<Desc/Clms Page number 1>
Wärmeaustauschverfahren mittels einer rotierenden Wärmeaustauschfläche Wärmeaustauschverfahren mittels rotierender Wärmeaustauschflächen für die Dünnschichtver- dampfung von Flüssigkeiten sind bereits bekannt.
Lokale Eintrocknung der Flüssigkeit ist dabei nicht zu vermeiden und aus den eingetrockneten Teilen bilden sich unter der Wirkung der Fliehkräfte rasch Verkrustungen der Heizflächen, die den Wärmeüber- tragungskoeffizienten in so kurzer Zeit verschlechtern, dass die Vorteile der rotierenden Wärmeaustauschflächen wegen der zu häufigen Stillstände für Reinigungszwecke illusorisch werden. Auch erschweren die mechanischen Absperrungen von Rotor und Gasraum die Bedienung und Instandhaltung der Wärmeaustauschflächen.
Das vorliegende Patent betrifft ein Wärmeaustauschverfahren mittels einer rotierenden Wärmeaustauschfläche, die aussenseitig mit einem gasförmigen und innenseitig mit einem flüssigen Wärmeaustauschmedium in Kontakt steht. Das Verfahren ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium von aussen durch eine stationäre in der Achse eines Rotors liegende Speiseleitung von oben in den Rotor eingespeist wird, wo sie anschliessend durch die auf sie vom Rotor erzeugte Zentrifugalkraft über eine Wärmeaustauschfläche verteilt wird, wo sie unter Einfluss der Zentrifugalkraft die Form eines Rotationshohlkörpers mit vertikaler Achse annimmt,
von dessen Innenseite das flüssige Medium anschliessend nach erfolgtem Wärmeaustausch mit dem auf der anderen Seite der Wärmeaustauschfläche befindlichen gasförmigen Medium in Kanäle gelangt, wo es unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft hydraulische Verschlüsse in Düsen bildet, durch welche es senkrecht zur Rotorachse nach aussen geschleudert wird, wobei das zur Beheizung des flüssigen Mediums dienende gasförmige Medium durch einen Anschluss eines fest- stehenden Mantels der Wärmeaustauschfläche zugeführt wird, welches gasförmige Medium nach erfolgter aussenseitiger Bestreichung der gasseitig mit Rippen versehenen Wärmeaustauschfläche durch Gasaustrittsstellen abgeleitet wird.
Im nachfolgenden ist das. Verfahren nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die einen vertikalen Schnitt durch einen rotierenden Wärmeaustauscher darstellende Zeichnung beispielsweise erläutert: Der rotierende Wärmeaustauscher, der als Verdampfer arbeitet, weist einen Rotor a auf. Der Rotor wird durch eine auf seiner vertikalen Welle c befestigte Keilriemenscheibe b angetrieben.
Die Lagerung der Welle c erfolgt in den Lagern d1 und d2. In einem feststehenden, gegen den Rotor a durch die Stopfbüchse f abgedichteten Rohr e befindet sich eine ebenfalls stationäre Speiseleitung g, welche an ihrem einen Ende h seitwärts abgebogen ist, so dass die im Sinne der eingezeichneten Pfeile durch die Speiseleitung g strömende Flüssigkeit oben am Rotor a auf ein kreisringförmiges Element i gelangt, das zusammen mit einem am Rotor a befestigten Verteiler k rotiert. Auf diese Weise wird dort die Flüssigkeit Fliehkräften ausgesetzt. Durch diese Fliehkräfte erfolgt die Beförderung der Flüssigkeit durch sechs Öffnungen 1, von denen zwei in der Zeichnung ersichtlich sind.
Dadurch wird eine Verteilung der Flüssigkeit in radialer Richtung über ein weiteres kreisringförmiges Element m hinweg auf eine konische Wärmeaustauschfläche n, welche durch die Schrauben E am Rotor a befestigt ist, erreicht. An der Wärmeaustauschfläche n bildet sich .unter dem Einfluss der Drehung derselben ein aus der Flüssigkeit bestehender Rotationskörper mit vertikaler Achse, dessen Innenfläche F0 die in der Zeichnung dargestellte Form hat.
<Desc/Clms Page number 2>
Das erfindungsgemässe Verfahren betrifft somit keine Dünnschichtverdampfung.
