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DE10359573A1 - Heat transfer unit for a heat exchanger - Google Patents

Heat transfer unit for a heat exchanger Download PDF

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Publication number
DE10359573A1
DE10359573A1 DE2003159573 DE10359573A DE10359573A1 DE 10359573 A1 DE10359573 A1 DE 10359573A1 DE 2003159573 DE2003159573 DE 2003159573 DE 10359573 A DE10359573 A DE 10359573A DE 10359573 A1 DE10359573 A1 DE 10359573A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
heat transfer
transfer unit
filler
plastic
unit according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE2003159573
Other languages
German (de)
Inventor
Kilian Kriener
Wolfgang Volz
Uwe Clement
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE2003159573 priority Critical patent/DE10359573A1/en
Priority to EP04105171A priority patent/EP1544566A3/en
Publication of DE10359573A1 publication Critical patent/DE10359573A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/06—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material
    • F28F21/062—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material the heat-exchange apparatus employing tubular conduits

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeübertragungseinheit für einen Wärmetauscher, die ein Bündel von Wärmetauscherrohren (15) umfasst, in denen ein zu erwärmendes Heizwasser für eine Heizungsanlage strömt. Die Wärmetauscherrohre (15) sind aus Kunststoff ausgeführt, der mindestens einen Füllstoff (5) mit hoher Wärmeleitfähigkeit enthält, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Füllstoffs über der des Kunststoffs liegt, so dass die Rohrwandung der Wärmetauscherrohre (15) einen großen Wärmedurchgangskoeffizienten aufweist.The invention relates to a heat transfer unit for a heat exchanger comprising a bundle of heat exchanger tubes (15) in which a heating water to be heated flows for a heating system. The heat exchanger tubes (15) are made of plastic, which contains at least one filler (5) with high thermal conductivity, wherein the thermal conductivity of the filler is above that of the plastic, so that the tube wall of the heat exchanger tubes (15) has a large heat transfer coefficient.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungseinheit für einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a heat transfer unit for one heat exchangers according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of technology

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wärmetauschern spielt insbesondere eine hohe Wärmeleitfähigkeit der Wärmeübertragungseinheit, die beispielsweise die Form eines Rohres oder einer Platte aufweisen kann, eine große Rolle. Damit der Wärmetauscher mit einem guten Wirkungsgrad arbeitet, ist es notwendig, dass ein möglichst hoher Wärmestrom übertragen wird. Hierbei ist die Verwendung von metallischen Wärmeübertragungseinheiten, beispielsweise aus Edelstahl oder aus Aluminium-Sand-Guss, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, bekannt.at the known from the prior art heat exchangers plays in particular a high thermal conductivity the heat transfer unit, the for example, have the shape of a pipe or a plate can, a big one Role. So that the heat exchanger working with a good efficiency, it is necessary that one preferably transferred high heat flow becomes. Here, the use of metallic heat transfer units, For example, made of stainless steel or aluminum sand cast, the one high thermal conductivity own, known.

Aus EP 0 994 321 A2 ist beispielsweise ein Wärmetauscher mit metallischen Rohren bekannt, welche von einem aufzuheizenden Wasser durchströmt werden. Auf der Außenseite der Rohre strömt ein heißes Abgas, welches in Wechselwirkung mit dem Wasser tritt. Während das Abgas, das im Wesentlichen aus CO2 und N2, Wasserdampf und geringen Säurebestandteilen (Schwefelsäure und Salpetersäure) besteht, durch den Wärmetauscher strömt, kühlt sich das Abgas ab, wodurch der Wasserdampf und die Säurebestandteile auskondensieren. Von besonderem Nachteil ist, dass dieses entstehende Kondensat zum Teil stark konzentriert an Schwefelsäure ist und auf metallische Oberflächen korrosiv wirkt.Out EP 0 994 321 A2 For example, a heat exchanger with metallic tubes is known, which are flowed through by a water to be heated. On the outside of the tubes flows a hot exhaust gas, which interacts with the water. While the exhaust gas, which consists essentially of CO 2 and N 2 , water vapor and low acid components (sulfuric acid and nitric acid) flows through the heat exchanger, the exhaust gas cools, whereby the water vapor and the acid components condense out. Of particular disadvantage is that this resulting condensate is partly highly concentrated sulfuric acid and corrosive effect on metallic surfaces.

