CN102235836A - 管式热交换器的连接元件 - Google Patents

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Abstract

一种管式热交换器的连接元件，用于将具有至少一个产品排出管的管式热交换器的热交换器元件连接到介质流系统，其中连接元件具有通孔，其特征在于，在所述通孔的周围形成介质流分离缘。

Description

管式热交换器的连接元件
技术领域
本发明涉及一种用于将具有至少一个产品输送管的管式热交换器的热交换器元件连接到介质流系统(flow system)的连接元件。
背景技术
当具有一个或者多个热交换器元件的管式热交换器被用于纤维产品(fibrous products)时，在形成管束的内管区域中会发生纤维阻塞热交换器元件的供给的情况，其中，这些内管形成了用于产品的流动通道。为了防止这种情况，现有技术已经提出了在入口区域中部的流入通道中布置紊流发生器，以借助于产生的紊流来避免沉积。
例如，在EP 1 604 162 B1和DE 10 2005059463 B4公开的管式热交换器中，管支撑板入口区域的流动借助于产品流动时所围绕的排出器(displacer)影响。
在DE 696 12 998 T2中公开的管式热交换器中，在热交换器的管的与流动方向相反的端部设置有偏转板，该偏转板具有介质流分配器(flow distributor)，其中，介质流分配器的面向产品流的面是凸出的面。
然而，这些已知排出器的缺点在于这些排出器的制造复杂，这些排出器通常在面对和背对产品流的方向上必须具有不同的复杂形状，特别地，也会发生所不期望的和破坏性的阴影效应。
发明内容
本发明的基本目的是成型一种用于管式热交换器的连接元件，其中该管式热交换器具有至少一个热交换器元件和至少一个产品输送管，从而可减少或避免管式热交换器的热交换器元件入口区域的纤维沉积。
根据本发明，模块化的部件作为连接元件被预先布置在热交换器元件的入口区域中，由此，该部件形成紊流用的介质流分离缘，该介质流分离缘绕外周延伸(run)并且优选是圆形的，但并不必须是圆形。这实现了纤维沉积的明显减少或者完全避免，使得相应地配置的或者改进的系统实现了更长的寿命，相应的维修间隔也可以变长，并且在维修期间，该系统更易于清洁管式热交换器的热交换器元件的入口区域。而且，该连接元件的制造简单和，易于将连接元件安装到新的管式热交换器，易于在已有管式热交换器上进行改进。
由于该介质流分离缘，可进一步实现流速的相应控制以及紊流的产生，其结果是，由此减少管式热交换器的入口区域处的纤维沉积。同时，产品流通常从产品输送管流出并进入到热交换器元件的内部。这意味着产品流从连接元件的上游流入到连接元件并且从该连接元件流出并进入到热交换器元件，由此，该热交换器元件例如直接位于连接元件的下游。因此，产品借助于连接元件从产品输送管中流出并进入热交换器元件的产品输送管可以像连接弯管那样弯曲或者可以是直管。连接元件通常具有轴对称截面。连接元件的纵轴还优选地与管式热交换器的热交换器元件的纵轴对应。其中，该管式热交换器的热交换器元件可包括例如多个用于引导产品的内管，其中内管由管支撑板保持。
因此，连接元件可模块化地安装在管式热交换器的热交换器元件和至少一个产品输送管之间。可模块化安装的连接元件易于安装、易于改进已有系统以及在必要时易于维修。连接元件的制造与管式热交换器的制造以及连接到该连接元件的其它填充系统的制造是独立的(decoupled)，相应地易于制造该连接元件。
有利地是，连接元件的通孔的周围的介质流分离缘可以是锥形或者圆弧形。这些形状有利于介质流分离缘处的介质流分离。
介质流分离缘形成为与连接元件的纵轴成角度α，该角度α最大可为90°。借助于相应形成的介质流分离缘，更有利于紊流产生以及介质流分离，其中介质流分离缘与流动方向成角度α。
连接元件的通孔例如可形成为关于连接元件的纵轴对称。利用选择的这种形式，将特别地简化连接元件的制造并且实现上述的流动优点。
因此，通孔可以赋予圆形，其结果是，除了对流动方面的优点外，还具有制造方面的优点。
