CH655997A5

CH655997A5 - Waermeaustauscher.

Info

Publication number: CH655997A5
Application number: CH1465/82A
Authority: CH
Inventors: Karl Laengle
Original assignee: Unipektin Ag
Priority date: 1982-03-09
Filing date: 1982-03-09
Publication date: 1986-05-30
Also published as: IT1212712B; DE3212727A1; IT8319977A0; US4667734A; DE3212727C2

Description

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PATENTANSPRÜCHE eckförmigen Rohrabschnittes (5) und der Innenseite der

1. Wärmeaustauscher zum Kühlen oder Erwärmen von zylindrischen Ummantelung (6) vier bzw. sechs in Längsrich-hochviskosen, insbesondere strukturviskosen fliessfähigen tung des Wärmeaustauschers getrennt voneinander verlau-Substanzen, mit in einen geradlinigen Durchflussraum der zu fende Zu- bzw. Abführkanäle (11,12,13,14) zur Zu- bzw. kühlenden bzw. zu erhitzenden fliessfähigen Substanz einge- s Abführung des durch die einzelnen rohrförmigen Kühl- bzw. bauten rohrförmigen Kühl- bzw. Heizelementen, dadurch Heizelemente (1) zu leitenden Kühl- bzw. Heizmediums gekennzeichnet, dass die als Flachrohre ausgebildeten Kühl- gebildet werden, und die offenen Stirnseiten dieser Kühlbzw. Heizelemente (1) reihenweise nebeneinander und von- bzw. Heizelemente (1) in je zwei der derart gebildeten, ein-einander distanziert einerseits in quer zur Durchströmrich- ander gegenüberliegenden Zu- bzw. Abführkanäle (10,12; tung des Wärmeaustauschers verlaufenden, und anderseits in io 11,13) münden.

der Durchströmrichtung des Wärmeaustauschers voneinander distanzierten, zueinander parallelen Ebenen

angeordnet sind, die in jeweils zwei aufeinanderfolgenden Ebenen angeordneten Kühl- bzw. Heizelemente (1) in Durchströmrichtung des Wärmeaustauschers gesehen einander is Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher zum schneiden, dass der stirnseitige Abstand (c) zwischen zwei Kühlen oder Erwärmen von hochviskosen, insbesondere zueinander benachbarten Kühl- bzw. Heizelementen (2,3) strukturviskosen fliessfähigen Substanzen mit in einen gerad-höchstens so gross wie der kleinste Mittenabstand (m) zwi- linigen Durchflussraum der zu kühlenden bzw. zu erhit-schen zwei zueinander benachbarten Kühl- bzw. Heizele- zenden fliessfähigen Substanz eingebauten rohrförmigen menten (1) dieser Reihen ist, wobei die Kühl- bzw. Heizele- 20 Kühl- bzw. Heizelementen.

mente (1) im Querschnitt betrachtet eine Breite von 3 bis Aus der DE-OS 3 009 889 sowie der DE-AS 2 824 237 sind

16 mm und eine Höhe von 35 bis 100 mm aufweisen und mit Wärmeaustauscher bekannt, bei denen zur periodischen Rei-

ihren Breitseiten mindestens annähernd parallel und mit nigung der Wärmeaustauschflächen mehrere seriell oder par-

ihren Schmalseiten annähernd senkrecht zur Strömungsrich- allei angeordnete Teilwärmeaustauscher vorgesehen sind, um tung der zu kühlenden bzw. zu erhitzenden fliessfähigen Sub- 25 diese einzeln und ohne Ausserbetriebsetzung des gesamten stanz verlaufen, und dass der Abstand (a) zwischen zwei Wärmeaustauschers reinigen zu können. Solche Konstruk-

seitlich zueinander benachbarten Kühl- bzw. Heizelementen tionen sind jedoch in Anbetracht der vielen zu bewegenden

(1) im Bereich von 3 bis 15 mm liegt. und abzudichtenden Teile kompliziert und teuer in der Her-

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Stellung sowie umständlich im Betrieb, und zeigen keine zeichnet, dass die als Flachrohre ausgebildeten Kühl- bzw. 30 Möglichkeit, um bei der Notwendigkeit von grossen Wärme-Heizelemente (1) im Querschnitt betrachtet eine Breite (b) austauschflächen zum Kühlen oder Erwärmen von hoch- und von 5 bis 12 mm und eine Höhe (h) von 50 bis 80 mm auf- strukturviskosen fliessfähigen Substanzen eine möglichst weisen. pulsationsfreie laminare Durchströmung zu erzielen.

