DE102005007556B4

DE102005007556B4 - Verfahren und Verbindungsarmatur zur Reduzierung der Bildung von Ablagerungen an Rohrträgerplatten von Rohrbündel-Wärmeaustauschern

Info

Publication number: DE102005007556B4
Application number: DE200510007556
Authority: DE
Inventors: Gottfried Kowalik; Uwe Schwenzow; Ludger Tacke; Hubert Assing
Original assignee: Tuchenhagen Dairy Systems GmbH
Current assignee: GEA TDS GmbH
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2025-02-19
Also published as: DE102005007556A1

Abstract

Verfahren zur Reduzierung der Ablagerungen an Rohrträgerplatten von Rohrbündel-Wärmeaustauschern, die insbesondere zur Erhitzung von Milch im Rahmen des sog. UHT- (Ultra-Hoch Temperatur) oder des ESL-Erhitzerverfahrens (Extentent Shelf Life) eingesetzt werden, bei dem jeweils zwei benachbarte, im Wesentlichen parallel angeordnete, in Reihe geschaltete Rohrbündel (100.i, 100i + 1) in ihren jeweiligen Innenrohren (300) von einem Produktstrom (P, P(A), P(E)) durchströmt werden, bei dem, in Strömungsrichtung gesehen, ein aus dem vorgeordneten Rohrbündel (100.i) austretender Produktstrom (P(A)) eine 180 Grad-Umlenkung erfährt und bezüglich des nachgeordneten Rohrbündels (100.i + 1) zu einem eintretenden Produktstrom (P(E)) wird,
dadurch gekennzeichnet,
• dass der austretende Produktstrom (P(A)) auf seinem weiteren Strömungsweg in seinem Austrittsbereich aus dem vorgeordneten Rohrbündel (100.i) eine erste unstetige Querschnittserweiterung erfährt, dass er unstetig erstmals im Wesentlichen senkrecht umgelenkt und beschleunigt wird,
•dass er mit der erhöhten Geschwindigkeit (v*) bis in seinen Eintrittsbereich zu dem nachgeordneten Rohrbündel (100.i + 1) quer...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der Bildung von Ablagerungen an Rohrträgerplatten von Rohrbündel-Wärmeaustauschern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Verbindungsarmatur zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Nebenanspruchs 4.

Es ist bekannt, jeweils zwei benachbarte, im Wesentlichen parallel angeordnete, in Reihe geschaltete Rohrbündel von Rohrbündel-Wärmeaustauschern, wie sie beispielsweise aus der DE 94 03 913 U1 bekannt sind, jeweils über 180 Grad-Rohrbogen miteinander zu verbinden (siehe auch WO 20041051 174 A1 oder WO 20041083 761 A1). In den dort gewählten Darstellungen sind die in Frage kommenden Verbindungsbogen jeweils nur zur Hälfte dargestellt.

Um den Abstand benachbarter Rohrbündel und damit die Bauhöhe des Rohrbündel-Wärmeaustauschers möglichst gering halten zu können, werden die vorgenannten Verbindungsbogen in der Regel hinsichtlich ihres Durchtrittsquerschnittes ein bis zwei Nennweiten kleiner als der erweiterte Durchtrittsquerschnitt des Austauscherflansches, mit dem der jeweilige Verbindungsbogen an der Rohrträgerplatte befestigt ist, ausgeführt, da bekanntlich bei einem Rohrbogen das Verhältnis zwischen Krümmungsradius und Rohrdurchmesser einen bestimmten Wert nicht unterschreiten darf. Dieser Nenndurchtrittsquerschnitt des Verbindungsbogens wird in der Regel annähernd so groß wie der Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller parallel durchströmten Innenrohre eines Rohrbündels gewählt (siehe hierzu auch 1 zum Stand der Technik). Aufgrund dieser Dimensionierung ist die Fließgeschwindigkeit im Verbindungsbogen nahezu identisch mit jener in den parallel durchströmten Innenrohren.

In den 2a und 2b zum Stand der Technik wird ein Verbindungsbogen dargestellt, bei dem der Übergangsbereich zwischen dem vorgenannten erweiterten Durchtrittsquerschnitt und dem Nenndurchtrittsquerschnitt ausschließlich im Anschlussflansch des Verbindungsbogens und dort entweder durchgehend konisch oder aber zunächst zylindrisch und dann anschließend mit einem konischen Übergang ausgeführt ist.

Weiterhin ist es bekannt, den Übergang vom erweiterten Durchtrittsquerschnitt zum reduzierten Durchtrittsquerschnitt ausschließlich im rohrförmigen Bogenteil des Verbindungsbogens zu verwirklichen. Hierzu wird bei letzterem im Bereich zwischen den beiden Anschlussflanschen der Durchtrittsquerschnitt stetig verringert und dabei oval ausgeformt, so dass dieser Bogen dann aufgrund des reduzierten Querschnittes mit einem reduzierten und damit die Bauhöhe verringernden Krümmungsradius ausgeführt werden kann, falls die Krümmungsebene in die Ebene der kurzen Querschnittsabmessung gelegt wird.