所述通孔在所述介质流分离缘的区域中的内径可以为di，所述通孔的内径典型地从背对所述热交换器元件的入口开口部处的第一内径d1减小到所述介质流分离缘的区域中的内径di，接着从所述内径di增加到面对所述热交换器元件的出口开口部处的第二内径d2。其中，所述介质流分离缘的区域位于所述入口开口部和所述出口开口部之间，其中典型地，di比d1和d2都小。为了说明，可将入口开口部的面作为具有第一内径d1的第一面，并且将出口开口部的面作为具有第二内径d2的第二面。在介质流分离缘的区域中，通孔的位于第一面和第二面之间的面可以具有内径di，内径di比内径d1和内径d2都小。由于内径不同，实现流速的相应控制，并且在介质流分离缘的区域、也就是内径为di的面上特别有利于紊流的产生，其结果是，由此减少在管式热交换器的入口区域中的纤维沉积。
在有利的构成中，连接元件可形成为关于通孔对称，其结果是，除了具有流动方面的优点外，还具有制造方面的优点。因此，为了说明，可以认为连接元件以如下方式形成：使连接元件的与位于具有第一内径d1的第一面和具有第二内径d2的第二面之间的面是对称的。利用选择的这种形状，连接元件特别容易制造并且仍然能够实现上述流动方面的优点。
在另一构成中，第二内径d2比第一内径d1大。通过这种方式，特别地，可在管式热交换器的热交换器元件的一侧上通过更大的截面分配产品，并且产品流可相应地被更好地控制。
通孔的内径可以例如从入口开口部的第一内径d1连续地改变成内径di，接着从内径di连续地改变成出口开口部的内径d2。因此，为了说明，可以认为上述根据本发明的连接元件的截面例如从第一面的第一内径d1连续地改变成内径di，并且进一步从内径di连续地改变成第二面的第二内径d2。第一面和第二面典型地具有相同的定向(orientation)。连接元件的内径的稳定、柔和的改变进一步有利于流动控制，特别是在介质流分离缘前方的区域以及介质流分离缘后方的区域。
在另一有利的构成中，根据本发明的连接元件在入口开口部和介质流分离缘之间的区域中可包括缺口(凹部)、特别是扇形的缺口(凹部)。介质流分离缘在上述区域中可借助于该缺口(凹部)被有效地延长，从而能相应地放大产生的紊流，这在管式热交换器的入口区域的下游减少纤维沉积具有积极的效果。
扇形的缺口(凹部)可关于连接元件的纵轴轴对称地布置。
作为例子，在各扇形缺口之外、特别是各扇形缺口之间，通孔的内径可在具有内径d1的入口开口部和具有内径di的介质流分离缘的区域之间从所述第一内径d1起连续地减小到所述内径di。通过这种方式，内径可以与前述实施方式类似的方式在扇形缺口(凹部)之间变化，也就是在没有缺口的区域中变化。由于从内径d1到内径di的稳定变化，特别地可以在介质流分离缘的区域中聚集产生的紊流。因此，连接元件的内径的稳定、柔和的变化有利于流动控制。
本发明还提供了一种管式热交换器，其具有至少一个热交换器元件以及根本发明的上述的连接元件，所述热交换器元件带有套管和至少一个内管。该管式热交换器在其前侧具有预先配置的根据本发明的连接元件，该管式热交换器元件的优点在于，在热交换器元件中的流入区域可相应地控制纤维沉积并且减少纤维沉积。
本发明还提供一种介质流系统的改进方法，所述介质流系统具有管式热交换器，所述管式热交换器具有至少一个热交换器元件和至少一个产品输送管，所述方法包括：将所述热交换器元件的一端连接到所述连接元件的面对所述热交换器元件的一侧；以及将所述连接元件的背对所述热交换器元件的一侧连接到所述产品输送管。通过该改进方法，可有利地提高管式热交换器的效率、维护以及操作时间。
附图说明
使用附图说明本发明主题的实施方式。附图为：
图1是具有至少一个热交换器元件的典型的管式热交换器模块的示意性纵向截面图，其中，该热交换器元件具有根据本发明的连接元件。
图1A示出了图1所示的管式热交换器的热交换器元件的供给区域中的管支撑板。
图1B示出了使用根据本发明的连接元件来连接多个热交换器元件的图。
图2是根据本发明的第一实施方式的示意性图示。
图2A是图2中的实施方式沿着图2中绘制的剖切线截取的截面图。
图3是根据本发明另一实施方式的示意性图示。
图3A是图3中的实施方式沿着图3中绘制的剖切线截取的截面图。
图4是根据本发明的又一实施方式的示意性图示，该实施方式为图3中的实施方式的变型。
图4A是图4中的实施方式沿着图4中绘制的剖切线截取的截面图。
具体实施方式