Die Kanäle v, w haben einen vertikalen zylindrischen Eintrittsteil und verlaufen anschliessend senkrecht zur Rotorachse c. Ihr vertikaler Teil dient als Ablauf für die bei der Innenfläche F0 des Rotationskörpers befindliche Flüssigkeitsmenge. In dem horizontalen, ebenfalls zylindrischen Teil der Kanäle v, an deren peripherem äusserem Ende Düsen A angebracht sind, wirkt sich die auf der Flüssigkeit lastende Zentrifugalkraft so aus, dass sich dort hydraulische Verschlüsse bilden, und das gleiche gilt für die Kanäle w im Oberteil des Rotors a.
Wenn der Rotor a durch das stationäre Rohr e evakuiert wird, wirken auf die besagten hydraulischen Verschlüsse zwei einander entgegengesetzte Arten von Kräften, nämlich die Zentrifugalkräfte und der von aussen wirkende atmosphärische Gegendruck. Um den hydraulischen Verschluss des Rotors a wirksam zu machen und um ausserdem den Austritt der Flüssigkeit senkrecht zur Achse des Rotors a aus diesem durch die Düsen A, B der Kanäle v, w zu ermöglichen, müssen durch genügend hohe Tourenzahlen des Rotors a so starke Zentrifugalkräfte erzeugt werden, dass sie den besagten atmosphärischen Gegendruck überwinden können. Solange das der Fall ist, ist der hydraulische Abschluss des Rotors a wirksam, auch bei dessen Evakuierung, und zwar ohne jegliches mechanisches Absperrorgan.
Im beschriebenen Beispiel handelt es sich bei dem an der Aussenseite der Wärmeaustauschfläche n wirkenden Wärmeübertragungsmedium um ein Heizgas. Dabei kommen sowohl Dampf als auch Brüden, Verbrennungsgase, Abgase aller Art z. B. von Kesselfeuerungen, Dieselmotoren und andere Industriegase und Industrieabgase in Frage. Diese Gase treten durch eine Rohrleitung p eines stationären zur Wärmeaustauschfläche n koaxialen äusseren Mantels q in den von diesem und der Wärmeaustauschfläche n gebildeten Gasraum ein, wo sie Wärme an die Flüssigkeit durch die Wärmeaustauschfläche n abgeben, welche gasseitig mit Rippen z versehen ist.
Diese angeschweissten Rippen z, welche die Wärmeaustauschfläche n vergrössern und verstärken, dienen hauptsächlich dazu, die Gase der besseren Wärmeübertragung halber in heftige Turbulenz zu versetzen. Nach erfolgter Wärmeübertragung verlassen die Gase den Gasraum durch Ableitungen C, D des stationären Mantels q, wobei durch Regulierung des Gasdruckes an der Zuleitung und Ableitungsseite praktisch atmosphärischer Druck innerhalb des Gasraums eingestellt werden kann; eine Abdichtung des stationären Mantels q gegen den Rotor a erübrigt sich deshalb.
Wenn das besagte Heizgas Russ, Staub oder andere Feststoffe mit sich führt, was vor allem bei industriellen Abgasen häufig ist, wodurch bei bekannten stationären Wärmeaustauschflächen leicht Ver- krustungen auftreten, so wirkt sich das im vorliegenden Falle nicht aus, da durch die Zentrifugalkraft alle Feststoffe, die mit der rotierenden Wärmeaustauschfläche in Berührung kommen, zentrifugal abgeschleu- dert werden. Sie geraten zusammen mit Kondensat an die Innenseite des stationären Mantels q, der mit Flüssigkeit bespült werden kann, und schliesslich in eine ringförmige Vertiefung r, von wo sie durch eine Spülleitung s nach aussen gelangen, z.
B. in ein nicht dargestelltes Sammelgefäss, wo sich der Staub absetzen kann. Auf diese Weise wird zugleich mit der Wärme- übertragung eine Reinigung des gasförmigen Mediums erzielt, was besonders für die Verwertung und Un- schädlichmachung von vielen Abgasen von Bedeutung ist.
Auch das flüssige Wärmeübertragunasmedium an der Innenseite der Wärmeaustauschfläche n kann Feststoffe mit sich führen, ohne dass dadurch Ver- krus.tun.gen verursacht werden können. Das hängt mit der Konizität der Wärmeaustauschfläche ra zusammen, welche dazu führt, dass die suspendierten Feststoffe der nahe dem oberen Ende des Rotors a eingespeisten Flüssigkeit, nachdem sie unter dem Einfluss der Fliehkraft rasch sedimentiert haben, der Konuserweiterung folgend nach oben strömen und durch die Kanäle w nach aussen gelangen, ohne mit dem Grossteil der Wärmeaustauschfläche n überhaupt in Berührung gekommen zu sein.
