專利名稱：用于熱交換器的熱交換元件、用于制造用于熱交換器的熱交換元件的方法、熱交換器和用 ...的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于熱交換器的熱交換元件，用于制造用于熱交換器的熱交換元件的方法，熱交換器本身，特別是涉及使用本發(fā)明熱交換元件的熱交換器，還涉及用于熱交換器的改裝方法。特別是，本發(fā)明還涉及CVD涂覆和浸潰的石墨，其特別是在塊式熱交換器芯中特別用于熱交換元件或換熱器元件。
背景技術：
在化學和/或物理工藝工程的許多領域中，例如為了冷卻或加熱提供的工藝介質(zhì)，必須在至少兩種無論它是液體、氣體、膠體還是糊狀介質(zhì)等的流體介質(zhì)之間交換大量的熱。此處使用的熱交換器或換熱器具有至少一個熱交換元件或換熱器元件，其相應的接觸面或接觸區(qū)域接受待加熱或冷卻的實際工藝介質(zhì)的流動，和至少一種提供或消除所述數(shù)量的熱并且通常被稱為工 作介質(zhì)的另外的介質(zhì)的流動，其中將所述數(shù)量的熱引入所述接觸區(qū)域之一中或所述接觸面之一中，借助于所述熱交換元件的導熱機制將所述熱量轉(zhuǎn)移至另一接觸面或另一接觸區(qū)域，然后通過后者將所述熱釋放至另一介質(zhì)中。此處通常使用的是基本上由石墨材料組成的熱交換元件，例如為了限制或甚至防止各介質(zhì)滲入包含熱交換元件基礎的材料的多孔復合體中，其在與各介質(zhì)接觸的接觸面處浸潰有樹脂材料。在接受性介質(zhì)特別是所述工藝介質(zhì)流入期間，來自樹脂浸潰的粒子和/或包含所述熱交換元件基礎的材料，例如石墨材料，通常變得在物理和/或化學上分離，保留在實際的工藝介質(zhì)中，并且因此污染后者。這通常是不可接受的。此外，在許多情況不能容忍對所述熱交換元件的材料的腐蝕，和/或腐蝕材料的脫離，和所述熱交換元件的腐蝕材料對一種或多種熱交換流體的污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是指出用于熱交換器的熱交換元件、用于制造用于熱交換器的熱交換元件的方法、熱交換器本身以及用于熱交換器的改裝方法，其可容易地并且仍然可靠地降低或甚至防止來自底層熱交換元件的材料和一種或多種熱交換元件的材料腐蝕對一種或多種熱交換介質(zhì)的污染，和腐蝕的材料對一種或多種熱交換流體的污染。根據(jù)本發(fā)明在熱交換元件方面通過在權利要求1中的特征，根據(jù)本發(fā)明在用于制造熱交換元件的方法方面通過在權利要求11中的特征，根據(jù)本發(fā)明在熱交換器方面通過在權利要求21中的特征，并且根據(jù)本發(fā)明在用于改裝熱交換器的方法方面通過在權利要求22中的特征，實現(xiàn)本發(fā)明的目標。有利的進一步進展分別在從屬權利要求中進行限定。本發(fā)明的第一方面提供了用于熱交換器的新型熱交換元件，為了在流動方面實現(xiàn)在作為工藝介質(zhì)的第一熱交換介質(zhì)和作為工作介質(zhì)的第二熱交換介質(zhì)之間分開的熱交換，所述熱交換元件在流動方面顯示出用于與第一熱交換介質(zhì)或第二熱交換介質(zhì)分開接觸的第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域，所述熱交換元件基本上含有一種或多種來自如下材料的材料或由所述一種或多種來自如下材料的材料組成，即石墨材料、石墨和開孔并且未燒結的SiC或碳化硅材料，并且其中所述第一和第二接觸區(qū)域中的至少一個部分或完全地涂覆有如下材料中的一種或多種材料作為涂層，即SiC或碳化硅材料、碳化物氧化物材料、硅化物材料、鈦酸鎢材料和它們的衍生物和組合。所述第一和第二熱交換介質(zhì)在此處可以是流體，例如，液體、氣體、膠體或糊狀介質(zhì)、泡沫、漿體和它們的組合和混合物。因此，本發(fā)明的一個要點涉及恰恰當包含所述熱交換元件基礎的材料由石墨材料或開孔和/或未燒結的SiC或碳化硅材料制成時，通過為包含所述熱交換元件基礎的材料提供耐磨或抗磨的涂層，至少在所述熱交換元件的第一和第二接觸區(qū)域或接觸面之一上提供所述涂層，從而降低或防止包含所述熱交換元件基礎的材料分離和/或腐蝕的可能性。