EP3224562A1 - Plattenelement für einen plattenwärmetauscher - Google Patents

Plattenelement für einen plattenwärmetauscher

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EP3224562A1
EP3224562A1 EP15774855.9A EP15774855A EP3224562A1 EP 3224562 A1 EP3224562 A1 EP 3224562A1 EP 15774855 A EP15774855 A EP 15774855A EP 3224562 A1 EP3224562 A1 EP 3224562A1
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EP
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plate element
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plate
membrane layer
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Kai Klingenburg
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Klingenburg GmbH
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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 common in a variety of forms and from a variety of different materials.
  • the present invention seeks to provide a plate member for a plate heat exchanger available, which can be produced on the one hand with little effort, has a comparatively low weight and yet in addition to the usual heat exchange properties also has excellent enthalpy exchange properties.
  • moisture or water vapor should also be transferred or exchanged between different fluid streams.
  • a plate element for a plate heat exchanger in which the plate element is an at least two-layer laminate arrangement of a membrane layer, by means of which enthalpy is transferable between two fluid streams separated by the plate element, and at least one carrier layer consisting of a perforated and deformable material consists and means which the plate element a predetermined mechanical strength and a spatial structure rental and these are upright preserved.
  • the plate element can be produced with a low cost with the desired properties.
  • the membrane layer of the plate element according to the invention can advantageously be designed as a plastic membrane layer.
  • the at least one carrier layer of the plate element according to the invention can be formed with relatively little effort as a woven or nonwoven layer, whereby the necessarily perforated structure of the carrier layer is advantageously obtained by the selection of said materials.
  • the at least one carrier layer of the plate member is formed of a thermally deformable material.
  • this is formed as a three-layer laminate arrangement, with a further carrier layer which is arranged on the side facing away from the first carrier layer side of the membrane layer and by means of the plate member also a predetermined mechanical strength and a spatial structure rental and these are upheld.
  • a planar, punctiform, stripy or lattice-shaped connection of each carrier layer to the membrane layer can be realized by material properties of each carrier layer and / or of the membrane layer. In this case, no additional connection means, such as adhesives or the like, are required. Alternatively, however, it is also possible to realize the planar, punctiform, stripy or lattice-like and adhesive connection between the membrane layer of each carrier layer by a binder, preferably by a hot-melt adhesive.
  • the nonwoven layers can be advantageously designed 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 is hygroscopically adjustable.
  • polyester nonwoven having a coating of a zeolite and a binder.
  • the enthalpy transmission properties of the plastic membrane layer can be realized with comparatively little effort if the plastic membrane layer is formed from a polymer or polyurethane material.
  • the plate elements described above can be folded and welded or glued at their edges, so that they can be joined together to form a plate heat exchanger with extremely low technical design complexity.
  • 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 elaborate changes etc. of existing production facilities are required.
  • an adhesive bond is simultaneously created between each carrier layer and the membrane layer.
  • the cost of producing the plate element according to the invention can thus be comparatively low.
  • the hygroscopic adjustment of the carrier or nonwoven layers can be realized with comparatively little effort by providing the carrier or nonwoven layers with a coating of a zeolite and a binder by means of a dipping or spraying process.
  • Carrier or nonwoven layers is provided, be achieved that in the carrier or nonwoven layers deposited water evenly over the surface of the carrier or
  • the single figure shows a schematic diagram of a plate element according to the invention, which can be joined together with other similar plate elements to a plate heat exchanger.
  • the plate element 1 shown in the single figure is not to scale in this figure, but only shown in principle.
  • Example of the invention of the plate element 1 is formed as a three-layer laminate assembly 1.
  • This three-layer laminate arrangement 1 includes a plastic membrane layer 2 arranged centrally in the laminate arrangement 1, a first nonwoven layer 3 arranged in the figure above the plastic membrane layer 2 and a second nonwoven layer 4 arranged in the figure below the plastic membrane layer 2.
  • enthalpy can be transferred between two fluid streams not shown in the figure, wherein one of the fluid streams flows above the plate element 1 and the other of the two fluid streams below the plate element 1.
  • the plastic membrane layer 2 is formed in the illustrated embodiment of a polyurethane material.
  • the first nonwoven layer 3 and the second nonwoven layer 4 are made of a thermally deformable nonwoven material, in the illustrated embodiment of a polyester nonwoven fabric.
  • the polyester fleece has a weight of 50 g / m 2 .
  • the polyester nonwoven fabric is made hygroscopically adjustable, for which purpose the polyester nonwoven fabric is provided with a coating consisting of a suitable zeolite and a binder.
  • the plate member 1 receives a predetermined mechanical strength and a spatial structure. This mechanical strength and spatial structure are maintained for the duration of the groove tion of the plate member in a plate heat exchanger upright.
  • a flat adhesive bond is provided between the plastic membrane layer 2 on the one hand and the nonwoven layers 3, 4 on the other hand.
  • This can be realized in the embodiment of the plate element 1 shown in the single figure by means of material properties of the nonwoven layers 3, 4 forming polyester fleece and / or by material properties of the plastic membrane layer 2.
  • a level three-layer laminate arrangement 1 is first created.
  • the plastic membrane layer 2 is placed on the lower nonwoven layer 4 and the upper nonwoven layer 1 is placed on the plastic membrane layer 2.
  • both the deformation, ie the creation of a spatial structure for the plate element 1, as well as the surface connection between the plastic membrane layer 2 on the one hand and the two nonwoven layers 3, 4 on the other serves, the plate element 1 created.
  • the same tools can be used, which are ver ⁇ applies also in the production of conventional plate elements.
  • a maximum temperature is not exceeded, which is 160 degrees C. This will ensure that the plastic membrane layer
  • these are provided with a coating of a zeolite and a binder, which coating can be prepared by a dipping or spraying process.