Das kommt nicht nur bei Eindampfprozessen für die chemische Industrie zur Geltung, sondern auch bei der Erzeugung von Dampf unter Druck. Fallweise kann beides kombiniert werden, indem bei industriellen Eindampfpro- zessen Dampf unter Druck gewonnen wird. Andere Vorteile, die ebenfalls mit dem erfindungsgemässen Wärmeübertragungsverfahren infolge der Einwirkung der Fliehkraft erzielt werden, sind die Vermeidung von Kondensatfilmen an der Aussenseite der Wärmeaustauschfläche n, ferner die Unterdrückung von Schaum und das Mitreissen von Flüssigkeit in den Brüdenstrom.
Das Verfahren nach der Erfindung ist nicht auf die Heizung und die Verdampfung von Flüssigkeiten, wie Eindampfung von zuckerhaltigen Säften, Ein- dampfung von Abwässern von Beizereien von Stahlwaren oder Endlaugen der Zellulose-Erzeugung und dergleichen beschränkt, sondern kann auch zur Kühlung, Kondensation und Absorption von Gasen dienen. In diesem Falle wird durch die Speiseleitung g eine Kühlflüssigkeit eingeleitet, welche nach erfolgter Wärmeaufnahme von der Wärmeaustauschfläche n durch die Kanäle v, w nach aussen über stationäre Kanäle x, y in ein nicht dargestelltes Sammelgefäss gelangt.
Auch in konstruktiver Hinsicht unterliegt die Form des Wärmeaustauschers laut Ausführungsbeispiel zahlreichen Variationen. Das gilt vor allem für die Rippen der Wärmeaustauschfläche ja, welche anstatt quer in zirkularer Form, wie in der Zeichnung dargestellt ist, auch longitudinal ausgeführt sein können und die zur Verbesserung der Turbulenz auch gelocht, gezahnt, gewellt oder in sonstiger Weise profiliert sein können.
<Desc/Clms Page number 3>
<Desc / Clms Page number 1>
Heat exchange methods by means of a rotating heat exchange surface Heat exchange methods by means of rotating heat exchange surfaces for the thin-film evaporation of liquids are already known.
Local drying of the liquid cannot be avoided and the dried-up parts quickly form encrustations of the heating surfaces under the effect of centrifugal forces, which worsen the heat transfer coefficient in such a short time that the advantages of the rotating heat exchange surfaces because of the frequent shutdowns for cleaning purposes become illusory. The mechanical barriers to the rotor and gas compartment also make it difficult to operate and maintain the heat exchange surfaces.
The present patent relates to a heat exchange method by means of a rotating heat exchange surface which is in contact on the outside with a gaseous heat exchange medium and on the inside with a liquid heat exchange medium. The method is characterized according to the invention in that the liquid medium is fed from the outside through a stationary feed line lying in the axis of a rotor from above into the rotor, where it is then distributed by the centrifugal force generated on it by the rotor over a heat exchange surface, where it under the influence of centrifugal force takes the form of a rotational hollow body with a vertical axis,
from the inside of which the liquid medium then passes after the heat exchange with the gaseous medium located on the other side of the heat exchange surface into channels where, under the influence of centrifugal force, it forms hydraulic seals in nozzles through which it is thrown outwards perpendicular to the rotor axis, whereby the gaseous medium used for heating the liquid medium is supplied to the heat exchange surface through a connection of a stationary jacket, which gaseous medium is diverted through gas outlet points after the external coating of the heat exchange surface provided with ribs on the gas side.
The method according to the invention is explained below, for example, with reference to the drawing showing a vertical section through a rotating heat exchanger: The rotating heat exchanger, which operates as an evaporator, has a rotor a. The rotor is driven by a V-belt pulley b mounted on its vertical shaft c.
The shaft c is stored in bearings d1 and d2. In a stationary tube e sealed against the rotor a by the stuffing box f there is a likewise stationary feed line g, which is bent sideways at one end h so that the liquid flowing through the feed line g in the sense of the arrows drawn through the feed line g is at the top of the rotor a reaches an annular element i which rotates together with a distributor k attached to the rotor a. In this way the liquid is exposed to centrifugal forces there. As a result of these centrifugal forces, the liquid is conveyed through six openings 1, two of which can be seen in the drawing.