图1示出了管式热交换器，其具有至少一个热交换器元件1和另一产品输送管13，其中，热交换器元件1和另一产品输送管13均连接到弯曲的另一产品输送管、即连接弯管6。具有至少一个热交换器元件1、产品输送管13以及连接弯管6的管式热交换器是如下类型的管式热交换器：例如，用于食品的热处理(加热或者冷却)过程中的液态食品(水、果汁、牛奶)的装瓶和填充领域中。多个模块、即多个热交换器元件1能够被内置到管式热交换器中，以获得产品的尽可能长的流动路径。在图1中，通过端部的相应的安装法兰12来实现另一产品输送管13与连接弯管6的连接。在图1中，连接元件11被配置用于法兰12之间的连接。因此，连接元件11例如可以是与根据本发明的连接元件7同类型的另一元件，或者是简单的转接器(adapter)或者间隔件。
图1中的管式热交换器的热交换器元件1具有套管2，套管优选地是例如由不锈钢(然而也可以由其它合金，例如，也可以由钛、锌或特殊塑料)制成，在套管的每个端部具有安装法兰8，这里仅示出了左侧的安装法兰8，安装法兰8用于安装如图1所示的系统中的热交换器元件1。在套管2中设置有一个或者多个内管3，由此，这些内管3与套管2在安装法兰8之间大致近轴地(paraxially)延伸。在图1的实施方式中，多个内管3典型地被组合成管束。主介质流在内管3中循环，其中，该主介质流是能够包含例如果浆或纤维片的添加纤维的流质食品。副介质流典型地在套管2中循环，以使得主介质流在内管3中流动时可实现温度交换(制冷或者加热)。
热交换器元件的供给区域中的一个或者多个内管3的管束被管支撑板5保持，由此，该管支撑板5实质上垂直于热交换器元件1的纵轴安装。图1A示出组合有7个内管的管支撑板5的例子的示意性俯视图。
图1中所示的管13可以是与热交换器元件1相同类型的另一热交换器元件。主介质流的流动方向例如是从管13流入连接弯管6并由连接弯管6流入热交换器元件1，该热交换器元件1借助于根据本发明的连接元件7连接到连接弯管6。其中，位于管13的流动端部处的连接元件11可以是与根据本发明的连接元件7同一类型的另一连接元件。连接元件11还可以仅具有转接器功能而不具有如下所述的任何门形缩颈部(gate-likenarrowing)。图1B示出了管式热交换系统中的多个热交换器元件彼此连接的例子，其中，在该例子中连接弯管6均使主介质流偏转180度。由此，如图1和1B所示，连接元件7和11能够被分别安装在管1的流入区域和管13的流出区域，还可以将根据本发明的连接元件7安装在管1的流入区域和管13的流出区域(这里未示出)。
在图1和图1B中，由诸如水的适当热交换介质组成的副介质流没有经过连接弯管6偏转，取而代之的是利用连接管10和具有法兰10a的连接件直接偏转到下一个热交换器元件，该连接件也可包括阀。通常，副介质以与主介质的流动方向相反的方向流动。因此，这种情况下，连接弯管6仅使主介质流偏转。图1通过示例说明了连接管10如何直接地连接到套管2。如图1B所示，也能够借助侧部的连接端子10b来连接连接管，以使得能够传递副介质流。此外，连接弯管也可以使副介质流偏转(未示出)，由此，可以去除连接管10，并且副介质流被适当地流过根据本发明的连接元件。
图1、图1A和图1B示出的连接元件7和11体现为单独的模块化元件。然而，还可以将参照图2至图4描述的与元件7、17和27相同类型的本发明的连接元件集成到连接弯管6或者集成到流入区域中的管束，例如，连接元件与管支撑板5组合在一起。如图1和1B所示的管式热交换器的总长度可以为大约3.0m，6.0m或者更长。
图2和图2A示出了管式热交换器的根据本发明的用于将连接弯管6联接到热交换器元件1的连接元件7的典型实施方式。图2示出连接元件17的与纵轴成直角的横截面，并且因此典型地与热交换器元件1的纵轴成直角。产品例如通过连接弯管6流入具有内管3的热交换器元件1，通过内管3赋予了流动方向。由于连接元件7适当地分别安装有法兰9和8，连接元件7被模块化地插入到连接弯管6的输出法兰9和热交换器元件1的输入法兰8之间的联接区域。连接元件7可具有适于安装在法兰9和8之间的适当的安装支架14以及介质流分离缘(缩颈部)7′，介质流分离缘具有门形效果(gate-like effect)并且例如关于法兰8和9以及热交换器元件1的纵轴轴对称。图2A是连接元件7的沿IIA线截取的相应截面图。介质流分离缘7′形成在连接元件7的通孔的周围。