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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher aus zylindrischen,
komplett aus Graphit gefertigten Blockmodulen.
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Blockwärmetauscher
aus Graphit werden z.B. in der chemischen Industrie, insbesondere
für Wärmeaustauschprozesse,
an denen korrosive Medien beteiligt sind, eingesetzt. Produktmedien
und Servicemedien werden im Kreuzgegenstrom geführt. Der Aufbau eines solchen
Apparates nach dem Stand der Technik ist beispielsweise aus dem
Firmenprospekt „®Diabon
Blockwärmetauscher" der SGL Carbon Group
bekannt und wird in 1 gezeigt.
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Auf
einer Grundplatte sind zylindrische Blockmodule 1, 1', 1''... zu einer Blocksäule übereinander
gestapelt. Die Blockmodule sind kreuzgebohrt, d.h. mit einer Vielzahl
Längs-
und Querkanäle
versehen (in der Literatur z.T. auch als "„axiale
Bohrungen" und „radiale
Bohrungen" bezeichnet).
Die Längskanäle 2 setzen
sich jeweils in den benachbarten Blockmodulen 1, 1', 1''... fort, so dass durchgehende
Strömungswege
gebildet werden. Üblicherweise
strömt durch
die Längskanäle 2 das
ggf. korrosive Produktmedium.
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Die
Querkanäle 4,
die in übereinander
liegenden Ebenen und nebeneinander stehenden Reihen parallel angeordnet
sind, münden
in den von einem Stahlmantel 5 umschlossenen Außenraum 6. Dieser
Außenraum 6 wird
durch ein Leitscheibengerüst 7 aus
Stahl in einzelne Volumenabschnitte, in welche jeweils eine Anzahl
Querkanäle 4 einmündet, unterteilt.
Jeder Volumenabschnitt erstreckt sich über mehrere Reihen und Ebenen
von Querkanälen 4.
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Das
Servicemedium tritt durch einen seitlichen Einlaufstutzen 9 am
unteren Ende der Blocksäule
in den Außenraum 6 ein
und füllt
dort einen ersten, vom Leitscheibengerüst 7 begrenzten Volumenabschnitt.
Da das Leitscheibengerüst 7 ein
Weiterströmen
im Außenraum 6 verhindert,
wird das Servicemedium in die in diesen Volumenabschnitt mündenden
Querkanäle 4 umgelenkt.
Nach Durchströmen
dieser ersten Gruppe von Querkanälen 4 tritt das
Servicemedium in den gegenüberliegenden
Volumenabschnitt des Außenraums 6 aus,
wird dort durch das Leitscheibengerüst 7 wieder umgelenkt und
zum Durchströmen
einer nächsten
Gruppe in diesen Volumenabschnitt einmündender Querkanäle 4 gezwungen.
Auf diese Weise wird das Servicemedium beim Durchströmen der
Blocksäule
mehrfach umgelenkt, so dass sich Produkt- und Servicemedienstrom
mehrfach kreuzen und ein intensiver Wärmeaustausch erfolgt. Am oberen
Ende der Blocksäule
verlässt
das Servicemedium den Außenraum 6 durch
einen seitlichen Auslaufstutzen 8.
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Am
Eintritt und Austritt des Produktmediums werden die Längskanäle 2 in
einem oberen und in einem unteren Kopfstück 10, 11 jeweils
zu einer Kammer 12, 13 zusammengeführt. Natürlich kann
die Strömungsrichtung
der Medien auch umgekehrt werden, dann vertauschen sich die Funktionen
von Einlaufstutzen 9 und Auslaufstutzen 8 bzw.
Produkteintrittskammer 12 und Produktaustrittskammer 13.
Entscheidend ist, dass beide Medien im Gegenstrom geführt werden,
also kaltes und heißes
Medium nicht von derselben Seite in den Apparat eintreten, da sonst
der Werkstoff einer zu hohen Temperaturdifferenz ausgesetzt wäre.
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Alternativ
sind die Kopfstücke 10, 11 in
mehrere Teilkammern, in die jeweils eine Gruppe von Längskanälen 2 mündet, unterteilt,
so dass -analog zur Umlenkung des Servicemediums durch das Leitscheibengerüst 7 im
Außenraum 6-
auch der Produktmedienstrom umgelenkt wird und die Blocksäule mehrfach
in Längsrichtung
durchströmt.
Das Produktmedium tritt beispielsweise durch den Einlass in die
erste Teilkammer des oberen Kopfstücks 10 ein und strömt durch
die in diese erste Teilkammer mündenden
Längskanäle 2 in
die erste Teilkammer des unteren Kopfstücks 11. In diese mündet eine
weitere Gruppe von Längskanälen 2,
durch welche das Produktmedium nun zur nächsten Teilkammer des oberen
Kopfstücks 10 zurückströmt. Dort
wird das Produktmedium erneut umgelenkt und strömt durch eine weitere Gruppe
von Längskanälen 2 in
die nächste Teilkammer
des unteren Kopfstücks 11.
Diese ist entweder mit dem Auslass 13 verbunden, so dass
das Produktmedium hier die Blocksäule verlässt, oder es werden weitere
Umlenkungen durch entsprechende Teilkammern im oberen und unteren
Kopfstück
bewirkt, bis schließlich
die letzte Teilkammer mit dem Auslass erreicht ist.
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Die
Fugen zwischen den übereinander
gestapelten Blockmodulen sind durch Dichtungen 3 aus PTFE
verschlossen. Der den Außenraum 6 umschließende Stahlmantel 5 ist
auf der Grundplatte 14 fest verankert. Zur Abdichtung zwischen
Grundplatte 14 und unterem Kopfstück 11 ist eine Flachdichtung 15 aus
einem Elastomer, z.B. EPDM, vorgesehen. Die Blocksäule wird über das
obere Kopfstück 10 verspannt,
während
der Stahlmantel 5 frei beweglich durch eine Runddichtung
aus einem Elastomer, z.B. EPDM, gegen das obere Kopfstück 10 abgedichtet wird.
Die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Graphit und Stahl
wird über
Schraubenfedern 16 ausgeglichen.
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Für Anwendungsfälle mit
hohem Druck werden die Blockmodule an ihren Umfangsflächen unter hoher
Vorspannung mit Carbonfasern oder/und anderen Verstärkungsfasern
umwickelt, so dass eine Armierung gebildet wird. Dank des elastischen
Verhaltens der Carbonfasern bleibt die Vorspannung auch bei stark
wechselnder oder schwellender Belastung erhalten. Bei der Herstellung
der Armierung ist jedoch zu berücksichtigen,
dass die Mündungen
der Querkanäle 4 nicht
verschlossen werden dürfen.
Daher ist entweder ein relativ kompliziertes, die Mündungen
der Querkanäle 4 aussparendes
Wickelmuster nötig,
oder es können
nur einzelne, keine Mündungen
von Querkanälen 4 aufweisende
Bereiche der Umfangsflächen
der Blockmodule umwickelt werden. In beiden Fällen wird keine gleichmäßige, sich über die
gesamte Umfangsfläche
erstreckende Armierung erhalten.
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Ein
weiterer Nachteil der Blockwärmetauscher
nach dem Stand der Technik ist der relativ komplexe Aufbau aus mehreren
Teilen (Blocksäule,
Mantel und Leitscheibengerüst)
aus unterschiedlichen Werkstoffen.
