Vorrichtung zum Austausch von Wärme In vielen industriellen Verfahren muss Wärme zwi schen einem Fluidum und einem anderen ausgetauscht werden. Der im folgenden Text und in den Patentansprü chen verwendete Ausdruck Fluidum umfasst Flüssig keiten, Gase, Schaum, breiartige Massen sowie Gemenge aus Gasen und staubförmigem bzw. feinkörnigem Gut. Der Wärmeaustausch kann in einem Wärmetauscher erfolgen, in welchem keines der beteiligten Fluida einer Zustandsänderung unterworfen wird; Beispiele hierfür sind die Rückgewinnung der fühlbaren Wärme aus einem Fluidum vor dessen Abfluss und die Anpassung der Temperatur eines Fluidums an die Bedingungen eines bevorstehenden Arbeitsvorganges.
In anderen Fällen kann der Wärmeaustausch den Zweck haben, in einem der Fluida Kondensations- oder Verdampfungsvorgänge auszulösen. Auch die Kristallisierung einer oder mehrerer in einem Fluidum gelöster Substanzen kann durch Wärmeaustausch bewirkt werden.
Vorrichtungen zum Wärmeaustausch wurden bisher aus Metall hergestellt und der Wärmeaustausch erfolgte dabei durch das Metall selbst. Eine weitverbreitete Anwendungsform weist eine Anzahl paralleler, in einem zylindrischen Metallgehäuse untergebrachter Metallrohre auf, wobei ein Fluidum durch die Rohre strömt und das andere diese umspült.
Vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen Fluida, wobei die Fluida beim Wärmeaustausch voneinander trennende Wände aus Kunststoff-Folie bestehen.
Beispiele entsprechender, im Rahmen der vorliegen den Erfindung verwendbarer Kunststoff-Folien sind Folien aus Polyäthylenterephthalat, Nylon, Polyäthylen, Polypropylen und Polytetrafluoräthylen. Die aus diesen Stoffen hergestellten Folien können zweckmässigerweise eine Dicke von 0,0125 bis 0,125 mm haben; die Wärmebeständigkeit dieser Stoffe ist derart, dass bei den genannten Dicken ein brauchbarer Wärmeaustausch bei hinreichender Festigkeit erzielt wird. Es wird jedoch damit gerechnet, dass durch die Entwicklung neuer Kunststoffe auch ein anderer Dickenbereich in Frage kommt.
Kunststoff-Folien können in allen Bauarten von Wärmeaustauschern zur Verwendung kommen. So kön nen die Folien z.B. als Wärmeaustauschrohre verwendet werden, die an einem oder beiden Enden entsprechend unterstützt werden und damit Metallrohre ersetzen können. Auch können die Folien in Kristallisationsvor- richtungen eingesetzt werden, in denen z.B. Glaubersalz aus Viskoserayon-Spinnbädem auskristallisiert sowie in Verdampfungsapparaten, in welchen z.B. das Spinnrad vor der Kristallisation verdampft wird.
Ein weiteres Beispiel ist die Verdampfung von Meerwasser und die Kristallisation der darin enthaltenden Salze zur Gewin nung von Trinkwasser. Kunststoff-Folien weisen in bezug auf Metallflächen die Vorteile auf, dass sie billig sind und gegenüber vielen Substanzen, die die Metalle angreifen, beständig sind. Auch ergibt sich bei Verwendung von Kunststoff-Folien eine erhebliche Gewichtsverminderung. Die Kunststoff-Folie eignet sich ausserdem gut für Grossanlagen zur wirtschaftlichen Reinigung von Meer wasser, wobei beträchtliche Flächen oder Längen von Kunststoff-Folien auf kleinem Raum befördert und gelagert werden können, so dass die Herstellung von Wärmeaustauscherteilen am Aufstellungsort auf ein Minimum reduziert wird.
Kristalline Ablagerungen oder Verkrustungen können durch Schütteln oder kurzzeitiges Zusammendrücken des Kunststoffrohres leicht entfernt werden; eine entsprechende Bewegung kann auch durch Verwendung pulsierenden Druckes hervorgerufen wer den. Auch kann der Wärmetauscher in Form einer selbsttragenden, aufblasbaren Einheit mit Einlass- und Auslassöffnungen ausgeführt werden. Es können hierfür ringförmige Rohre oder jeweils zwei an den Kanten <I>miteinander</I> verbundene Kunststofftafeln<I>verwendet wer-</I> den.
Dar zulässige Betriebstemperaturbereich hängt selbst verständlich von der Temperatur ab, bei welcher der verwendete Kunststoff schmilzt, erweicht, zerfällt oder brüchig wird. Mit den erwähnten Kunststoffen können jedoch Betriebstemperaturen zwischen -20 C und l00 C zugelassen werden, was für viele Anwendungsfälle, insbesondere bei Verwendung von Wasser oder wässriger Fluida ausreicht. Des weiteren wird die Anwendbarkeit der betreffenden Apparate durch die Festigkeit der Folie begrenzt, die beträchtlich unter derjenigen der für die üblichen Wärmetauscher verwendeten Werkstoffe liegt.
Um unzulässige Beanspruchungen der Folien zu vermei den, muss der Fluidumdruck auf beiden Seiten der Folien annähernd gleich gehalten werden bzw. sollte dieser um nicht mehr als 100 oder 200 g pro cm2 differieren.
Ein weiterer bemerkenswerter Punkt ist die schlechte Benetzbarkeit der Kunststoff-Folien; dies mag in Wärme tauschern zu Schwierigkeiten führen, wo während des Betriebs eine dünne Schicht wässriger Flüssigkeit über die zum Wärmeaustausch dienende Kunststoff-Folie fliessen soll. Zur Erzielung von Höchstleistungen sollte diese Schicht so dünn wie möglich sein und sich kontinuierlich über die ganze Oberfläche erstrecken. Einige Kunststoffe neigen dagegen zur Bildung einzelner Flüssigkeitsadern. Diese Schwierigkeit kann dadurch überwunden werden, dass man an den betreffenden Oberflächen eine Folie mit einem chemisch gebundenen hydrophileren Überzug verwendet.
Ein derartiger über- zug erweist sich auch dort als zweckmässig, wo grosse Menge wässriger Flüssigkeiten mit wärmeaustauschenden Flächen in Berührung kommen, da dadurch ein besserer Kontakt zwischen Flächen und Flüssigkeit und somit ein wirksamer Wärmeaustausch zustande kommt.