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Abstract

Ein Plattenelement (1) für einen Wärmetauscher ist als zumindest zweischichtige Laminatanordnung (1) ausgebildet. Zu dieser Laminatanordnung (1) gehört eine Membranschicht (2), mittels der Enthalpie zwischen zwei durch das Plattenelement (1) getrennten Fluidströmen übertragbar ist, und zumindest eine Trägerschicht (3, 4) aus einem durchbrochenen und verformbaren Werkstoff, mittels der dem Plattenelement (1) eine vorgebbare mechanische Festigkeit und eine räumliche Struktur verleih- und diese aufrecht erhaltbar sind.

Description

Plattenelement für einen Plattenwärmetauscher
Die Erfindung bezieht sich auf ein Plattenelement für einen Plattenwärmetauscher .
Derartige Plattenelemente sind in unterschiedlichster Form und aus einer Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe üblich.
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 gelöst, bei dem das Platten- element eine zumindest zweischichtige Laminatanordnung aus einer Membranschicht , mittels der Enthalpie zwischen zwei durch das Plattenelement getrennten Fluidströmen übertragbar ist, und zumindest einer Trägerschicht ist, die aus einem durchbrochenen und verformbaren Werkstoff besteht und mittels der dem Plattenelement eine vorgebbare mechanische Festigkeit und eine räumliche Struktur verleih- und diese aufrecht erhaltbar sind. Ein derartiges Plattenelement ist mit einem geringen Aufwand mit den gewünschten Eigenschaften herstellbar.
Die Membranschicht des erfindungsgemäßen Plattenelements lässt sich vorteilhaft als Kunststoffmembranschicht ausge- stalten.
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 technisch- konstruktiv 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 Membran- schicht 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 Ver- bindung 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 Kunststoffmen- branschicht 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 ei- nem 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 zusammen- gefügt werden können.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Plattenelements für Plattenwärmetauscher 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 Plat- tenelement 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 Beschich- tung 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 Ausfüh- rungsbeispiel 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 Kunststoffmemb- ranschicht 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 Platten- elements 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 Be- schichtung 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 Nut- zung 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 ebe- ne 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 ver¬ wendet 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

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Plattenelement für einen Wärmetauscher, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Plattenelement (1) eine zumindest zweischichtige Laminatanordnung (1) ist, mit einer Membranschicht (2), mittels der Enthalpie zwischen zwei durch das Plattenelement (1) getrennten Fluidströmen übertragbar ist, und zumindest einer Trägerschicht (3, 4) aus einem durchbrochenen und verformbaren Werkstoff, mittels der dem Plattenelement
(1) eine vorgebbare mechanische Festigkeit und eine räumliche Struktur verleih- und diese aufrecht erhaltbar sind.
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 embranschicht (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 Polyesterv- lies 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, bei dem eine zumindest zweischichtige Laminatanordnung aus einer Membranschicht, vorzugsweise einer Kunststoffmembranschicht (2), und zumindest einer Träger- schicht (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 Sprüh- Vorgangs mit einer Beschichtung aus einem Zeolithen und einem Binder versehen wird.
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