As a result, the liquid is distributed in the radial direction over a further annular element m over a conical heat exchange surface n, which is fastened to the rotor a by the screws E. On the heat exchange surface n, under the influence of the rotation of the same, a body of revolution consisting of the liquid with a vertical axis forms, the inner surface F0 of which has the shape shown in the drawing.
<Desc / Clms Page number 2>
The method according to the invention thus does not relate to thin-film evaporation.
The channels v, w have a vertical cylindrical inlet part and then run perpendicular to the rotor axis c. Its vertical part serves as a drain for the amount of liquid located on the inner surface F0 of the rotating body. In the horizontal, also cylindrical part of the channels v, at the peripheral outer end of which nozzles A are attached, the centrifugal force on the liquid has such an effect that hydraulic closures are formed there, and the same applies to the channels w in the upper part of the Rotor a.
When the rotor a is evacuated through the stationary pipe e, two opposing types of forces act on the said hydraulic closures, namely the centrifugal forces and the atmospheric counter-pressure acting from the outside. In order to make the hydraulic closure of the rotor a effective and also to enable the liquid to exit perpendicular to the axis of the rotor a through the nozzles A, B of the channels v, w, centrifugal forces must be so strong through sufficiently high speeds of the rotor a be generated so that they can overcome said atmospheric counter pressure. As long as this is the case, the hydraulic closure of the rotor a is effective, even when it is evacuated, without any mechanical shut-off device.
In the example described, the heat transfer medium acting on the outside of the heat exchange surface n is a heating gas. Both steam and vapors, combustion gases, exhaust gases of all kinds z. B. from boiler furnaces, diesel engines and other industrial gases and industrial exhaust gases in question. These gases enter through a pipeline p of a stationary outer jacket q coaxial with the heat exchange surface n into the gas space formed by this and the heat exchange surface n, where they give off heat to the liquid through the heat exchange surface n, which is provided with ribs z on the gas side.
These welded-on ribs z, which enlarge and reinforce the heat exchange surface n, mainly serve to set the gases into violent turbulence for better heat transfer. After the heat transfer has taken place, the gases leave the gas space through outlets C, D of the stationary jacket q, whereby practically atmospheric pressure within the gas space can be set by regulating the gas pressure on the inlet and outlet side; a sealing of the stationary shell q against the rotor a is therefore unnecessary.
If the said heating gas carries soot, dust or other solids with it, which is particularly common with industrial exhaust gases, whereby encrustations easily occur in known stationary heat exchange surfaces, this has no effect in the present case, since all solids are due to the centrifugal force that come into contact with the rotating heat exchange surface are centrifugally thrown off. They get together with condensate on the inside of the stationary jacket q, which can be flushed with liquid, and finally in an annular recess r, from where they pass through a flushing line s to the outside, z.
B. in a collecting vessel, not shown, where the dust can settle. In this way a cleaning of the gaseous medium is achieved at the same time as the heat transfer, which is particularly important for the utilization and rendering harmless of many exhaust gases.
The liquid heat transfer medium on the inside of the heat exchange surface n can also carry solids with it, without this being able to cause encrustation. This is related to the conicity of the heat exchange surface ra, which means that the suspended solids of the liquid fed in near the upper end of the rotor a, after they have rapidly sedimented under the influence of centrifugal force, flow upwards following the widening of the cone and through the channels w reach the outside without even having come into contact with the majority of the heat exchange surface n.
This is not only effective in evaporation processes for the chemical industry, but also in the generation of steam under pressure. In some cases, both can be combined in that steam is obtained under pressure in industrial evaporation processes. Other advantages, which are also achieved with the heat transfer method according to the invention as a result of the action of centrifugal force, are the avoidance of condensate films on the outside of the heat exchange surface n, furthermore the suppression of foam and the entrainment of liquid in the vapor stream.
The method according to the invention is not limited to the heating and evaporation of liquids, such as evaporation of sugary juices, evaporation of wastewater from pickling shops of steel goods or final liquors from cellulose production and the like, but can also be used for cooling, condensation and absorption of gases serve. In this case, a cooling liquid is introduced through the feed line g, which after heat has been absorbed from the heat exchange surface n through the channels v, w to the outside via stationary channels x, y into a collecting vessel (not shown).
According to the exemplary embodiment, the shape of the heat exchanger is also subject to numerous variations in structural terms. This is especially true for the ribs of the heat exchange surface, which instead of transversely in a circular shape, as shown in the drawing, can also be designed longitudinally and which can also be perforated, toothed, corrugated or otherwise profiled to improve the turbulence.
<Desc / Clms Page number 3>