DE10123219A1

DE10123219A1 - Wärmetauscher zum Erwärmen eines Produktes, insbesondere einer Masse zur Herstellung von Süßwaren

Info

Publication number: DE10123219A1
Application number: DE10123219A
Authority: DE
Inventors: Johannes Gierlings
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-05-12
Filing date: 2001-05-12
Publication date: 2003-01-16
Also published as: WO2002093099A1; EP1389295A1; US6880623B2; US20040089441A1

Abstract

Ein Wärmetauscher (10) besteht aus einem Gehäusemantel (11) und konzentrisch innerhalb des Gehäusemantels (11) angeordneten Rohrstücken (14 bis 20). Von den Rohrstücken (14 bis 20) werden zwischen zwei den Gehäusemantel (11) an seinen Stirnseiten verschließenden Aufnahmeplatten (12, 13) Heizräume (21 bis 24) und Produkträume (42 bis 45) ausgebildet. Während das zu erwärmende Produkt den Wärmetauscher (10) mäanderförmig durchströmt, durchströmt das Heizmedium den Wärmetauscher (10) auf kurzen Wegen von einem Mediumzulaufstutzen (51) in Richtung eines Mediumablaufstutzens (52). Der erfindungsgemäße Wärmetauscher (10) zeichnet sich durch einen relativ einfachen Aufbau aus und eignet sich insbesondere für Massen in der Süßwarenindustrie unter Verwendung von Dampf als Heizmedium.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Erwärmen eines Produktes, insbesondere einer Masse zur Herstellung von Süßwaren, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus dem US 5,246,062 bekannt ist. Bei dem bekannten Wärmetauscher ist das Produkt innerhalb parallel und nebeneinander angeordneter Rohre gleichen Durchmessers geführt. In den stirnseitigen Abschlußelementen des Gehäusemantels des Wärmetauschers befinden sich Ausnehmungen, die zusammen mit den Rohren einen mäanderförmigen Produktweg ausbilden. Der Zulauf für das Heizmedium befindet sich im oberen Teil des zylindrisch ausgebildeten Gehäusemantels, während der Ablauf im unteren Teil angeordnet ist. Nachteilig bei dem bekannten Wärmetauscher ist, daß für das Heizmedium kein definierter Strömungsweg innerhalb des Gehäuses geschaffen wird.

Vielmehr ragen die das Produkt führenden Rohre quer in den Strömungsweg des Heizmediums hinein, so daß der Wärmeübergang vom Heizmedium in das Produkt und somit der Wirkungsgrad des bekannten Wärmetauschers noch nicht optimal ist. Dies ist auch durch Toträume bedingt, die nur unzureichend vom Heizmedium durchströmt werden. Weiterhin dehnt sich ein Produkt, wenn es erwärmt wird, innerhalb der Rohre aus. Da bei dem bekannten Wärmetauscher der Rohrdurchmesser für das Produkt stets gleich groß ist, nimmt somit der Druck des Produktes bei einer Erwärmung entlang des Produktweges stetig zu, was zu einer Verschiebung der Siedelinie des Produktes und zu Festigkeitsproblemen führen kann bzw. eine entsprechende Dimensionierung der Rohre erforderlich macht.

Weiterhin ist aus der DE 29 07 770 C2 ein Wärmetauscher bekannt, bei dem sowohl das Produkt, als auch das Heizmedium jeweils mäanderförmig hin- und hergeführt wird. Nachteilig dabei ist u. a. jedoch dessen relativ komplizierter Aufbau infolge der jeweils mäanderförmigen Strömungswege.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher zum Erwärmen eines Produktes, insbesondere einer Masse zur Herstellung von Süßwaren, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß er infolge definierter Strömungswege für das Heizmedium einen relativ hohen Wirkungsgrad aufweist. Weiterhin stellt er infolge sich erweiternder Produktwegquerschnitte festigkeitsmäßig relativ geringe Ansprüche und wirkt der Verschiebung der Siedelinie infolge eines sich ansonsten erhöhenden Druckes des Produktes entgegen. Zuletzt ist er auch konstruktiv relativ einfach aufgebaut.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers zum Erwärmen eines Produktes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Wenn die im Querschnitt ringförmigen Räume für das Heizmedium von ringförmigen Abschlußplatten verschlossen sind, die wiederum über Rohre mit den Aufnahmeplatten verbunden sind, kann auf konstruktiv einfache Weise der mäanderförmige Weg für das Produkt verwirklicht werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in einem vereinfachten Längsschnitt und