Den vorstehend kurz umrissenen Lösungen hinsichtlich der Strömungsführung im Verbindungsbogen ist eines gemeinsam, dass nämlich die Durchtrittsquerschnitte, in Strömungsrichtung gesehen, zunächst stetig verringert und anschließend wieder stetig erweitert werden. Es wird hier jeweils eine Lösung angestrebt, bei der die Strömungsverluste im Verbindungsbogen möglichst klein gehalten werden und gleichzeitig durch den reduzierten Rohrquerschnitt ein diesem Rohrquerschnitt entsprechend reduzierter Krümmungsradius des Verbindungsbogens und damit eine entsprechend reduzierte Bauhöhe realisiert ist.

Die bekannten Lösungen sind hinsichtlich der Ausgestaltung des Verbindungsbogens im Rahmen der einzuhaltenden Randbedingungen strömungstechnisch optimiert. Es muss jedoch zur Kenntnis genommen werden, dass sich bei der Erhitzung von Milch zur Erzeugung einer verlängert haltbaren Trinkmilch im Rahmen des sog. UHT- (Ultra-Hoch Temperatur) oder des ESL-Erhitzerverfahrens (Extentent Shelf Life) auf der Rohrträgerplatte sowohl an der angeströmten als auch an der abgeströmten Seite über den Verlauf der Produktionszeit Ablagerungen bil den, die die Standzeit der Erhitzeranlagen und hier insbesondere der in Frage kommenden Rohrbündel-Wärmeaustauscher verringern. Derartige Ablagerungen sind zwar bei der Reinigung der Erhitzeranlagen abreinigbar, sie wirken sich jedoch, wie vorstehend erwähnt, nachteilig auf die Standzeit aus.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art und eine Verbindungsarmatur zu schaffen, mit denen der Bildung von Ablagerungen sowohl auf der angeströmten Seite als auch auf der abgeströmten Seite der Rohrträgerplatten wirksam entgegengewirkt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine Verbindungsarmatur zur Durchführung des Verfahrens ist durch die Merkmale des Nebenanspruchs 4 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausführungsformen des vorgeschlagenen Verfahrens bzw. der Verbindungsarmatur sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Der grundlegende erfinderische Gedanke besteht darin, im Gegensatz zu den bislang beschrittenen Wegen, einen die jeweiligen Innenrohre durchströmenden Produktstrom, der, wenn er die Innenrohre an der Rohrträgerplatte verlässt (Austrittsbereich), zu einem austretenden Produktstrom wird und, bevor er in die Innenrohre im Bereich der Rohrträgerplatte eintritt (Eintrittsbereich), zu einem eintretenden Produktstrom wird, im Bereich der 180 Grad-Umlenkung nicht möglichst strömungsgünstig zu handhaben und zu führen, sondern bewusst und planmäßig Turbulenzen und Wirbel in diesem Austritts- und Eintrittsbereich zu erzeugen. Diese Turbulenzen und Wirbel üben durch turbulenten Queraustausch einen abreinigenden Effekt auf die jeweilige Rohrträgerplatte aus.

Hierzu sieht das vorgeschlagene Verfahren vor, dass der austretende Produktstrom auf seinem weiteren Strömungsweg in dem Austrittsbereich aus dem vorgeordneten Rohrbündel eine erste unstetige Querschnittserweiterung erfährt und dass er unstetig erstmals im Wesentlichen senkrecht umgelenkt und beschleunigt wird. Mit der erhöhten Geschwindigkeit nach der unstetigen Umlenkung wird er bis in seinen Eintrittsbereich zu dem nachgeordneten Rohrbündel quer verbracht. Dort erfährt er als eintretender Produktstrom eine zweite unstetige Querschnittserweiterung und er wird ein weiteres mal unstetig und im Wesentlichen senkrecht umgelenkt, um dann den Eintrittsbereich über die Innenrohre des nachgeordneten Rohrbündels zu verlassen.

Die angeströmte Rohrträgerplatte erfährt durch die Turbulenzen und Wirbel im vorgeordneten Eintrittsbereich, wie dies nachvollziehbar ist, deutlich geringere Ablagerungen als mit Anordnungen nach dem Stand der Technik. Es kann hier jedoch vermerkt werden, dass dieser Reinigungseffekt in überraschender Weise auch an der abgeströmten Rohrträgerplatte gleichermaßen zu verzeichnen ist, wo sozusagen die erzeugten Turbulenzen und Verwirbelungen quasi, in Strömungsrichtung gesehen, rückwirkend die gewünschte Wirkung entfalten.

