
[0074]41 孔
[0075]42熱解碳
[0076]43滲透層
【主權(quán)項】
1.一種熱交換器元件(12、25、31、34、44)，用于熱交換器(10、23、30)，所述熱交換器元件由主要由碳構(gòu)成的材料制成，所述熱交換器元件在所述熱交換器的第一流道(35)中形成第一接觸面(36)并在所述熱交換器的第二流道(37)中形成第二接觸面(38)，其特征在于，所述熱交換器元件滲透有熱解碳(42、47)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器元件，其特征在于，所述熱交換器元件用于同流熱交換器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器元件，其特征在于，熱交換器元件(12、25、31、34、44)由石墨制成。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱交換器元件，其特征在于，所述石墨具有<2g/cm3的密度。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱交換器元件，其特征在于，所述石墨具有1.7g/cm3至1.9g/cm3的密度。6.根據(jù)權(quán)利要求3、4或5所述的熱交換器元件，其特征在于，當(dāng)滲透所述熱交換器元件(12、25、31、34、44)時，在所述熱交換器元件的所述石墨中的孔(41、48)是關(guān)閉的或填充有所述熱解碳(42、47)。7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的熱交換器元件，其特征在于，當(dāng)以所述熱解碳(42、47)滲透所述熱交換器元件(12、25、31、34、44)時，形成了滲透層(20、21、22、33、43)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱交換器元件，其特征在于，所述滲透層(20、21、22、33、43)在500°C至1900°C的溫度下形成。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱交換器元件，其特征在于，所述滲透層(20、21、22、33、43)在600 0C至低于1700 0C的溫度下形成。10.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的熱交換器元件，其特征在于，所述熱交換器元件(12、25、31、34、44)通過CVI方法被滲透。11.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的熱交換器元件，其特征在于，所述熱交換器元件(12、25、31、34、44)涂覆有熱解碳的表面層(45)。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱交換器元件，其特征在于，所述熱交換器元件(12、25、31、34,44)通過CVD方法被涂覆。13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱交換器元件，其特征在于，在所述熱交換器元件(12、25、31、34、44)的滲透或涂覆的加工持續(xù)時間期間，在第一加工階段(Pl)內(nèi)的第一溫度(TI)下進(jìn)行滲透，隨后在第二加工階段(P2)內(nèi)的第二溫度(T2)下施加涂覆，所選擇的所述第一加工階段長于所述第二加工階段和/或所選擇的所述第一溫度低于所述第二溫度。14.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的熱交換器元件，其特征在于，所述熱交換器元件(12、25、31、34、44)的表面(17、18、19、36、38、46)完全被滲透。15.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱交換器元件，其特征在于，所述熱交換器元件(12、25、31、34、44)的滲透層(20、21、22、33、43)被實現(xiàn)為具有多達(dá)10(^111的層厚度。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱交換器元件，其特征在于，所述熱交換器元件(12、25、31、34、44)的滲透層(20、21、22、33、43)被實現(xiàn)為具有多達(dá)50(^111的層厚度。17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱交換器元件，其特征在于，所述熱交換器元件(12、25、31、34、44)的滲透層(20、21、22、33、43)被實現(xiàn)為具有多達(dá)250(^111的層厚度。18.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱交換器元件，其特征在于，所述熱交換器元件(12、24、31、34、44)的滲透層(20、21、22、33、43)具有小于1%的孔隙率。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的熱交換器元件，其特征在于，所述熱交換器元件(12、24、31、34、44)的滲透層(20、21、22、33、43)具有小于0.1%的孔隙率。20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的熱交換器元件，其特征在于，所述熱交換器元件(12、24、31、34、44)的滲透層(20、21、22、33、43)具有0%的孔隙率。21.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的熱交換器元件，其特征在于，所述熱交換器元件(12、25、31、34、44)的表面層(45)被實現(xiàn)為具有Um至500μπι的層厚度。22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的熱交換器元件，其特征在于，所述熱交換器元件(12、25、31、34、44)的表面層(45)被實現(xiàn)為具有5μηι至ΙΟΟμπι的層厚度。23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的熱交換器元件，其特征在于，所述熱交換器元件(12、25、31、34、44)的表面層(45)被實現(xiàn)為具有5μηι至50μηι的層厚度。24.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的熱交換器元件，其特征在于，所述熱交換器元件(12、25、31、34、44)被實現(xiàn)為一個整體并形成熱交換器塊、熱交換器板或熱交換器管。25.—種熱交換器(10、23、30)，包括根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項的熱交換器元件(12、25、31、34、44)。
【文檔編號】F28F21/02GK205482540SQ201520937800
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年11月23日
【發(fā)明人】斯蒂芬·施紐維斯, 沃爾克·勞胡特, 約翰內(nèi)斯·格蕾
【申請人】申克碳化技術(shù)股份有限公司