3. Wärmeaustauscher nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch Das spezielle Fliessverhalten von breiigen, hochviskosen gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen zwei seitlich 35 Flüssigkeiten, insbesondere von strukturviskosen fliessfä-zueinander benachbarten Kühl- bzw. Heizelementen (1) im higen Substanzen, verursacht Probleme, welche in gewöhn-Bereich von 7 bis 10 mm liegt. liehen Platten- oder Rohrenwärmeaustauschern nicht gelöst

4. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, werden können.

dadurch gekennzeichnet, dass die in zwei aufeinanderfol- Es ist auch bereits bekannt, ein mit einer eingebauten genden Ebenen angeordneten Kühl- bzw. Heizelemente (1) in 40 Innenabschabeinrichtung versehenen, röhrenförmigen Wär-

Durchströmrichtung des Wärmeaustauschers gesehen ein- meaustauscher für solche Substanzen zu verwenden. Solche ander mindestens annähernd unter einem Winkel von 90° Schab-Wärmeaustauscher sind jedoch kompliziert im schneiden. Aufbau und teuer in der Anschaffung, im Betrieb sowie im

5. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, Unterhalt.

dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl- bzw. Heizelemente 45 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung

(1) einer Kühl- bzw. Heizelementreihe (2,3) mindestens eines für hochviskose, insbesondere strukturviskose fliessfä-

annähernd parallel zu den Kühl- bzw. Heizelementen (1) der hige Substanzen geeigneten Wärmeaustauschers, welcher die

übernächsten Kühl- bzw. Heizelementreihe (2', 3') verlaufen, obgenannten Nachteile der bisher bekannten Wärmeaustau-

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekenn- scher nicht aufweist, das heisst bei dem eine Verkrustung der zeichnet, dass die Kühl- bzw. Heizelemente (1) einer Kühl- 50 Wärmeaustauschflächen bei einem Minimum an Druckverbzw. Heizelementreihe (2) gegenüber den mindestens annä- lust und einem Optimum an erzielbarer Wärmeübertragung hernd parallel verlaufenden Kühl- bzw. Heizelementen (1) sowie mit möglichst geringen Strömungspulsationen bei der der übernächsten Kühl- bzw. Heizelementreihe (2') in Durch- Durchströmung des Wärmeaustauschers, sicher vermieden Strömrichtung (X) des Wärmeaustauschers gesehen, Vorzugs- wird.

weise um den halben seitlichen Mittenabstand (m) zwischen 55 Die Aufgabe wird bei einem Wärmeaustauscher der ein-zwei zueinander benachbarten Kühl- bzw. Heizelementen (1) gangs genannten Art erfindungsgemäss nach dem Kenneiner Kühl- bzw. Heizelementreihe, zueinander versetzt zeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

angeordnet sind. Bei einer solchen erfindungsgemässen Ausbildung des

7. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, Wärmeaustauschers bewirken die ganz speziell gewählten dadurch gekennzeichnet, dass der für die zu kühlende oder zu «0 Dimensionierungszusammenhänge, dass beim Durcherwärmende hochviskose fliessfähige Substanz bestimmte strömen der hochviskosen Substanz durch den Wärmeaus-geradlinige Durchflussraum (4) durch einen in Längsrichtung tauscher die gesamte Längsseite der Flachrohre sich im des Wärmeaustauschers sich erstreckenden, einen rechteck- Bereich einer hydrodynamischen Anlaufstrecke befindet, förmigen, vorzugsweise quadratischen, oder sechseckför- was eine wesentliche Verbesserung des Wärmeüberganges migen Querschnitt aufweisenden Rohrabschnitt (5) gebildet 65 zwischen der vorbeifliessenden hochviskosen Substanz und wird, und der letztere derart innerhalb einer zylindrischen der Flachrohrwandung zur Folge hat.

