<Desc/Clms Page number 1>
Plattenheizkörper für Anlagen zum Verdampfen bzw. Destillieren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Eindampfen oder Destillieren von Flüssig- keiten, bei der die einzudampfende Flüssigkeit im Kreislauf durch einen Plattenheizkörper ge- führt wird.
Bei einer bekannten Art solcher Anlagen wird als Heizkörper ein zerlegbarer Plattenapparat verwendet. Solche Apparate bestehen aus einer
Anzahl aneinandergereihter Wärmeaustausch- platten, die an ihren Rändern Dichtungen be- sitzen, so dass zwischen diesen Platten nach aussen abgedichtete Hohlräume entstehen, durch welche die miteinander im Wärmeaustausch stehenden
Flüssigkeiten strömen. Die Platten werden durch eine Spannvorrichtung gegeneinandergedrückt und zusammengehalten. Solche Apparate werden auch für andere Zwecke, vor allem zur Pasteuri- sierung von Milch, Rahm, Bier und Fruchtsäften verwendet.
Gegenüber andern Wärmeaustauschvorrichtungen, wie Heizkörpern mit Rohren, hat der beschriebene Plattenapparat mehrere Vorteile : Den Wärmeaustauschflächen der Platten kann eine besonders günstige Form gegeben werden, wenn man sie beispielsweise mit Wellen, Knöpfen od. dgl. versieht. Diese Massnahmen bewirken eine starke Turbulenz der Strömung bereits bei verhältnismässig niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten und geringen Druckverlusten an den Heizflächen. Dadurch lassen sich besonders hohe Wärmedurchgangszahlen erzielen, die bei Strömung durch zylindrische Rohre bei weitem nicht erreicht werden können.
Die mit dem Plattenapparat erzielte hohe Turbulenz der Strömung ist auch aus einem andern Grund vorteilhaft : Viele einzudampfende Flüssigkeiten, wie flüssige Nahrungsmittel, neigen dazu, bei höheren Konzentrationen feste Bestandteile auszuscheiden. Bei turbulenter Strömung können sich die festen Teilchen nicht so leicht an den Heizflächen festsetzen wie bei laminarer Strömung. Denn bei ersterer Strömungsart führen die einzelnen Flüssigkeitsteilchen unregelmässige, heftige Schwankungsbewegungen um die mittleren Bahnen aus. Hingegen bewegen sie sich bei der laminaren Strömung auf regelmässigen, parallelen oder annähernd parallelen Bahnen, wodurch sich die festen Teilchen leichter an die Heizflächen anlagern können.
Allerdings ist auch bei Turbulenz unmittelbar an den festen Begrenzungswänden immer eine Randschichte vorhanden, in der die Flüssigkeit laminar strömt.
Diese Randschichte ist umso dünner, je höher die Turbulenz der Strömung ist. Infolge der hohen Turbulenz lassen sich bei Plattenapparaten besonders dünne laminare Grenzschichten erzielen. Bei gleichen Betriebszeiten sind daher die Ablagerungen an den Heizflächen wesentlich geringer als bei Heizkörpern mit Rohren. Mit Plattenheizkörpern der beschriebenen Art können Konzentrate mit besonders hohem Trockengehalt hergestellt werden. Bei der Eindampfung der erwähnten Flüssigkeiten bildet sich auf den Heizflächen allmählich ein fester Belag, der den Wärmedurchgang behindert und die Leistung der Anlage mehr und mehr verschlechtert. Ein besonderer Vorteil ist daher die Tatsache, dass sich Plattenapparate durch ihre leichte Zerlegbarkeit von allen Erhitzungseinrichtungen am leichtesten und vollständig reinigen lassen.
Ferner erreicht man infolge des kleinen Volumens der zwischen den Platten befindlichen Hohlräume bei kontinuierlicher Arbeitsweise sehr kurze Wärmeeinwirkungszeiten, was bei temperaturempfindlichen Gütern von besonderer Wichtigkeit ist.
Nachstehend ist eine Verdampferanlage mit aussenliegendem Plattenerhitzer beschrieben :
Die einzudampfende Flüssigkeit strömt vom Flüssigkeitsraum einer Kreiselpumpe zu, die sie durch den Plattenapparat drückt. Dort wird die Flüssigkeit durch Dampf erhitzt. Dann strömt sie durch eine Rücklaufleitung in den Brüdenabscheideraum, wo der durch die Wärmezufuhr gebildete Brüdendampf von der Flüssigkeit getrennt wird. Er zieht durch einen an der höchsten Stelle des Brüdenabscheideraumes angebrachten Abzug ab. Die rückströmende Flüssigkeit sinkt durch die Schwerkraft nach unten und gelangt dadurch wieder in den Flüssigkeitsraum. Von dort aus führt sie den Kreislauf von neuem aus.