Es liegt auf der Hand, dass die unstetige zweimalige 90 Grad-Umlenkung druckverlustbehafteter ist als beispielsweise die stetige 180 Grad-Umlenkung in Verbindungsbogen nach dem Stand der Technik. Darüber hinaus ergeben sich durch die beiden unstetigen Querschnittserweiterungen sog. Carnotsche Stoßverluste, wobei in der Gesamtbilanz der Druckverluste zu berücksichtigen ist, dass sich im Eintritts- und Austrittsbereich, der gegenüber Lösungen nach dem Stand der Technik jeweils deutlich vergrößert ist, ein geringerer Druckverlust einstellt, als bislang bei Lösungen nach dem Stand der Technik verzeichnet. Insgesamt gesehen wiegen die deutlich verringerten Ablagerungen auf der jeweiligen Rohrträgerplatte, die unter vergleichbaren Bedingungen etwa 70% geringer sind als bei herkömmlichen Verbindungsbogen, den insgesamt etwas höheren Druckverlust bei weitem auf.

Da die Querverbindung zwischen dem Austritts- und dem Eintrittsbereich im Wesentlichen frei gestaltet werden kann, da hier keine querschnittsabhängigen Krümmungsradien mehr einzuhalten sind, kann nunmehr die Strömungsge schwindigkeit in diesem Bereich in Grenzen frei bestimmt werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht diesbezüglich vor, dass die erhöhte Geschwindigkeit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Innenrohr im Wesentlichen entspricht.

Die vorstehend erwähnte Verwirbelung im Ein- und Austrittsbereich, die die Neigung zur Bildung von Ablagerungen signifikant reduziert, wird durch die unstetige 90 Grad-Umlenkung einerseits aus dem erweiterten Austrittsbereich und andererseits in den erweiterten Eintrittsbereich in Verbindung mit der jeweiligen unstetigen Querschnittserweiterung deutlich befördert. Um diesen Einfluss zu verstärken, sieht eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung vor, dass die querorientierte Verbringung der Produktströmung vom austretenden zum eintretenden Produktstrom, wobei es sich bei dieser Querströmung im Wesentlichen um eine lineare Parallelströmung handelt, so nah wie konstruktiv möglich an die beiden benachbarten Rohrträgerplatten herangeführt ist.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird durch eine Verbindungsarmatur realisiert, die die produktdurchströmten Innenrohre jeweils zweier benachbarter, im Wesentlichen parallel angeordneter, in Reihe geschalteter Rohrbündel im Bereich der jeweiligen Rohrträgerplatte dadurch erfindungsgemäß miteinander verbindet, dass jeder Rohrträgerplatte eine erste oder zweite Wirbelkammer zugeordnet ist, dass die erste und die zweite Wirbelkammer einen gegenüber einem Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller parallel durchströmten Innenrohre erweiterten Durchtrittsquerschnitt aufweist, und dass die erste und die zweite Wirbelkammer mit einem im Wesentlichen sich linear erstreckenden Verbindungskanal strömungsdurchlässig miteinander verbunden sind, der senkrecht zur Längsachse der Rohrbündel orientiert ist und einen gegenüber dem erweiterten Durchtrittsquerschnitt reduzierten Durchtrittsquerschnitt aufweist.

Es hat sich in diesem Zusammenhang als vorteilhaft erwiesen, wenn der erweiterte Durchtrittsquerschnitt etwa ein bis zwei Nennweiten größer als der Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller parallel durchströmten Innenrohre ausgeführt ist.

Es ist weiterhin mit Blick auf die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe zielführend, wenn der reduzierte Durchtrittsquerschnitt gleich oder annähernd gleich dem Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller parallel durchströmten Innenrohre ausgeführt ist.

Die Erfindung schlägt mit Blick auf die Ausgestaltung der Verbindungsarmatur eine Ausführungsform vor, bei der die erste und die zweite Wirbelkammer jeweils topfförmig mit einem mantelförmigen Kammergehäuse und einem im Wesentlichen ebenen Kammerboden ausgeführt ist, bei der an dem dem Kammerboden abgewandten offenen Ende ein zur Rohrträgerplatte hin abdichtbarer Kammerflansch angeordnet ist, bei der im mantelförmigen Kammergehäuse ein Kammeranschluss vorgesehen ist und bei der der jeweilige Kammeranschluss mit einem Verbindungsgehäuse verbunden ist.

Die vorstehend kurz umrissene Ausführungsform legt sich noch nicht auf spezielle Querschnittsausgestaltungen mit Blick auf kreisförmige, quadratische oder rechteckförmige Durchtrittsquerschnitte fest, sondern sie gibt Hinweise auf geometrische Grundformen, die zu verwirklichen sind. Dabei ist es strömungstechnisch von Vorteil, sowohl mit Blick auf eine beschleunigte Strömung zwischen den Wirbelkammern als auch mit Blick auf die jeweilige, in Strömungsrichtung gesehen, unstetige Querschnittserweiterung, wenn, wie dies vorgesehen ist, der jeweilige Kammeranschluss relativ kurz ausgeführt und wenn er darüber hinaus, was die Druckverluste reduziert, wenigstens innenseitig gerundet ausgebildet ist.

