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Stand der
Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Wärmetauschers,
insbesondere für
Massen in der Süßwarenindustrien,
sowie einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Wärmetauscher.
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Aus
dem Stand der Technik sind insbesondere zur Verwendung in der Nahrungsmittelindustrie Rohrbündelwärmetauscher
bekannt, welche eine Vielzahl von Rohren für ein erstes Medium und einen wendelförmigen Führungskanal
für ein
zweites Medium, insbesondere eine Gießmasse oder Harz-/Weichzuckermasse
oder Harz-/Weichkaramellen usw., aufweist. Die Rohre des Röhrbündels laufen dabei
durch die wendelförmige
Führung,
um eine Wärmeübertragung
zwischen dem ersten und dem zweiten Medium zu ermöglichen.
Bei derartigen Wärmetauschern
mit wendelförmigen
Führungen
existiert das Problem, dass die wendelförmige Führung sehr aufwendig und teuer
in der Herstellung ist. Hierbei ist insbesondere die Herstellung
der Wendel selbst als auch die Herstellung von Öffnungen in der Wendel zum
Hindurchführen
der Rohre fertigungstechnisch sehr aufwendig.
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Aus
der
DE 10 2004 061 354.0 ist
ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers bekannt, bei dem
die wendelförmige
Führung
aus einer Vielzahl von gleich ausgebildeten Führungselementen hergestellt
wird. Die Führungselemente
werden dabei vor dem Einbringen der Durchgangsöffnungen für die Rohre mittels einer Vorrichtung
in ihre zumindest nahezu endgültige
Form vorgeformt und anschließend
werden die Durchgangsöffnungen
in dem Führungselement
erzeugt. Hierbei müssen
die Durchgangsöffnungen
für die
Rohre in die schräg
zur Längsachse
des Wärmetauschers
verlaufenden Bereiche des Führungselements
eingebracht werden, was fertigungstechnisch sehr aufwendig und teuer ist.
Von daher wäre
es wünschenswert,
ein Verfahren anzugeben, welches eine derartige wendelförmige Führung für einen
Wärmetauscher
möglichst
rationell und kostengünstig
bereitstellen kann.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines Wärmetauschers
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist gegenüber dem
Stand der Technik den Vorteil auf, dass es besonders einfach und
kostengünstig
durchgeführt
werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine
Vielzahl von einzelnen Wendelsegmenten aus einem flachen Ausgangsmaterial
hergestellt wird, wobei gleichzeitig auch die zur Aufnahme der Rohre des
Wärmetauschers
notwendigen Durchgangsöffnungen
in den Wendelsegmenten hergestellt werden. Dadurch wird die Bearbeitung
bzw. insbesondere die Herstellung der Durchgangsöffnungen deutlich vereinfacht,
da mit einem flachen Ausgangsmaterial, z.B. einem Blech oder einer
Kunststoffplatte o.Ä.,
gearbeitet werden kann. Im nächsten
Schritt werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die
einzelnen Wendelsegmente zusammengesetzt, um die wendelförmige Führung des
Wärmetauschers
zu bilden. Erfindungsgemäß kann somit
ein besonders effizientes und kostengünstiges Verfahren bereitgestellt
werden, so dass sich die Herstellungskosten für den Wärmetauscher signifikant reduzieren.
Weiterhin können
die einzelnen Wendelsegmente in einem Arbeitsschritt gefertigt werden,
ohne dass teuere Spezialvorrichtungen notwendig sind.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
weisen die Wendelsegmente einen kreisförmigen oder elliptischen oder
ovalen Innenumfang und/oder Außenumfang
auf. Besonders bevorzugt ist dabei ein elliptischer oder ovaler
Innen- und Außenumfang
derart, dass bei Draufsicht auf die einzelnen Wendelsegmente in
ihrem montierten Zustand ein Kreis bzw. ein Kreisbogen entsteht.