浸潰可由含有一種或多種如下材料或由所述一種或多種如下材料組成的浸潰材料構成，即樹脂材料、酚醛樹脂材料和它們的衍生物和組合。特別是，盡管僅從長期來看可能出現(xiàn)如下問題，但是使用浸潰材料的浸潰用于防止所述熱交換介質(zhì)中的一種進入過深并且特別是滲入包含所述熱交換元件基礎的材料中并留于其中，以由此降低或防止材料混雜，和/或交換介質(zhì)時的污染?？赏耆虿糠值卦谒鐾繉由虾?或中使用所述浸潰材料浸潰，和/或完全或部分地在第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域上和/或中使用所述浸潰材料浸潰。因為，如果不是完全地，則所述涂層無論如何至少部分地密封包含所述熱交換元件基礎的材料以防止例如通過腐蝕等的污染，即封閉了在該位置處的孔，因此特別有利的是使浸潰已經(jīng)或正在形成于所述涂層上或中以防止污染。這還提供了過程上的優(yōu)勢，因為當處理在包含所述熱交換元件基礎的材料上的涂層時不需要考慮所述浸潰材料的熱邊界條件。例如，可在沒有必須預期所述浸潰材料將變成損壞的或劣化的情況下，在所述制造過程中進行高溫階段，因為可在該事實后，即在所述高溫階段之后，施加或引入所述浸潰材料。可以理解，具有所述涂層材料的涂層在它的制造中涉及不同的結構和方法。所述涂層可被設計為CVD涂層。備選地或另外地，所述涂層特別是可經(jīng)由包括完整或部分地化學和/或物理轉(zhuǎn)化所述材料的工藝而被設計為化學和/或物理轉(zhuǎn)化區(qū)域，所述材料包括第一和/或第二接觸區(qū)域。另外，備選地或另外地，可通過等離子噴涂和/或火焰噴涂的方法形成所述涂層。此外，無論是通過沉浸方法，還是通過蒸發(fā)方法，以及通過芯吸方法，以通過所謂的液體硅化形成固體層，均已進行了成功的測試。取決于為涂層目的提供的材料的種類或為涂層目的提供的材料，可運用不同的涂覆機制和相應的制造方法，但是，特別是當為涂層目的沒有必須提供的或僅有少量必須提供的另外的材料組分時，作為化學和/或物理轉(zhuǎn)化層形成的涂層是特別考究的。在構建涂層時，不同的制造方法和結構可已經(jīng)或正在彼此組合。本發(fā)明熱交換元件可被設計為板式熱交換器或板式換熱器的熱交換器板或換熱器板。本發(fā)明熱交換元件還可被設計為塊式熱交換器或塊式換熱器的熱交換器芯或塊或者換熱器芯或塊。
另外，本發(fā)明熱交換元件可被設計為管式熱交換器或管式換熱器的熱交換器管或換熱器管。因此，在所有其中遵循上文所更詳細概括原則使用一個或多個熱交換器元件或換熱器元件的熱交換器中或換熱器中，可基本上運用本發(fā)明的理念，具體來說，它至少在一個接觸區(qū)域上或在一個接觸面上接受熱交換介質(zhì)特別是工藝介質(zhì)的流動，由此與后者機械接觸，其結果是物理和/或化學相互作用可導致在所述熱交換元件接觸區(qū)域或接觸面的表面上的磨蝕。本發(fā)明的另一方面提供了用于制造用于熱交換器的熱交換元件的方法，其中在流動方面用于在作為工藝介質(zhì)的第一熱交換介質(zhì)和作為工作介質(zhì)的第二熱交換介質(zhì)之間分開的熱交換的熱交換元件，被設計有在流動方面用于與第一熱交換介質(zhì)或第二熱交換介質(zhì)分開接觸的第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域，其中所述熱交換元件基本上含有一種或多種來自如下材料的材料或由所述一種或多種來自如下材料的材料組成，即石墨材料、石墨和開孔并且未燒結的SiC或碳化硅材料，并且其中所述第一和第二接觸區(qū)域中的至少一個完全或部分地涂覆有如下材料中的一種或多種材料作為涂層，即SiC或碳化硅材料，高溫碳，氧化物陶瓷例如氧化鉻，金剛石，碳化物氧化物材料，硅化物材料，鈦酸鎢材料和它們的衍生物和組合。浸潰可由含有一種或多種如下材料或由所述一種或多種如下材料組成的浸潰材料構成，即樹脂材料、酚醛樹脂材料和它們的衍生物和組合?？赏耆虿糠值卦谒鐾繉由虾?或中使用所述浸潰材料浸潰，和/或完全或部分地在第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域上和/或中使用所述浸潰材料浸潰。所述涂層可被設計為CVD涂層。所述涂層還可被設計為CVI涂層。