Um einer Korrosion entgegenzuwirken ist es ferner bekannt, Wärmetauscher mit aus Kunststoff bestehenden Wärmeübertragungseinheiten auszugestalten. In der DE 195 36 300 C1 ist ein Wärmetauscher beschrieben, der mit aus Kunststoff bestehenden Rohren ausgebildet ist. Die Kunststoffrohre verhindern hierbei eine Korrosion des Wärmetauschers, sind kostengünstig herzustellen und weisen ein geringes Gewicht auf. Nachteilig ist jedoch, dass die aus Kunststoff bestehenden Wärmeübertragungseinheiten eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wodurch sich der Wirkungsgrad eines Wärmetauschers wesentlich verschlechtert.In order to counteract corrosion, it is also known to design heat exchangers with plastic heat transfer units. In the DE 195 36 300 C1 a heat exchanger is described which is formed with pipes made of plastic. The plastic pipes prevent corrosion of the heat exchanger, are inexpensive to manufacture and have a low weight. The disadvantage, however, is that the existing plastic heat transfer units have a low thermal conductivity, whereby the efficiency of a heat exchanger significantly deteriorated.

In DE 39 00 551 A1 ist ein Rohr mit einem Überzug für einen Wärmetauscher beschrieben. Das Rohr, das von einem Fluid durchströmt wird, umfasst hierbei ein Innenrohr und ein als Überzug ausgebildetes Außenrohr, wobei das Innenrohr aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht, vorzugsweise Kupfer. Das Außenrohr besteht aus Kunststoff, wodurch einer Korrosion entgegengewirkt wird. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Kunststoff ist das Außenrohr in Form eines Wellenrohres ausgebildet, das eine vergrößerte Oberfläche für den Wärmeaustausch zur Verfügung stellt, welches begünstigend sich für den zu übertragenden Wärmestrom auswirkt. Eine der Nachteile dieses Rohres ist, dass trotz der Form des Wellenrohres eine nicht zufriedenstellende Wär meübertragungsleistung, insbesondere aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes, erzielt wird.In DE 39 00 551 A1 a tube is described with a coating for a heat exchanger. The tube, which is traversed by a fluid, in this case comprises an inner tube and an outer tube designed as a coating, wherein the inner tube consists of a material having a high thermal conductivity, preferably copper. The outer tube is made of plastic, which counteracts corrosion. Due to the low thermal conductivity of plastic, the outer tube is designed in the form of a wave tube, which provides an enlarged surface for the heat exchange, which favorably affects the heat flow to be transmitted. One of the disadvantages of this tube is that despite the shape of the shaft tube unsatisfactory heat transfer performance, especially due to the low thermal conductivity of the plastic is achieved.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Wärmeübertragungseinheit für einen Wärmetauscher bereitzustellen, mit der die oben genannten Nachteile vermieden werden, insbesondere eine Wärmeübertragungseinheit geschaffen wird, die korrosionsbeständig ist sowie gute Wärmeleiteigenschaften aufweist.It Object of the present invention is a heat transfer unit for a heat exchangers to provide, with the above-mentioned disadvantages avoided be, in particular a heat transfer unit is created, which is resistant to corrosion and good thermal conductivity having.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Die Aufgabe wird durch eine Wärmeübertragungseinheit mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinheit angegeben.The Task is by a heat transfer unit solved with the features of claim 1. In the dependent claims are preferred developments of the heat transfer unit according to the invention indicated.