Die erfindungsgemäße Verbindungsarmatur ist gemäß einem weiteren Vorschlag relativ einfach aus Halbzeugen durch stoffschlüssige Verbindung, vorzugsweise Schweißung, herstellbar, wenn, wie dies auch vorgeschlagen wird, für das Kammergehäuse und das Verbindungsgehäuse jeweils ein kreisförmiges Rohr Verwendung findet und der Kammeranschluss jeweils als Aushalsung ausgeführt ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausgehend vom Stand der Technik zeigen
1 einen Mittelschnitt durch ein sog. Rohrbündel als modularer Teil eines ggf. aus einer Vielzahl solcher Rohrbündel bestehenden Rohrbündel-Wärmeaustauschers, wobei auf jeder Seite ein kreisförmiger Verbindungsbogen angeordnet ist und
2a, 2b einen vorgenannten Verbindungsbogen linksseitig in der Ansicht (2a) und rechtsseitig in der Seitenansicht (2b):
Diese bekannte Ausführungsformen werden nachfolgend einleitend erläutert.
Ein Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Verbindungsarmatur gemäß der Erfindung ist in den weiteren Figuren der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen
3 einen Mittelschnitt durch die vorgeschlagene Verbindungsarmatur, wobei an den Verbindungsstellen beiderseits jeweils die angeflanschte Rohrträgerplatte abschnittsweise dargestellt ist und insbesondere die Strömungsbereiche in der Verbindungsarmatur bezeichnet sind und die dortige Strömungsführung qualitativ eingezeichnet ist und
4 die Verbindungsarmatur gemäß 3 mit der Bezeichnung ihrer wesentlichen Bauteile.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ein in der Regel aus einer Vielzahl von Rohrbündeln 100.1 bis 100.n zusammengesetzter Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 nach dem Stand der Technik, wobei mit 100.i ein beliebiges Rohrbündel bezeichnet wird (1; siehe auch DE 94 03 913 U1 ), besteht in seinem mittleren Teil aus einem einen Außenkanal 200* begrenzenden Außenmantel 200 mit einem, bezogen auf die Darstellungsla ge, linksseitig angeordneten festlagerseitigen Außenmantelflansch 200a und einem rechtsseitig angeordneten loslagerseitigen Außenmantelflansch 200b. An dem letzteren schließt sich ein von einem ersten Gehäuse 400.1 begrenzter erster Querkanal 400a* mit einem ersten Anschlussstutzen 400a und an den festlagerseitigen Außenmantelflansch 200a schließt sich ein von einem zweiten Gehäuse 400.2 begrenzter zweiter Querkanal 400b* mit einem zweiten Anschlussstutzen 400b an. Eine Anzahl von sich achsparallel zum Außenmantel 200 durch den Außenkanal 200* erstreckenden, gemeinsam einen Innenkanal 300* bildenden Innenrohre 300, beginnend mit vier und danach auch bis neunzehn ansteigend und ggf. auch mehr an der Zahl, sind endseitig jeweils in einer festlagerseitigen Rohrträgerplatte 700 bzw. einer loslagerseitigen Rohrträgerplatte 800 (beide auch als Rohrspiegelplatte bezeichnet) abgestützt und an ihrem Rohraußendurchmesser in dieser verschweißt, wobei diese Gesamtanordnung über eine nicht näher bezeichnete Öffnung am zweiten Gehäuse 400.2 in den Außenmantel 200 eingeführt und über einen festlagerseitigen Austauscherflansch 500 mit dem zweiten Gehäuse 400.2 unter Zwischenschaltung von jeweils einer Flachdichtung 900 zusammengespannt ist (Festlager 500, 700, 400.2).
Die beiden Gehäuse 400.1, 400.2 sind gegenüber dem jeweils benachbarten Außenmantelflansch 200b, 200a ebenfalls mit einer Flachdichtung 900 abgedichtet, wobei das rechtsseitig angeordnete erste Gehäuse 400.1 in Verbindung mit dem Außenmantel 200 über einen loslagerseitigen Austauscherflansch 600 unter Zwischenschaltung eines O-Ringes 910 gegen das linksseitig angeordnete Festlager 500, 700, 400.2 gepresst wird. Die loslagerseitige Rohrträgerplatte 800 greift durch eine nicht näher bezeichnete Bohrung im loslagerseitigen Austauscherflansch 600 hindurch und findet gegenüber letzterem ihre Abdichtung mittels des dynamisch beanspruchten O-Ringes 910, der darüber hinaus das erste Gehäuse 400.1 statisch gegen den loslagerseitigen Austauscherflansch 600 abdichtet. Letzterer und die loslagerseitige Rohrträgerplatte 800 bilden ein sog. Loslager 600, 800, welches die Längenänderungen der in der loslagerseitigen Rohrträgerplatte 800 eingeschweißten Innenrohre 300 infolge Temperaturänderung in beiden axialen Richtungen zulässt.
Abhängig von der Anordnung des jeweiligen Rohrbündels 100.1 bis 100.n im Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 und seiner jeweiligen Beschaltung können die Innenrohre 300, bezogen auf die Darstellungslage, entweder von links nach rechts oder umgekehrt von einem Produkt P durchströmt werden, wobei die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Innenrohr 300 und damit im Innenkanal 200* mit v gekennzeichnet ist. Die querschnittsmäßige Auslegung erfolgt in der Regel derart, dass diese mittlere Strömungsgeschwindigkeit v auch in einem Verbindungsbogen 1000 vorliegt (s. auch 2a und 2b), der einerseits mit dem festlagerseitigen Austauscherflansch 500 und andererseits mittelbar mit einem mit der loslagerseitigen Rohrträgerplatte 800 fest verbundenen loslagerseitigen Anschlussstutzen 800d verbunden ist. Mit den beiden in der Zeichnung nur jeweils zur Hälfte dargestellten Verbindungsbogen 1000 (sog. 180 Grad-Rohrbogen) wird das in Rede stehende Rohrbündel 100.i mit dem jeweils benachbarten Rohrbündel 100.i – 1 bzw. 100.i + 1 in Reihe geschaltet. Daher bildet einmal der festlagerseitige Austauscherflansch 500 einen Eintritt E für das Produkt P und der loslagerseitige Anschlussstutzen 800d beherbergt einen dazugehörenden Austritt A; beim jeweils benachbarten Rohrbündel 100.i – 1 bzw. 100.i + 1 kehren sich diese Ein- und Austrittsverhältnisse jeweils entsprechend um.
Der festlagerseitige Austauscherflansch 500 weist eine erste Anschlussöffnung 500a auf, die einem Nenndurchmesser DN und damit einem Nenndurchtrittsquerschnitt A_o des dort angeschlossenen Verbindungsbogens 1000 entspricht und die in der Regel so bemessen ist, dass dort die der mittleren Strömungsgeschwindigkeit v im Innenrohr 300 bzw. Innenkanal 300* entsprechende Strömungsgeschwindigkeit vorliegt. In gleicher Weise ist auch eine zweite Anschlussöffnung 800a in dem loslagerseitigen Anschlussstutzen 800d bemessen, wobei sich die jeweilige Anschlussöffnung 500a bzw. 800a auf einen jeweils erweiterten Durchtrittsquerschnitt 500c bzw. 800c im Bereich zur benachbarten Rohrträgerplatte 700 bzw. 800 durch einen konischen Übergang 500b bzw. 800b erweitert (s. auch 2a). Der erweiterte Durchtrittsquerschnitt 500c bzw. 800c ist dabei im Wesentlichen zylindrisch mit einem Durchmesser D₁ (größter Durchmesser des ers ten erweiterten Durchtrittsquerschnitts 500c) ausgeführt, wobei letzterer in der Regel ein bis zwei Nennweiten größer als der Nenndurchmesser DN des Verbindungsbogens 1000 (Nenndurchtrittsquerschnitt A_o des Verbindungsbogens) und demnach entsprechend größer als der Gesamtdurchtrittsquerschnitt nA_i aller in den festlagerseitigen Austauscherflansch 500 eintretenden Innenrohre 300 mit einem jeweiligen Rohrinnendurchmesser D_i und einem Durchtrittsquerschnitt A_i dimensioniert ist.