Zur Erzielung eines derartigen Überzugs können an der Oberfläche der Folie freie Radikale erzeugt werden, während diese Oberfläche in Berührung mit einer äthylenisch ungesättigten, hydrophilen Verbindung steht, z.B. mit einer ungesättigten Säure wie Acrylsäure oder Methacrylsäure oder ein ungesättigtes Amid niederen Molekulargewichts, wie z.B. Acrylamid.
Die Folie kann aber auch an einer Oberfläche chemisch oder bakteriell angegriffen werden, wodurch dort hydrophile Gruppen entstehen. Polyesterkunststoffe können beispielsweise an einer Oberfläche hydrolysiert werden, so dass dadurch Carboxylgruppen und Hydroxy- le entstehen;
Nylon kann z.B. durch hydrolytische Substanzen bzw. Alkylierungsmittel angegriffen werden, so dass sowohl freie Carboxylgruppen als auch Amino- gruppen oder sekundäre Amidgruppen entstehen. In all diesen Fällen werden die hydrophilen Eigenschaften der Folienoberfläche verbessert.
Beim Überziehen der Folien mit einem ungesättigten, hydrophilen Monomer können die freien Radikale an der Folienoberfläche durch labile, im Polymer enthaltene Gruppen entstehen oder durch Kettenübertragung freier Radikale, die sich in einer mit der Oberfläche in Berührung stehenden flüssigen Phase befinden. Die im Polymer enthaltenen labilen Gruppen können infolge von Wärmeeinwirkung, chemischer Reaktionen oder Erre gung durch U.V.-Licht freie Radikale werden.
Nylon, Polyester und Polyolefine wurden durch Pfropfpolymerisation von Acrylsäure und Acrylamid modifiziert. Durch den hydrophilen Überzug der Folie wird eine bessere Benützbarkeit in bezug auf wässrige Flüssigkeiten erzielt.
Wenn z.B. eine Folie in einem Wärmetauscher verwendet wird, in welchem einer wässrigen Flüssigkeit Wärme entzogen oder zugeführt wird, so verbessert der durch den hydrophilen Überzug verursachte innige Kontakt zwischen Folie und Flüssigkeit die Wärmeleitfä higkeit beträchtlich.
Auf der beiliegenden Zeichnung sind einige Ausfüh rungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes veranschau licht.
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine Wärmetauscher platte, Fig. 2 ist ein Vertikalschnitt durch mehrere der in Fig. 1 gezeigten Platten, nach der Linie A-A in Fig. 1, Fig. 3 ist ein Vertikalschnitt eines Wärmetauschers in Röhrenbauart, Fig. 4 ist ein Teilschnitt, der ein Detail aus Fig. 3 in etwas grösserem Massstab darstellt, Fig. 5 zeigt eine Variante von Fig. 3,
Fig. 6 ist ein Schnitt ähnlich Fig. 5 und zeigt eine weitere Ausführungsform, Fig.7 ist ein in grösserem Massstab gezeichnetes Detail aus Fig. 6, Fig.8 ist ein Schnitt ähnlich Fig.7 und zeigt eine weitere Ausführungsform, Fig. 9 zeigt ein Detail eines Wärmetauschers in Röhrenbauweise, Fig.10 ist eine Draufsicht auf einen Wärmetauscher zur Kristallisierung von Lösungen,
Fig. 11 ist ein Vertikalschnitt nach der Linie B-B in Fig.10 und Fig. 12 ist ein Vertikalschnitt nach der Linie C-C in Fig. 10.
Die in Fig. 1 dargestellte Platte, welche die übliche Form aufweist, besteht aus einem starren quadratischen Rahmen 1 aus Polyäthylen rechteckigen Querschnitts mit einer, z.B. durch Heiss-Siegeln auf einer Seite des Rahmens befestigten Polyäthylenfolie 2. Der Rahmen weist an einer Ecke ein Durchgangsloch 3 auf, das von einer Fläche, an welcher die Folie 2 befestigt ist, zur gegenüberliegenden Fläche führt; an zwei einander gegenüberliegenden Ecken befinden sich Aussparungen, die von der Innenfläche des Rahmens zu je einer seiner Stirnseiten führen und zwar mündet die Aussparung 4a in die Stirnseite, auf welcher der Film 2 befestigt ist und die Aussparung 4b in die gegenüberliegende Stirnseite.
Die Mündungen beider Aussparungen sind so angeord net, dass sie beim Stapeln mehrerer Platten nach Fig. 2 auf Löcher 3 passen, wobei jede Platte um 90 gegenüber den beiden an sie angrenzenden Platten versetzt ist. Dadurch entstehen zwei den Plattenstapel durchquerende Kanäle, von welchen der eine die geradzahligen, der andere die ungeradzahligen Platten benutzt, wobei die in zwei aneinander angrenzenden Platten angeordneten Durchflusskanäle gegeneinander um 90 versetzt sind.
Die Rahmen 1 sind zur Erzielung einer guten Abdich tung durch bekannte Mittel miteinander verbunden, z.B. durch an der Aussenseite angeordnete Klammern oder durch Zugstangen, die in (nicht dargestellten) Bohrungen der Platten angeordnet werden. Falls erforderlich können in diesen Bohrungen zur Versteifung Metalleinsätze angebracht werden.
Der in Fig. 2 dargestellte Plattenstapel ist demgemäss ein Kreuzstrom-Wärmetauscher oder ein Teil desselben, wobei die zu erwärmenden oder zu kühlenden Flüssigkei ten bzw. Fluida den beiden Kanälen zugeführt werden. Das Gleichstromprinzip (bei welchem beide Flüssigkeiten bzw. Fluida am einen Ende des Plattenstapels eintreten und am anderen Ende wieder austreten) ist hier vorzuziehen, da in diesem Fall die auf beiden Seiten der Kunststoff-Folien 2 herrschenden Drücke im wesentli chen gleich sind. Die beim Gegenstromprinzip auftreten den Druckdifferenzen können die Folien so verziehen, dass sie Flüssigkeiten bzw. Fluida in einzelnen Adern strömen und der Apparat dadurch unwirtschaftlich arbeitet.