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Wärmeübertragungseinheit im Wesentlichen aus einem Kunststoff und aus mindestens einem ersten Füllstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, die über der des Kunststoffes liegt, so dass die Wandung einen großen Wärmedurchgangskoeffizienten aufweist. Durch den Zusatz von Füllstoffen wird das Eigenschaftsprofil des Kunststoffes beziehungsweise der Übertragungseinheit in Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit positiv verändert. Es handelt sich vorzugsweise um körnige, pulvrige, sphärische, splittrige und/oder faserige Füllstoffteilchen mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, die während des Herstellungsprozesses mit dem Kunststoff, insbesondere Kunststoffgranulaten, vermischt werden. Die erste und die zweite Seite der Wandung weisen einen Abstand (Wandstärke der Wärmeübertragungseinheit) zueinander auf, der entsprechend dem ge wünschten Wert des Wärmedurchgangskoeffizienten der Rohrwandung verändert werden kann. Da sich die Wandstärke indirekt proportional zu dem Wärmedurchgangskoeffizienten der Rohrwandung verhält, kann durch die ideale Wahl der Parameter Wandstärke, Füllstoffart und Füllstoffgehalt der Anteil an Kunststoff in der gesamten Wärmeübertragungseinheit maximiert werden. Gegenüber dem rein metallischen Wärmetauscher können mit der vorliegenden Erfindung die Kosten und das Gewicht der Wärmeübertragungseinheit erheblich reduziert werden, wobei gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit verbessert wird. Ferner kann die erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinheit als Spritzgussteil ausgebildet werden, so dass verschiedenste Geometrien für eine Wärmeübertragungseinheit realisierbar sind, die mit einer metallischen oder einer Aluminium-Sandguss-Wärmeübertragungseinheit nicht erzielbar sind. Somit kann die Kompaktheit des Wärmetauschers wesentlich erhöht werden.It is inventively provided that the heat transfer unit consists essentially of a plastic and at least a first filler with high thermal conductivity, which is above that of the plastic, so that the wall has a large heat transfer coefficient. Due to the addition of fillers, the property profile of the plastic or of the transfer unit is positively changed with regard to the thermal conductivity. It is preferably granular, powdery, spherical, splintered and / or fibrous filler particles having a high thermal conductivity, which are mixed during the manufacturing process with the plastic, in particular plastic granules. The first and the second side of the wall have a distance (wall thickness of the heat transfer unit) to each other, which can be changed according to the ge desired value of the heat transfer coefficient of the pipe wall. Since the wall thickness is indirectly proportional to the heat transfer coefficient of the pipe wall, the ideal choice of the parameters wall thickness, filler type and filler content can maximize the proportion of plastic in the entire heat transfer unit. Compared with the purely metallic heat exchanger, with the present invention, the cost and the weight of the heat transfer unit can be significantly reduced, at the same time the corrosion resistance is improved. Furthermore, the heat transfer unit according to the invention may be formed as an injection molded part, so that a variety of geometries for a heat transfer unit can be realized, with a metallic or an aluminum sand casting heat over tragungseinheit are not achievable. Thus, the compactness of the heat exchanger can be significantly increased.