介质流分离缘7′围绕该通孔延伸。如图2所示，该介质流分离缘7′形成为轴向对称的圆形并且内径为di。该连接元件还具有背离管式热交换器的热交换器元件1的入口开口部和面对热交换器元件1的出口开口部。这样，在入口开口部的一侧形成背对管式热交换器并且第一内径为d1的第一面；在出口开口部的一侧形成内径为d2的第二面。当从连接元件看去时，第一面位于产品流的上游，而第二面位于产品流的下游。远离管式热交换器的热交换器元件1的一侧的内径d1与连接弯管6的内径大致对应。内径d2与管式热交换器的热交换器元件1的套管的内径大致对应，其中，在各种情况中，内径是对于纵轴而言的。如图2A所示，通孔的内径优选对称地、连续地(平滑地)减小，直至内径di到达介质流分离缘的区域。由于内径减小所形成的形状与球面段(spherical surface sgement)大致类似。流体流流过该连接元件所经过的介质流分离缘7′典型的是锥形或者圆弧形。在锥形的情况下，该锥形沿流动方向形成。因此，优选圆弧形的介质流分离缘7′的指向实质上垂直于连接元件的纵轴。作为例子，在面对热交换器元件的一侧设置能够保持适当的O形圈的O形凹槽18。在图2A中这些凹槽形成为大致圆形，但是也能想到其它合适形状的凹槽。同样的，在上游侧同样可具有O形凹槽(在此未示出)。
图3示出了对于流动而言进一步有利的连接元件17的另一构成。图3示出了连接元件17的与纵轴成直角的横截面。图3中的连接元件17的设计与图2中所示的连接元件7的设计类似。与连接元件7类似，连接元件17能够用于连接图1、1A和1B所示的连接弯管和热交换器元件。该连接元件具有安装支架16、O形凹槽15和围绕内径为di的面(开口部)延伸的介质流分离缘(缩颈部)17′。该连接元件还具有入口开口部和出口开口部，入口开口部具有形成在远离管式热交换器的热交换器元件1的一侧上的内径为d1的面，出口开口部具有形成在靠近管式热交换器的热交换器元件的一侧上的内径为d2的面。图3A是连接元件的沿图3中绘制的线IIIA截取的截面图。与图2A所示的方式类似，通孔优选地关于纵轴对称地从内径为d1的入口开口部向内径为di的介质流分离缘17′连续地呈杯状或与球面段(球形盖)状地减小。在靠近管式热交换器的热交换器元件1的一侧上，通孔的内径再次增加，直至到达出口开口部区域的内径d2，有利地是，内径d2与管束的套管的尺寸相同并且因此大于内径d1。与图2A相同，图3A中所示的O形凹槽18位于连接元件的下游侧。
因此，介质流分离缘17′可以被依次锥形或者圆弧形并且绕通孔周围延伸，介质流分离缘17′的指向成角度α，该角度α是相对于纵轴测量的。该角度α的数值可根据环境来选择，在所示出的例子的情况中，例如大约为45-60°，其它数值也是可行的，该角度最大可达90°。在图3A中，将借助连接元件17而连接到连接弯管的管式热交换器的热交换器元件1的内径大于连接弯管的内径。相应地，介质流分离缘(缩颈部)17′的形状和定向有利于介质流分离，并且因此控制减少管式热交换器1的热交换器元件入口区域中的纤维沉积。
图4示出了连接元件27的对于流动进一步有利的另一构成。与连接元件7类似，连接元件27可用于连接图1、图1A和图1B所示的连接弯管和热交换器元件。图4示出了连接元件27的与纵轴成直角的横截面。图4A示出连接元件的沿图4中绘制的IVA线截取的截面图。连接元件27同样具有合适的安装支架26。在图4中示出了O形凹槽25。基于图3和图3A的连接元件，图4示意性地示出了内径为d1的入口开口部和介质流分离缘27′的区域之间的区域初始地以与图3和图3A类似的方式形成。在该区域中额外形成例如多个扇形、优选对称的缺口(凹部)。图4示出了例如6个扇形的缺口(凹部)。因此，如图4A所示，通孔的内径在各个缺口(凹部)之间沿纵轴在流动方向上减小，直到介质流分离缘的直径di，其中，通孔的内径是在没有缺口的部分减小。如图3和图3A已经说明的，通孔内径的减小是杯状的或者球面段状的。如图4A中所示，介质流分离缘27′指向流动方向并且与连接元件的纵轴成角度α，其中，该角度能够取与环境相应的数值，例如，与图3和图3A中所述的类似的数值。如已参照图3和图3A中所讨论的，介质流分离缘27′可以是锥形或者圆弧形。如图2A和图3A所示的那样，在图4A中O形凹槽18位于连接元件的下游侧。