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Bei
der Abdichtung und Verspannung der Blocksäule ist die unterschiedliche
thermische Ausdehnung von Stahl und Graphit zu berücksichtigen. Um
die Unterschiede in der Ausdehnung zu kompensieren, sind „bewegliche" Runddichtungen aus
Elastomerwerkstoffen nötig.
Diese Werkstoffe sind jedoch nur begrenzt korrosionsbeständig. Es
ist aber nicht möglich,
alle Dichtungen aus dem korrosionsbeständigeren Werkstoff PTFE auszubilden,
denn PTFE ist nicht elastisch und nicht formstabil genug für bewegliche
Dichtungen.
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Die
Korrosionsbeständigkeit
des Stahls ist geringer als die des Graphits. Wenn sowohl auf der Produkt-
als auch auf der Serviceseite korrosive Medien geführt werden
sollen, muss der Stahlmantel 5 innenseitig extra mit einem
Korrosionsschutz, beispielsweise in Form einer Gummierung, PTFE-Beschichtung
oder Emaillierung, versehen werden.
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In
der
DE 1 065 865 wurde
ein Bauprinzip für Wärmetauscher
vorgestellt, mit dem diese Schwierigkeiten überwunden werden sollen. Der
Wärmetauscher
besteht aus einzelnen übereinander
gestapelten Blöcken
aus Graphit. Jeder Block ist von zwei Gruppen sich im Blockinneren
kreuzender Kanäle durchzogen.
Die zwei Gruppen von Kanälen
dienen der Führung
von zwei verschiedenen Medienströmen.
Die sich kreuzenden Kanäle
münden
an mindestens einer Stirnfläche
jedes Blocks in mindestens zwei je einem Medium zugehörigen Öffnungen
aus.
DE 1 065 865 offenbart
zu diesem Bauprinzip verschiedene spezielle Ausführungsarten. In den meisten
Ausführungen
verlaufen die Kanäle
mindestens einer Gruppe oder beider Gruppen schräg im Blockinneren, d.h. in
einem spitzen Winkel zur Stirnfläche.
Bei dieser Art der Kanalführung
ist jedoch die Raumausnutzung innerhalb der Blöcke begrenzt.
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In
einer Ausführungsform
mit zylindrischen Blöcken
sind die obere und untere Stirnfläche jedes Blocks mit einer
konischen Ausnehmung versehen, in welche jeweils die Kanäle einer
Gruppe einmünden.
An der jeweils gegenüberliegenden
Stirnfläche münden die
Kanäle
der entsprechenden Gruppe in senkrecht von der Stirnfläche ausgehende
Verteilerbohrungen. Nachteilig ist an dieser Ausführungsform, dass
zwischen den beiden konischen Ausnehmungen in der oberen und der
unteren Stirnfläche
des Blocks nur eine dünne
Zwischenwand stehenbleibt. Dadurch wird die mechanische Stabilität des Blocks vermindert.
Außerdem
sind die Mündungen
der Kanäle
in der Stirnfläche
in sektorförmigen
voneinander getrennten Gruppen angeordnet. Das bedeutet, dass die
im Inneren eines solchen Sektors befindlichen Kanäle nur von
Kanälen
der gleichen Gruppe umgeben sind und demzufolge eine große räumliche
Distanz zu den Kanälen
des anderen Mediums haben. Dadurch wird die Effizienz des Wärmeaustauschs zwischen
beiden Medienströmen
vermindert. Insgesamt ist der Aufbau der Blöcke relativ kompliziert, so dass
zu ihrer Herstellung ein großer
Aufwand und hohe Präzision
erforderlich sind.
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Ausführungsarten
mit längs
und quer verlaufenden Kanälen,
d.h. Kanälen,
die wie in den Blöcken in
1 senkrecht und waagerecht
zur Stirnfläche des
Blocks verlaufen, werden in
DE
1 065 865 nur für sog.
rechteckige, d.h. quaderförmige
Blöcke
offenbart. Den quaderförmigen
Block durchziehen Längskanäle (von
der oberen zur unteren Stirnfläche)
und Querkanäle
(von der rechten zur linken Seitenfläche). Die Anbohröffnungen
der Querkanäle
sind durch den Seitenflächen
des Blocks vorgesetzte Platten aus Graphit verschlossen. Die Querkanäle kommunizieren
mit senkrecht zu ihnen verlaufenden Verteilerkanälen, welche in den Stirnflächen der
Blöcke
in solchen Bereichen ausmünden,
in denen sich keine Mündungen
von Längskanälen befinden.
Wegen der Notwendigkeit, die seitlichen Anbohröffnungen der Querkanäle durch
auf die Seitenflächen
aufgesetzte Platten aus Graphit zu verschließen, ist diese Ausführungsart
auf quaderförmige
Blöcke
beschränkt.
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Es
ist jedoch bevorzugt, Wärmetauscher-Blocksäulen aus
vollständig
rotationssymmetrischen (zylindrischen) Blockmodulen aufzubauen. Rotationssymmetrische
Bauteile lassen sich leichter fertigen (durch kontinuierliche Drehverfahren
mit gleichmäßiger Belastung
des Drehmeißels
anstelle von Formgebung mit diskontinuierlicher Drehmeißelbelastung
oder durch Fräsen):
Außerdem
können runde
Bauteile von innen wirkende Kräfte
wie beim Betrieb des Wärmetauschers
auftretende Druckbelastungen leichter aufnehmen, weil sich deren
Wirkungen gleichmäßiger verteilen
als beispielsweise in einem quaderförmigen Körper. Darüber hinaus lassen rotationssymmetrische
Bauteile mit einer geschlossenen, von Erhebungen (wie z.B. im vorstehend
beschriebenen Stand der Technik die vorgesetzten Platten zum Verschließen der
Anbohröffnungen)
und Vertiefungen freien Umfangsfläche ohne weiteres mit einer
gewickelten Armierung aus Carbon- oder anderen geeigneten Verstärkungsfasern versehen.
Dadurch können
Blockmodule mit einer sehr hohen Druckfestigkeit erhalten werden.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, dass die beiden Medienströme durch waagerecht und senkrecht
zu den Stirnflächen
des Blockmoduls verlaufende Kanäle
(also Längs-
und Querkanäle
wie in 1) geführt werden,
da diese Anordnung der Kanäle
die bestmögliche
Raumausnutzung innerhalb der Blockmodule erlaubt.
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Aus
diesen Anforderungen resultierte die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ausschließlich aus
Graphit bestehende rotationssymmetrische Blockmodule, die parallel
und senkrecht zu den Stirnflächen
verlaufende Strömungswege
für zwei
im Kreuzgegenstrom zu führende
Medien enthalten, bereitzustellen, wobei die Umfangsflächen der
Blockmodule geschlossen und frei von Erhebungen oder Vertiefungen
sind.
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Der
Blockwärmetauscher
entsprechend der vorliegenden Erfindung enthält verspannt zwischen einem
oberen und einem unteren Kopfstück
mindestens ein oder mehrere übereinander
gestapelte zylindrische rotationssymmetrische Blockmodule. Sowohl die
Kopfstücke
als auch die Blockmodule bestehen komplett aus Graphit. Ein Kopfstück enthält einen Einlass
für einen
ersten Medienstrom und einen Auslass für einen zweiten Medienstrom,
das andere Kopfstück
einen Einlass für
den zweiten Medienstrom und einen Auslass für den ersten Medienstrom.