Zweckmäßigerweise umfasst der erste Füllstoff Graphit, Koks, Ruß oder Naturgraphit. Der Einsatz von Quarz, Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid oder von keramischen Materialien, wie Siliziumcarbid oder Bornitrid, ist ebenfalls denkbar. Diese Füllstoffe tragen dazu bei, dass der Wärmedurchgangskoeffizient der Rohrwandung erhöht wird. Hierbei ist hinzuzufügen, dass selbstverständlich der Kunststoff aus einer Mischung mehrerer oben genannter Füllstoffe bestehen kann, soweit sich die Füllstoffe mit dem zu verwendenden Kunststoff chemisch verträglich verhalten.Conveniently, includes the first filler Graphite, coke, soot or Natural graphite. The use of quartz, alumina or magnesia or of ceramic materials, such as silicon carbide or boron nitride, is also possible. Wear these fillers in that the heat transfer coefficient the pipe wall increases becomes. It should be added here that of course the plastic consist of a mixture of several fillers mentioned above can, as far as the fillers behave chemically compatible with the plastic to be used.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Wärmeübertragungseinheit mindestens einen zweiten Füllstoff, der im Wesentlichen die Materialeigenschaft aufweist, die Festigkeit der Wärmeübertragungseinheit zu erhöhen. Vorzugweise kann Karbonfaser und/oder Glasfasern als Füllstoff eingesetzt werden, wobei ebenfalls andere werkstoffverstärkende Materialien denkbar sind. Der Einsatz dieses zweiten Füllstoffes ist insbesondere dann notwendig, wenn ein Abstand zwischen der erste und der zweiten Seite der Wandung (Wandstärke) derart gering gewählt wird, dass die Festigkeit der Wärmeübertragungseinheit nicht mehr gewährleistet ist. Handelt es sich beispielsweise bei der Wärmeübertragungseinheit um ein mit Wasser durchströmtes Rohr, ist aufgrund des im Innern des Rohres vorhandenen Druckes eine entsprechende Rohrfestigkeit einzuhalten. Das Rohr muss derart ausgebildet werden, dass es dem Druck standhält, welches beispielsweise durch eine Zugabe von Karbonfasern und/oder Glasfasern erzielt werden kann.To a preferred embodiment of Invention includes the heat transfer unit at least one second filler, which essentially has the material property, the strength the heat transfer unit to increase. preferably, Carbon fiber and / or glass fibers can be used as filler, although also other material-reinforcing materials conceivable are. The use of this second filler is particular then necessary if a distance between the first and the second Side of the wall (wall thickness) chosen so low that will increase the strength of the heat transfer unit no longer guaranteed is. Is it, for example, in the heat transfer unit with a Water flowed through Pipe is due to the pressure inside the pipe to comply with a corresponding pipe strength. The pipe must be like this be formed so that it can withstand the pressure, which, for example can be achieved by adding carbon fibers and / or glass fibers can.

Vorzugsweise ist der Wärmedurchgangskoeffizient der Wandung größer als ca. 200 W/(m2 K). In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt der Wärmedurchgangskoeffizient der Rohrwandung über 2000 W/(m2 K). Weist die Wandung beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von 1 W/(m K) auf mit einer Wanddicke von 0,5 mm, so wird ein Wärmedurchgangskoeffizient von 2000 W/(m2 K) erreicht.Preferably, the heat transfer coefficient of the wall is greater than about 200 W / (m 2 K). In a further embodiment of the invention, the heat transfer coefficient of the pipe wall is above 2000 W / (m 2 K). If, for example, the wall has a thermal conductivity of 1 W / (m K) with a wall thickness of 0.5 mm, a heat transfer coefficient of 2000 W / (m 2 K) is achieved.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Füllstoff einen Gehalt bis zu ca. 50 Vol% auf, bezogen auf die Kunststoff-Füllstoff-Mischung = 100 Vol%. Hierbei bezieht sich der Füllstoff auf alle eingesetzten Füllstoffe, die sowohl den Wärmedurchgangskoeffizienten (erster Füllstoff) als auch die Festigkeit (zweiter Füllstoff) der Rohrwandung erhöhen.In a further embodiment of the invention, the filler a content of up to about 50% by volume, based on the plastic-filler mixture = 100% by volume. Here, the filler refers to all used fillers, which both the heat transfer coefficient (first filler) and increase the strength (second filler) of the pipe wall.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further Advantages, features and details of the invention will become apparent the description below, with reference to the drawings an embodiment the invention is described in detail. The can in the claims and features mentioned in the description each individually for itself or in any combination essential to the invention.