Ummantelung (6) angeordnet ist, dass zwischen den ein- Trotzdem wird beim Durchströmen eines solchen erfin-

zelnen Aussenflächen (7,8,9,10) des rechteck- bzw. sechs- dungsgemäss ausgebildeten Wärmeaustauschers ein sehr

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gleichmässiger, nahezu pulsationsfreier Fliessvorgang in der durchfliessenden hochviskosen Substanz sowie zusätzlich eine Vermeidung einer Verkrustung der Flachrohroberflächen erreicht. Nach dem jeweiligen Austreten der derart durchfliessenden Substanz aus einer Flachrohrgruppe werden die Substanz-Teilströme sehr sanft zu einem einzigen Substanz-Strom zusammengefasst und zur Erzielung eines gleichmässigen Wärmeaustauschs über den gesamten Fliessquerschnitt der durchfliessenden hochviskosen Substanz, zur Vermeidung einer bei hochviskosen Substanzen sonst sehr ausgeprägten Verkrustungstendenz der Flachrohroberflächen sowie zur Erzielung der hydrodynamischen Anlauf-Strecken, mittels einer nachfolgenden Flachrohrgruppe erneut und unterschiedlich gegenüber vorher wieder in Teilströme aufgeteilt, wobei die erfmdungsgemässen Dimensio-nierungszusammenhänge einen entscheidenden Einfluss haben. Ferner wird beim erfmdungsgemässen Wärmeaustauscher eine laminare Durchströmung bewirkt, was für hochviskose fliessfähige Substanzen von ausschlaggebender Bedeutung ist, da bei einer hochviskosen Substanz bei turbulentem Fliessen der Druckwiderstand äusserst stark ansteigt.

Vorteilhafte Weiterausgestaltungen des erfmdungsgemässen Wärmeaustauschers sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 7.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste beispielsweise Ausführungsform eines erfmdungsgemässen Wärmeaustauschers zum Erhitzen einer hochviskosen Flüssigkeit,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1;

Fig. 4 eine Stirnansicht in Richtung des Pfeiles A in Fig. 1;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Teil einer zweiten beispielsweisen Ausführungsform eines erfmdungsgemässen Wärmeaustauschers; und

Fig. 6 eine Stirnansicht in Richtung des Pfeiles B in Fig. 5.

Wie aus den Fig. 1 bis 4 ersichtlich, sind die Heizelemente 1 des dargestellten Wärmeaustauschers reihenweise nebeneinander und um die Distanz a voneinander distanziert einerseits in quer zur Durchströmrichtung X des Wärmeaustauschers verlaufenden, und anderseits in der Durchströmrichtung X des letzteren voneinander distanzierten, zueinander parallelen Ebenen angeordnet.

Dabei sind die Heizelemente 1 als Flachrohre zur Durchleitung eines Heizmediums ausgebildet und mit ihren Breitseiten parallel und mit ihren Schmalseiten.

Dabei sind die Heizelemente 1 als Flachrohre zur Durchleitung eines Heizmediums ausgebildet und mit ihren Breitseiten parallel und mit ihren Schmalseiten senkrecht zur Strömungsrichtung der zu kühlenden bzw. zu erwärmenden strukturviskosen, fliessfähigen Substanz verlaufend angeordnet. Diese Heizelemente 1 weisen im Querschnitt betrachtet eine Breite b von 5 bis 12 mm und eine Höhe h von 50 bis 80 mm, das heisst in Strömungsrichtung eine geringe Tiefe, auf, so dass die Heizelemente 1 im Gebiet der sogenannten Anlaufstrecke und somit im Gebiet erheblich verbesserten Wärmeüberganges arbeiten.