在所示的实施方式中，连接元件的宽度略小于50mm。管式热交换器的热交换器元件的内径优选可以是140mm，但也可以形成为更大的内径。连接弯管的内径大小例如可达80mm，但是具有更大内径的其它形式也是可行的。
附图中所示的根据本发明的连接元件能被模块化地改进应用到现有的管式热交换器，其中，在改进方法的构架中，在连接元件被连接到面对热交换器元件一侧的热交换器元件状态下，连接元件被插入到管式热交换器的热交换器元件的端部和产品输送管之间，并且相应地连接到产品输送管或者背对热交换器元件一侧的其它热交换器元件。也可以想到在系统中应用多个如图1B所示的热交换器元件，在该系统中，除了使用元件11那样的类型的转接器元件外，还使用根据本发明的各种连接元件7、17、27。

Claims (15)

1.一种连接元件(7、17、27)，用于将具有至少一个产品输送管(6)的管式热交换器的热交换器元件(1)连接到介质流系统，其中所述连接元件(7、17、27)具有通孔，所述连接元件的特征在于，在所述通孔的周围形成介质流分离缘(7′、17′、27′)。
2.根据权利要求1所述的连接元件(7、17、27)，其特征在于，所述连接元件(7、17、27)能被模块化地安装在所述热交换器元件(1)和所述至少一个产品输送管之间。
3.根据权利要求1或2所述的连接元件(7、17、27)，其特征在于，所述介质流分离缘(7′、17′、27′)为锥形或圆弧形。
4.根据上述权利要求中的任一项所述的连接元件(7、17、27)，其特征在于，所述介质流分离缘(7′、17′、27′)形成为与所述连接元件(7、17、27)的纵轴成角度α，其中α最大为90度。
5.根据上述权利要求中的任一项所述的连接元件(7、17、27)，其特征在于，所述通孔形成为关于所述连接元件的纵轴对称。
6.根据上述权利要求中的任一项所述的连接元件(7、17、27)，其特征在于，所述通孔形成为圆形。
7.根据权利要求6所述的连接元件，其特征在于，所述通孔在所述介质流分离缘(7′、17′、27′)的区域中的内径为di，从背对所述热交换器元件(1)的入口开口部起，所述通孔的内径从第一内径d1减小到所述介质流分离缘的区域中的内径di，并且从所述内径di增加到面对所述热交换器元件(1)的出口开口部处的第二内径d2，所述介质流分离缘的区域位于所述入口开口部和所述出口开口部之间，其中di比d1和d2都小。
8.根据上述权利要求中的任一项所述的连接元件(7)，其特征在于，所述连接元件形成为关于所述通孔对称。
9.根据权利要求7所述的连接元件(17、27)，其特征在于，所述第二内径d2大于所述第一内径d1。
10.根据权利要求6-9中的任一项所述的连接元件(7、17、27)，其特征在于，所述通孔的内径从所述入口开口部的第一内径d1连续地改变成所述内径di，并且从所述内径di连续地改变成所述出口开口部的第二内径d2。
11.根据权利要求6-10中的任一项所述的连续元件(27)，其特征在于，所述连接元件(27)包括位于所述入口开口部和所述介质流分离缘之间的区域内的缺口，该缺口特别地是扇形缺口。
12.根据权利要求11所述的连续元件(27)，其特征在于，所述扇形缺口关于所述连接元件(27)的纵轴轴向对称地布置。
13.根据权利要求11-12中的任一项所述的连续元件(27)，其特征在于，在各扇形缺口之外、特别是各扇形缺口之间，所述通孔的内径在具有第一内径d1的入口开口部和具有内径di的介质流分离缘的区域之间从所述第一内径d1连续地减小到所述内径di。
14.一种管式热交换器，其具有至少一个热交换器元件(1)以及根据上述权利要求中的至少一项所述的连接元件(7、17、27)，所述热交换器元件(1)带有套管(2)和至少一个内管(3)。
15.一种介质流系统的改进方法，所述介质流系统具有包括至少一个热交换器元件(1)和至少一个产品输送管(6)的管式热交换器，所述方法包括：
将所述热交换器元件(1)的一端连接到根据权利要求1至11中任一项所述的连接元件(7、17、27)的面对所述热交换器元件(1)的一侧；以及
将所述连接元件(7、17、27)的背对所述热交换器元件(1)的一侧连接到所述产品输送管(6)。
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