Anstatt jede Kunststoff-Folie mit allen Kanten am zugehörigen Rahmen zu befestigen, kann man sie auch nur an einer einzigen Kante festmachen, während die übrigen Kanten beim Aufeinandersetzen des Stapels zwischen benachbarten Rahmen eingeklemmt werden und dabei straff angezogen werden können. Auch ist es möglich, die Folien ohne jegliche Befestigung in den Rahmen einzusetzen.
Ähnliche Wärmetauscher können auch aus nicht quadratischen Rahmen hergestellt werden, woraus sich besondere Vorteile im Gebrauch derselben, z.B. ein grössere Wirtschaftlichkeit, ergeben können. Die Rahmen müssen nicht unbedingt aus Polyäthylen hergestellt sein; je nach den im Wärmetauscher zur Verwendung kom menden Flüssigkeiten bzw. Fluida kann jedes geeignete Material verwendet werden.
Fig. 3 zeigt einen Wärmetauscher in Röhrenbauart in der an sich bekannten Form, mit einem Gehäuse 5 und je einem in der Nähe der Gehäusestirnseiten angeordneten Rohrboden 6, einer Anzahl zwischen den Rohrböden angebrachter Rohre 7, einem in den Zwischenraum zwischen Gehäusestirnwand und Rohrboden mündenden Einlassstutzen 8 bzw Auslassstutzen 9, sowie einem zweiten Einlass- bzw. Auslassstutzen 10 bzw. 11, welche an den zwischen Rohrböden liegenden Raum angeschlos sen sind. Die beiden zu erwärmenden bzw. zu kühlenden Flüssigkeiten bzw. Fluida werden durch die beiden Einlassstutzen eingeführt, so dass die eine durch die Rohre strömt und die andere die Rohre beim Durchströ men des Gehäuses umspült.
In diesem Falle bestehen die Rohre 7 aus Kunststoff-Folien, und das Gehäuse wird vorzugsweise so angeordnet, dass sich die Rohre in möglichst senkrechter Lage befinden, so dass der grösstmögliche Teil der Wärme durch Konvektion übertragen wird. Die beiden Flüssigkeiten bzw. Fluida können den Wärmetauscher in der gleichen oder in entgegengesetzten Richtungen durchströmen. Der Flüs- sigkeits- oder Fluidumstrom sollte durch geeignete, bekannte Mittel gesteuert werden, so dass die von innen und aussen auf die Wandungen der Rohre 7 wirkenden Drücke möglichst gleich sind und ein Platzen der Rohre bzw. ein plötzlicher Druckabfall vermieden wird.
Die Rohre 7 sind an den Rohrböden 6 durch rohrförmige Klemmstücke 12 befestigt, welche in den entsprechenden Bohrungen der Rohrböden festsitzen. Wie in Fig. 4 dargestellt, wird das Klemmstück 12 i.3 das Ende des in die entsprechende Rohrbodenbohrung eingeführten Rohres 7 eingesetzt und dann fest in die Bohrung hineingetrieben, so dass es das Rohr gegen die Wandung der Bohrung presst. Das Klemmstück und/ oder die Bohrung kann konisch ausgebildet sein, was die Klemmwirkung unterstützt. Das Rohr wird beim Eintrei ben des zweiten Klemmstückes straff gespannt, so dass es im eingebauten Zustand so geradlinig wie möglich wird.
Wenn die Rohre des Wärmetauschers von Flüssigkeit durchströmt werden sollen, so können die Klemmstücke aus einem unter der Einwirkung der Feuchtigkeit quellenden Material hergestellt werden; es kann hierfür z.B. ein hydrophiles, mit Gewebe gefülltes Phenol Formaldehydharz, wie Tufnol , verwendet werden; dadurch wird ein festerer Sitz der Rohre während des Betriebes erzielt.
Abgesehen von den bereits erwähnten Vorteilen ist die vorstehend beschriebene Ausführung dem herkömm lichen Wärmetauscher in Röhrenbauweise auch insofern überlegen, als die Rohre ohne weiteres ersetzt werden können. Zur Reinigung des Gehäuses können alle Rohre entfernt werden; neue Rohre können auf billige und rasche Weise eingebaut werden, indem man die Klemm stücke abnimmt, die Rohre herauszieht, neue Rohre einsetzt und die Klemmstücke wieder einbaut. Auch kann der Wärmetauscher an Ort und Stelle aufgebaut werden, wodurch die Transportkosten stark reduziert werden, da beträchtliche Längen rohrförmige Kunst stoff-Folien auf kleinstem Raum zusammengerollt wer den können.
Das Gehäuse 5 und die Rohrböden 6 können gegebenenfalls aus starrem Kunststoff hergestellt werden, insbesondere wenn ätzende Flüssigkeiten bzw. Fluida vorkommen.
Fig.5 zeigt eine Variante des Wärmetauschers in Röhrenbauweise. Das Gehäuse, die Rohrböden und die Rohre sind wie bei dem vorher beschriebenen Ausfüh rungsbeispiel angeordnet, so dass die Flüssigkeit bzw. das Fluidum wie vorher durch die Rohre strömen kann. Kurz unterhalb des oberen Rohrbodens ist jedoch ein Vertei lerboden 13 angeordnet; dieser Verteilerboden ist an mehreren Stellen eingedrückt und durchgestanzt, so dass trichterförmige Löcher 14 entstehen, durch welche die Rohre 7 hindurchragen. Die Kanten der Löcher liegen dabei in unmittelbarer Nähe der Rohre oder berühren die Rohre, wenn diese sich auf ihren vollen Durchmesser gedehnt haben.
Die zweite Flüssigkeit wird durch den Einlassstutzen 15 auf die Oberfläche des Verteilerbodens 13 geführt, welchen sie bis zu einer geringen Höhe überflutet, wobei die Flüssigkeit durch den zwischen den Rohren 7 und den Löchern 14 bestehenden Ringraum nach unten strömt und dabei das ganze Rohr umspült, um sich dann auf dem unteren Rohrboden 6 zwecks Ablauf durch den Stutzen 16 zu sammeln.