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Die
Blockmodule sind so gestaltet, dass zu ihrer Formgebung im wesentlichen
nur Bearbeitung durch Dreh- und Bohrprozesse sowie Zusammenfügen und
Verkitten nötig
ist.
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In
jedem Blockmodul wird der erste Medienstrom (meist der Produktmedienstrom)
durch sich von der ersten zur zweiten Stirnfläche parallel zur Längsachse
des Blockmoduls erstreckende Kanäle
(im folgenden als Längskanäle bezeichnet)
geführt,
die sich jeweils in den benachbarten Blockmodulen fortsetzen, so
dass innerhalb der Blocksäule
in Längsrichtung
durchgehende Strömungswege
gebildet werden. Die Längskanäle des in
Strömungsrichtung
ersten Blockmoduls werden im angrenzenden Kopfstück zusammengeführt und
mit dem Einlass für diesen
Medienstrom verbunden. Die Längskanäle des in
Strömungsrichtung
letzten Blockmoduls werden im angrenzenden Kopfstück zusammengeführt und
mit dem Auslass für
diesen Medienstrom verbunden.
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Die
Längskanäle können in
den Kopfstücken jeweils
zu Kammern zusammengeführt
werden, an der sich der Einlass bzw. der Auslass für das erste Medium
befindet. In einer anderen Bauart enthalten die Kopfstücke zur
Zusammenführung
der Längskanäle mehrere
Teilkammern. In einem der Kopfstücke ist
eine erste Teilkammer mit dem Einlass für das erste Medium verbunden
und erstreckt sich über
die Mündungen
einer ersten Gruppe von Längskanälen. Die
erste Teilkammer im anderen Kopfstück erstreckt sich über die
Mündungen
der ersten Gruppe von Längskanälen und
einer zweiten Gruppe von Längskanälen, die
als nächstes
durchströmt
werden soll. Jede weitere Teilkammer in den Kopfstücken verbindet
die Mündungen
zweier nacheinander zu durchströmenden
Gruppen von Längskanälen miteinander.
Die Längskanäle der zuletzt
durchströmten Gruppe
münden
in eine letzte Teilkammer in einem der Kopfstücke, die mit dem Auslass für das erste Medium
verbunden ist. So wird ein mehrfacher Durchgang des ersten Medienstroms
durch die Blocksäule
erreicht.
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Der
zweite Medienstrom (meist das Servicemedium) wird durch parallel
zu den Stirnflächen
des Blockmoduls und senkrecht zu den Längskanälen verlaufende, in mehreren
Reihen und Ebenen parallel angeordnete Kanäle geführt, wobei der zweite Medienstrom
in jedem Blockmodul den ersten Medienstrom mindestens einmal kreuzt.
Die Kanäle
für den zweiten
Medienstrom werden im folgenden als Querkanäle bezeichnet.
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Die
Verteilung des zweiten Medienstroms auf die Querkanäle erfolgt
durch eine im Inneren des Blockmoduls an einer Umfangsseite angeordnete Verteilvorrichtung.
Die Zusammenführung
der Teilströme
aus den Querkanälen
erfolgt durch eine im Inneren des Blockmoduls an der der Verteilvorrichtung gegenüberliegenden
Umfangsseite angeordnete Sammelvorrichtung. Die Verteil- und die
Sammelvorrichtung befinden sich in Umfangsnähe, d.h. in der Nähe der Außenwand
des Blockmoduls. Jeder Querkanal erstreckt sich von der Verteil- bis zu der Sammelvorrichtung,
ohne die Außenwand
des Blockmoduls zu durchdringen.
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Die
Verteilvorrichtung hat an der ersten Stirnfläche des Blockmoduls mindestens
eine Einlassöffnung,
die Sammelvorrichtung hat an der anderen Stirnfläche des Blockmoduls mindestens
eine Auslassöffnung.
Die Auslassöffnungen
der Sammelvorrichtung eines Blockmoduls sind mit den Einlassöffnungen
der Verteilvorrichtung des folgenden Blockmoduls verbunden. Dadurch
wird der zweite Medienstrom aus den Querkanälen eines ersten Blockmoduls
in die Querkanäle
des jeweils nächsten Blockmoduls
geleitet.
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Die
Einlassöffnungen
der in Strömungsrichtung
des zweiten Mediums ersten Verteilvorrichtung in der Blocksäule sind
mit dem Einlaufstutzen für
dieses Medium verbunden, der sich im angrenzenden Kopfstück befindet.
Die Auslassöffnungen
der in Strömungsrichtung
des zweiten Mediums letzten Sammelvorrichtung in der Blocksäule sind
mit dem Auslaufstutzen für
dieses Medium verbunden, der sich im angrenzenden Kopfstück befindet.
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Die
Fugen zwischen den aufeinander folgenden Blockmodulen sind mit Dichtungen
bevorzugt aus PTFE abgedichtet. Zwei kreisförmig umlaufende Dichtungen
umschließen
auf den aneinander grenzenden Stirnflächen der aufeinander folgenden Blockmodule
den Bereich, in dem sich die miteinander kommunizierenden Auslassöffnungen
der Sammelvorrichtung und Einlassöffnungen der Verteilvorrichtung
befinden, und dichten diese nach außen und gegen den Bereich der
miteinander kommunizierenden Längskanäle ab. Die
Fugen zwischen erstem Blockmodul und angrenzenden Kopfstück bzw.
letztem Blockmodul und angrenzendem Kopfstück sind ebenfalls durch zwei
umlaufende Dichtungen abgedichtet, welche den Bereich der Einlassöffnungen
der Verteilvorrichtung des ersten Blockmoduls bzw. der Auslassöffnungen
der Sammelvorrichtung des letzten Blockmoduls und der mit ihnen
kommunizierenden Verbindungen zu den Ein- bzw. Auslaufstutzen für das zweite
Medium in den Kopfstücken
nach außen
und gegen den Bereich der Längskanäle und der mit
diesen kommunizierenden Verbindungen zu den Ein- bzw. Auslaufstutzen
für das
erste Medium in den Kopfstücken
abdichten
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Entscheidend
für die
vorliegende Erfindung ist, dass sich die Querkanäle in den Blockmodulen zwischen
den im Blockinneren befindlichen Verteil- und Sammelvorrichtungen
erstrecken, ohne die Außenwände der
Blockmodule zu durchdringen. Ggf. bei der Herstellung der Querkanäle entstandene
Anbohröffnungen
werden so verschlossen, dass die Oberfläche des Verschlusses bündig mit
der Außenwand
des Blockmoduls ist, so dass diese keinerlei Öffnungen, Erhebungen oder Vertiefungen
aufweist. Daher können
die Umfangsflächen
der Blockmodule des erfindungsgemäßen Blockwärmetauschers vorteilhafterweise
vollflächig
mit einer Armierung aus Carbonfasern umwickelt werden.
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Weil
wegen der erfindungsgemäßen Führung des
zweiten Medienstroms innerhalb der Graphitblöcke kein Stahlmantel mit Leitscheibengerüst benötigt wird,
besteht der erfindungsgemäße Blockwärmetauscher
im wesentlichen aus Graphit als einzigem Werkstoff. Da keine unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungen von Blockmodulen und Stahlmantel berücksichtigt
werden müssen,
entfällt
die Notwendigkeit einer beweglichen Dichtung. Der erfindungsgemäße Blockwärmetauscher
enthält
daher nur Dichtungen zwischen den einzelnen Blockmodulen und bzw.
zwischen den Kopfstücken
und den angrenzenden Blockmodulen, die aus dem relativ korrosionsbeständigen Material
PTFE angefertigt werden können.