備選地或另外地，所述涂層特別是可經(jīng)由包括完整或部分地化學和/或物理轉(zhuǎn)化所述材料的工藝而被設計為化學和/或物理轉(zhuǎn)化區(qū)域，所述材料包括第一和/或第二接觸區(qū)域。另外，備選地或另外地，可通過等離子噴涂和/或火焰噴涂的方法形成所述涂層。所述熱交換元件可被設計為板式熱交換器或板式換熱器的熱交換器板或換熱器板。所述熱交換元件還可被設計為塊式熱交換器或塊式換熱器的熱交換器芯或塊或者換熱器芯或塊。本發(fā)明的熱交換元件還可被設計為管式熱交換器或管式換熱器的熱交換器管或換熱器管。本發(fā)明另一方面還提供了熱交換器，在該熱交換器中已經(jīng)形成或?qū)⒁纬梢粋€或多個根據(jù)本發(fā)明的熱交換元件。此外，本發(fā)明另一方面還指出用于改裝現(xiàn)已有熱交換器的方法，其中用一個或多個根據(jù)本發(fā)明的相應熱交換元件來代替一個或多個現(xiàn)存的并且特別是常規(guī)的熱交換元件，和/或其中將一個或多個現(xiàn)存的并且特別是常規(guī)的熱交換元件轉(zhuǎn)換成根據(jù)本發(fā)明的熱交換元件，其中特別是使用了根據(jù)本發(fā)明的方法。將在所附的示意性附圖的基礎上示例性地解釋這些方面和其它方面。


圖1是本發(fā)明熱交換器的實施方式的示意性透視分解圖，其表現(xiàn)為使用了表現(xiàn)為換熱器板形式的本發(fā)明熱交換元件實施方式的板式換熱器的形式。圖2是來自圖1布置的單個熱交換元件的示意性透視側(cè)視圖。圖3A、B顯示了在用于本發(fā)明熱交換元件的本發(fā)明制造方法的實施方式中所達到兩種中間狀態(tài)的示意性和剖視側(cè)視圖。圖4是特別是表現(xiàn)為塊式換熱器形式的熱交換器的另一實施方式的示意性透視側(cè)視圖。圖5A、B顯示了在用于本發(fā)明熱交換元件的本發(fā)明制造方法的另一實施方式中所達到兩種中間狀態(tài)的示意性和剖視側(cè)視圖。圖6A、B顯示了在用于本發(fā)明熱交換元件的本發(fā)明制造方法的另一實施方式中所達到兩種中間狀態(tài)的示意性和剖視側(cè)視圖。圖7A、B顯示了在用于本發(fā)明熱交換元件的本發(fā)明制造方法的另一實施方式中所達到兩種中間狀態(tài)的示意性和剖視頂視圖。
具體實施例方式下文將描述本發(fā)明的實施方式。本發(fā)明所有實施方式連同它們的技術特征和性質(zhì)一起，可單獨分開或者任選地以任何希望的方式并且沒有限制地與彼此組合。將結合附圖通過相同的標記號來標記結構上和/或功能上相同、相似或相等作用的特征或元素。將不在每一情況下重復對這些特征或元素的詳細說明。首先總體參照附圖。本發(fā)明涉及用于熱交換器100、200的熱交換元件10、20，涉及用于制造用于熱交換器100、200的熱交換元件10、20的方法，涉及熱交換器100、200本身，還涉及用于改裝現(xiàn)有熱交換器的方法，其中通過提供涂層30已經(jīng)或?qū)⒎乐够蛑辽俳档陀稍谝环N或多種熱交換介質(zhì)Ml、M2中的磨蝕和/或腐蝕，和/或腐蝕所產(chǎn)生的雜質(zhì)。除了上述一般原則外，本發(fā)明還涉及CVD涂覆和浸潰的石墨，并且特別是涉及它用于構造熱交換元件或換熱器元件10、20的用途。特別是在精細化工和制藥工業(yè)，由浸潰有合成樹脂的石墨制成的熱交換器100、200和換熱器100、200通常用于冷卻或加熱介質(zhì)M1、M2。在此處發(fā)生如下現(xiàn)象，即由于工藝介質(zhì)Ml流過特別是表現(xiàn)為塊式換熱器200形式的熱交換器100、200，導致石墨粒子或來源于浸潰的粒子即樹脂粒子從產(chǎn)品鉆孔22的表面22v或壁22v分離和/或受到腐蝕。這些粒子必須被認為是雜質(zhì)粒子，因為它們污染了最終產(chǎn)品，因此在最壞的情況下必須廢棄整個生產(chǎn)批次。為了避免或克服這個問題，例如，可考慮使用其熱交換元件10、20或換熱器元件10、20完全由碳化硅或SiC制成的換熱器100、200。與由石墨組成的換熱器元件或熱交換元件相比，碳化硅的優(yōu)勢在于耐磨性和/或耐腐蝕性明顯更高，因此在熱交換介質(zhì)Ml、M2中，特別是在產(chǎn)品介質(zhì)Ml或產(chǎn)品溶液Ml中，特別是沒有碳化硅粒子。