Wenn die Flüssigkeit bzw. das Fluid innerhalb der Rohre 7 heisser ist als das die Rohre umgebende Medium, dann wird ein Teil des letzteren verdampfen, was bei Verwendung des Wärmetauschers als Verdampfer gegebenenfalls sogar erwünscht sein kann; für diesen Fall ist im Gehäuse, in der Nähe der Unterseite des Verteilerbodens 13, ein zweiter Auslassstutzen 17 vorgesehen, durch den der Dampf entweichen kann. Die Flüssigkeitszufuhr zum Einlassstutzen 15 wird durch geeignete Mittel gesteuert, so dass die Platte 13 stets bis zu einer bestimmten Höhe überflutet bleibt.
Um die Benetzbarkeit der Rohre 7 zu verbessern, so dass die Bildung einer kontinuierlichen, die Rohre umspülenden Flüssigkeitsschicht begünstigt wird, können die Rohre aus einer Kunststoff-Folie bestehen, die wie oben beschrieben mit einem chemisch gebundenen Überzug aus hydrophilem Material versehen wurde. Die derart behandelten Folien können in allen hier beschrie benen Ausführungsbeispielen verwendet werden. Die Behandlung erfolgt nur auf einer Seite der Folie, wenn der Wärmetausch zwischen einem Flüssigkeitsfilm und einem Gas vor sich geht; sie ist auf beiden Seiten der Folie vorzunehmen, wenn der Wärmetausch zwischen zwei Flüssigkeitsfilmen erfolgt.
Fig.6 zeigt einen Wärmetauscher ähnlich dem in Fig. 5 dargestellten, in diesem Falle sind aber die Löcher in der Verteilerplatte 18, welche die Verteilerplatte 13 des vorhergehenden Ausführungsbeispiels ersetzt, etwas grös- ser ist als die vollausgedehnten Rohre 7; ein Ring 20 aus elastischem, porösem Werkstoff, z.B. elastischem Polyu- rethanschaum, umgibt das Rohr beim Durchgang durch jedes Loch und ist an der Lochwandung angeklebt.
Der Aussendurchmesser der Ringe 20 ist so gewählt, dass diese satt in den Löchern sitzen; der Innendurchmesser ist dagegen etwas kleiner als der Durchmesser der vollausgedehnten Rohre, so dass die Ringe im Betrieb zusammengedrückt werden und dadurch einen innigen Kontakt mit dem ganzen Umfang der Rohre gewährlei sten. Für Rohre von einem grössten Aussendurchmesser von 3,2 cm können z.B. Ringe mit einem Innendurchmes ser von 2,5 cm gewählt werden.
Fig.7 zeigt ein Detail dieser Variante und veran schaulicht gleichzeitig das Arbeiten der im Betrieb befindlichen Vorrichtung. Die durch den Stutzen 15 zugeführte Flüssigkeit bildet auf der Verteilerplatte 18 eine Schicht und saugt sich durch die porösen Ringe 20, um von dort aus die Rohre 7 zwischen der Verteilerplatte 18 und der unteren Platte 6 in Form eines dünnen, gleichförmigen Mantels zu umgeben. Da die Ringe 20 stets in Kontakt mit dem gesamten Umfang der in Betrieb vollausgedehnten Rohre sind, ist die Möglichkeit einer Aderbildung durch die am Rohr entlang laufende Flüssigkeit verringert.
Da das poröse Material der Ringe elastisch ist, gleicht es ausserdem Wechsel im Querschnitt der Rohre aus, die z. B. durch Druckschwankungen der durch die Rohre strömenden Flüssigkeit verursacht sein können. (Diese Druckschwankungen können, wie bereits erwähnt, zwecks Beseitigung von Ablagerungen absichtlich hervorgerufen werden). Aufgrund des porösen Materials ist das Risiko eines Durchschabens der Rohre beim Durchtritt durch die Verteilerplatte stark vermin dert.
Das poröse Material sollte vorzugsweise eine Porosi- tät von mindestens 80 /aaufweisen. Je geringer die Porosität, desto grösser ist die erforderliche Tiefe zur Überflutung des Verteilerbodens zwecks Aufrechterhal tung der erforderlichen Umspülung der Rohre. Der bereits erwähnte Polyurethanschaum eignet sich gut; er kann leicht in die gewünschte Form geschnitten und in den Löchern festgeklebt werden.
Eine weitere Verbesserung der Flüssigkeitsverteilung ergibt sich, wenn man an jedem Rohr, unterhalb des Verteilerbodens 18, einen Bund anbringt. Fig. 8 zeigt eine derartige Anordnung, bei welcher der Bund ein elasti scher Gummi-O-Ring 22 ist, dessen normaler Innen durchmesser etwas kleiner ist als der grösste Durchmes ser der vollausgedehnten Rohre 7. Um dem O-Ring eine steife Auflagefläche zu verschaffen, wird an den entspre chenden Stellen innerhalb jedes Rohres eine starre Buchse 23 angebracht, deren Aussendurchmesser so gewählt ist, dass sie an der Innenwandung des vollausge dehnten Rohres satt anliegt.
Die O-Ringe 22 sollten möglichst waagrecht eingebaut werden und verbessern dann erfahrungsgemäss die Bildung eines kontinuierli chen Flüssigkeitsmantels längs der darunter befindlichen Rohre.
Bei allen Ausführungsbeispielen gemäss Fig.5 bis 8 muss der Verteilerboden zwecks Erzielung der besten Leistung so waagrecht wie möglich liegen, so dass die durch den Einlassstutzen 15 eintretende Flüssigkeit den Verteilerboden in gleichmässiger Tiefe überflutet und sich längs der Rohre 7 ein gleichmässiger Flüssigkeits- strom ergibt.
Fig.9 zeigt eine weitere Anrodnung zur Erzielung einer gleichmässigen Verteilung der Flüssigkeitsschicht über die Oberfläche eines in einem Wärmetauscher der Rohrbauweise nach Fig. 3 und 4 verwendeten Rohres aus- Kunststoff-Folie. Bei dieser Anordnung wird das Kunst stoffrohr von einem dicht anliegenden, weitmaschigen Gewebe umgeben, das erfahrungsgemäss jegliche Ader bildung der herabrinnenden Flüssigkeit unterbindet und eine gleichmässige Flüssigkeitsverteilung über das ganze Rohr bewirkt.