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Die
Blocksäule
des erfindungsgemäßen Wärmetauschers
einschließlich
oberem und unterem Kopfstück
kann einfach zwischen zwei Spannplatten mittels Zugankern und Druckfedern
verspannt werden. Die Druckfedern bewirken den Ausgleich der unterschiedlichen
thermischen Ausdehnung von Blockmodulen und Zugankern.
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Im
erfindungsgemäßen Blockwärmetauscher
durchfließen
sowohl Service- als auch Produktmedien nur von Graphit umgebene
Strömungswege, daher
müssen
keine zusätzlichen
Vorkehrungen getroffen werden, falls beide Medienströme korrosive Medien
enthalten.
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In
einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung fungieren die
Sammel- und Verteilvorrichtungen zusätzlich als Umlenkvorrichtungen,
um einen mehrfachen Durchgang des zweiten Mediums pro Blockmodul
und damit eine häufigere
Kreuzung der beiden Medienströme
zu bewirken. Dafür
sind die Verteil- und Sammelvorrichtungen durch Trennstege oder
Umlenkelemente in mehrere Teilbereiche unterteilt. Der erste Teilbereich
der Verteilvorrichtung besitzt an der ersten Stirnfläche des
Blockmoduls mindestens eine Einlassöffnung für das zweite Medium und erstreckt
sich über
die Mündungen
der Querkanäle
eines zuerst zu durchströmenden
Blockabschnittes. Das Medium durchströmt diese Querkanäle und erreicht
den ersten Teilbereich der Sammelvorrichtung. Dieser erstreckt sich über die
Mündungen
der Querkanäle
des zuerst durchströmten
Blockabschnitts und des Blockabschnitts, der als nächstes durchströmt werden
soll. Jeder weitere Teilbereich der Verteil- und Sammelvorrichtungen
verbindet wieder die Mündungen
der Querkanäle
in einem zuerst zu durchströmenden
Blockabschnitt mit denen des danach zu durchströmenden Blockabschnitts und
lenkt so den zweiten Medienstrom aus den Querkanälen des ersten Blockabschnitts
in die Querkanäle
des nächsten
Blockabschnitts um. Aus dem zuletzt durchströmten Blockabschnitt wird das
Medium schließlich
zu mindestens einer Auslassöffnung
an der zweiten Stirnfläche
des Blockmoduls geleitet.
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Weitere
Merkmale und Details der Erfindung werden in der folgenden ausführlichen
Beschreibung und den Figuren erläutert.
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Die
Figuren zeigen
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1 Aufbau
eines Blockwärmetauschers nach
dem Stand der Technik
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2a eine
erste grundlegende Bauart des erfindungsgemäßen Blockwärmetauschers (Längsschnitt
durch die Blocksäule
entlang der Querkanäle und
Querschnitt eines einzelnen Blockmoduls)
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2b die
erste grundlegende Bauart des erfindungsgemäßen Blockwärmetauschers gegenüber 2a um
90° gedreht
(Seitenansicht und Längsschnitt
durch die Blocksäule
sowie Querschnitt eines einzelnen Blockmoduls)
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3a eine
zweite grundlegende Bauart des erfindungsgemäßen Blockwärmetauschers (Längsschnitt
durch die Blocksäule
entlang der Querkanäle und
Querschnitt eines einzelnen Blockmoduls)
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3b die
zweite grundlegende Bauart des erfindungsgemäßen Blockwärmetauschers gegenüber 3a um
90° gedreht
(Seitenansicht und Längsschnitt
durch die Blocksäule
sowie Querschnitt eines einzelnen Blockmoduls)
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4a erfindungsgemäßes Blockmodul
der ersten Bauart mit zweifachem Durchgang des Servicemediums pro
Blockmodul
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4b erfindungsgemäßes Blockmodul
der ersten Bauart mit dreifachem Durchgang des Servicemediums pro
Blockmodul
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5a erfindungsgemäßes Blockmodul
der zweiten Bauart mit zweifachem Durchgang des Servicemediums pro
Blockmodul
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5b erfindungsgemäßes Blockmodul
der zweiten Bauart mit dreifachem Durchgang des die Querkanäle durchströmenden Servicemediums
pro Blockmodul
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Der
erfindungsgemäße Blockwärmetauscher kann
in zwei verschiedenen grundsätzlichen
Bauarten realisiert werden.
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In
der ersten Bauart der Erfindung (2a und 2b)
wird der Wärmetauscher
aus monolithischen Blockmodulen 1, 1'... aus Graphit
zusammengesetzt, die mit Längskanälen 2 und
Querkanälen 4 versehen
sind. Der Einfachheit halber wird eine Blocksäule aus nur zwei Blockmodulen 1, 1' gezeigt. Die
Anordnung der Längskanäle ist aus
den in 2a und 2b gezeigten
Querschnittsdarstellungen eines erfindungsgemäßen Blockmoduls 1 ersichtlich.
An die Längskanäle 2 des
Blockmoduls 1 schließen
sich die Längskanäle des folgenden
Blockmoduls 1' an,
so dass innerhalb der Blocksäule
in Längsrichtung
durchgehende Strömungswege
gebildet werden. Bevorzugt werden die Längskanäle 2 für den Transport
des Produktmediums vorgesehen und die Querkanäle 4 für den Transport
des Servicemediums. Im folgenden wird die Erfindung anhand dieser bevorzugten
Betriebsart erläutert,
sie ist jedoch nicht daran gebunden. Der erfindungsgemäße Blockwärmetauscher
lässt sich
prinzipiell auch so einsetzen, dass der Servicemedienstrom durch
die Längskanäle 2 und
der Produktmedienstrom durch die Querkanäle 4 fließt.
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Bei
der Herstellung der Blockmodule 1, 1' werden die
in den Ebenen nebeneinander liegenden Querkanäle 4 abwechselnd von
den gegenüberliegenden
Umfangsseiten des Blockmoduls angebohrt, so dass an jeder Umfangsseite
nur die Hälfte
der Querkanäle Anbohröffnungen
hat (siehe Querschnittsdarstellung in 2a). Auf
diese Weise werden die Anbohröffnungen
relativ gleichmäßig über den
Blockumfang verteilt, und die Anzahl der Anbohröffnungen, die erfindungsgemäß wieder
verschlossen werden müssen,
wird so gering wie möglich
gehalten. Der Verschluss der Anbohröffnungen erfolgt mittels Passfedern 17,
welche die Mündungen
der Querkanäle 4 überdecken.
Jede Passfeder 17 erstreckt sich über die Anbohröffnungen
einer Reihe von übereinander
liegenden Querkanälen 4.
Die Passfedern 17, welche aus demselben Graphitwerkstoff
wie die Blockmodule bestehen, werden in dafür an der Außenwand des Blockmoduls vorgesehene passgerechte
Ausnehmungen eingekittet, so dass die Oberflächen der Passfedern 17 bündig mit
der Blockaußenwand
sind. So wird erreicht, dass die Umfangsfläche des Blockmoduls geschlossen
und frei von Erhebungen und Vertiefungen ist.