Mit anderen Worten werden die Wendelsegmente derart gestaltet, dass
sie ein entsprechendes Übermaß bzw. eine
entsprechende Ovalität
im flachen Zustand aufweisen, welche dann, wenn sie in der wendelförmigen Führung eingebaut
sind, einem Kreis bzw. einem Kreisbogen entspricht.
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Weiter
bevorzugt weisen die Durchgangsöffnungen
einen kreisförmigen
Durchmesser oder eine elliptische oder ovale Form auf. Besonders
bevorzugt sind wie beim Innen- bzw. Außenumfang der Wendelsegmente
die elliptischen oder ovalen Formen der Durchgangsöffnungen
im flachen Zustand, welche dann aufgrund der geneigten Einbauposition
in der wendelförmigen
Führung
bei Draufsicht einen Kreis bilden. Dadurch können im montierten Zustand
des Wärmetauschers
Spalten zwischen den Durchgangsöffnungen
und den darin eingeführten
Rohren minimiert bzw. verhindert werden.
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Erfindungsgemäß wird unter
oval eine länglichrunde
Form verstanden, die z.B. eine Eiform oder auch eine aus verschiedenen
Bogenabschnitten zusammengesetzte, nicht symmetrische Form aufweisen
kann.
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Vorzugsweise
werden die wendelförmigen Segmente
in einem einzigen Arbeitsschritt mitsamt den Durchgangsöffnungen
mittels Laserschneiden oder Stanzen hergestellt.
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Um
eine schnellere Montage des Wärmetauschers
zu ermöglichen,
werden vorzugsweise für eine
Ausrichtung der wendelförmigen
Segmente einige Rohre in die Durchgangsöffnungen der Wendelsegmente
eingeführt
und die Wendelsegmente anschließend
miteinander verbunden. Das Verbinden kann beispielsweise mittels
Schweißen
oder Kleben erfolgen.
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Besonders
kostengünstig
kann das erfindungsgemäße Verfahren
durchgeführt
werden, wenn das Wendelsegment vorzugsweise als ein 360°-umlaufendes
Segment mit einem Schlitz gebildet ist. Dadurch kann die Anzahl
der notwendigen Wendelsegmente für
eine wendelförmige
Führung
klein gehalten werden.
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Vorzugsweise
werden die 360°-umlaufenden Wendelsegmente
vor der Montage in den Wärmetauscher
mittels eines Abstandselements aufgespreizt. Dadurch kann eine besonders
schnelle und einfache Montage und insbesondere ein einfaches Verbinden mit
dem nachfolgenden Wendelsegment ermöglicht werden.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist
das wendelförmige
Segment als bogenförmiges
Segment, vorzugsweise als halbringförmiges Segment oder als Drittel-ringförmiges Segment
oder als Viertel-ringförmiges
Segment, gebildet. Zwar werden hierbei im Vergleich mit 360°-ringförmigen Segmenten
mehr Wendelsegmente zur Herstellung der wendelförmigen Führung benötigt, allerdings können dadurch
auf einfache Weise größere Steigungen
der wendelförmigen
Führung
realisiert werden.
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Vorzugsweise
werden zueinander benachbarte Wendelsegmente derart miteinander
verbunden, dass die Wendelsegmente an ihren Stoßkanten zueinander um einen
Winkel zueinander verkippt angeordnet sind. Mit anderen Worten sind
zwei benachbarte Wendelsegmente ausgehend von einer Position, in
welcher ihre aneinanderliegenden Stoßkanten in einer Ebene liegen,
um eine Achse in der Ebene zueinander verdreht. Besonders bevorzugt
werden die beiden benachbarten Wendelsegmente dabei ausgehend von
der Ebene jeweils um die Hälfte
des Verdrehwinkels zueinander verdreht. Der Drehpunkt liegt hierbei
vorzugsweise an der mittleren Position der Breite der Wendelsegmente.