Um einerseits einen möglichst kompakten Wärmeaustauscher zu erhalten, anderseits jedoch einen möglichst homogenen Übergang der Strömung in die nachfolgende Heizelementreihe zu erzielen, ist der Stirnseite Abstand c zwischen je s zwei zueinander benachbarten Heizelementreihen 2 und 3 kleiner als der Mittenabstand m zwischen zwei zueinander benachbarten flachrohrförmigen Heizelementen 1 dieser Reihe 2 und 3.

Mittels dieses Abstandes c wird sichergestellt, dass die zu io erwärmende fliessfähige Substanz nach jedem Durchgang durch eine Heizelemente-Reihe gründlich durchmischt wird, bevor sie in die nachfolgende Heizelement-Reihe eintritt, wodurch die Bildung von Kurzschlussströmen vermieden wird.

ls Der Abstand a zwischen zwei seitlich zueinander benachbarten Heizelementen 1 liegt zur Erzielung eines möglichst geringen Druckverlustes des Wärmeaustauschers im Bereich von 7 bis 10 mm.

Um eine möglichst vollständige, gleichmässige Aufteilung 20 der durch den Wärmeaustauscher durchströmenden, strukturviskosen fliessfähigen Substanz in eine Vielzahl von Teilströmen zu erreichen, schneiden die in zwei aufeinanderfolgenden Ebenen angeordneten Heizelemente 1 in Durchströmrichtung X des Wärmeaustauschers gesehen einander 25 wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich unter einem'Winkel von 90°.

Um eine möglichst einfache, kompakte Konstruktion des Wärmeaustauschers zu ermöglichen, wird der für die zu erwärmende fliessfähige Substanz bestimmte geradlinige 30 Durchflussraum 4 durch einen in Längsrichtung des Wärmeaustauschers sich erstreckenden, einen quadratischen Querschnitt aufweisenden Rohrabschnitt 5 gebildet. Die Längskanten 5a, 5b, 5c und 5d liegen an der Innenseite einer zylindrischen Ummantelung 6 an und sind mit dieser flüssig-35 keitsdicht verschweisst. Auf diese Weise werden zwischen den einzelnen Aussenflächen 7,8,9 und 10 des einen quadratischen Querschnitt aufweisenden Rohrabschnittes 5 und der Innenseite der zylindrischen Ummantelung 6 vier in Längsrichtung des Wärmeaustauschers sich erstreckende Kanäle 40 11,12,13 und 14 gebildet. Das Heizmedium wird über den Stutzen 15 in den Kanal 14 geleitet. Eine in letzterem einge-schweisste Absperrscheibe 16 bewirkt eine Umlenkung des in den Kanal 14 zugeführten Heizmediums über die flachrohrförmigen Heizelemente 1 in den gegenüberliegenden Kanal 45 12 und von diesem wieder zurück in den abströmseitigen Teil des Kanals 14 und somit in den Austrittsstutzen 17.

Bei der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform sind zu der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so so dass sich eine nochmalige Beschreibung dieser Teile erübrigt.

Bei dieser in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform sind je vier aufeinanderfolgende Heizelementreihen 2, 3,2', 3' in einem als eine Einheit 18,19 mit benachbarten Einheiten 18 und 20 lösbar verbundenen Wärmeaustauscher-55 abschnitt zusammengefasst, so dass zum Reinigen der Heizelemente 1 je zwei Heizelementreihen von je einer Stirnseite eines jeden solchen Abschnittes her gut zugänglich sind.

Zur noch besseren Aufteilung der durch den Wärmeaustauscher strömenden strukturviskosen fliessfähigen Substanz 60 in mehrere Teilströme sind die flachrohrförmigen Heizelemente 1 einer Heizelementreihe gegenüber den parallel verlaufenden flachrohrförmigen Heizelementen 1 " der übernächsten Heizelementreihe in Durchströmrichtung des Wärmeaustauschers gesehen um den halben seitlichen Abstand 65 zwischen zwei zueinander benachbarten flachrohrförmigen Heizelementen einer Heizelementreihe zueinander versetzt angeordnet.

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6 Blatt Zeichnungen