完全由碳化硅制成的熱交換元件或換熱器元件的不利之處在于，所述材料和制造成本與純石墨相比高數(shù)倍，因此該選擇通常僅用于特別的情況下。此外，SiC陶瓷極其易碎的特性在應用中通常是不利的。本發(fā)明還運用了如下知識，即，特別是石墨表面可通過特別是在超過1000°C的溫度下實施的CVD方法涂覆以碳化硅或SiC，以便由此提高包含熱交換元件10、20基礎并且特別是指基底石墨材料的材料10’、20’的耐磨性和/或耐腐蝕性。這對基底例如CSiC材料也有效。自由碳減弱的耐腐蝕性在此處是成問題的，并且對上述這種應用形成了障礙。在此處，所述優(yōu)勢在于，使用碳化硅例如作為涂層材料30’一方面產(chǎn)生更高的耐磨性，而另一方面并沒有大幅提高制造成本，因為基底材料10’、20’可仍繼續(xù)為低成本材料，特別是石墨材料，其然后經(jīng)由所述涂層30在它的表面上進行了準精制。特別是在所謂塊式換熱器200的情況下，對于所述換熱器塊20特別是在所述產(chǎn)品鉆孔22方面也可具有位于它上游的塊式元件，該塊式元件完全由耐磨性材料例如碳化硅制成并且不含用于第二熱交換介質(zhì)M2的工作鉆孔24。這確保耐磨性組件將首先與工藝介質(zhì)Ml接觸。雖然這可降低污染的程度，以這種方式提供這種由耐磨性材料制成的初步塊還是成本高，并且與如下技術弊端相關聯(lián)，即在實際換熱器過程之前引入了死體積，由此降低了此類設備的整體效能。 相比之下，本發(fā)明提出了簡化的方法，S卩，特別是至少在與工藝介質(zhì)Ml發(fā)生接觸的區(qū)域或部分區(qū)域中，用耐磨性和/或耐腐蝕性材料30’涂覆熱交換器100、200的一個或多個熱交換元件10、20。結果，與完全由耐磨性和/或耐腐蝕性材料制成的換熱器例如塊式換熱器的元件10、20相比，本發(fā)明創(chuàng)建了成本效益好并且對于脆性破壞可能在機械上更有耐受性的變體方案。因此，成本效益好并且以前常規(guī)的材料10’、20’可用于熱交換元件10、20，其中然后通過耐磨性和/或耐腐蝕性材料30’例如碳化硅的層30，保護了所有與磨蝕和/或腐蝕性介質(zhì)Ml、M2接觸的表面，例如在塊式換熱器200中的兩個端表面20e和產(chǎn)品鉆孔22，并且它們的孔然后完全浸潰有合成樹脂40’，以確保熱交換元件10、20的致密度，特別是換熱器塊20的致密度?；诤铣蓸渲?0’的浸潰40或一些其它類型的浸潰40通常是必需的，因為通常不能確保通過使用的耐磨性和/或耐腐蝕性材料30’，特別是通過碳化硅，來完全密封特別是所述塊式換熱器200的熱交換元件10、20的每一表面與所述工藝介質(zhì)Ml的接觸。特別是使用合成樹脂40’的浸潰40必須發(fā)生在使用耐磨性和/或耐腐蝕性材料進行涂覆的工藝之后，因為在所述涂覆工藝期間超過1000°c的溫度可破壞用于所述浸潰40的材料40’。特別是用于換熱器塊200等的熱交換元件10、20的本發(fā)明制造方法的實施方式可顯示出如下結構例如由石墨20’等組成的成品塊20涂覆有基于CVD過程的碳化娃涂層30,其中，例如，可用石墨膜覆蓋所述塊的側(cè)表面20m，以使得例如在該處沒有發(fā)生涂覆?；蛘?，在完成了使用碳化硅材料30’的涂覆之后，可將所述工作鉆孔24引入所述塊20中。然后，以與制造換熱器塊相似的方式，例如使用合成樹脂40’進行浸潰，使涂覆有碳化硅30’的塊20進行浸潰40。在浸潰40前，所述塊20的兩個端表面20e可覆蓋有兩個相應的大金屬盤，其中在每一塊端表面20e和所述金屬盤之間的密封防止在浸潰樹脂40’與所述塊端表面20e和產(chǎn)品鉆孔22之間的接觸。用于浸潰40的樹脂40’可經(jīng)由所述側(cè)表面20m和所述工作鉆孔24滲入所述塊20中。例如，將所述罩盤固定在合適位置并通過數(shù)個拉桿將其拉緊，通過所述產(chǎn)品鉆孔22對其進行引導。在浸潰40之后，將具有所述拉緊金屬盤的塊20置于退火爐中。以標準流程使所述合成樹脂40’硬化。作為最終產(chǎn)品獲得的是在產(chǎn)品側(cè)面涂覆有碳化硅并且在產(chǎn)品鉆孔22中沒有樹脂膜的塊20。根據(jù)本發(fā)明的這些方法和相似類型的方法，和根據(jù)本發(fā)明的熱交換元件10、20，相對于已知步驟具有多種優(yōu)勢根據(jù)本發(fā)明制造的熱交換器100、200或換熱器100、200，特別是塊式換熱器200，