Es ist zweckmässig, den Druck im Plattenerhitzer so hoch zu halten, dass die Dampfbildung erst in der Rücklaufleitung oder im Brüdenabscheideraum erfolgt. Dann tritt eine sogenannte Entspannungsverdampfung ein. Im Plattenerhitzer kann der erhöhte Druck auf zwei verschiedene Weisen erzielt werden. Entweder ordnet man den Plattenapparat genügend tief unterhalb des
<Desc/Clms Page number 2>
Brüdenabscheideraumes an. Dann ist im Plattenerhitzer der Druck grösser als dort, entsprechend der Flüssigkeitssäule in der Rücklaufleitung.
Oder man steigert den Druck durch eine in die Rücklaufleitung eingebaute Drosselvorrichtung.
Die'erst ausserhalb des Heizkörpers erfolgende Entspannungsverdampfung hat zwei Vorteile : Wenn sich der Dampf bereits an der Heizfläche bildet, verringert er die spezifische Wärmeübertragung an die Flüssigkeit, weil er Wärme sehr schlecht leitet. Viele einzudampfende Flüssigkeiten scheiden beim Verdampfen infolge der Konzentrationserhöhung feste Bestandteile aus.
Letztere können leicht an den Heizflächen zu Krusten festbrennen. Erfahrungsgemäss besteht diese Gefahr in erhöhtem Masse nur unmittelbar bei der Dampfbildung. Die früher ausgeschiedenen festen Teilchen, die in der Flüssigkeit schweben, neigen nur wenig dazu, sich an den Heizflächen festzusetzen. Wenn die Flüssigkeit bei der Wärmezufuhr nicht zu verdampfen beginnt, steigt ihre Temperatur an. Die für den Wärmedurchgang im Plattenerhitzer massgebende mittlere Temperaturdifferenz zwischen dem Heizdampf und der Flüssigkeit wird dadurch verringert. Sie wird bei gleichbleibender Temperatur des Heizdampfes umso kleiner, je mehr die Flüssigkeitstemperatur bei der Wärmezufuhr zunimmt. Die Anlage kann daher nur dann wirtschaftlich arbeiten, wenn die Temperaturzunahme in der Flüssigkeit gering ist.
Dies wird erreicht, wenn die umgewälzte Flüssigkeitsmenge entsprechend gross ist. Bei der Verdampfung von Wasser sollte in den meisten Fällen die stündlich umgewälzte Menge der einzudampfenden Flüssigkeit das 100- bis 200fache der Wassermenge betragen, die in der gleichen Zeit verdampft wird.
Die Druckverluste im Plattenerhitzer dürfen bei der grossen Umwälzmenge nur sehr gering sein.
Sonst wird der Leistungsbedarf für die Umwälzpumpe unwirtschaftlich hoch. Die bisher für Eindampfanlagen vorgesehenen Plattenapparate der beschriebenen Art können der eben gestellten Forderung nicht entsprechen. Bei solchen Plattenerhitzer werden das Heizmittel und die einzudampfende Flüssigkeit im Gleich- oder Gegenstrom gegeneinander geführt. Die für diese Strömungsarten geeigneten Wärmeaustauschplatten können aus konstruktiven Gründen nur verhältnismässig kleine Durchtrittslöcher für die durchfliessenden Medien haben. Ausserdem sind dort, wo diese Medien von den Durchgangslöchern in die Plattenflächen umgelenkt werden, die Querschnitte für den Durchfluss besonders stark verengt.
Deshalb können durch diese Plattenapparate mit einem kleinen Druckgefälle bei weitem nicht so erhebliche Flüssigkeitsmengen gefördert werden, wie sie für mittlere und grosse Eindampfanlagen erforderlich wären. Die kleinen Durchtrittsquerschnitte haben noch einen zweiten Nachteil. Bei grösseren Vakuumverdampfern wird aus wirtschaftlichen Gründen meist das bekannte Prinzip der Brüdenverdichtung oder die Mehrfachverdampfung angewendet. Der
Druck des Heizdampfes liegt dabei oft unter dem Atmosphärendruck. Dann ist das spezifische
Volumen des Dampfes sehr gross. Das Volumen des Heizdampfes ist daher bei grösseren Ein- dampfleistungen so erheblich, dass er nicht durch die verhältnismässig kleinen Durchtritts- öffnungen des Plattenapparates gebracht werden kann.