Zeichnungdrawing

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers für ein Heizgerät. 1 shows a schematic representation of a heat exchanger for a heater.

Ausführungsbeispielembodiment

Der dargestellte Wärmetauscher weist eine erste Wärmeübertragungseinheit 10 und eine zweite Wärmeübertragungseinheit 11 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt sind. In der ersten Wärmeübertragungseinheit 10 befindet sich eine Brennkammer 12, an die ein nicht dargestellter Brenner eines Brennwertheizgerätes angeflanscht ist. Das vom Brenner erzeugt Heizgas, das den Brenner mit ca. 1500°C verlässt, durchströmt die beiden Wärmeübertragungseinheiten 10, 11 und verlässt die Wärmeübertragungseinheit 11 an einer Auslassseite 14 als Abgas. Aufgrund der in der ersten Wärmeübertragungseinheit 10 vorliegenden hohen Heizgastemperatur ist diese aus Metall, beispielsweise aus Edelstahl-Lamellen-Rohren hergestellt, wobei Wärmetauscherrohre 13 zur Brennkammerkühlung vorgesehen sind, durch die das zu erwärmende Heizwasser einer nicht dargestellten Heizungsanlage strömt.The illustrated heat exchanger has a first heat transfer unit 10 and a second heat transfer unit 11 on, which are each designed in the present embodiment as a tube bundle heat exchanger. In the first heat transfer unit 10 there is a combustion chamber 12 to which an unillustrated burner of a condensing boiler is flanged. The fuel gas produced by the burner, which leaves the burner at approx. 1500 ° C, flows through the two heat transfer units 10 . 11 and leaves the heat transfer unit 11 on an outlet side 14 as exhaust. Because of in the first heat transfer unit 10 this high temperature of the gas is made of metal, for example, made of stainless steel finned tubes, wherein heat exchanger tubes 13 are provided for combustion chamber cooling, through which flows the heating water to be heated a heating system, not shown.

Die zweite Wärmeübertragungseinheit 11 ist als separates Bauteil an die erste Wärmeübertragereinheit 10 angeflanscht. Beim durchströmen des Wärmetauschers wird das Heizgas gemäß einem Brennwertheizgerät unter den Taupunkt abgekühlt, so dass die im Heizgas enthaltende Kondensationswärme ausgenutzt wird. Dadurch ist es möglich, dass ab einem bestimmten Temperaturbereich des Heizgases der Wärmetauscher eine Schnittstelle für die beiden Wärmeübertragungseinheiten 10, 11 aufweist, so dass für die Wärmeübertragungseinheit 11, an der eine niedrigere Heizgastemperatur vorliegt, ein diese Heizgastemperatur standhaltender Kunststoff eingesetzt werden kann.The second heat transfer unit 11 is as a separate component to the first heat exchanger unit 10 flanged. When flowing through the heat exchanger, the heating gas is cooled according to a condensing heater below the dew point, so that the condensation heat contained in the heating gas is utilized. This makes it possible that, starting from a certain temperature range of the heating gas, the heat exchanger has an interface for the two heat transfer units 10 . 11 so that for the heat transfer unit 11 , in which a lower gas temperature is present, a plastic material that withstands this heating gas temperature can be used.

Die als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführte Wärmeübertragungseinheit 11 weist ein Bündel weiterer Wärmetauscherrohre 15 auf, die ebenfalls von dem aufzuheizenden Heizwasser durchströmt werden, wobei der Druck innerhalb der Wärmetauscherrohre 15 bis zu 3 bar betragen kann. Die Wärmetauscherrohre 15 der Wärmeübertagungseinheit 11 bestehen dabei im Wesentlichen aus einem Kunststoff, in den Füllstoffe eingebunden sind. Dabei werden mindestens zwei Füllstoffe eingesetzt, wobei mittels des einen Füllstoffs die Wärmeleitfähigkeit und mittels des anderen Füllstoffs die mechanische Festigkeit des verwendeten Kunststoffs erhöht werden.The designed as a tube bundle heat exchanger heat transfer unit 11 has a bundle of other heat exchanger tubes 15 which are also flowed through by the heating water to be heated, wherein the pressure within the heat exchanger tubes 15 can be up to 3 bar. The heat exchanger tubes 15 the heat transfer unit 11 consist essentially of a plastic, are integrated in the fillers. In this case, at least two fillers are used, wherein by means of one filler, the thermal conductivity and by means of the other filler, the mechanical Strength of the plastic used to be increased.