In Abhängigkeit von der Richtung der Strömungsgeschwindigkeit v im Innenrohr 300 bzw. Innenkanal 300* strömt das zu behandelnde Produkt P entweder über die erste Anschlussöffnung 500a oder die zweite Anschlussöffnung 800a dem Rohrbündel 100.1 bis 100.n zu, sodass entweder die festlagerseitige Rohrträgerplatte 700 oder die loslagerseitige Rohrträgerplatte 800 angeströmt wird. Da in jedem Falle ein Wärmeaustausch zwischen Produkt P in den Innenrohren 300 bzw. den Innenkanälen 300* und einem Wärmeträgermedium M im Außenmantel 200 bzw. in den Außenkanälen 200* im Gegenstrom zu erfolgen hat, strömt dieses Wärmeträgermedium M entweder dem ersten Anschlussstutzen 400a oder aber dem zweiten Anschlussstutzen 400b mit einer Strömungsgeschwindigkeit im Außenmantel c zu.
Eine erfindungsgemäße Verbindungsarmatur 1100 (3) ist, bezogen auf eine quer zu einem Verbindungskanal V verlaufende Achse, symmetrisch aufgebaut. Sie besitzt eine erste und eine zweite Wirbelkammer T1, T2, wobei jede dieser Wirbelkammern T1, T2 einen gegenüber einem Gesamtdurchtrittsquerschnitt nA_i aller parallel durchströmten Innenrohre 300 erweiterten Durchtrittsquerschnitt A₁ aufweist. Die beiden Wirbelkammern T1, T2 sind mit dem sich linear erstreckenden Verbindungskanal V strömungsdurchlässig miteinander verbunden, wobei letzterer senkrecht zur Längsrichtung der Rohrbündel 100.i, 100.i + 1 orientiert ist und einen gegenüber dem erweiterten Durchtrittsquerschnitt A₁ reduzierten Durchtrittsquerschnitt A_v aufweist.
Die Verbindungsarmatur 1100 kann von der im oberen Teil der Figur dargestellten Rohrträgerplatte 700 zu der im unteren Teil der Figur gleichfalls dargestellten Rohrträgerplatte 700 durchströmt werden. Ein austretender Produktstrom P(A) strömt in die erste Wirbelkammer T1 ein, wobei der erweiterte Durchtrittsquerschnitt A₁ ein bis zwei Nennweiten größer als der Gesamtdurchtrittsquerschnitt nA_i aller parallel durchströmten Innenrohre 300 ausgeführt ist. Durch diese unstetige Querschnittserweiterung und die anschließende unstetige Umlenkung des austretenden Produktstromes P(A) um 90 Grad in den Verbindungskanal V werden in der ersten Wirbelkammer T1 Turbulenz und Wirbel erzeugt, die sozusagen rückwirkend den abgeströmten Bereich der Rohträgerplatte 700 weitestgehend von Ablagerungen freihalten. In dem Verbindungskanal V bildet sich ein querströmender Produktstrom P(V) (Querstrom) aus, der dort mit einer gegenüber der ersten Wirbelkammer T1 erhöhten Geschwindigkeit v* durchströmt wird.
Für den Fall, dass der reduzierte Durchtrittsquerschnitt A_v gleich oder annähernd gleich dem Gesamtdurchtrittsquerschnitt nA_i aller parallel durchströmten Innenrohre 300 ausgeführt ist, so liegt nunmehr im Verbindungskanal V eine der mittleren Strömungsgeschwindigkeit v im Innenrohr 300 entsprechende Geschwindigkeit vor. Der querströmende Produktstrom P(V) gelangt nunmehr in die zweite Wirbelkammer T2, die dort gleichfalls wieder den erweiterten Durchtrittsquerschnitt A₁ besitzt. Hier erfährt der eintretende querströmende Produktstrom P(V) eine zweite unstetige Querschnittserweiterung und wird ein weiteres mal unstetig, senkrecht umgelenkt. Die unstetige Querschnittserweiterung und die unstetige Umlenkung erzeugen auch in der zweiten Wirbelkammer T2 Turbulenzen und Wirbel, sodass der nunmehr diesbezüglich entstehende Produktstrom, ein eintretender Produktstrom P(E), die Rohrträgerplatte 700 beaufschlagt und dort den gewünschten Reinigungseffekt bewirkt.
Die 4 zeigt die gleiche vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungsarmatur 1100 wie 3. Dabei sind die erste und die zweite Wirbelkammer T1, T2 jeweils topfförmig mit einem mantelförmigen Kammergehäuse 1100a und einem im Wesentlichen ebenen Kammerboden 1100b ausge führt, wobei für das mantelförmige Kammergehäuse 1100a vorzugsweise ein kreisförmiges Rohr mit dem Rohrinnendurchmesser D₁ Verwendung findet.
An dem dem Kammerboden 1100b abgewandten offenen Ende ist ein zur Rohträgerplatte 700 hin abdichtbarer Kammerflansch 1100e angeordnet, in dem jeweils eine Dichtungsnut 1100e1 für eine Flachdichtung 900 oder eine anders geformte Dichtung vorgesehen ist. Der Durchmesser D₁ der Wirbelkammer T1, T2 entspricht dem größten durchströmten Durchmesser der Rohrträgerplatte 700. Im mantelförmigen Kammergehäuse 1100a, im vorliegenden Falle der zylindrischen Rohrwand, ist ein Kammeranschluss 1100c in Form einer Aushalsung vorgesehen, wobei die beiden Kammeranschlüsse 1100c der beiden Kammergehäuse 1100a mit einem Verbindungsgehäuse 1100d, welches als kreisförmiges Rohr mit einem Innendurchmesser D_v ausgeführt ist, verbunden sind.
Die den beiden benachbarten Rohrträgerplatten 700 zugewandte Mantellinie des rohrförmigen Verbindungsgehäuses 1100d ist so nah wie konstruktiv möglich an diese beiden herangeführt (Abstand des Verbindungskanals a). Der Durchmesser D_v des Verbindungskanals V kann relativ flexibel gestaltet werden, da hier keine Rücksicht auf einen Krümmungsradius zu nehmen ist. Der Abstand des Verbindungskanals a bestimmt sich allein aus den axialen Abmessungen der Kammerflansche 1100e zuzüglich eines kleinen Sicherheitsabstandes. Der jeweilige Kammerflansche 1000e ist mit dem zugeordneten Kammergehäuse 1100a innenseits spaltfrei verschweißt. Eine Entlastungsnut 1100e2, die auf der der Dichtungsnut abgewandten Stirnfläche des Kammerflansches 1100e vorgesehen ist, erleichtert auch hier eine Rundumverschweißung mit dem rohrförmigen Kammergehäuse 1100a.
Zwei benachbarte Rohrbündel 100.i, 100.i + 1 können so nah, wie dies konstruktiv möglich ist, nebeneinander platziert werden (mittlerer Abstand der Rohrträgerplatten b). Die Verbindungsarmatur 1100 stellt diesbezüglich kein limitierendes Bauteil dar, da jeder axiale Abstand zwischen den beiden Kammeranschlüssen 1100c durch das in der Länge flexibel anpassbares Verbindungsgehäuse 1100d zu überbrücken ist (Länge des Verbindungsgehäuses c).
Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verbindungsarmatur 1100 ist beispielhaft im bevorzugten Bereich der festlagerseitigen Rohrträgerplatte 700 angeordnet. Prinzipiell lassen sich die der Auslegung der Verbindungsarmatur 1100 zugrunde liegenden Strömungsprinzipien jedoch auch auf den Bereich der loslagerseitigen Rohrträgerplatte 800 übertragen.