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Besonders
bevorzugt wird die Vielzahl der Wendelsegmente auf einer Hilfsvorrichtung
vormontiert. Insbesondere werden die Wendelsegmente, welche kleiner
als ein 360°-Wendelsegment
sind, zu 360°-Wendelsegmenten
vormontiert und anschließend
im Wärmetauscher
endmontiert.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen Wärmetauscher, welcher eine wendelförmige Führung umfasst,
die nach einem der vorhergehenden Verfahren hergestellt ist. Hierdurch
kann der Wärmetauscher
besonders einfach und kostengünstig
hergestellt werden. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird insbesondere
in der Nahrungsmittelindustrie verwendet, wobei vorzugsweise die
Nahrungsmittelmassen über
die wendelförmige
Führung durch
den Wärmetauscher
geführt
werden.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
In der Zeichnung ist:
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1 eine perspektivischer,
teilweise geschnittene Darstellung eines Wärmetauschers gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 eine perspektivische Ansicht
eines Wendelsegments, das gemäß einem
ersten erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt ist,
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3 eine Seitenansicht eines
Wendelsegments im gespreizten Zustand gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren,
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4 eine perspektivische Ansicht
einer Herstellung eines Wendelsegments gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren
und
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5a bis 5d Draufsichten von verschiedenen Wendelsegmenten
im flachen Zustand, welche gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
zu einer wendelförmigen
Führung
zusammengesetzt werden können.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die Figuren verschiedene erfindungsgemäße Verfahren zur
Herstellung eines Wärmetauschers
und insbesondere zur Herstellung einer wendelförmigen Führung beschrieben.
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1 zeigt
einen Wärmetauscher 10,
welcher in der Süßwarenindustrie
zum Herstellen bzw. Verarbeiten von Massen wie Zucker/Glucose-Lösungen oder Ähnlichem
dient. Der Wärmetauscher 10 weist
einen hohlzylindrisch ausgebildeten Gehäusemantel 11 auf,
welcher in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur teilweise
sichtbar ist. An seinen Stirnseiten hat der Gehäusemantel 11 jeweils
einen Anschlussflansch 12, 13, der mit jeweils
einem Verschlussstück 14, 15 verbunden
ist. Die Verschlussstücke 14, 15 sind
dabei glockenförmig
ausgebildet und weisen einen Zulauf 16 bzw. einen Ablauf 17 für ein Heiz-
oder Kühlmedium
auf. Ferner sind im Gehäusemantel 11 nahe
den Anschlussflanschen 12, 13 ein Zulaufstutzen 18 bzw.
ein Ablaufstutzen 19 für die
zu erwärmende
oder zu kühlende
Masse angeordnet.
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In
den Innenraum des Gehäusemantels 11 ist
ein Wärmetauschereinsatz 20 einsetzbar.
Der Wärmetauschereinsatz 20 weist
ein zentral in der Längsachse
des Gehäusemantels 11 angeordnetes, rohrförmiges Stützelement 21 auf,
das sich zwischen den beiden Anschlussflanschen 12, 13 erstreckt.
Das Stützelement
kann dabei von dem Heiz- bzw. Kühlmedium
durchströmt
sein oder auch geschlossen sein. In dem Zwischenraum zwischen dem
Stützelement 21 und
dem Gehäusemantel 11 sind
eine Vielzahl von Rohren 23 angeordnet, welche jeweils
im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und in dem Anschlussflansch 12, 13 enden,
die hierzu entsprechende Durchgangsbohrungen aufweisen. Innerhalb
der Rohre 23 wird das Heiz- oder Kühlmedium transportiert, und
zwar wie in 1 durch die Pfeile dargestellt,
aus Richtung des Zulaufs 16 in Richtung des Ablaufs 17.