Fig. 2 einen gegenüber der Fig. 1 abgewandelten Wärmetauscher unter Weglassung der stirnseitigen Abschlußdeckel sowie einiger, die Heiz- bzw. Produkträume ausbildender Rohrstücke in Explosionsdarstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in den Figuren dargestellte Wärmetauscher 10 dient vorzugsweise zum Erwärmen einer Masse zur Herstellung von Süßwaren, z. B. einer Zucker-Glucosesirup-Lösung unter Verwendung von Dampf als Heizmedium. Der Wärmetauscher 10 weist einen äußeren, vorzugsweise zylindrisch bzw. rohrförmig ausgebildeten Gehäusemantel 11 auf. An den Stirnseiten des Gehäusemantels 11 ist jeweils eine Aufnahmeplatte 12, 13 angeordnet, die die jeweilige Stirnseite des Gehäusemantels 11 vollständig überdeckt und mit dem Gehäusemantel 11 fest verbunden ist.
Jeweils konzentrisch zueinander sowie innerhalb des Gehäusemantels 11 sind Rohrstücke 14 bis 20 mit jeweils unterschiedlichen Durchmessern angeordnet. Dabei bildet der Gehäusemantel 11 zusammen mit dem Rohrstück 14 einen ersten Heizraum 21, die beiden Rohrstücke 15, 16 einen zweiten Heizraum 22, die beiden Rohrstücke 17, 18 einen dritten Heizraum 23 und die beiden Rohrstücke 19, 20 einen vierten Heizraum 24 aus, wobei die Heizräume 21 bis 24 im Querschnitt jeweils ringförmig sind. Die Heizräume 21 bis 24 sind an ihren Stirnseiten von kreisringförmigen Abschlußplatten 27 bis 34 begrenzt. In den Abschlußplatten 27 bis 34 sind Bohrungen 36 ausgebildet, die mit Rohrstücken 37, 38 ausgerichtet sind, welche auf der den Heizräumen 21 bis 24 abgewandten Seite der Abschlußplatten 27 bis 34 angeordnet sind und in entsprechenden Bohrungen 39 der Aufnahmeplatten 12, 13 dichtend hineinragen. Die Rohrstücke 37, 38 schließen auf der den Heizräumen 21 bis 24 abgewandten Seite mit den Stirnflächen der Aufnahmeplatten 12, 13 bündig ab.
Im Ausführungsbeispiel sind mit jeder der Abschlußplatten 27 bis 34 jeweils vier Rohrstücke 37, 38 verbunden, welche in regelmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnet sind, was insbesondere aus der Fig. 2 ersichtlich ist. Dabei ist zur Vermeidung von Toträumen bzgl. des Dampfes und zur Abfuhr des abgekühlten, kondensierten Dampfes die Anordnung der Rohrstücke 37, 38 derart gewählt, daß sich zumindest jeweils ein Rohrstück 37, 38 sowohl im oberen Bereich, als auch im unteren Bereich des Wärmetauschers 10 befindet.
Wesentlich dabei ist auch, daß jeder der Heizräume 21 bis 24 mit jeweils kurzen Rohrstücken 37 auf der einen Seite, sowie auf der gegenüberliegenden Seite mit jeweils langen Rohrstücken 38 gekoppelt ist. Weiterhin ist der Abstand zwischen zwei jeweils gegenüberliegenden Abschlußplatten 27 bis 34 eines Heizraumes 21 bis 24 geringer als der Abstand der beiden Aufnahmeplatten 12, 13 zueinander. Ferner liegen die mit den kurzen Rohrstücken 37 verbundenen Anschlußplatten 27, 30, 31 und 34 direkt an der jeweils zugewandten Aufnahmeplatte 12, 13 an, während die mit den langen Rohrstücken 38 verbundenen Abschlußplatten 28, 29, 32 und 33 zu der jeweils zugewandten Aufnahmeplatte 12, 13 beabstandet sind.
Das zentral im Gehäusemantel 11 angeordnete Rohrstück 20, welches auf der einen Seite mit der Abschlußplatte 33 verbunden ist, durchdringt die Aufnahmeplatte 13 in einer entsprechenden Bohrung und bildet auf der der Abschlußplatte 33 gegenüberliegenden Seite einen Zulaufstutzen 41 aus, durch den die zu erwärmende Masse in den Wärmetauscher 10 eintritt. Das Innere des Rohrstücks 20 bildet einen ersten Produktraum 42 aus. Weitere, im Querschnitt jeweils ringförmig ausgebildete und konzentrisch zueinander angeordnete Produkträume 43, 44 und 45 sind