1, 2a und 2b (Stand der Technik)

100: Rohrbündel-Wärmeaustauscher
100.1, 100.2,..., 100.i,..., 100.n: Rohrbündel
100.i: i-tes Rohrbündel
100.i + 1: dem Rohrbündel 100.i nachgeschaltetes Rohrbündel
100.i – 1: dem Rohrbündel 100.i vorgeschaltetes Rohrbündel
200: Außenmantel
200*: Außenkanal
200a: festlagerseitiger Außenmantelflansch
200b: loslagerseitiger Außenmantelflansch
300: Innenrohr
300*: Innenkanal
400.1: erstes Gehäuse
400a: erster Anschlussstutzen
400a*: erster Querkanal
400.2: zweites Gehäuse
400b: zweiter Anschlussstutzen
400b*: zweiter Querkanal
500: festlagerseitiger Austauscherflansch
500a: erste Anschlussöffnung
500b: erster konischer Übergang
500c: erster erweiterter Durchtrittsquerschnitt
600: loslagerseitiger Austauscherflansch
700: festlagerseitige Rohrträgerplatte (Rohrspiegelplatte)
800: loslagerseitige Rohrträgerplatte (Rohrspiegelplatte)
800a: zweite Anschlussöffnung
800b: zweiter konischer Übergang
800c: zweiter erweiterter Durchtrittsquerschnitt
800d: loslagerseitiger Anschlussstutzen
900: Flachdichtung
910: O-Ring
1000: Verbindungsbogen
c: Strömungsgeschwindigkeit im Außenmantel
v: mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Innenrohr
A: Austritt
A_i: Durchtrittsquerschnitt des Innenrohres
nA_i: Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller parallel durchströmten Innenrohre
A_o: Nenndurchtrittsquerschnitt des Verbindungsbogens
D_i: Rohrinnendurchmesser (Innenrohr 300)
D₁: größter Durchmesser des ersten erweiterten Durchtrittsquerschnitts 500c im festlageseitigen Austauscherflansch 500
DN: Nenndurchmesser des Verbindungsbogens (A_o = DN²π/4)
E: Eintritt
P: Produkt (temperaturbehandelte Seite)
M: Wärmeträgermedium, allgemein