Bei der dargestellten Ausführung handelt- es sich um einen rohrförmigen gestrickten Strumpf 24 aus Viskose-Rayonfaden, dessen Durchmesser sich bei einer Streckung des Strumpfes verringert und beim Zurückge ben desselben in die ursprüngliche Lage wieder dehnt. Der Strumpf 24 ist mit dem Rohr 7 in dem Boden 6 gemäss der in Fig. 4 dargestellten Ausführung befestigt, wobei das Rohr mit dem Strumpf durch ein rohrförmiges Klemmstück 12 gegen die Innenwand eines im Boden 6 vorgesehenen Loches gepresst wird. Bei der Montage des zweiten Klemmstückes am anderen Rohrende ist darauf zu achten, dass der Strumpf gut straff gezogen wird und sich dicht an das in Betrieb ausgeweitete Rohr anlegt.
Bei dem in Fig. 10 bis 12 dargestellten Ausführungs beispiel bildet die Kunststoff-Folie luftkissenartige For men, von welchen jede aus einem im wesentlichen flachen Gebilde besteht, das einen labyrinthartigen, rohrförmigen, von einer Ecke zu einem anderen Teil des Gebildes verlaufenden Kanal einschliesst. Ein derartiges Gebilde kann leicht hergestellt werden, indem man eine rechteckförmige Kunststoff-Folie in der Mitte faltet, so dass zwei einander gegenüberliegende Kanten zusammen treffen, während die beiden anderen Kanten übereinan der geklappt werden.
Die aufeinanderliegenden Kanten können z.B. durch Heiss-Siegeln miteinander verbunden werden. Anschliessend werden auf den übereinanderlie-- genden Folien mehrere parallel geradlinige Nähte ange bracht, die sich abwechselnd von einer Kante bis fast an die gegenüberliegende Kante erstrecken.
Dadurch ent steht ein Labyrinthkanal, an welchem anschliessend Eintritts- und Austrittsöffnungen angebracht werden, die bei einer geraden Anzahl von Parallelnähten an diagonal einandergegenüberliegenden Ecken liegen und bei einer ungeraden Anzahl von Parallelnähten auf einander benachbarten Ecken liegen. Der erste Fall ist für das vorliegende Ausführungsbeispiel gewählt worden. Derar tige Gebilde sind besonders zweckmässig für Kristallisier- apparate gemäss der nachfolgenden Beschreibung.
Die Kantenversiegelungsnaht kann etwas innerhalb der tatsächlichen Folienkante angebracht werden, so dass Befestigungslappen entstehen. Auch können Befesti gungsbänder oder ähnliche Teile, z.B. durch Heiss- Siegeln, am Gebilde angebracht werden.
Fig. 10 und 12 zeigen vier derartige rohrförmige Gebilde 25, welche durch nicht dargestellte Mittel nebeneinander vertikal in einem Kristallisierbehälter 26 gehalten werden. Die Einlassöffnungen 27 und Auslass- öffnungen 28 der vier Gebilde sind an gemeinsame Einlass- bzw. Auslassrohre 29 bzw. 30 angeschlossen. Die Kühlflüssigkeit kann somit in Parallelschaltung gleichzei tig durch alle vier Gebilde 25 strömen.
Der Behälter 26 enthält die zu kristallisierende Lösung, welche dem Einlassrohr 31 zugeleitet wird, von hier aus zu den: einzelnen, über dem Behälter und an beiden Seiten desselben angeordneten Einlassstutzen 32 geführt wird und in die zwischen den Gebilden 25 bestehenden Zwischenräume strömt. An einem Ende des Behälters befindet sich ein Auslassrohr 33, dem eine sich fast bis auf den Behälterboden erstreckende Platte 34 vorgelagert ist, derart, dass die auf das Auslassrohr 33 zuströmende Flüssigkeit nach oben fliesst und dadurch eine Zone der Kristallablagerung geschaffen wird. Die Basis des Behäl ters besteht aus vier geneigten Platten 35, welche sich nach unten bis zu einer durch ein Ventil verschliessbaren Öffnung 36 erstreckt.
Beim Betrieb der Anlage wird die zu kristallisierende Lösung dem Behälter durch das Einlassrohr 31 zuge führt, während die Kühlflüssigkeit bzw. das Kühlfluid durch das Einlassrohr 29 zu den vier Gebilden 25 strömt. Wie in den Kristallisierapparaten üblicher Bauart, wird die Temperatur des Kühlmittels und die erforderliche Menge so gewählt, dass die wirtschaftlichste Kristallisie- rung der Salze aus der Lösung erfolgt.
Die Anordnung könnte z.B. so gewählt s ein, dass die erforderliche Abkühlung der Lösung und damit die Kristallisierung bei einem Durchgang erfolgt; bei einer kleineren Anlage kann eine etwas grössere Lösungsmenge zwei oder mehrere Male durch den Behälter geleitet werden, damit die gewünschte Kristallisierung erfolgt, wobei an entspre chenden Stellen der Anlage frische Lösung zugeführt und verbrauchte Lösung abgeleitet wird.
Die Kristalle bilden sich vorzugsweise auf der Oberfläche der Gebilde 25, welche aus Kunststoff bestehen und daher den Kristallen aufgrund ihrer Elastizität und ihrer Oberflächeneigenschaften keine gute Haftfläche bieten. Die Kristalle fallen so mit der nach unten strömenden Flüssigkeit und trennen sich von dieser am Boden des Behälters in der durch die Platte 34 gebildeten Kristallablagerungszone. Auf den geneigten Platten 35 gelangen die Kristalle dann zu der Öffnung 36, von wo aus sie von Zeit zu Zeit entnommen werden können.
Der innerhalb der Vorrichtung 25 herrschende Druck der Flüssigkeit bzw. des Fluidums wird etwa auf gleicher Höhe mit dem Druck der Lösung gehalten, so dass die Vorrichtungen 25 voll ausgedehnt bleiben und keine bemerkenswerten Zugspannungen auftreten. Zwecks Ab lösung der sich an der Oberfläche der Vorrichtungen festsetzenden Kristalle kann der Druck der Flüssigkeit bzw. des Fluidums intermittierenden Schwankungen unterworfen werden, so dass die Oberflächen eine Wellenbewegung ausführen. Derartige Schwankungen der innen oder aussen herrschenden Drücke können bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgenommen wer den, wenn sich feste Teilchen an den Oberflächen der Kunststoff-Folien festsetzen.