Weiterhin ist im Zwischenraum zwischen dem Stützelement 21 und dem
Gehäusemantel 11 eine
wendelförmige
Führung 25 für die erwärmende bzw.
zu kühlende
Masse. An die Führung 25 schließt sich
im Bereich des Zulaufstutzens 18 ein Zulaufadapter 22 und
im Bereich des Ablaufstutzens 19 ein Ablaufadapter 24 an.
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Die
Führung 25 besteht
aus einer Vielzahl von einzelnen Wendelsegmenten 26, welche
aneinander anschließen
und eine wendelförmige
Führung der
Masse durch den Wärmetauscher
ermöglichen. Hierzu
sind die Wendelsegmente 26 an ihren schmalen Stirnseiten 27 jeweils
beispielsweise miteinander verschweißt. An ihrem Innenumfang stützen sich
die einzelnen Wendelelemente dabei an dem Stützelement 21 ab oder
sind ebenfalls mit diesem fest verbunden.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist die Anordnung der Wendelsegmente 26 innerhalb des Gehäusemantels 11 derart,
dass über
die gesamte Länge des
Wärmetauschers 10 zwischen
dem Zulaufadapter 22 und dem Ablaufadapter 24 jeweils
die gleiche Steigung ausgebildet ist.
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Wie
in 1 gezeigt, sind in den Wendelsegmenten 26 jeweils
eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 28 ausgebildet.
Die Rohre 23 sind dabei durch die Durchgangsöffnungen 28 in
den Wendelsegmenten 26 hindurchgeführt. Hierbei sind Spalte zwischen
den Durchgangsöffnungen 28 und
den Rohren 23 möglichst
klein ausgebildet, damit die Masse am Durchtritt an den jeweiligen
Spalten gehindert ist.
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Es
sei angemerkt, dass in der Darstellung in 1 der besseren Übersichtlichkeit
halber lediglich ein Teil der Rohre 23 dargestellt ist,
während
in den Wendelsegmenten 26 alle Durchgangsöffnungen 28 dargestellt
sind.
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Der
Wärmetauscher 10 arbeitet
dabei wie folgt: Die zu erwärmende
bzw. zu kühlende
Masse gelangt über
den Zulaufstutzen 18 in den Zwischenraum zwischen dem Gehäusemantel 11 und
dem Stützelement 21.
Da der Zulauf der Masse unter Druck erfolgt, bewegt sich die Masse
innerhalb des wendelförmigen
Gangs der Führung 25 vom
Zulaufstutzen 18 zum Ablaufstutzen 19 hin. Während des Durchtransportes
der Masse durch den Wärmetauscher 10 kommt
die Masse dabei in Kontakt mit den Rohren 23, welche entsprechend
mit einem Wärme- oder
Kühlmedium
durchströmt
sind, so dass die gewünschte
Wärmeübertragung
möglich
ist. Das Wärme-
bzw. Kühlmedium
gelangt dabei über
den Zulauf 16 in den Wärmetauscher 10 und
wird über
den Ablauf 17 aus diesem wieder abgeführt. Es sei angemerkt, dass
der Wärmetauscher
selbstverständlich auch
derart betrieben werden kann, dass die Strömungsrichtung der Masse und
des Wärme-
bzw. Kühlmediums
gegenläufig
ist.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 2 und 3 eine
erste Herstellungsmöglichkeit des
Wärmetauschers
gemäß einem
erfindungsgemäßen Verfahren
beschrieben. 2 zeigt eine perspektivische
Ansicht eines Wendelsegments 28. Das Wendelsegment 28 wurde
aus einem flachen Ausgangsmaterial beispielsweise mittels Laserstrahlschneiden
herausgeschnitten. Dabei wurden in einem Arbeitsschritt die äußere Gestalt
des Wendelsegments 26 mit Außenumfang 29 und Innenumfang 30 erzeugt,
sowie die Vielzahl von Durchgangsöffnungen 28 und ein
Schlitz 31, welcher vom Außenumfang 29 zum Innenumfang 30 reicht.