Letzterer müsste dann mit Warmwasser beheizt werden, das im Kreislauf durchgepumpt und in einer ausserhalb des Plattenapparates angeordneten Warmwasserbereitungsanlage durch den Heizdampf erwärmt wird. Die mittlere Temperaturdifferenz zwischen dem Warmwasser und der einzudampfenden Flüssigkeit wäre wesentlich kleiner, als wenn man den Plattenapparat direkt mit dem Heizdampf beschicken könnte. Deshalb wären die Anschaffungskosten für eine grössere Eindampfungsanlage dieser Art sehr hoch.
Es ist eine Ausführung eines Wärmeaustauschers zum Erhitzen und Verdampfen von Flüssigkeiten bekannt, bei der die beiden wärmeaustauschenden Medien im Kreuzstrom zueinander fliessen. Die ebenen Wände dieses Austauschers sind an zwei gegenüberliegenden Seiten starr miteinander verbunden, so dass sie eine untrennbare Einheit bilden. Der Raum zwischen zwei Wärmeaustauschflächen ist an zwei gegenüberliegenden Seiten nach aussen offen, so dass der Austauscher von einem, die Zu- und Abläufe besitzenden Trog umschlossen werden muss. Zwischen je zwei Wärmeaustauschwände werden sogenannte Turbulenzplatten geschoben, die mit Knöpfen versehen sind. Sie übertragen keine Wärme und haben nur den Zweck, die Strömung turbulent zu machen.
Beim Gegenstand der Erfindung hingegen können die Wärmeaustauschplatten vollständig voneinander getrennt werden, ein sie umschliessender Trog wäre überflüssig, weil das zusammengespannte Plattenpaket nach aussen hin vollkommen abgeschlossen ist. Beim Gegenstand der Erfindung sind auch keine Turbulenzplatten erforderlich, weil die Wärmeaustauschplatten selbst turbulenzsteigernde Auspressungen besitzen.
Die angeführten Nachteile der bisher bekannten Heizkörper für Eindampf- und Destillieranlagen sind beim Gegenstand der Erfindung vermieden.
Die Erfindung besteht darin, als Heizkörper einen zerlegbaren Plattenapparat zu verwenden, dessen Wärmeaustauschplatten so ausgeführt sind, dass Heizmittel und einzudampfende Flüssigkeit im Kreuzstrom gegeneinandergeführt werden.
Die Durchgangsöffnungen der Platten lassen sich dann ohne Schwierigkeiten so gross ausführen, dass bei ihnen die Druckverluste für Heizmittel (Heizdampf) und einzudampfende Flüssigkeit sehr niedrig sind. Ausserdem können dort, wo diese Medien von den Durchgangsöffnungen in die Plattenfläche umgelenkt werden, Verengungen des Strömungsquerschnittes vollständig vermieden
EMI2.1
diezahlen schon bei verhältnismässig kleinen Strömungsgeschwindigkeiten und niedrigen Druck-
<Desc/Clms Page number 3>
verlusten an den Heizflächen sehr hoch, wenn die Wärmeaustauschflächen entsprechend ausgebildet sind. Die gesamten Druckwiderstände des Plattenapparates können daher bei dieser Ausführung des Plattenerhitzers besonders niedrig gehalten werden. Dies ist sehr wichtig, wie bereits früher begründet wurde.
Die beigefügte Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform der Wärmeaustauschplatten gemäss der Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch mehrere solcher Platten, wie sie im Plattenpaket aneinander: gereiht sind. Der Schnitt ist geführt nach Linie A-B der Fig. 2. Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Wärmeaustauschplatte. Die gezeichnete Platte hat quadratisches Format. Es können aber auch rechteckige Platten verwendet werden.
Die Heizfläche der Platte ist durch eine Randdichtung 1 begrenzt. Das auf der Oberseite der in Fig. 2 gezeichneten Platte strömende Medium (Heizmittel oder einzudampfende Flüssigkeit) kann bei einem der beiden Schlitze 9 eintreten und dann über die Heizfläche strömen. Der Austritt erfolgt bei dem gegenüberliegenden Schlitz. Das Medium strömt z. B. aus dem Durchgangsloch 9, auf der linken Seite der Fig. 2 kommend, um 90 umgelenkt über die Heizfläche der Platte in das Durchgangsloch 9 rechts. Das zweite Medium durchsetzt die Platte bei den Durchgangslöchern 8. Bei Verwendung von quadratischen Platten liegt nächstfolgende Platte jeweils um 90 in der Bildebene gedreht über oder unter der vorangehenden.