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Jedes
zylindrische Blockmodul 1, 1'... enthält in der Nähe seiner Außenwand
zwei Gruppen von Verbindungsbohrungen 18 und 19,
welche die übereinander
liegenden Querkanäle 4 kreuzen
und miteinander verbinden. Jede Verbindungsbohrung 18 bzw. 19 kreuzt
und verbindet eine Reihe übereinander
liegender Querkanäle 4.
Die zweite Gruppe Verbindungsbohrungen 19 befindet sich
an der der ersten Gruppe Verbindungsbohrungen 18 gegenüber liegenden
Umfangsseite des Zylinders 1, 1'.... Diese Anordnung der ersten
und der zweiten Gruppe Verbindungsbohrungen ist aus den Querschnittsdarstellungen
in den 2a und 2b ersichtlich.
Jeder Querkanal 4 erstreckt sich von einer Verbindungsbohrung 18 der
ersten Gruppe zu einer Verbindungsbohrung 19 der zweiten
Gruppe.
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Die
Verbindungsbohrungen 18 der ersten Gruppe beginnen an der
ersten Stirnfläche
des zylindrischen Blockmoduls und erstrecken sich in Längsrichtung
bis zu den Querkanälen 4 der
letzten Ebene, werden jedoch nicht durch die zweite Stirnfläche des zylindrischen
Blockmoduls hindurch geführt,
d.h. die Verbindungsbohrungen 18 sind an der zweiten Stirnfläche des
Zylinders geschlossen. Die Verbindungsbohrungen 18 der
wirken als Einlass- und Verteilleitungen, sie leiten das Servicemedium
in das Blockmodul 1, 1'... ein und verteilen es in die
einmündenden
Querkanäle 4.
Die Gruppe von Verbindungsbohrungen 18 stellt somit die
erfindungsgemäße Verteilvorrichtung
dar.
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Die
Verbindungsbohrungen 19 der zweiten Gruppe beginnen an
der zweiten Stirnfläche
des zylindrischen Blockmoduls und erstrecken sich in Längsrichtung
bis zu den Querkanälen 4 der
ersten Ebene, werden jedoch nicht durch die erste Stirnfläche des
zylindrischen Blockmoduls hindurch geführt, d.h. die Verbindungsbohrungen 19 sind
an der ersten Stirnfläche
des Zylinders geschlossen. Die Verbindungsbohrungen 19 wirken
als Sammel- und Auslassleitungen, sie sammeln das Servicemedium
aus den einmündenden
Querkanälen 4 und
führen es
aus dem Blockmodul 1, 1'... heraus. Die Gruppe von Verbindungsbohrungen 19 stellt
somit die erfindungsgemäße Sammelvorrichtung
dar.
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Die
Blockmodule 1, 1'...
werden so übereinander
gestapelt, dass die an der zweiten Stirnfläche des Blockmoduls 1 offenen
Verbindungsbohrungen 19 genau durch die an der ersten Stirnfläche offenen Verbindungsbohrungen 18' des nächsten Blockmoduls 1' fortgesetzt
werden.
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Die
Verbindungsbohrungen 18 der ersten Gruppe des in Strömungsrichtung
des zweiten Mediums ersten Blockmoduls 1 sind über eine
Kammer 20, die durch eine sich über die Mündungen aller Verbindungsbohrungen 18 erstreckende
Sichelfräsung in
der an das Blockmodul 1 angrenzenden Stirnfläche des
oberen Kopfstücks 10 gebildet
wird, mit der zum Stutzen 8 führenden Zuleitung 21 verbunden.
Der Stutzen 8 dient in der in 2a und 2b dargestellten
Betriebsart als Einlass für
das Servicemedium. Die Verbindungsbohrungen 19' der zweiten Gruppe
des in Strömungsrichtung
des zweiten Mediums letzten Blockmoduls 1' sind über eine Kammer 22,
die durch eine sich über
die Mündungen
aller Verbindungsbohrungen 19' erstreckende Sichelfräsung in
der an das Blockmodul 1' angrenzenden
Stirnfläche
des unteren Kopfstücks 11 gebildet
wird, mit der zum Stutzen 9 führenden Zuleitung 23 verbunden. Der
Stutzen 9 dient in der in 2a und 2b dargestellten
Betriebsart als Auslass für
das Servicemedium.
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Die
Kopfstücke 10, 11 enthalten
Kammern 12, 13, in welche die Längskanäle 2 der
angrenzenden Blockmodule münden.
An der Kammer 12 bzw. 13 befindet sich die Eintritts- bzw. Austrittsöffnung für den Produktmedienstrom.
In der in 2a und 2b dargestellten
Betriebsart tritt der Produktmedienstrom am unteren Kopfstück 11 in
Kammer 13 ein und am oberen Kopfstück 10 durch Kammer 12 aus.
Alternativ können
aber auch Kopfstücke
mit mehreren Teilkammern für
einen mehrfachen Durchgang des Produktmediums in Längsrichtung
durch die Blocksäule
vorgesehen werden, wie bereits für den
Stand der Technik beschrieben.
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Selbstverständlich können die
Strömungsrichtungen
von Servicemedium und Produktmedium auch umgekehrt werden, so dass
der Stutzen 9 am unteren Kopfstück 11 und die Kammer 12 im
oberen Kopfstück 10 jeweils
als Einlass dienen sowie der Stutzen 8 am oberen Kopfstück 10 und
die Kammer 13 im unteren Kopfstück 11 jeweils als
Auslass. Entscheidend ist, dass beide Medien im Gegenstrom geführt werden,
also das kalte und das heiße
Medium nicht von derselben Seite in den Apparat eintreten, da sonst
der Werkstoff einer zu hohen Temperaturdifferenz ausgesetzt wäre.
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Die
Umfangsflächen
der Blockmodule, an denen die Anbohröffnungen mit Passfedern verschlossen
sind, können
zur Erhöhung
der Druckfestigkeit mit einer vollflächigen Armierung aus Carbonfasern
oder/und anderen geeigneten Verstärkungsfasern umwickelt werden.
Eine solche Armierung bewirkt eine Entlastung der Passfedern, welche
die Anbohröffnungen
der Querkanäle 4 verschließen. Daher
ist die Bauart mit Armierung besonders bevorzugt.
-
Die
Fugen zwischen den einzelnen Blockmodulen 1, 1'... sind mit
Dichtungen 3', 3'' bevorzugt aus PTFE abgedichtet.
Die kreisförmig
umlaufenden Dichtungen 3' und 3'' umschließen auf den Stirnflächen der
aufeinander folgenden Blockmodule den Bereich, in dem sich die miteinander
kommunizierenden Verbindungsbohrungen 19, 18' befinden, und dichten
diese nach außen
und gegen den Bereich der miteinander kommunizierenden Längskanäle 2 ab. Die
Fugen zwischen erstem Blockmodul und angrenzenden Kopfstück bzw.
letztem Blockmodul und angrenzendem Kopfstück sind ebenfalls durch zwei kreisförmig umlaufende
Dichtungen 3', 3'' abgedichtet, welche den Bereich
der Mündungen
der Verbindungsbohrungen 18 des ersten Blockmoduls und
der Kammer 20 im angrenzenden Kopfstück 10 bzw. der Verbindungsbohrungen 19' des letzten
Blockmoduls und der Kammer 22 im angrenzenden Kopfstück 11 nach
außen
und gegen den Bereich der Längskanäle 2 und
der mit diesen kommunizierenden Kammer 12 im Kopfstück 10 bzw.