對磨蝕和/或腐蝕性介質(zhì)具有抗性，并且正如常規(guī)熱交換器，有利于工藝介質(zhì)Ml和工作介質(zhì)M2之間完全的熱交換，即沒有形成死體積。此外，所述耐磨層30或涂層30，特別是SiC層，不僅防止了對介質(zhì)M1、M2的吸收，而且當變換產(chǎn)品或工作介質(zhì)M2時防止了對它們后續(xù)的解吸。此外，所述耐磨和/或耐腐蝕層30或所述SiC層30可防止任何石墨粒子或樹脂粒子在工藝介質(zhì)Ml中磨蝕或積累，并且因此防止其在產(chǎn)品溶液中磨蝕或積累，和/或防止腐蝕。所述基底材料10’、20’ 一例如所述石墨10’、20’ 一和涂層材料30’在它們的熱
膨脹系數(shù)方面可有利地配合。這是因為，在本發(fā)明的另一方面，可選擇所述基底材料10’、20’特別是所述石墨基底10’、20’以及所述涂層材料30’和/或浸潰材料40’ 一特別是CVD-SiC —的熱膨脹系數(shù)之間的比值，并且將其如此設置，例如，以使得特別是在最高工藝溫度下，如果可能則使得所述比值在如下范圍內(nèi) ，即約1. 2和約O. 8之間，優(yōu)選約1.1和約O. 9之間，并且特別優(yōu)選約1. 05和約O. 95之間。理想地，所述材料配對的熱膨脹系數(shù)是相同的。已經(jīng)出人意料地發(fā)現(xiàn)，低于5 μ m的層厚度已經(jīng)是防磨的和防腐蝕的。成功地保留了粒子，防止了基底腐蝕，并且在表面硬度方面實現(xiàn)了極大的增加。因此，理想地施加在5和1000 μ m之間、優(yōu)選在20和400 μ m之間并且特別優(yōu)選在50和200 μ m之間的層厚度。取決于使用的涂層步驟，特別是CVD步驟，在此處優(yōu)選的處理溫度特別是在約1200°C和約2400°C之間的范圍內(nèi)。令人驚訝地，通過以這種方式在材料熱膨脹方面熟練地選擇材料配對，可獲得完全無裂縫的涂層，由此可消除對例如使用樹脂進行密封的需要。除了高耐磨性之外，以這種方式制造的表面顯示出高耐腐蝕性，其特別是與SiC、阿爾法SiC或a -SiC的高耐腐蝕性匹配。此時將詳細參照附圖。圖1顯示了表現(xiàn)為所謂板式熱交換器100’或板式換熱器100’形式的本發(fā)明熱交換器100的實施方式的示意性透視分解圖，其由布置110組成，該布置110類似于包含多個配置為熱交換器板10或換熱器板10的熱交換器元件10或換熱器元件10的堆疊。所述箭頭表示所述第一和第二熱交換介質(zhì)Ml和M2的流入和流出，其交替地在作為流動空間的空隙R1、…、Rn中流動，其中將相應的密封裝置設置在連續(xù)的熱交換元件10(此處未清楚地示出)之間，以防止所述第一和第二熱交換介質(zhì)Ml和M2混合在一起。
圖2顯示了來自圖1布置的表現(xiàn)為熱交換器板10形式的單個熱交換元件10的示意性透視側(cè)視圖。這種板形式的熱交換元件10基本由基底材料10’例如石墨材料組成，并且具有上側(cè)IOo或前側(cè)IOo和后側(cè)IOu或下側(cè)10u。所述前側(cè)IOo和后側(cè)IOu可由在所述板10基底材料10’表面中相應的流動通道構成，以在所述板10的兩側(cè)IOo和IOu之間加強機械接觸，并因此加強熱交換。這些流動或流式通道在此處沒有被清楚地示出，并且在所述板10的上側(cè)IOo和下側(cè)IOu上形成種浮凸。圖3A和B顯示了用于圖2中所描述板形式熱交換元件10的多個制造階段。圖3A實際表示用于所述板形式熱交換元件10的坯料。這意味著所述板10基本上由作為所述板基底10’的常規(guī)材料10’例如石墨材料組成。還指出所述板10的上側(cè)IOo和下側(cè)IOu0在向圖3B所描述的轉(zhuǎn)變中，至少在所述上側(cè)IOo和下側(cè)IOu上形成由耐磨材料30’組成的涂層30。對于所述各側(cè)一S卩，所述上側(cè)IOo或所述下側(cè)IOu—而言通常滿足的是，使用耐磨材料30’將其設計為與實際工藝介質(zhì)例如熱交換介質(zhì)Ml接觸的涂層30，所述熱交換介質(zhì)Ml作為產(chǎn)品不得被污染。指的是例如第二熱交換介質(zhì)M2的工作介質(zhì)是否被污染通常是第二重要的。