An den Umlenkungsstellen sind die Strömungsquerschnitte nicht verengt, weil sich die Durchgangslöcher 9 über die ganze Breite der Heizfläche erstrecken. Bei der gezeichneten Wärmeaustauschplatte fliesst das in den durch zwei aufeinanderfolgende Platten gebildeten Hohlraum eintretende Medium in einem Strom über die Heizfläche, ohne abgelenkt zu werden. Die Heizflächen sind mit Knöpfen 5 versehen, um die spezifische Wärmeübertragung zu erhöhen. Zu dem gleichen Zweck können auch Wellen od. dgl. auf der Heizfläche angeordnet werden. Die Knöpfe 5, 6 und 7 dienen auch dazu, die Platten gegeneinander abzustützen. Die Durchgangslöcher 8 sind von Dichtungen 2 umrandet, die von der Heizfläche 1 vollständig getrennt sind.
Dadurch erreicht man, dass sich die beiden Medien auch dann nicht vermischen können, wenn die Dichtungen 1 und 2 schadhaft sein sollten, wie nachstehend erläutert werden wird. Beide Medien, Heizdampf und einzudampfende Flüssigkeit, befinden sich unter einem kleineren Druck als dem Atmosphärendruck. Bei schadhafter Dichtung würde daher Luft eingesaugt werden, wodurch die Wirksamkeit der Anlage sehr verschlechtert oder gar unterbunden werden könnte. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden daher die
EMI3.1
und die Dichtungen 2 der Durchtrittsöffnungen 8 durch eine weitere Dichtung 3 so umfasst, dass zwischen diesen Dichtungen ein Hohlraum gebildet wird, der mit Sperrflüssigkeit, z. B. Wasser, gefüllt werden kann. Diese Sperrflüssigkeit steht unter höherem Druck, gewöhnlich unter Atmosphärendruck.
Erfindungsgemäss sind die zwischen der äusseren Dichtung 3 und den durch sie eingeschlossenen Dichtungen 1 und 2 gebildeten Hohlräume der einzelnen Platten des Paketes durch Löcher 4 miteinander verbunden. Diese Hohlräume stehen zweckmässigerweise in Verbindung mit Öffnungen in der Spannplatte des Plattenapparates, von wo aus die Sperrflüssigkeit zugeführt wird. Die in Fig. 2 gezeichneten Löcher 10 dienen in bekannter Weise zur Aufnahme der Trag- bzw. Führungsspindeln der Platten. Bei bestimmten Mengenverhältnissen zwischen dem wärmeabgebenden und dem wärmeaufnehmenden Medium kann es vorteilhaft sein, die Wärmeaustauschplatten in rechteckiger Form (d. h. mit verschiedenen Seitenlängen) auszuführen.
Dann sind jedoch zwei Arten von Platten erforderlich, die sich nur durch die verschiedene Anordnung der mit Randdichtungen 2 versehenen Durchgangsöffnungen unterscheiden. Die eine Art der Platten weist diese Öffnungen bei den längeren Rechteckseiten auf, die andere Art bei den kürzeren. Es werden abwechselnd Platten der beiden Arten aneinandergereiht.
Bei der Beheizung des Plattenapparates mit kondensierendem Dampf sind die für den Wärmedurchgang massgebenden Temperaturdifferenzen zwischen Heizmittel und einzudampfender Flüssigkeit bei Kreuzstromführung gleich wie bei Gegenstrom, denn der Heizdampf hat in beiden Fällen auf der ganzen Heizfläche die gleiche Temperatur.
Der beschriebene Plattenapparat kann für einoder mehrstufige Anlagen verwendet werden.
Er eignet sich auch als Oberflächenkondensator für die Brüdendämpfe.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Plattenheizkörper für Anlagen zum Verdampfen bzw. Destillieren, bestehend aus einer Anzahl von mit Randdichtungen versehenen und mit einer Spannvorrichtung aneinandergepressten Wärmeaustauschplatten, die durch Lösen der Spannvorrichtung vollständig voneinander getrennt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die rechteckig oder quadratisch ausgeführten Platten an jeder Seite des Rechteckes oder Quadrates je eine sich im wesentlichen über die ganze Breite der Wärmeaustauschfläche erstreckende, längliche Durchtrittsöffnung 8 bzw. 9 in der Plattenebene besitzen und zwei einander gegenüberliegende Durchtrittsöffnungen 9 von einer gemeinsamen, die Wärmeaustauschfläche begrenzenden Dichtung 1 umfasst werden, wogegen die beiden andern Durchtrittsöffnungen 8 ausserhalb dieser Dichtung 1 liegen und jede für sich durch eine Dichtung 2 umrahmt ist.