Kammer 13 im Kopfstück 11 abdichten.
-
Die
Blocksäule
einschließlich
oberem und unterem Kopfstück 10, 11 wird
zwischen einer meist quadratisch ausgebildeten unteren Spannplatte 14 mit
Befestigungslöchern
für die
Verankerung der Blocksäule
am Untergrund, und einer runden oberen Spannplatte 14' mittels Zugankern 24 und
Druckfedern 25 verspannt.
-
Durch
zwischen den übereinander
liegenden Blockmodulen 1, 1' vorgesehene Steckbolzen 26 wird
eine verdrehsichere Positionierung der Blockmodule in der Blocksäule bewirkt.
-
In
der zweiten Bauart (3a und 3b) sind
die Blockmodule zweiteilig zusammengesetzt. Jedes Blockmodul besteht
aus einem kegelstumpfförmigen
Kernstück 1a,
das als kreuzgebohrter, d.h. mit Längskanälen 2 und Querkanälen 4 versehener Block
ausgeführt
ist, und einer konzentrischen, das Kernstück umfassenden Außenschale 1b als
strömungsführendes
und nach außen
dichtendes Element. Das Außenschalenbauteil 1b hat
die Form eines Zylinders mit einer zu dem kegelstumpfförmigen Kernstück 1a komplementären Ausnehmung.
Die beiden Bauteile 1a, 1b werden miteinander
verkittet und bilden zusammengefügt
ein zylinderförmiges Blockmodul 1.
Der Einfachheit halber wird in den 3a und 3b eine
Blocksäule
aus nur zwei Blockmodulen 1, 1' gezeigt.
-
An
die Längskanäle 2 des
Blockmoduls 1 schließen
sich die Längskanäle des folgenden
Blockmoduls 1' an,
so dass innerhalb der Blocksäule
in Längsrichtung
durchgehende Strömungswege
gebildet werden. Bevorzugt werden die Längskanäle 2 für den Transport
des Produktmediums vorgesehen und die Querkanäle 4 für den Transport
des Servicemediums. Im folgenden wird die Erfindung anhand dieser bevorzugten
Betriebsart erläutert,
sie ist jedoch nicht daran gebunden. Der erfindungsgemäße Blockwärmetauscher
lässt sich
prinzipiell auch so einsetzen, dass das Servicemedium durch die
Längskanäle 2 und
das Produktmedium durch die Querkanäle 4 fließt.
-
An
der inneren, an das Kernstück
(1a) grenzenden Wandung der Außenschale 1b befindet
sich eine umlaufende Ausnehmung, welche durch eingekittete vertikale
Trennleisten 27a, 27b aus Graphit in zwei Hälften geteilt
wird. Werden Kernstück 1a und Außenschale 1b zusammengesetzt,
dann bilden die beiden Hälften
der umlaufenden Ausnehmung Kammern 28 und 29 zwischen
Außenschale
und Kern. Jeder Querkanal 4 im Kernstück 1b erstreckt sich
von der ersten Kammer 28 bis zur zweiten Kammer 29.
-
In
die erste Kammer 28 münden
von der Oberseite des Schalenbauteils 1b ausgehende Einlassbohrungen 30.
An der Unterseite des Schalenbauteils hat die Kammer 28 keinen
Auslass. In die zweite Kammer 29 münden von der Unterseite des Schalenbauteils 1b ausgehende
Auslassbohrungen 31. An der Oberseite des Schalenbauteils 1b hat
die Kammer 29 keinen Einlass.
-
Die
von der Oberseite des Schalenbauteils 1b ausgehenden Einlassbohrungen 30 leiten
das Servicemedium in die Kammer 28 des Blockmoduls 1.
Die Kammer 28 dient als Verteilkammer, hier wird der Servicemedienstrom
auf die einmündenden Querkanäle 4 verteilt.
Die zweite Kammer 29 wirkt als Sammelkammer, hier werden
die aus den Querkanälen 4 kommenden
Teilströme
wieder zusammengeführt.
Die Kammern 28 und 29 bilden somit die erfindungsgemäße Verteil-
und die erfindungsgemäße Sammelvorrichtung.
Durch die Auslassbohrungen 31 wird das Servicemedium aus
dem Blockmodul 1 heraus geleitet.
-
Die
Blockmodule 1, 1'...
werden so übereinander
gestapelt, das die an der Unterseite des Schalenbauteils 1b offenen
Auslassbohrungen 31 genau durch die an der Oberseite offenen
Einlassbohrungen 30' des
nächsten
Blockmoduls 1' fortgesetzt
werden.
-
Die
Einlassbohrungen 30 des in Strömungsrichtung des zweiten Mediums
ersten Blockmoduls 1 sind über eine Kammer 20,
die durch eine sich über die
Mündungen
aller Einlassbohrungen 30 erstreckende Sichelfräsung in
der an das Blockmodul 1 angrenzenden Stirnfläche des
oberen Kopfstücks 10 gebildet
wird, mit der zum Stutzen 8 führenden Zuleitung 21 verbunden.
Der Stutzen 8 dient in der in 3a und 3b dargestellten
Betriebsart als Einlass für
das Servicemedium.
-
Die
Auslassbohrungen 31' im
in Strömungsrichtung
des zweiten Mediums letzten Blockmoduls 1' sind über eine Kammer 22,
die durch eine sich über
die Mündungen
aller Auslassbohrungen 31' erstreckende
Sichelfräsung
in der an das Blockmodul 1' angrenzenden
Stirnfläche
des unteren Kopfstücks 11 gebildet
wird, mit der zum Stutzen 9 führenden Zuleitung 23 verbunden.
Der Stutzen 9 dient in der in 3a und 3b dargestellten
Betriebsart als Auslass für
das Servicemedium.
-
Die
Kopfstücke 10, 11 enthalten
Kammern 12, 13, in welche die Längskanäle 2 der
angrenzenden Blockmodule münden.
An der Kammer 12 bzw. 13 befindet sich die Eintritts- bzw. Austrittsöffnung für den Produktmedienstrom.
In der in 3a und 3b dargestellten
Betriebsart tritt der Produktmedienstrom am unteren Kopfstück 11 ein
und am oberen Kopfstück 10 aus.
Alternativ können
aber auch Kopfstücke
mit mehreren Teilkammern für
einen mehrfachen Durchgang des Produktmediums in Längsrichtung
durch die Blocksäule
vorgesehen werden, wie bereits für
den Stand der Technik beschrieben.
-
Selbstverständlich können die
Strömungsrichtungen
von Servicemedium und Produktmedium auch umgekehrt werden, so dass
der Stutzen 9 am unteren Kopfstück 11 und die Kammer 12 im
oberen Kopfstück 10 jeweils
als Einlass dienen sowie der Stutzen 8 am oberen Kopfstück 10 und
die Kammer 13 im unteren Kopfstück 11 jeweils als
Auslass. Entscheidend ist, dass beide Medien im Gegenstrom geführt werden,
also das kalte und das heiße
Medium nicht von derselben Seite in den Apparat eintreten, da sonst
der Werkstoff einer zu hohen Temperaturdifferenz ausgesetzt wäre.
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Die
Umfangsflächen
der Blockmodule, die durch die Außenschalenbauteile 1b gebildet
werden, welche erfindungsgemäß keine
Anbohröffnungen
der Querkanäle 4 aufweisen,
können
zur Erhöhung
der Druckfestigkeit mit einer vollflächigen Armierung aus Carbonfasern
oder/und anderen geeigneten Verstärkungsfasern umwickelt werden.