Bei dem Kunststoff handelt es sich um Polyphenylensulfid (PPS), welches sehr kostengünstig, leicht und korrosionsbeständig ist. Darüber hinaus weist PPS eine hohe Wärmeformbe ständigkeit mit einer Dauergebrauchstemperatur von ca. 240°C auf. Es sind selbstverständlich auch andere Kunststoffe, wie Polyetheretherketon (PEEK) und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE) möglich. Der Einsatz von PEEK ist jedoch kostenintensiver, wobei die Dauergebrauchstemperatur ungefähr bei 280°C liegt. Die Dauergebrauchstemperatur ist die Temperatur bis zu der der Kunststoff stabil bleibt. Oberhalb der Dauergebrauchstemperatur können thermische Beschädigungen auftreten. Die Wärmetauscherrohre 15, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Extrusion hergestellt sind, besitzen eine Rohrwandung mit einer Wandstärke von beispielsweise 1 mm.The plastic is polyphenylene sulfide (PPS), which is very inexpensive, light and corrosion resistant. In addition, PPS has a high heat resistance with a continuous service temperature of about 240 ° C. Of course, other plastics such as polyetheretherketone (PEEK) and / or polytetrafluoroethylene (PTFE) are also possible. However, the use of PEEK is more costly, with the long-term use temperature being around 280 ° C. The continuous use temperature is the temperature up to which the plastic remains stable. Above the continuous service temperature, thermal damage may occur. The heat exchanger tubes 15 , which are made by extrusion in the present embodiment, have a tube wall with a wall thickness of, for example, 1 mm.

Der erste Füllstoff besteht beispielsweise aus Graphit, der eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 200 W/(m K) aufweist. Als zweiter Füllstoff werden Karbon- und/oder Glasfasern eingesetzt, deren Wärmeleitfähigkeit ungefähr im Bereich von 0,7 (Glasfasern) bis 115 W/(m K) (Karbonfasern) liegen kann. Die Karbon- und/oder Glasfasern dienen hauptsächlich dazu, eine bestimmte Festigkeit des Wärmetauscherrohres 15 zu gewährleisten. Die beiden Füllstoffarten weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine mittlere Partikelgröße auf, die wesentlich kleiner ist als die Wandstärke der Rohrwandung. Hierbei ist zu beachten, dass es bei sehr großen Partikelgrößen sowie bei einem zu hohen Anteil an Füllstoffen dazu führen kann, dass ein Teil der Füllstoffe nicht komplett mit Kunststoff bedeckt wird, wodurch die Materialeigenschaften der Wärmeübertragungseinheit 11 negativ beeinflusst werden können.The first filler is, for example, graphite, which has a thermal conductivity of about 200 W / (m K). The second filler used is carbon and / or glass fibers whose thermal conductivity can be approximately in the range from 0.7 (glass fibers) to 115 W / (m K) (carbon fibers). The carbon and / or glass fibers serve mainly to a certain strength of the heat exchanger tube 15 to ensure. In the present exemplary embodiment, the two types of filler have an average particle size which is substantially smaller than the wall thickness of the tube wall. It should be noted that with very large particle sizes and too high a proportion of fillers, it can lead to a portion of the fillers not being completely covered with plastic, which increases the material properties of the heat transfer unit 11 can be negatively influenced.