3 und 4

1100: Verbindungsarmatur
1100a: Kammergehäuse (z.B. kreisförmiges erstes Rohr)
1100b: Kammerboden
1100c: Kammeranschluss (z.B. Aushalsung)
1100d: Verbindungsgehäuse (z.B. kreisförmiges zweites Rohr)
1100e: Kammerflansch
1100e1: Dichtungsnut
1100e2: Entlastungsnut
a: Abstand des Verbindungskanals
b: mittlerer Abstand der Rohrträgerplatten
c: Länge des Verbindungsgehäuses
v*: erhöhte Geschwindigkeit im Verbindungskanal V
A₁: erweiterter Durchtrittsquerschnitt der Wirbelkammer T1, T2 bzw. des Kammergehäuses 1100a
A_v: reduzierter Durchtrittsquerschnitt des Verbindungskanals V bzw. des Verbindungsgehäuses 1100d
D₁: Durchmesser der Wirbelkammer T1, T2 bzw. des Kammergehäuses 1100a
D_v: Durchmesser des Verbindungskanals V bzw. des Verbindungsgehäuses 1100d
P(A): austretender Produktstrom
P(E): eintretender Produktstrom
P(V): querströmender Produktstrom (Querstrom)
T1: erste Wirbelkammer
T2: zweite Wirbelkammer
V: Verbindungskanal