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Die
Fugen zwischen den einzelnen Blockmodulen 1, 1'... sind mit
Dichtungen 3', 3'' bevorzugt aus PTFE abgedichtet.
Die kreisförmig
umlaufenden Dichtungen 3' und 3'' umschließen auf den Stirnflächen der
aufeinander folgenden Blockmodule den Bereich, in dem sich die miteinander
kommunizierenden Auslassbohrungen 31 und Einlassbohrungen 30' befinden, und
dichten diese nach außen
und gegen den Bereich der miteinander kommunizierenden Längskanäle 2 ab.
Die Fugen zwischen erstem Blockmodul und angrenzenden Kopfstück bzw.
letztem Blockmodul und angrenzendem Kopfstück sind ebenfalls durch zwei
kreisförmig
umlaufende Dichtungen 3', 3'' abgedichtet, welche den Bereich
der Mündungen der
Einlassbohrungen 30 des ersten Blockmoduls und der Kammer 20 im
angrenzenden Kopfstück 10 bzw.
der Auslassbohrungen 31' des letzten
Blockmoduls und der Kammer 22 im angrenzenden Kopfstück 11 nach
außen
und gegen den Bereich der Längskanäle 2 und
der mit diesen kommunizierenden Kammer 12 im Kopfstück 10 bzw.
Kammer 13 im Kopfstück 11 abdichten.
-
Die
Blocksäule
einschließlich
oberem und unterem Kopfstück 10, 11 wird
zwischen einer meist quadratisch ausgebildeten unteren Spannplatte 14 mit
Befestigungslöchern
für die
Verankerung der Blocksäule
am Untergrund, und einer runden oberen Spannplatte 14' mittels Zugankern 24 und
Druckfedern 25 verspannt.
-
Durch
zwischen den übereinander
liegenden Blockmodulen 1, 1' vorgesehene Steckbolzen 26 wird
eine verdrehsichere Positionierung der Blockmodule in der Blocksäule bewirkt.
-
In
den vorstehend beschriebenen und in den 2 und 3 dargestellten Bauarten des erfindungsgemäßen Blockwärmetauschers
kreuzt der auf die Querkanäle 4 verteilte
zweite Medienstrom den durch die Längskanäle 2 geführten ersten
Medienstrom genau einmal pro Blockmodul. Soll bei konstanter Gesamtlänge der
Blocksäule
eine häufigere
Kreuzung der beiden Medienströme
erzielt werden, so lässt
sich dies erfindungsgemäß durch
Umlenkstege und Umlenkbunde (im folgenden allgemein als Umlenkelemente 32, 32' bezeichnet)
in den Verbindungsbohrungen 18, 19 der ersten
Bauart bzw. den Kammern 28, 29 der zweiten Bauart
realisieren. Die Umlenkelemente 32 teilen das Blockmodul
in einzelne, nacheinander zu durchströmende Blockabschnitte und bewirken ähnlich wie
das Leitscheibengerüst 7 nach
dem Stand der Technik Umlenkungen des die Querkanäle 4 durchströmenden Mediums
innerhalb des Blockmoduls. So wird ein mehrfacher Durchgang des
zweiten Medienstroms pro Blockmodul erreicht.
-
Bevorzugt
werden wiederum die Längskanäle 2 für den Transport
des Produktmediums vorgesehen und die Querkanäle 4 für den Transport
des Servicemedienstroms. Im folgenden wird dieser Aspekt der Erfindung
anhand dieser bevorzugten Betriebsart erläutert, ist jedoch nicht daran
gebunden.
-
Bei
der monolithischen Bauweise mit zweifachem Durchgang des Servicemedienstroms
pro Blockmodul (4a) wird die Umlenkung des Servicemedienstroms
dadurch erzwungen, dass an der ersten Stirnfläche offenen Verbindungsbohrungen 18 auf
halber Höhe
durch Umlenkelemente 32 verschlossen sind. Der Servicemedienstrom
verteilt sich dadurch nur auf die Querkanäle 4 der oberen Hälfte des
Blockmoduls, die den ersten zu durchströmenden Blockabschnitt bildet.
-
Nach
Durchströmen
der Querkanäle 4 dieses
ersten Blockabschnitts gelangt der Servicemedienstrom in die zweiten
Verbindungsbohrungen 19. Unterschiedlich zu der in 2a dargestellten
Bauart sind hier (4a) die Bohrungen 19 an
der zweiten Stirnfläche
des Blockmoduls durch weitere Umlenkelemente 32' verschlossen.
Weil die Bohrungen 19 an der zweiten Stirnfläche des
Blockmoduls keine Ausgänge
haben, wird der Servicemedienstrom umgelenkt und zum Durchströmen der
Querkanäle 4 in
der zweiten Blockhälfte
gezwungen. Danach erreicht der Servicemedienstrom die unterhalb
der Umlenkelemente 32 befindlichen Abschnitte der ersten
Verbindungsbohrungen 18. Unterschiedlich zu der in 2a dargestellten
Bauart sind hier (4a) die Bohrungen 18 durch
die zweite Stirnfläche
des Blockmoduls 1 hindurch geführt und finden ihre Fortsetzung
in den Bohrungen 18' des
analog aufgebauten folgenden Blockmoduls 1' (in 4a nicht
enthalten), so dass der Servicemedienstrom in das nächste Blockmodul 1' übertreten
kann.
-
Bei
der zweiteiligen Bauweise (5a) wird, um
einen zweifachen Durchgang des Servicemedienstroms pro Blockmodul
zu ermöglichen,
die Kammer 28 auf halber Höhe durch einen eingekitteten
horizontalen Trennsteg 32 aus Graphit in eine obere Teilkammer 28a und
eine untere Teilkammer 28b getrennt. Der Servicemedienstrom
verteilt sich aus der oberen Teilkammer 28a nur auf die
Querkanäle 4 der
ersten Hälfte
des Blockmoduls, die den ersten zu durchströmenden Blockabschnitt bildet.
-
Nach
Durchströmen
der Querkanäle 4 dieses
ersten Blockabschnitts gelangt der Servicemedienstrom in die Kammer 29.
Unterschiedlich zu der in 3a dargestellten
Bauart besitzt die Kammer 29 hier (5a) keine
Auslassbohrungen 31. Weil die Kammer 29 an der
Unterseite des Schalenbauteils keine Ausgänge hat, wird der Servicemedienstrom umgelenkt
und zum Durchströmen
der Querkanäle 4 in
der zweiten Blockhälfte
gezwungen.
-
Danach
erreicht der Servicemedienstrom die untere Teilkammer 28b der
Kammer 28 und verlässt diese über Auslassbohrungen 30a,
welche in den Einlassbohrungen 30' des analog aufgebauten folgenden
Blockmoduls 1' (in 5a nicht
enthalten) ihre Fortsetzung finden, so dass der Servicemedienstrom
in das nächste
Blockmodul 1' übertreten kann.
-
Durch
Vorsehen weiterer Umlenkelemente 32, 32' an anderer
Position lässt
sich die Anzahl der Durchgänge
des Servicemedienstroms pro Blockmodul weiter vergrößern. Dieses
Prinzip wird im folgenden beispielhaft für einen dreifachen Durchgang
des Servicemediums pro Blockmodul beschrieben.