Dadurch sind zwei schmale, stirnseitige Stoßkanten 27 entstanden.
Die Form des Wendelsegments 26 im flachen Zustand ist dabei
schematisch in 5a dargestellt, wobei der vom
Außenumfang 29 zum
Innenumfang 30 reichende Schlitz 31 eingezeichnet
ist.
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Wie
in 2 durch die Doppelpfeile angedeutet, kann das
derart hergestellte flache Wendelsegment im Bereich des Schlitzes 31 auseinandergebogen
werden und ein Teilstück
der wendelförmigen Führung 25 bilden.
Zur Herstellung der wendelförmigen
Führung
wird lediglich ein weiteres Wendelsegment mit seiner ersten schmalen
Stoßkante 27 an
die schmale Stoßkante
des nächsten
Wendelsegments angelegt und befestigt. Da das Wendelsegment 26 in gewissem
Umfang flexibel ist, kann je nach Anwendungsfall eine gewünschte Steigung
der wendelförmigen
Führung 26 realisiert
werden. Hierbei ist es auch möglich,
die Steigung über
die Länge
des Wärmetauschers 10 zu ändern. 3 zeigt
eine Seitenansicht eines Wendelsegments 26, welches mittels einer
Hilfsvorrichtung 32 am Schlitz aufgespreizt wird. Die Hilfsvorrichtung 32 kann
beispielsweise ein Klotz o.Ä.
sein. Die Hilfsvorrichtung 32 vereinfacht dabei das Verbinden
der einzelnen Wendelsegmente miteinander. Nachdem die Wendelsegmente
miteinander verbunden wurden, wird die Hilfsvorrichtung 32 entfernt.
Ferner werden zur Ausrichtung der einzelnen Wendelsegmente vorzugsweise
einzelne Rohre 23 in die Durchgangsöffnungen 28 eingeführt, um
die Verbindung der einzelnen Wendelsegmente weiter zu vereinfachen.
Die Verbindung der einzelnen Wendelsegmente 26 an ihren
Stoßkanten 27 kann
beispielsweise mittels dem Anbringen von Heftschweißpunkten
erfolgen. Gegebenenfalls können noch
weitere Fixierungsschweißnähte angebracht werden
und anschließend
alle Rohre 23 des Wärmetauschers
eingeschoben werden.
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Erfindungsgemäß können die
einzelnen Wendelsegmente 26 somit aus einem flachen Ausgangsmaterial
in einem Arbeitsschritt sehr einfach und kostengünstig hergestellt werden. Die
aus dem flachen Ausgangsmaterial ausgeschnitten Grundform des Wendelsegments 26 hängt dabei
insbesondere von der gewünschten
Steigung der Führung 25 ab.
Um im montierten Zustand der einzelnen Wendelsegmente 26 bei
Draufsicht auf die Führung 25 möglichst
einen runden Innenumfang und runden Außenumfang aufzuweisen, ist
die ausgeschnittene Grundform aus dem flachen Ausgangsmaterial leicht
elliptisch oder oval oder aus mehreren unterschiedlichen Kreisbögen zusammengesetzt.
Erst durch das Aufspreizen der Wendelsegmente wird dann die im Endmontagezustand
gewünschte
runde Innen- bzw. Außenkontur
erreicht. Das gleiche gilt auch für die Durchgangsöffnungen 28,
um zu verhindern, dass im endmontierten Zustand ein zu großer Spalt
zwischen den Rohren 23 und den Rändern der Durchgangsöffnungen 28 vorhanden
ist. Es sei jedoch angemerkt, dass es erfindungsgemäß auch möglich ist,
runde einzelnen Wendelsegmente 26 aus dem Flachmaterial
herauszuschneiden, welche anschließend in ihrem endmontierten
Zustand eine leichte Ovalform aufweisen, so dass insgesamt ein Wärmetauscher mit
ovalförmigem
Querschnitt erhalten wird. Auch wären langlochähnliche
Formen für
die Durchgangsöffnungen
im Flachmaterial denkbar.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 4 und 5b ein
zweites erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
beschrieben. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel wird beim zweiten Ausführungsbeispiel
nicht ein 360°-Wendelsegment verwendet,
sondern ein 180°-Wendelsegment.