zwischen den Aufnahmeplatten 12, 13 angeordnet und werden durch die Rohrstücke 14 bis 19 begrenzt. Der äußerste Produktraum 45 ist mit einem Ablaufstutzen 46 verbunden, durch den die zu erwärmende Masse aus dem Wärmetauscher 10 austritt. Die Verbindung der einzelnen, und wie bereits erläutert, konzentrisch zueinander angeordneten Produkträume 42 bis 45 untereinander erfolgt über die Bereiche zwischen den Abschlußplatten 28, 29, 32 und 33 und den jeweils dazu beabstandet angeordneten Aufnahmeplatten 12, 13. In diesen Überströmbereichen zwischen den einzelnen Produkträumen 42 bis 45 sind jeweils nur die langen Rohrstücke 38 angeordnet, welche ein Überströmen der Masse von dem einen Produktraum 42 bis 44 in den anderen Produktraum 43 bis 45 nur unwesentlich stören.
Die Aufnahmeplatten 12, 13 sind auf der den Heizräumen 21 bis 24 abgewandten Seite von jeweils einem gewölbten Abschlußdeckel 47, 48 vollständig überdeckt. Der eine Abschlußdeckel 48 begrenzt zusammen mit der Aufnahmeplatte 13 einen Eintrittsraum 49 für das Heizmedium, insbesondere Dampf, während der andere Abschlußdeckel 47 zusammen mit der Aufnahmeplatte 12 einen Austrittsraum 50 begrenzt. Während der Zulaufstutzen 41 und der Ablaufstutzen 46 den Abschlußdeckel 47 durchdringen, ohne mit dem Eintrittsraum 49 in Kontakt zu stehen, ist ein Mediumzulaufstutzen 51 mit dem Abschlußdeckel 48 verbunden, der in den Eintrittsraum 49 mündet. Am Grund 53 des Abschlußdeckels 47 ist weiterhin ein Mediumablaufstutzen 52 angeordnet, der mit dem Austrittsraum 50 in Verbindung steht.
In der Fig. 2 ist der eben beschriebene Wärmetauscher 10 zur Verdeutlichung seines Aufbaus in Explosionsdarstellung dargestellt. In der Fig. 2 wird der besseren Übersichtlichkeit wegen jedoch auf die Darstellung der Abschlußdeckel 47, 48 sowie der Rohrstücke 17, 18 (welche sich im Gehäusemantel 11 befinden und mit der Aufnahmeplatte 12 verbunden sind) verzichtet. Weiterhin ist ersichtlich, daß am Außenumfang des Rohrstücks 15 gegenüber dem Wärmetauscher gemäß Fig. 1 zusätzlich ein wendelförmig ausgebildetes Produktleitblech 55 angeordnet ist. Ein weiteres Produktleitblech 56 ist am Außenumfang des Rohrstücks 19 angeordnet. Diese Produktleitbleche 55, 56 sind vorzugsweise über die gesamte Länge des entsprechenden Produktraums 43 bis 45 sowie dessen gesamten Querschnitt angeordnet. Mit den Produktleitblechen 55, 56 wird bewirkt, daß die zu erwärmende Masse innerhalb des entsprechenden Produktraums 43 bis 45 nicht auf dem kürzesten Weg vom Eintritt zum entsprechenden Austritt strömt, sondern entlang des entsprechenden Produktleitblechs 55, 56 wendelförmig geführt wird, so daß sich die Durchlaufstrecke und somit auch die Durchlaufzeit des entsprechenden Produktes bzw. der entsprechenden Masse erhöht.
Darüber hinaus können, wenn auch nicht dargestellt, sogenannte Mischkörper innerhalb der Produkträume 42 bis 45 angeordnet sein. Bei diesen Mischkörpern, welche bereits allgemein bekannt sind, handelt es sich um ortsfeste Körper, die der besseren Durchmischung der zu erwärmenden Masse dienen.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher 10 arbeitet wie folgt:
Von einem nicht dargestellten Dampferzeuger gelangt das unter Druck stehende Heizmedium (Dampf) über den Mediumzulaufstutzen 51 in den Eintrittsraum 49, wo es sich gleichmäßig verteilt. Über die kurzen Rohrstücke 37 bzw. die langen Rohrstücke 38 gelangt der Dampf in die Heizräume 21 bis 24, in denen der Dampf in Richtung der Aufnahmeplatte 12 strömt. Dann tritt der Dampf aus den Heizräumen 21 bis 24 über die kurzen Rohrstücke 37 bzw. die langen Rohrstücke 38 in den Austrittsraum 50 aus. Sollte, der Dampf nach dem Durchströmen der Heizräume 21 bis 24 unter seine Kondensationstemperatur abgekühlt sein, so tritt der Dampf als Kondensat in flüssiger Form aus dem Ablaufstutzen 52 heraus. Wesentlich bei der Strömungsführung des Dampfes bzw. des Heizmediums ist somit, daß der Dampf den Wärmetauscher 10 aus Richtung der einen Aufnahmeplatte 13 in Richtung der anderen Aufnahmeplatte 12 geradlinig und somit geführt durchströmt. Demgegenüber tritt die zu erwärmende Masse über den Zulaufstutzen 41 und den ersten Produktraum 42 in den Wärmetauscher 10 ein. Von dort strömt die zu erwärmende Masse über die Abschlußplatte 33 radial nach außen in den zweiten Produktraum 43 hinein. Im zweiten Produktraum 43 strömt die zu erwärmende Masse in Richtung der Aufnahmeplatte 13 zurück, wo sie über die Abschlußplatte 32 radial nach außen in den dritten Produktraum 44 eintritt. Im Produktraum 44 strömt die Masse wieder in Richtung der Aufnahmeplatte 12 zurück, wo sie über die Abschlußplatte 29 radial nach außen in den vierten Produktraum 45 überströmt.
Aus dem vierten Produktraum 45 strömt die Masse schließlich in Richtung der Aufnahmeplatte 13 zurück, von wo sie durch wenigstens eine entsprechende Öffnung in den Ablaufstutzen 46 und anschließend aus dem Wärmetauscher 10 gelangt. Zur Darstellung des eben beschriebenen mäanderförmigen Strömungsweges des Produktes bzw. der zu erwärmenden Masse sind in der Fig. 1 Strömungspfeile 57 eingezeichnet, die den Weg des Produktes durch den Wärmetauscher 10 verdeutlichen sollen. Beim Vorhandensein von Produktleitblechen 55, 56 strömt das zu erwärmende Produkt innerhalb des Wärmetauschers 10, wie bereits beschrieben, nicht auf dem direkten Weg innerhalb der Produkträume 42 bis 45, sondern auf wendelförmigem Wege. Während des Durchströmens der zu erwärmenden Masse durch den Wärmetauscher 10 nimmt die Temperatur der zu erwärmenden Masse in gewünschter Weise zu, indem eine Wärmeübertragung von dem den Wärmetauscher 10 durchströmenden Dampf in den Heizräumen 21 bis 24 in die Produkträume 42 bis 45 stattfindet. Dieser Wärmeübergang kann selbstverständlich durch eine entsprechende Wahl des Materials bzw. der Dicke der einzelnen Rohrstücke 14 bis 20 beeinflußt werden. Ferner ist der Wärmeübergang von der Durchsatzmenge des Dampfes sowie der Länge der Heizräume 21 bis 24, der Anzahl der Produkträume 42 bis 45 sowie der Durchflußmenge des zu erwärmenden Produktes abhängig.
Der oben beschriebene Wärmetauscher 10 kann in vielfältiger Weise konstruktiv abgeändert werden. So ist es beispielsweise denkbar, die einzelnen Heizräume 21 bis 24 mit separaten Mediumzulaufstutzen zu versehen, über die das Heizmedium mit unterschiedlichen Temperaturen, Drücken oder Strömungsrichtungen in den Wärmetauscher 10 geleitet werden kann. Ferner kann sowohl für die Heizräume 21 bis 24 als auch für die Produkträume 42 bis 45 ein sich jeweils erweiternder bzw. verengender Querschnittsverlauf vorgesehen sein. Auch die Anzahl der Heizräume 21 bis 24 und der Produkträume 42 bis 45 kann gegenüber dem in der Beschreibung dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel unterschiedlich sein. Zuletzt ist es auch denkbar, mehrere Ablaufstutzen 46 für das Produkt vorzusehen, die gegebenenfalls mit unterschiedlichen Produkträumen 42 bis 45 in Verbindung stehen können und durch entsprechende Schaltung unterschiedlich lange Produktwege erzeugen können. Fertigungstechnisch kann der Wärmetauscher 10 sowohl als Schweißkonstruktion als auch als zerlegbare Konstruktion mit entsprechenden Schraub- und Dichtverbindungen ausgeführt sein.