因此,如圖3B中虛線所示，通常僅將所述側(cè)一圖3A和圖3B上的下側(cè)IOu—必須設置有涂層30作為任選項。圖4表示 本發(fā)明熱交換器200或換熱器200的另一實施方式的示意性透視側(cè)視圖，特別是表現(xiàn)為具有由材料20’組成的熱交換器芯或換熱器芯20的正圓柱塊式換熱器200’的形式,所述熱交換器芯或換熱器芯20具有用于第一熱交換介質(zhì)Ml或工藝介質(zhì)Ml的平行于對稱軸即在Z方向的第一、豎直或垂直的鉆孔22或工藝鉆孔22，以及用于第二熱交換介質(zhì)M2或工作介質(zhì)M2的與此垂直的第二或水平的鉆孔24或工作鉆孔24。所述鉆孔22和24沒有互相溝通，以使得所述第一和第二熱交換介質(zhì)Ml和M2不能混合在一起。用于側(cè)向和垂直地限定并控制所述第一和第二熱交換介質(zhì)Ml和M2流動的是具有成排數(shù)個引導盤50的引導盤框架50、60，所述引導盤50被夾在相應的框架60中。此外描述了被設計為塊的熱交換元件20的側(cè)表面20m和端表面20e，以及所述鉆孔22或24的垂直或水平溝道的表面20v、20h或內(nèi)表面20v、20h。在本發(fā)明中，根據(jù)圖4的塊狀熱交換元件20可不僅只具有端表面20e和側(cè)表面20m，而且還恰恰具有用于工藝介質(zhì)Ml或工作介質(zhì)M2的第一或第二鉆孔22或24的內(nèi)表面20v和20h，其由從耐磨涂層材料30’制成的相應涂層30組成。這在圖5A至7B上在二連續(xù)過程性步驟的框架內(nèi)在示意性和剖視側(cè)視圖或示意性頂視圖中再一次進行說明。圖5A和5B顯示了用于塊狀熱交換元件20的來自圖4的布置的截面，例如，僅描述了與Z方向平行的那些垂直鉆孔22，其用于傳送所述工藝介質(zhì)Ml或第一熱交換介質(zhì)Ml并且具有內(nèi)表面20v。這種熱交換元件20的基底材料20’可以為常規(guī)材料20’。在向圖5B上所示中間狀態(tài)的轉(zhuǎn)變中，所述塊狀熱交換元件20的端表面20e和所述垂直鉆孔22或垂直流動通道22的內(nèi)表面20v或內(nèi)側(cè)20v然后設置有含有所述涂層材料30’或由所述涂層材料30’組成的涂層30。如果必要的話，則在所述端表面20e上也可以具有相應的涂層30。
所述垂直鉆孔22的橫截面可能被略微限制，在這種情況下在圖5A至圖7B上的表示是不按比例的；僅對具有內(nèi)表面20v和20h的鉆孔22和24的凈寬度的實際下降進行略微限制。與圖5A和5B類似，如圖6A和6B上所說明的，同樣適用于涉及所述水平鉆孔24的側(cè)表面20m和內(nèi)表面20h或內(nèi)側(cè)20h的涂層。圖7A和7B表示頂視圖，與Z方向相反即直接在所述基底圓柱的上端表面20e上描繪在圖4至6B上所述塊式換熱器200’的布置。在此處沒有示意性描繪管式熱交換器的情況下，也可在各熱交換器管的內(nèi)部和/或外部上設置這樣的涂層30。附圖標記10熱交換元件，換熱器元件，熱交換器板，換熱器板10’熱交換元件的材料IOo上側(cè)，前側(cè)IOu下側(cè)，后側(cè) 20熱交換元件，換熱器元件，熱交換器芯，換熱器芯20’熱交換器元件的材料20e端表面20h水平或工作鉆孔24的表面20m側(cè)表面20v垂直或工藝鉆孔22的表面或內(nèi)部22垂直鉆孔，工藝鉆孔，用于第一熱交換或工藝介質(zhì)的鉆孔24水平鉆孔，工作鉆孔，用于第二熱交換介質(zhì)或工作介質(zhì)的鉆孔30 涂層30’涂層材料40 浸潰40’浸潰材料50用于塊式換熱器200’的引導盤60用于塊式換熱器200’的引導盤50的支架/框架100熱交換器，換熱器100’板式熱交換器，板式換熱器110包含多個熱交換器元件/熱交換器板10的布置/堆疊200熱交換器，換熱器200’塊式熱交換器，塊式換熱器Ml第一熱交換介質(zhì)，工藝介質(zhì)，產(chǎn)品介質(zhì)M2第二熱交換介質(zhì)，工作介質(zhì)Rj空隙,流動空間，j=l,…，n
權利要求