Aufgrund der Füllstoffarten und der Füllstoffanteile weist das Wärmetauscherrohr 15 beziehungsweise die Rohrwandung im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 2 W/(m K) auf. Verglichen dazu beträgt die Wärmeleitfähigkeit von reinen beziehungsweise ungefüllten Kunststoffen in der Regel ca. 0,2–0,4 W/(m K). Der Wärmedurchgangskoeffizient des Wärmetauscherrohres 15, der sich aus dem Quotienten aus der Wärmeleitfähigkeit der Rohrwandung und der Wandstärke des Wärmetauscherrohres 15 berechnet, beträgt 2000 W/(m2 K). Mit einem derartig hohen Wärmedurchgangskoeffizienten der Rohrwandung ist ein guter Wärmeübergang von Abgas zu Heizwasser realisierbar, so dass die Dauergebrauchstemperatur des verwendeten Kunststoffes nicht überschritten wird. Reicht eine Wandstärke von lediglich 0,5 mm für eine ausreichende Druckbeständigkeit des Wärmetauscherrohres 16 aus, ist eine Wärmeleitfähigkeit der Rohrwandung von lediglich 1 W/(m K) notwendig, um einen Wärmedurchgangskoeffizienten von 2000 W/(m2 K) zu erzielen. Das bedeutet, dass der Füllstoffanteil an Graphit gesenkt werden kann. Ebenfalls bietet sich die Möglichkeit an, einen anderen Füllstoff zu wählen, der eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist.Due to the filler types and the filler proportions, the heat exchanger tube 15 or the pipe wall in the present embodiment has a thermal conductivity of about 2 W / (m K). Compared to this, the thermal conductivity of pure or unfilled plastics is generally approx. 0.2-0.4 W / (m K). The heat transfer coefficient of the heat exchanger tube 15 , which is the quotient of the thermal conductivity of the pipe wall and the wall thickness of the heat exchanger tube 15 calculated is 2000 W / (m 2 K). With such a high heat transfer coefficient of the pipe wall, a good heat transfer from exhaust gas to heating water is realized, so that the continuous service temperature of the plastic used is not exceeded. A wall thickness of only 0.5 mm is sufficient for a sufficient pressure resistance of the heat exchanger tube 16 from, a heat conductivity of the pipe wall of only 1 W / (m K) is necessary to achieve a heat transfer coefficient of 2000 W / (m 2 K). This means that the filler content of graphite can be reduced. It is also possible to choose a different filler, which has a lower thermal conductivity.

Der gewünschte Wärmedurchgangskoeffizient kann durch den Anteil und die Art der Füllstoffe sowie durch die Wandstärke der Rohrwandung variiert werden. Es ist hierbei zu beachten, dass in Abhängigkeit zur Wandstärke der Gehalt an Füllstoffen die eine ausreichende Festigkeit des Wärmetauscherrohres 15 gewährleisten, entsprechend zu wählen ist. In diesem Zusammenhang muss bei der Auslegung der Festigkeit die Alterung des Wärmetauscherrohres 15 unter dem Einfluss des Heizwassers auf der Rohrinnenseite bei einer mittleren Temperatur von ca. 60°C und der verdünnten Salpeter- und Schwefelsäure auf der Rohraußenseite, die sich insbesondere bei der Kondensation bilden, bei einer mittleren Temperatur von ungefähr 120°C berücksichtigt werden.The desired heat transfer coefficient can be varied by the proportion and type of fillers and by the wall thickness of the pipe wall. It should be noted here that depending on the wall thickness of the content of fillers sufficient strength of the heat exchanger tube 15 ensure to choose accordingly. In this context, when designing the strength, the aging of the heat exchanger tube must 15 under the influence of the heating water on the inside of the pipe at an average temperature of about 60 ° C and the diluted nitric and sulfuric acid on the outside of the tube, which form in particular during the condensation, are taken into account at an average temperature of about 120 ° C.