Claims

1. Wärmetauscher (10) zum Erwärmen eines Produktes, insbesondere einer Masse zur Herstellung von Süßwaren, mit einem vorzugsweise zylindrisch ausgebildeten Gehäusemantel (11), mit an den Stirnseiten des Gehäusemantels (11) angeordneten Aufnahmeplatten (12, 13), in denen Rohre (14 bis 20) für ein Medium gelagert sind, die sich innerhalb des Gehäusemantels (11) parallel zueinander erstrecken, mit die Aufnahmeplatten (12, 13) auf der den Rohren (14 bis 20) gegenüberliegenden Seite überdeckenden Abschlußdeckeln (47, 48), mit einem Zulauf (51) und einem Ablauf (52) für ein Heizmedium sowie einem Zulauf (41) und einem Ablauf (46) für das zu erwärmende Produkt, wobei das Produkt zur Verlängerung der Einwirkzeit des Heizmediums mäanderförmig geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (14 bis 20) unterschiedliche Durchmesser aufweisen und konzentrisch zueinander angeordnet sind, daß von zwei jeweils zueinander benachbarten Rohren (14 bis 20) bzw. dem Gehäusemantel (11) jeweils ein im Querschnitt ringförmiger Raum (21 bis 24) für das Heizmedium ausgebildet ist und daß das Heizmedium im Bereich der einen Aufnahmeplatte (13) in die ringförmigen Räume (21 bis 24) eingeführt und im Bereich der anderen Aufnahmeplatte (12) aus den ringförmigen Räumen (21 bis 24) ausgeleitet wird.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils einen ringförmigen Raum (21 bis 24) für das Heizmedium ausbildenden Rohre (14 bis 20) an ihren Stirnseiten von jeweils einem Abschlußring (27 bis 34) verschlossen sind, daß die Länge der Rohre (14 bis 20) samt der Abschlußringe (27 bis 34) geringer ist als der Abstand der beiden Aufnahmeplatten (12, 13) zueinander, daß mit jedem Abschlußring (27 bis 34) wenigstens ein Zulauf- bzw. Abflußrohr (37, 38) für das Heizmedium verbunden ist, daß die Zulauf- und Abflußrohre (37, 38) in den Aufnahmeplatten (12, 13) dichtend gelagert sind und daß in Bezug auf eine Aufnahmeplatte (12, 13) radial benachbarte Abschlußringe (27 bis 34) zur Bildung der mäanderförmigen Produktführung abwechselnd an der jeweiligen Aufnahmeplatte (12, 13) anliegen bzw. zu dieser beabstandet sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem Abschlußring (27 bis 34) mehrere, vorzugsweise vier Zulauf- oder Ablaufrohre (37, 38) verbunden sind und daß die Zulauf- und Ablaufrohre (37, 38) jeweils in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnet sind.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf (41) für das Produkt zentral in Bezug auf die Aufnahmeplatten (12, 13) angeordnet ist und innerhalb des Gehäusemantels (11) einen ersten Raum (42) für das Produkt ausbildet, daß das Produkt von dem ersten Raum (42) radial in den ersten ringförmigen Raum (43) eintritt und von dort ebenfalls radial in die nachfolgenden ringförmigen Räume (44, 45) übertritt, so daß der Ablauf (46) für das Produkt mit dem radial äußersten ringförmigen Raum (45) gekoppelt ist.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Aufnahmeplatten (12, 13) überdeckenden Abschlußdeckel (47, 48) gewölbt ausgebildet sind, so daß zwischen den Abschlußdeckeln (47, 48) und den Aufnahmeplatten (12, 13) ein Eintrittsraum (49) und ein Austrittsraum (50) für das Heizmedium gebildet wird.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf (51) und der Ablauf (52) für das Heizmedium an den gegenüberliegenden Abschlußdeckeln (48, 49) angeordnet sind und daß der Ablauf (52) am Grund (53) des Austrittsraums (50) angeordnet ist.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Produktweg ortsfeste Misch- oder Führungselemente (55, 56) angeordnet sind.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungselemente (55, 56) wendelförmig ausgebildet sind und vorzugsweise über die gesamte Länge der konzentrisch zueinander angeordneten Rohre (14 bis 20) verlaufen sowie den Raum zwischen zwei benachbarten Rohren (14 bis 20) zur Bildung von wendelförmigen Produktwegen radial vollständig ausfüllen.