-
Bei
der monolithischen Bauweise (4b) wird
die erste Umlenkung dadurch erzwungen, dass die an der ersten Stirnfläche offenen
Verbindungsbohrungen 18 nach dem ersten Drittel der übereinander
liegenden Ebenen von Querkanälen 4 durch
Umlenkelemente 32 verschlossen sind. Der Servicemedienstrom
kann sich dadurch nur auf die Querkanäle 4 des ersten Drittels
des Blockmoduls verteilen, das den ersten zu durchströmenden Blockabschnitt
bildet.
-
Nach
Durchströmen
der Querkanäle 4 dieses
ersten Blockabschnitts erreicht der Servicemedienstrom die zweiten
Verbindungsbohrungen 19. Dort wird eine Umlenkung erzwungen,
weil nach dem zweiten Drittel der übereinander liegenden Ebenen von
Querkanälen 4 die
Verbindungsbohrungen 19 durch weitere Umlenkelemente 32' verschlossen sind.
Der Servicemedienstrom wird dadurch auf die Querkanäle 4 im
zweiten Drittel des Blockmoduls umgelenkt, das den zweiten zu durchströmenden Blockabschnitt
bildet.
-
Aus
den Querkanälen 4 des
zweiten Blockabschnitts gelangt das Servicemedium in die unterhalb
der Umlenkelemente 32 befindlichen Abschnitte der ersten
Verbindungsbohrungen 18. Weil die Verbindungsbohrungen 18 an
der zweiten Stirnfläche
des Blockmoduls verschlossen sind, erfolgt eine erneute Umlenkung
des Servicemedienstroms, der nun die Querkanäle 4 im letzten Drittel
des Blockmoduls durchströmt
und die unterhalb der Umlenkelemente 32' befindlichen Abschnitte der Verbindungsbohrungen 19 erreicht.
Die Verbindungsbohrungen 19 sind an der zweiten Stirnfläche des
Blockmoduls offen. Die Blockmodule 1, 1'... werden wie
in 2a gezeigt so übereinander
gestapelt, dass die an der zweiten Stirnfläche des Blockmoduls 1 offenen
Verbindungsbohrungen 19 genau durch die an der ersten Stirnfläche offenen
Verbindungsbohrungen 18' des
nächsten
Blockmoduls 1' fortgesetzt
werden, so dass der Servicemedienstrom in das nächste Blockmodul 1' übertreten
kann.
-
Bei
der zweiteiligen Bauweise (5b) wird, um
einen dreifachen Durchgang des Servicemediumstroms pro Blockmodul
zu ermöglichen,
die Kammer 28 nach dem ersten Drittel der übereinander
liegenden Ebenen von Querkanälen 4 durch
einen eingekitteten horizontalen Trennsteg 32 aus Graphit
in eine obere Teilkammer 28a und eine untere Teilkammer 28b getrennt.
Der Servicemedienstrom verteilt sich aus der oberen Teilkammer 28a nur
auf die Querkanäle 4 des
ersten Drittels des Blockmoduls, das den ersten zu durchströmenden Blockabschnitt bildet.
-
Die
Kammer 29 wird durch einen eingekitteten horizontalen Trennsteg 32' aus Graphit
nach dem zweiten Drittel der übereinander
liegenden Ebenen von Querkanälen 4 in
eine obere Teilkammer 29a und eine untere Teilkammer 29b getrennt.
Nach Durchströmen
der Querkanäle 4 des
ersten Blockabschnitts erreicht der Servicemedienstrom die obere Teilkammer 29a der
Kammer 29. Dort wird der Servicemedienstrom auf die Querkanäle 4 im
zweiten Drittel des Blockmoduls umgelenkt, das den zweiten zu durchströmenden Blockabschnitt
bildet
-
Aus
den Querkanälen 4 des
zweiten Blockabschnitts gelangt das Servicemedium in die untere
Teilkammer 28b der Kammer 28. Weil diese an der Unterseite
des Schalenbauteils keine Auslassbohrungen aufweist, erfolgt eine
erneute Umlenkung des Servicemedienstroms, der nun die Querkanäle 4 im letzten
Drittel des Blockmoduls durchströmt
und die untere Teilkammer 29b der Kammer 29 erreicht.
Die untere Teilkammer 29b der Kammer 29 weist
Auslassbohrungen 31 auf. Die Blockmodule 1, 1'... werden wie
in 3a gezeigt so übereinander
gestapelt, dass die Auslassbohrungen 31 genau durch die
Einlassbohrungen 30' des
nächsten
Blockmoduls 1' fortgesetzt
werden, so dass der Servicemedienstrom in das nächste Blockmodul 1' übertreten
kann.
-
Geeignete
Werkstoffe zur Fertigung der Blockmodule sind mit Kunstharz oder
einem Fluoropolymer, z.B. PTFE, imprägnierter Graphit. Der Einsatz
solcher Materialien ist im Apparatebau weit verbreitet, ihre Herstellung,
Bearbeitung und Eigenschaften sind bekannt.
-
Obwohl
in den Figuren die Blocksäule
des erfindungsgemäßen Wärmetauschers
in stehender Position dargestellt ist, ist die Erfindung nicht auf
diese Betriebsweise beschränkt,
die Blocksäule
kann auch horizontal angeordnet werden.
-
- 1,
1', 1 ''...
- Blockmodule
- 1a
- Kernstück eines
zweiteiligen Blockmoduls
- 1b
- Außenschalenbauteil
eines zweiteiligen Blockmoduls
- 2
- Längskanäle
- 3,
3', 3''
- Dichtungen
- 4
- Querkanäle
- 5
- Stahlmantel
- 6
- Außenraum
- 7
- Leitscheibengerüst
- 8,
9
- oberer
und unterer Einlauf- bzw. Auslaufstutzen
- 10,
11
- Oberes
und unteres Kopfstück
- 12
- Kammer
mit Ein bzw. Auslass im oberen Kopfstück
- 13
- Kammer
mit Ein- bzw. Auslass im unteren Kopfstück
- 14
- Grundplatte
- 14'
- obere
Spannplatte
- 15
- Runddichtung
zwischen Grundplatte und unterem Kopfstück
- 16
- Schraubenfedern
- 17
- Passfedern
zum Verschließen
der Anbohröffnungen
der Querkanäle 4
- 18,
18'
- eine
Verteilvorrichtung bildende erste Gruppe von Verbindungsbohrungen
- 19,
19'
- eine
Sammelvorrichtung bildende zweite Gruppe von Verbindungsbohrungen
- 20
- Durch
Sichelfräsung
gebildete Kammer im oberen Kopfstück 10
- 21
- Verbindungsleitung
zum Einlass 8
- 22
- Durch
Sichelfräsung
gebildete Kammer im unteren Kopfstück 11
- 23
- Verbindungsleitung
zum Auslass 9
- 24
- Zuganker
- 25
- Druckfedern
- 26
- Steckbolzen
- 27a,
27b
- Trennleisten
zwischen den Kammern 28 und 29
- 28
- erste
Kammer
- 28a,
28b
- Teilkammern
der Kammer 28
- 29
- zweite
Kammer
- 29a,
29b
- Teilkammern
der Kammer 29
- 30,
30'
- Einlassbohrungen
der Kammer 28
- 30a
- Auslassbohrungen
der Kammer 28
- 31,
31'
- Auslassbohrungen
der Kammer 29
- 32,
32'
- Umlenkelement
bzw. Trennsteg