Die Wärmeübertragungseinheit kann selbstverständlich auch in anderen Wärmetauschern, wie beispielsweise in einem Plattenwärmetauscher zum Einsatz kommen, wobei die Wärmeübertragungseinheit anstelle eines Rohres als Platte ausgebildet ist. Ferner ist die vorliegende Erfindung auf Wärmetauscher zu beziehen, die beispielsweise im Gleichstrom, Kreuzstrom oder Gegenstrom arbeiten.The Heat transfer unit of course also in other heat exchangers, as used for example in a plate heat exchanger, the heat transfer unit instead of a tube is designed as a plate. Furthermore, the present invention on heat exchangers to refer, for example, in the DC, cross-flow or Countercurrent work.

Claims (10)

Wärmeübertragungseinheit für einen Wärmetauscher mit einer Wandung, die wenigstens teilweise Kunststoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Kunststoff mindestens ein erster Füllstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit enthalten ist, die über der Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes liegt.Heat transfer unit for a heat exchanger having a wall which at least partially comprises plastic, characterized in that in the plastic at least a first filler is contained with a thermal conductivity which is above the thermal conductivity of the plastic. Wärmeübertragungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Füllstoff Graphit und/oder Quarz und/oder Aluminiumoxid und/oder Magnesiumoxid und/oder Siliziumcarbid und/oder Bornitrid umfasst.Heat transfer unit according to claim 1, characterized in that the first filler graphite and / or quartz and / or alumina and / or magnesia and / or Silicon carbide and / or boron nitride comprises. Wärmeübertragungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kunststoff mindestens ein zweiter Füllstoff enthalten ist, der die Festigkeit der Wandung erhöht.Heat transfer unit according to claim 1 or 2, characterized in that in the plastic at least a second filler contained, which increases the strength of the wall. Wärmeübertragungseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Füllstoff Karbonfasern und/oder Glasfasern umfasst.Heat transfer unit according to claim 3, characterized in that the second filler carbon fibers and / or glass fibers. Wärmeübertragungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmedurchgangskoeffizient der Wandung größer als ca. 200 W/(m2 K), vorzugsweise größer als ca. 2000 W/(m2 K) ist.Heat transfer unit according to one of the preceding claims, characterized gekennzeich net, that the heat transfer coefficient of the wall is greater than about 200 W / (m 2 K), preferably greater than about 2000 W / (m 2 K). Wärmeübertragungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff bis zu ca. 50 Vol% der Wandung darstellt.Heat transfer unit according to one of the preceding claims, characterized that the filler represents up to about 50% by volume of the wall. Wärmeübertragungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff eine mittlere Partikelgröße aufweist, die kleiner als die Wandstärke der Wandung ist.Heat transfer unit according to one of the preceding claims, characterized that the filler has an average particle size, the smaller than the wall thickness the wall is. Wärmeübertragungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff Polyetheretherketon (PEEK) und/oder Polyphenylensulfid (PPS) und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE) umfasst.Heat transfer unit according to one of the preceding claims, characterized that the plastic polyetheretherketone (PEEK) and / or polyphenylene sulfide (PPS) and / or polytetrafluoroethylene (PTFE). Wärmeübertragungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinheit als Spritzgussteil ausgebildet ist.Heat transfer unit according to one of the preceding claims, characterized that the heat transfer unit is designed as an injection molded part. Wärmeübertragungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinheit (11) an eine zweite Wärmetauschereinheit (10) gekoppelt ist, die stromauf im heißeren Bereich des Heizgases angeordnet und aus Metall ausgeführt ist.Heat transfer unit according to one of the preceding claims, characterized in that the heat transfer unit ( 11 ) to a second heat exchanger unit ( 10 ), which is arranged upstream in the hotter region of the heating gas and made of metal.
DE2003159573 2003-12-18 2003-12-18 Heat transfer unit for a heat exchanger Withdrawn DE10359573A1 (en)

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