Device for exchanging heat In many industrial processes, heat must be exchanged between one fluid and another. The expression fluid used in the following text and in the claims includes liquids, gases, foam, pasty masses and mixtures of gases and dusty or fine-grained material. The heat exchange can take place in a heat exchanger in which none of the fluids involved is subjected to a change of state; Examples of this are the recovery of sensible heat from a fluid before it drains and the adaptation of the temperature of a fluid to the conditions of an upcoming work process.
In other cases, the heat exchange can have the purpose of triggering condensation or evaporation processes in one of the fluids. The crystallization of one or more substances dissolved in a fluid can also be brought about by heat exchange.
Devices for heat exchange have hitherto been made of metal and the heat exchange has taken place through the metal itself. A widespread application has a number of parallel metal tubes accommodated in a cylindrical metal housing, one fluid flowing through the tubes and the other flowing around them.
The present invention relates to a device for exchanging heat between fluids, the walls separating the fluids being made of plastic film during heat exchange.
Examples of corresponding plastic films which can be used in the context of the present invention are films made of polyethylene terephthalate, nylon, polyethylene, polypropylene and polytetrafluoroethylene. The films made from these materials can conveniently have a thickness of 0.0125 to 0.125 mm; the heat resistance of these materials is such that a useful heat exchange with sufficient strength is achieved at the thicknesses mentioned. However, it is anticipated that the development of new plastics will also result in a different range of thicknesses.
Plastic foils can be used in all types of heat exchangers. The foils can e.g. can be used as heat exchange tubes that are appropriately supported at one or both ends and can thus replace metal tubes. The films can also be used in crystallization devices in which e.g. Glauber's salt crystallized from viscose rayon spinning baths as well as in evaporators in which e.g. the spinning wheel is evaporated before crystallization.
Another example is the evaporation of seawater and the crystallization of the salts contained therein to obtain drinking water. With respect to metal surfaces, plastic foils have the advantages that they are cheap and are resistant to many substances that attack the metals. The use of plastic films also results in a considerable reduction in weight. The plastic film is also well suited for large-scale systems for the economic purification of sea water, where considerable areas or lengths of plastic film can be transported and stored in a small space, so that the production of heat exchanger parts at the installation site is reduced to a minimum.
Crystalline deposits or encrustations can easily be removed by shaking or briefly squeezing the plastic tube; a corresponding movement can also be brought about by using pulsating pressure. The heat exchanger can also be designed in the form of a self-supporting, inflatable unit with inlet and outlet openings. For this purpose, ring-shaped tubes or two plastic panels <I> connected to one another </I> at the edges can be used.
The permissible operating temperature range naturally depends on the temperature at which the plastic used melts, softens, disintegrates or becomes brittle. With the plastics mentioned, however, operating temperatures between -20 C and 100 C can be permitted, which is sufficient for many applications, in particular when using water or aqueous fluids. Furthermore, the applicability of the apparatus in question is limited by the strength of the foil, which is considerably below that of the materials used for conventional heat exchangers.
In order to avoid inadmissible stresses on the foils, the fluid pressure on both sides of the foils must be kept approximately the same or should not differ by more than 100 or 200 g per cm2.
Another noteworthy point is the poor wettability of the plastic films; this may lead to difficulties in heat exchangers, where a thin layer of aqueous liquid should flow over the plastic film used for heat exchange during operation. To achieve maximum performance, this layer should be as thin as possible and extend continuously over the entire surface. On the other hand, some plastics tend to form individual fluid veins. This difficulty can be overcome by using a film with a chemically bonded hydrophilic coating on the surfaces concerned.
Such a cover also proves to be expedient where large amounts of aqueous liquids come into contact with heat-exchanging surfaces, since this results in better contact between surfaces and liquid and thus an effective heat exchange.
To achieve such a coating, free radicals can be generated on the surface of the film while this surface is in contact with an ethylenically unsaturated, hydrophilic compound, e.g. with an unsaturated acid such as acrylic acid or methacrylic acid or an unsaturated amide of low molecular weight such as e.g. Acrylamide.
However, the film can also be attacked chemically or bacterially on a surface, which creates hydrophilic groups there. Polyester plastics can, for example, be hydrolyzed on a surface so that carboxyl groups and hydroxyls are formed;
Nylon can e.g. are attacked by hydrolytic substances or alkylating agents, so that free carboxyl groups as well as amino groups or secondary amide groups are formed. In all these cases, the hydrophilic properties of the film surface are improved.
When the films are coated with an unsaturated, hydrophilic monomer, the free radicals on the surface of the film can arise from labile groups contained in the polymer or through chain transfer of free radicals which are in a liquid phase in contact with the surface. The unstable groups contained in the polymer can become free radicals as a result of the action of heat, chemical reactions or excitation from UV light.
Nylon, polyester and polyolefins have been modified by the graft polymerization of acrylic acid and acrylamide. The hydrophilic coating of the film enables better usability with regard to aqueous liquids.
If e.g. If a film is used in a heat exchanger in which heat is withdrawn or supplied to an aqueous liquid, the intimate contact between the film and the liquid caused by the hydrophilic coating improves the thermal conductivity considerably.
On the accompanying drawing, some examples of the subject invention are illustrated.
Fig. 1 is a plan view of a heat exchanger plate, Fig. 2 is a vertical section through several of the plates shown in Fig. 1, along the line AA in Fig. 1, Fig. 3 is a vertical section of a heat exchanger in tube design, Fig. 4 is a partial section showing a detail from FIG. 3 on a somewhat larger scale, FIG. 5 shows a variant of FIG. 3,
FIG. 6 is a section similar to FIG. 5 and shows a further embodiment, FIG. 7 is a detail from FIG. 6 drawn on a larger scale, FIG. 8 is a section similar to FIG. 7 and shows a further embodiment, FIG shows a detail of a heat exchanger in tubular construction, FIG. 10 is a plan view of a heat exchanger for crystallizing solutions,
FIG. 11 is a vertical section along the line B-B in FIG. 10 and FIG. 12 is a vertical section along the line C-C in FIG. 10.
The plate shown in Fig. 1, which has the usual shape, consists of a rigid square frame 1 made of polyethylene of rectangular cross-section with a e.g. polyethylene film 2 attached by heat-sealing on one side of the frame. The frame has a through hole 3 at one corner which leads from one surface to which the film 2 is attached to the opposite surface; at two opposite corners there are recesses that lead from the inner surface of the frame to one of its end faces, namely the recess 4a opens into the end face on which the film 2 is attached and the recess 4b into the opposite end face.