Claims

Verfahren zur Reduzierung der Ablagerungen an Rohrträgerplatten von Rohrbündel-Wärmeaustauschern, die insbesondere zur Erhitzung von Milch im Rahmen des sog. UHT- (Ultra-Hoch Temperatur) oder des ESL-Erhitzerverfahrens (Extentent Shelf Life) eingesetzt werden, bei dem jeweils zwei benachbarte, im Wesentlichen parallel angeordnete, in Reihe geschaltete Rohrbündel (100.i, 100i + 1) in ihren jeweiligen Innenrohren (300) von einem Produktstrom (P, P(A), P(E)) durchströmt werden, bei dem, in Strömungsrichtung gesehen, ein aus dem vorgeordneten Rohrbündel (100.i) austretender Produktstrom (P(A)) eine 180 Grad-Umlenkung erfährt und bezüglich des nachgeordneten Rohrbündels (100.i + 1) zu einem eintretenden Produktstrom (P(E)) wird, dadurch gekennzeichnet, • dass der austretende Produktstrom (P(A)) auf seinem weiteren Strömungsweg in seinem Austrittsbereich aus dem vorgeordneten Rohrbündel (100.i) eine erste unstetige Querschnittserweiterung erfährt, dass er unstetig erstmals im Wesentlichen senkrecht umgelenkt und beschleunigt wird, •dass er mit der erhöhten Geschwindigkeit (v*) bis in seinen Eintrittsbereich zu dem nachgeordneten Rohrbündel (100.i + 1) quer verbracht wird, • dass er dort als eintretender Produktstrom (P(E)) eine zweite unstetige Querschnittserweiterung erfährt und ein weiteres mal unstetig und im Wesentlichen senkrecht umgelenkt wird, • um den Eintrittsbereich über die Innenrohre des nachgeordneten Rohrbündels (100.i + 1) zu verlassen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Geschwindigkeit (v*) einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit (v) im Innenrohr (300) im Wesentlichen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die querorientierte Verbringung der Produktströmung (P) vom austretenden Produktstrom (P(A)) zum eintretenden Produktstrom (P(E)) so nah wie konstruktiv möglich an die beiden benachbarten Rohrträgerplatten (700) herangeführt ist.
Verbindungsarmatur zur Reduzierung der Ablagerungen an Rohrträgerplatten von Rohrbündel-Wärmeaustauschern, die insbesondere zur Erhitzung von Milch im Rahmen des sog. UHT- (Ultra-Hoch Temperatur) oder des ESL-Erhitzerverfahrens (Extentent Shelf Life) eingesetzt werden, wobei die Verbindungsarmatur (1100) die produktdurchströmten Innenrohre (300) jeweils zweier benachbarter, im Wesentlichen parallel angeordneter, in Reihe geschalteter Rohrbündel (100.i, 100i + 1) im Bereich der jeweiligen Rohrträgerplatte (700) miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, • dass jeder Rohrträgerplatte (700) eine erste oder zweite Wirbelkammer (T1; T2) zugeordnet ist, • dass die erste und die zweite Wirbelkammer (T1, T2) einen gegenüber einem Gesamtdurchtrittsquerschnitt (nA_i) aller parallel durchströmten Innenrohre (300) erweiterten Durchtrittsquerschnitt (A₁) aufweist, und • dass die erste und die zweite Wirbelkammer (T1, T2) mit einem im Wesentlichen sich linear erstreckenden Verbindungskanal (V) strömungsdurchlässig miteinander verbunden sind, • der senkrecht zur Längsrichtung der Rohrbündel (100. i, 100. i + 1) orientiert ist und einen gegenüber dem erweiterten Durchtrittsquerschnitt (A₁) reduzierten Durchtrittsquerschnitt (A_v) aufweist.
Verbindungsarmatur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erweiterte Durchtrittsquerschnitt (A₁) ein bis zwei Nennweiten größer als der Gesamtdurchtrittsquerschnitt (nA_i) aller parallel durchströmten Innenrohre (300) ausgeführt ist.
Verbindungsarmatur nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der reduzierte Durchtrittsquerschnitt (A_v) gleich oder annähernd gleich dem Gesamtdurchtrittsquerschnitt (nA_i) aller parallel durchströmten Innenrohre (300) ausgeführt ist.
Verbindungsarmatur nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, • dass die erste und die zweite Wirbelkammer (T1, T2) jeweils topfförmig mit einem mantelförmigen Kammergehäuse (1100a) und einem im wesentlichen ebenen Kammerboden (1100b) ausgeführt ist, • dass an dem dem Kammerboden (1100b) abgewandten offenen Ende ein zur Rohrträgerplatte (700) hin abdichtbarer Kammerflansch (1100e) angeordnet ist, • dass im mantelförmigen Kammergehäuse (1100a) ein Kammeranschluss (1100c) vorgesehen ist, und • dass der jeweilige Kammeranschluss (1100c) mit einem Verbindungsgehäuse (1100d) verbunden ist.
Verbindungsarmatur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Kammeranschluss (1100c) relativ kurz ausgeführt ist.
Verbindungsarmatur nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kammeranschluss (1100c) wenigstens innenseitig gerundet ausgeführt ist.
Verbindungsarmatur nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für das Kammergehäuse (1100a) und das Verbindungsgehäuse (1100d) jeweils ein kreisförmiges Rohr Verwendung findet und dass der Kammeranschluss (1100c) als Aushalsung ausgeführt ist.