In 4 sind dabei ein erstes Wendelsegment 26a und ein
zweites Wendelsegment 26b dargestellt. Die beiden Wendelsegmente 26a und 26b sind
gleich ausgebildet und bilden somit jeweils ein halbringförmiges Wendelsegment,
wie in 5b dargestellt. Wie aus 4 ersichtlich
ist, werden im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel beim zweiten
Ausführungsbeispiel
zwei zueinander benachbarte Wendelsegmente jeweils nur an einem
Punkt M miteinander verbunden. Um hierbei die wendelförmige Steigung
der Führung 25 zu
erreichen, sind die einander benachbarte Wendelsegmente 26a, 26b um
einen Winkel α an
ihren Stoßkanten 27 zueinander
versetzt. Genauer sind die beiden Wendelsegmente 26a, 26b die, nachdem
sie aus dem Flachmaterial herausgeschnitten wurden, in einer Ebene
E liegen, um eine Achse durch den Punkt M um jeweils einen Winkel
von α/2 entgegengesetzt
zueinander verdreht. Somit erfolgt die Herstellung der wendelförmigen Führung 25 in dem
zweiten Ausführungsbeispiel
nicht durch eine Spreizung bzw. Biegung der Wendelsegmente, sondern
durch ein Verdrehen bzw. Verwinkeln von jeweils zueinander benachbarten
Wendelsegmenten an den Stoßkanten 27.
Hierdurch wird eine Wendelführung
nachgebildet, wobei mit steigender Anzahl der Wendelsegmente, die
jeweils eine 360°-Windung bilden,
immer eine exaktere Annäherung
an eine ideale Wendelform erreicht wird.
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In
den 5c und 5d sind
schematisch weitere Möglichkeiten
dargestellt, wobei die 5c eine Dreiteilung des 360°-Wendelsegments
vorsieht und in 5d eine Vierteilung des 360°-Wendelsegments
dargestellt ist. Da allerdings mit steigender Anzahl der einzelnen
Segmente, welche eine 360°-Windung
bilden, der Aufwand für
das Fixieren der Wendelsegmente zur Bildung der Führung 25 ständig zunimmt,
sollte sinnvollerweise fertigungstechnisch eine vorbestimmte Obergrenze
von Einzelsegmenten, die eine 360°-Windung
bilden, vorgegeben werden, um die Anzahl der Schweißpunkte
möglichst klein
zu halten.
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Die
Montage der Vielzahl von Wendelsegmenten kann ebenfalls mittels
Hilfsvorrichtungen erfolgen oder unmittelbar um das mittlere Stützelement 21 herum
erfolgen. Vorzugsweise wird die Montage der einzelnen Wendelsegmente
um das mittlere Stützelement 21 herum
derart gestaltet, dass die einzelnen Wendelsegmente mit einem entsprechenden Winkel
zueinander auf dem Stützelement 21 angeordnet
werden und dann noch eine Ausrichtung möglich ist. Gegebenenfalls können schon
Rohre 23 des Wärmetauschers
durch die Durchgangsöffnungen 28 zur
besseren Fixierung eingeführt
werden. Nach der exakten Ausrichtung können die einzelnen Wendelsegmente
dann fest miteinander verbunden werden.
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Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher
wird vorzugsweise in der Nahrungsmittelproduktion sowohl als Vorkocher
oder als Fertigkocher im Herstellungsprozess für Hart- und Weichkaramellen
oder auch im Löseprozess
für Hart-/Weichzuckermassen und
für Gießmassen
verwendet.