The mouths of both recesses are angeord net that they fit on holes 3 when stacking several plates according to FIG. 2, each plate being offset by 90 with respect to the two plates adjacent to it. This results in two channels traversing the plate stack, one of which uses the even-numbered plates, the other the odd-numbered plates, the flow-through channels arranged in two adjacent plates being offset from one another by 90.
The frames 1 are interconnected by known means to obtain a good seal, e.g. by means of brackets arranged on the outside or by means of tie rods which are arranged in holes (not shown) in the plates. If necessary, metal inserts can be attached to these holes for reinforcement.
The plate stack shown in Fig. 2 is accordingly a cross-flow heat exchanger or a part thereof, the liquids to be heated or cooled or fluids being supplied to the two channels. The direct current principle (in which both liquids or fluids enter at one end of the stack of plates and exit again at the other end) is preferred here, since in this case the pressures prevailing on both sides of the plastic films 2 are essentially the same. The pressure differences that occur with the countercurrent principle can warp the foils so that liquids or fluids flow in individual veins and the apparatus therefore works uneconomically.
Instead of attaching all edges of each plastic film to the associated frame, you can also attach it to just a single edge, while the remaining edges are clamped between adjacent frames when the stack is stacked and can be tightened tightly. It is also possible to use the foils in the frame without any fastening.
Similar heat exchangers can also be made from non-square frames, which gives particular advantages in using them, e.g. greater economic efficiency. The frames do not necessarily have to be made of polyethylene; Any suitable material can be used depending on the liquids or fluids used in the heat exchanger.
3 shows a tube-type heat exchanger in the form known per se, with a housing 5 and a tube sheet 6 each arranged in the vicinity of the housing front sides, a number of tubes 7 attached between the tube sheets, an inlet nozzle opening into the space between the housing front wall and the tube sheet 8 or outlet nozzle 9, and a second inlet or outlet nozzle 10 and 11, which are ruled out at the space between tube sheets. The two liquids or fluids to be heated or cooled are introduced through the two inlet nozzles so that one flows through the tubes and the other flows around the tubes as it flows through the housing.
In this case, the tubes 7 are made of plastic foils, and the housing is preferably arranged in such a way that the tubes are as vertical as possible, so that the greatest possible part of the heat is transferred by convection. The two liquids or fluids can flow through the heat exchanger in the same or in opposite directions. The flow of liquid or fluid should be controlled by suitable, known means so that the pressures acting on the walls of the tubes 7 from inside and outside are as equal as possible and a bursting of the tubes or a sudden drop in pressure is avoided.
The tubes 7 are fastened to the tube sheets 6 by tubular clamping pieces 12 which are stuck in the corresponding bores in the tube sheets. As shown in FIG. 4, the clamping piece 12 i.3, the end of the tube 7 inserted into the corresponding tube sheet bore, is inserted and then driven firmly into the bore so that it presses the tube against the wall of the bore. The clamping piece and / or the bore can be conical, which supports the clamping effect. When the second clamping piece is inserted, the pipe is stretched taut so that it is as straight as possible when installed.
If the pipes of the heat exchanger are to be traversed by liquid, the clamping pieces can be made of a material that swells under the action of moisture; it can e.g. a hydrophilic fabric-filled phenol-formaldehyde resin such as Tufnol can be used; this ensures a tighter fit of the pipes during operation.
Apart from the advantages already mentioned, the embodiment described above is also superior to the conventional tubular heat exchanger in that the tubes can be easily replaced. All pipes can be removed to clean the housing; new pipes can be installed cheaply and quickly by removing the clamps, pulling out the pipes, inserting new pipes and reinstalling the clamps. The heat exchanger can also be built on the spot, which greatly reduces transport costs, as considerable lengths of tubular plastic sheets can be rolled up in a small space.
The housing 5 and the tube sheets 6 can optionally be made of rigid plastic, especially when corrosive liquids or fluids are present.
5 shows a variant of the heat exchanger in tubular construction. The housing, the tube sheets and the tubes are arranged as in the exemplary embodiment described above, so that the liquid or the fluid can flow through the tubes as before. Just below the upper tube sheet, however, a distributor base 13 is arranged; this distributor base is pressed in and punched through at several points, so that funnel-shaped holes 14 through which the tubes 7 protrude. The edges of the holes are in the immediate vicinity of the pipes or touch the pipes when they have expanded to their full diameter.
The second liquid is fed through the inlet connection 15 onto the surface of the distributor base 13, which it floods up to a small height, the liquid flowing downward through the annular space existing between the pipes 7 and the holes 14 and thereby washing around the entire pipe, to then collect on the lower tube sheet 6 for the purpose of draining through the nozzle 16.
If the liquid or the fluid within the tubes 7 is hotter than the medium surrounding the tubes, then part of the latter will evaporate, which may even be desirable if the heat exchanger is used as an evaporator; for this case, a second outlet connection 17 through which the steam can escape is provided in the housing, near the underside of the distributor base 13. The supply of liquid to the inlet connection 15 is controlled by suitable means, so that the plate 13 always remains flooded up to a certain height.
In order to improve the wettability of the tubes 7, so that the formation of a continuous layer of liquid flowing around the tubes is promoted, the tubes can consist of a plastic film which, as described above, has been provided with a chemically bonded coating of hydrophilic material. The films treated in this way can be used in all of the exemplary embodiments described here. The treatment takes place only on one side of the foil when the heat exchange takes place between a liquid film and a gas; it must be carried out on both sides of the foil if the heat exchange takes place between two liquid films.
FIG. 6 shows a heat exchanger similar to that shown in FIG. 5, but in this case the holes in the distributor plate 18, which replaces the distributor plate 13 of the previous exemplary embodiment, are somewhat larger than the fully expanded tubes 7; a ring 20 made of elastic, porous material, e.g. elastic polyurethane foam, surrounds the pipe as it passes through each hole and is glued to the wall of the hole.