1.用于熱交換器(100，200)的熱交換元件(10，20)， 為了在流動方面實現(xiàn)在作為工藝介質(zhì)(Ml)的第一熱交換介質(zhì)(Ml)和作為工作介質(zhì)(M2)的第二熱交換介質(zhì)(M2)之間分開的熱交換，所述熱交換元件在流動方面顯示出用于與第一熱交換介質(zhì)(Ml)或第二熱交換介質(zhì)(M2)分開接觸的第一接觸區(qū)域(IOo ；20e,20v)和第二接觸區(qū)域(IOu ；20h,20m), 所述熱交換元件基本上含有一種或多種來自如下材料的材料(10’，20’ )或由一種或多種來自如下材料的材料組成，即石墨材料、石墨和開孔并且未燒結的SiC或碳化硅材料，并且 其中所述第一和第二接觸區(qū)域(IOo ;20e，20v，20u，20h，20m)中的至少一個部分或完全地涂覆有如下材料(30’ )中的一種或多種材料作為涂層(30)，即SiC或碳化硅材料、碳化物氧化物材料、硅化物材料、鈦酸鎢材料、氧化物材料、高溫碳、金剛石和它們的衍生物和組合。
2.根據(jù)權利要求1所述的熱交換元件(10，20)， 其中浸潰(40)由含有一種或多種如下材料或由所述一種或多種如下材料組成的浸潰材料(40’ )構成，即樹脂材料、酚醛樹脂材料和它們的衍生物和組合。
3.根據(jù)權利要求2所述的熱交換元件(10，20)， 其中完全或部分地在所述涂層(30)上和/或中使用所述浸潰材料(40’ )浸潰(40)，和/或完全或部分地在第一接觸區(qū)域(IOo ；20e,20v)和第二接觸區(qū)域(10u ；20h,20m)上和/或中使用所述浸潰材料(40’ )浸潰(40)。
4.根據(jù)前述權利要求中的一項所述的熱交換元件(10，20)， 其中所述涂層(30)被設計為CVD涂層。
5.根據(jù)前述權利要求中的一項所述的熱交換元件(10，20)， 其中所述涂層(30)特別是經(jīng)由包括完整或部分地化學和/或物理轉(zhuǎn)化所述材料(10’，20’)的工藝而被設計為化學和/或物理轉(zhuǎn)化區(qū)域，所述材料(10’，20’)包括第一和/或第二接觸區(qū)域(10ο, IOu ；20v, 20h, 20m)。
6.根據(jù)前述權利要求中的一項所述的熱交換元件(10，20)， 其中通過等離子噴涂和/或火焰噴涂的方法形成所述涂層(30)。
7.根據(jù)前述權利要求中的一項所述的熱交換元件(10，20)， 其被設計為板式熱交換器(100)或板式換熱器(100)的熱交換器板(10)或換熱器板(10)。
8.根據(jù)前述權利要求1至6中的一項所述的熱交換元件(10，20)， 其被設計為塊式熱交換器(200)或塊式換熱器(200)的熱交換器芯(20)或換熱器芯(20)。
9.根據(jù)前述權利要求1至6中的一項所述的熱交換元件(10，20)， 其被設計為管式熱交換器或管式換熱器的熱交換器管或換熱器管。
10.根據(jù)前述權利要求中的一項所述的熱交換元件(10，20)， 其中所述熱交換元件(10，20)的材料(10’，20’)與所述涂層(30)的材料(30’)互相配合以使得 特別是在約1200°C至約2400°C的溫度范圍中或其部分范圍中，所述熱交換元件(10，20)的材料(10’，20’ )特別是石墨基底(10’，20’ )以及所述涂層(30)的材料(30’)一特別是CVD-SiC材料(30’)和/或浸潰材料(40’)的熱膨脹系數(shù)之間的比值在如下范圍內(nèi)，即約1. 2和約O. 8之間，優(yōu)選約1.1和約O. 9之間，并且特別優(yōu)選約1. 05和約O. 95之間。
11.用于制造用于熱交換器(100，200)的熱交換元件(10，20)的方法， 其中在流動方面用于在作為工藝介質(zhì)(Ml)的第一熱交換介質(zhì)(Ml)和作為工作介質(zhì)(M2)的第二熱交換介質(zhì)(M2)之間分開的熱交換的熱交換元件(10，20)，被設計有在流動方面用于與第一熱交換介質(zhì)(Ml)或第二熱交換介質(zhì)(M2)分開接觸的第一接觸區(qū)域(IOo ；20e，20v)和第二接觸區(qū)域(IOu ；20h,20m), 其中所述熱交換元件(10，20)基本上含有一種或多種來自如下材料的材料(10’，20’)或由所述一種或多種來自如下材料的材料組成，即石墨材料、石墨和開孔并且未燒結的SiC或碳化硅材料，并且 其中所述第一和第二接觸區(qū)域(IOo ;20e，20v，20u，20h，20m)中的至少一個完全或部分地涂覆有如下材料(30’ )中的一種或多種材料作為涂層(30)，即SiC或碳化硅材料、碳化物氧化物材料、硅化物材料、鈦酸鎢材料和它們的衍生物和組合。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法， 其中浸潰(40)由含有一種或多種如下材料或由所述一種或多種如下材料組成的浸潰材料(40’ )構成，即樹脂材料、酚醛樹脂材料和它們的衍生物和組合。