The outer diameter of the rings 20 is chosen so that they sit snugly in the holes; the inside diameter, on the other hand, is slightly smaller than the diameter of the fully expanded tubes, so that the rings are compressed during operation and thereby guarantee intimate contact with the entire circumference of the tubes. For pipes with a largest outside diameter of 3.2 cm, e.g. Rings with an inner diameter of 2.5 cm can be selected.
7 shows a detail of this variant and at the same time illustrates the work of the device in operation. The liquid supplied through the nozzle 15 forms a layer on the distributor plate 18 and sucks through the porous rings 20 in order from there to surround the tubes 7 between the distributor plate 18 and the lower plate 6 in the form of a thin, uniform jacket. Since the rings 20 are always in contact with the entire circumference of the pipes which are fully expanded in operation, the possibility of veining from the liquid running along the pipe is reduced.
Since the porous material of the rings is elastic, it also compensates for changes in the cross section of the tubes, which, for. B. can be caused by pressure fluctuations in the liquid flowing through the pipes. (As already mentioned, these pressure fluctuations can be caused intentionally in order to remove deposits). Due to the porous material, the risk of the pipes scraping through when passing through the distributor plate is greatly reduced.
The porous material should preferably have a porosity of at least 80 / a. The lower the porosity, the greater the depth required to flood the distributor base for the purpose of maintaining the required flow around the pipes. The already mentioned polyurethane foam is well suited; it can easily be cut into the shape you want and glued into the holes.
A further improvement in the distribution of the liquid is obtained if a collar is attached to each pipe below the distributor base 18. Fig. 8 shows such an arrangement in which the collar is an elastic shear rubber O-ring 22, the normal inside diameter of which is slightly smaller than the largest diameter of the fully expanded tubes 7. To provide the O-ring with a stiff support surface , a rigid bushing 23 is attached to the corresponding points within each tube, the outer diameter of which is chosen so that it rests snugly against the inner wall of the fully expanded tube.
The O-rings 22 should be installed as horizontally as possible and experience has shown that they improve the formation of a continuous liquid jacket along the pipes below.
In all the embodiments according to FIGS. 5 to 8, the distributor base must be as horizontal as possible in order to achieve the best performance, so that the liquid entering through the inlet port 15 floods the distributor base at an even depth and there is a uniform flow of liquid along the pipes 7 .
9 shows a further arrangement for achieving a uniform distribution of the liquid layer over the surface of a tube made of plastic film used in a heat exchanger of the tubular construction according to FIGS. 3 and 4. In this arrangement, the plastic tube is surrounded by a tightly fitting, wide-meshed fabric, which experience has shown that prevents any formation of veins in the flowing liquid and causes even liquid distribution over the entire tube.
In the embodiment shown, it is a tubular knitted stocking 24 made of viscose rayon thread, the diameter of which decreases when the stocking is stretched and when it is returned to its original position, it expands again. The stocking 24 is fastened with the pipe 7 in the base 6 according to the embodiment shown in FIG. 4, the pipe with the stocking being pressed by a tubular clamping piece 12 against the inner wall of a hole provided in the base 6. When installing the second clamping piece on the other end of the pipe, make sure that the stocking is pulled tight and that it is placed close to the pipe that has expanded during operation.
In the embodiment shown in Fig. 10 to 12, the plastic film forms air cushion-like For men, each of which consists of a substantially flat structure which includes a labyrinth-like, tubular channel extending from one corner to another part of the structure. Such a structure can easily be produced by folding a rectangular plastic film in the middle so that two opposite edges meet while the other two edges are folded over one another.
The superposed edges can e.g. be connected to one another by heat sealing. Then several parallel straight seams are made on the overlapping foils, which alternately extend from one edge to almost the opposite edge.
This creates a labyrinth channel, to which inlet and outlet openings are then attached, which are located on diagonally opposite corners when there is an even number of parallel seams and on adjacent corners when there is an odd number of parallel seams. The first case has been chosen for the present embodiment. Such structures are particularly useful for crystallization apparatus in accordance with the description below.
The edge sealing seam can be placed slightly inside the actual film edge, creating fastening flaps. Fastening straps or similar parts, e.g. be attached to the structure by hot sealing.
10 and 12 show four such tubular structures 25 which are held vertically next to one another in a crystallization container 26 by means not shown. The inlet openings 27 and outlet openings 28 of the four structures are connected to common inlet and outlet pipes 29 and 30, respectively. The cooling liquid can thus flow through all four structures 25 at the same time in parallel.
The container 26 contains the solution to be crystallized, which is fed to the inlet pipe 31, from here to the: individual inlet stubs 32 arranged above the container and on both sides of the same and flows into the spaces between the structures 25. At one end of the container there is an outlet pipe 33, which is preceded by a plate 34 extending almost to the bottom of the container, in such a way that the liquid flowing towards the outlet pipe 33 flows upwards, thereby creating a zone of crystal deposition. The base of the Behäl age consists of four inclined plates 35 which extend down to an opening 36 which can be closed by a valve.
During the operation of the system, the solution to be crystallized is fed to the container through the inlet pipe 31, while the cooling liquid or the cooling fluid flows through the inlet pipe 29 to the four structures 25. As in conventional crystallization apparatus, the temperature of the coolant and the required amount are selected so that the most economical crystallization of the salts takes place from the solution.
The arrangement could e.g. chosen so that the required cooling of the solution and thus the crystallization takes place in one pass; In the case of a smaller system, a slightly larger amount of solution can be passed through the container two or more times so that the desired crystallization takes place, with fresh solution being supplied and used solution drained off at appropriate points in the system.
The crystals are preferably formed on the surface of the structures 25, which consist of plastic and therefore do not offer the crystals a good adhesive surface due to their elasticity and their surface properties. The crystals thus fall with the liquid flowing downwards and separate therefrom at the bottom of the container in the crystal deposition zone formed by the plate 34. On the inclined plates 35, the crystals then reach the opening 36, from where they can be removed from time to time.
The pressure of the liquid or fluid prevailing within the device 25 is kept approximately at the same level as the pressure of the solution, so that the devices 25 remain fully expanded and no noticeable tensile stresses occur. For the purpose of detachment of the crystals adhering to the surface of the devices, the pressure of the liquid or the fluid can be subjected to intermittent fluctuations so that the surfaces execute a wave movement. Such fluctuations in the pressures prevailing inside or outside can be made in all of the exemplary embodiments described when solid particles adhere to the surfaces of the plastic films.