13.根據(jù)前述權利要求11或12中的一項所述的方法， 其中完全或部分地在所述涂層(30)上和/或中使用所述浸潰材料(40’ )浸潰(40)，和/或完全或部分地在第一接觸區(qū)域(IOo ；20e,20v)和第二接觸區(qū)域(10u ；20h,20m)上和/或中使用所述浸潰材料(40’ )浸潰(40)。
14.根據(jù)前述權利要求11至13中的一項所述的方法， 其中所述涂層(30)被設計為CVD涂層。
15.根據(jù)前述權利要求11至14中的一項所述的方法， 其中所述涂層(30)特別是經(jīng)由包括完整或部分地化學和/或物理轉(zhuǎn)化所述材料(10’，20’)的工藝而被設計為化學和/或物理轉(zhuǎn)化區(qū)域，所述材料(10’，20’)包括第一和/或第二接觸區(qū)域(10ο, IOu ；20v, 20h, 20m)。
16.根據(jù)前述權利要求11至15中的一項所述的方法， 其中通過等離子噴涂和/或火焰噴涂的方法形成所述涂層(30)。
17.根據(jù)前述權利要求11至16中的一項所述的方法， 其中所述熱交換元件(10，20)被設計為板式熱交換器(100)或板式換熱器(100)的熱交換器板(10)或換熱器板(10)。
18.根據(jù)前述權利要求11至16中的一項所述的方法， 其中所述熱交換元件(10，20)被設計為塊式熱交換器(200)或塊式換熱器(200)的熱交換器芯(20)或換熱器芯(20)。
19.根據(jù)前述權利要求11至16中的一項所述的方法， 其中所述熱交換元件(10，20)被設計為管式熱交換器或管式換熱器的熱交換器管或換熱器管。
20.根據(jù)前述權利要求11至19中的一項所述的方法，其中所述熱交換元件(10，20)的材料(10’，20’)與所述涂層(30)的材料(30’)互相配合以使得 特別是在約1200°C至約2400°C的溫度范圍中或其部分范圍中，所述熱交換元件(10，20)的材料(10’，20’ )特別是石墨基底(10’，20’ )以及所述涂層(30)的材料(30’)一特別是CVD-SiC材料(30’)和/或浸潰材料(40’)的熱膨脹系數(shù)之間的比值在如下范圍內(nèi)，即約1. 2和約O. 8之間，優(yōu)選約1.1和約O. 9之間，并且特別優(yōu)選約1. 05和約O. 95之間。
21.熱交換器(100，200)， 其中根據(jù)權利要求1至10中的一項來設計一個或多個熱交換元件(10，20)。
22.用于改裝熱交換器(100，200)的方法， 特別是基于根據(jù)前述權利要求11至20中的一項所述的方法， 其中用一個或多個根據(jù)權利要求1至10中的一項所述的相應熱交換元件(10，20)來代替一個或多個現(xiàn)存的熱交換元件，和/或 其中將一個或多個現(xiàn)存的常規(guī)的熱交換元件轉(zhuǎn)換成根據(jù)前述權利要求1至10中的一項所述的熱交換元件(10，20)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于熱交換器(100，200)的熱交換元件(10，20)，涉及用于制造用于熱交換器(100，200)的熱交換元件(10，20)的方法，涉及熱交換器(100，200)本身，并且涉及用于改裝現(xiàn)有熱交換器的方法，其中通過提供涂層(30)，防止或至少降低了由在一種或多種熱交換介質(zhì)(M1，M2)中的磨蝕和/或腐蝕所引起的雜質(zhì)的出現(xiàn)。
文檔編號F28F21/02GK103038598SQ201180032983
公開日2013年4月10日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權日2010年6月30日
發(fā)明者馬庫斯·弗蘭茲, 克勞斯-彼得·布雷勒 申請人:西格里碳素歐洲公司