DE102005030999A1 - Verfahren und Anordnung zur Strömungsführung in Rohrbündel-Wärmeaustauschern zur thermischen Behandlung von Suspensionen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Strömungsführung in Rohrbündel-Wärmeaustauschern zur thermischen Behandlung von Suspensionen, die stückige und/oder langfaserige Bestandteile beinhalten. Mit der Erfindung wird die bei Rohrbündel-Wärmetauschern nach dem Stand der Technik gegebene Verstopfungsanfälligkeit weiterstgehend beseitigt. Dies wird verfahrenstechnisch dadurch erreicht, dass, in Strömungsrichtung gesehen, die Einleitung der Suspension (P) in die Innenrohre (300; 300*) des ersten Rohrbündels (100.1; 101.1, 102.1) aus einem mit Abstand von letzterem angeordneten Verteilerraum (V) derart erfolgt, dass sich dieser in separate Teilströme P(T) zur getrennten Beschickung jedes einzelnen Innenrohres (300; 300*) verzweigt, wobei der Abstand benachbarter Verzweigungsstellen mindestens so groß ist, wie die Länge der faserigen Bestandteile, und dass die jeweiligen Teilströme P(T) durch die Innenrohre (300; 300*) auf dem Weg über die weiteren Rohrbündel (101.1, 101.2, 101.i, ..., 101.n; 102.1, 102.2, ..., 102.i, ..., 102.n) stets vereinzelt und separiert bleiben (Figur 2).
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strömungsführung in Rohrbündel-Wärmeaustauschern zur thermischen Behandlung von Suspensionen, die stückige und/oder langfaserige Bestandteile beinhalten, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Nebenanspruchs 9.
- 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; WO 20041083 761 A1). In den dort gewählten Darstellungen sind die in Frage kommenden Verbindungsbogen jeweils nur zur Hälfte dargestellt. - Den bekannten Rohrbündel-Wärmeaustauschern ist gemeinsam, dass die in den Innenrohren des jeweiligen Rohrbündels vereinzelten Teilströmungen des Innenkanals am Austritt der Rohrträgerplatte vereinigt werden und dieser zusammengeführte Gesamtstrom gemeinsam über den angeschlossenen Verbindungsbogen dem benachbarten Rohrbündel zugeführt wird. Dort wird im Eintrittsbereich des Rohrbündels dieser Gesamtstrom wieder in den dort angeströmten Innenrohren in Teilströme vereinzelt.
- Falls es sich bei dem in dem Rohrbündel-Wärmeaustauscher thermisch zu behandelnde Produkt um solches mit faserigen Beimengungen, beispielsweise Säften mit Fruchtfleisch, handelt, so kann es an den Eintrittsöffnungen der Innenrohre der Rohrträgerplatte zu Ablagerungen kommen. Die Behandlung bei relativ hohen Temperaturen begünstig die Agglomeration von Fasern und die Bildung von Pulpe. Diese lagern sich bevorzugt an den Stegen zwischen den mehrfach parallel angeordneten Innenrohren und an den quer zur Strömungsrichtung orientierten Flächen der Rohrträgerplatte ab und können dort zu Verstopfungen führen. Abhilfe schaffen hier Maßnahmen, wie sie in der vorgenannten WO 20041083 761 A1 im kritischen Anströmbereich der jeweiligen Rohrträgerplatte vorgesehen sind. Es wird u.a. vorgeschlagen, dass im Anströmbereich der jeweiligen Rohrträgerplatte und konzentrisch zu dieser ein Verdrängerkörper angeordnet ist, der die Strömung zum durch die Innenrohre gebildeten Innenkanal axialsymmetrisch teilt und dabei derart strömungsmechanisch beeinflusst, dass die vorstehend erwähnten unerwünschten Ablagerungen weitestgehend vermieden oder abgetragen werden.
- Es hat sich jedoch gezeigt, dass die bekannten Maßnahmen zur Verhinderung von Ablagerungen im Anströmbereich der Rohträgerplatte dann nicht mehr voll befriedigen können, wenn es sich bei dem thermisch zu behandelnden Produkt um Suspensionen handelt, die stückige und/oder langfaserige Bestandteile beinhalten, wobei die Faserlängen bis zu 100 mm reichen können. Diesbezügliche Suspensionen liegen beispielsweise im Rahmen von Verfahren zur Energiegewinnung durch Biofermentation vor. Hier wird einem Fermentationstank (Fermenter), in dem die Biofermentation stattfindet, eine Suspension fortlaufend zugeführt, wobei beispielsweise diese Suspension im Wesentlichen aus Mais und Gülle oder aus Ganzpflanzensilage (GPS) und Gülle oder aus Grassilage und Gülle besteht. Die Fermentationsreaktion liefert sog. Biogas, welches zum größeren Teil aus Methan besteht und einem (einer) mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelten Gaskolbenmotor (Gasturbine) zugeführt wird. Im dispersen System Mais/Gülle bzw. GPS/Gülle bzw. Grassilage/Gülle bildet jeweils die Gülle im Wesentlichen die kontinuierliche Phase, während die disperse Phase durch den Mais oder die anderen vorg. stückigen Bestandteile und ggf. weitere stückige Bestandteile, wie beispielsweise stückige Lebensmittel und deren Abfallprodukte sowie andere langfaserige Bestandteile gebildet wird.
- Die vorstehend erwähnte Biofermentation im Fermenter bedarf einer bestimmten optimalen Reaktionstemperatur (Fermentationstemperatur). Die fortlaufende Zufuhr von Suspension, bestehend im Wesentlichen aus den vorstehend aufgezählten zu fermentierenden Produkten, bedeutet jedoch eine Störung der Reaktion im Fermenter, die sich zwangsläufig aus zufuhrbedingten Temperatur- und Konzentrationsänderungen ergibt und dann besonders signifikant ausfällt, wenn beispielsweise in der kalten Jahreszeit die zuzuführende Suspension nicht hinreichend auf die Fermentationstemperatur im Fermenter vorgewärmt wird oder werden kann. Um diese Wärmezufuhr sicherzustellen, wurde beispielsweise versucht, den Fermentationstank intern zu beheizen. Hierzu ist im Innern des Fermenters eine Heizvorrichtung angeordnet. Diese kann bei einer zylinderförmigen Ausgestaltung des Fermentes als Heizwand ausgebildet sein, welche dann bevorzugt aufgeständert auf dem Boden des Fermenters angeordnet ist (
DE 202 18 022U1 ). Eine andere Ausführungsform sieht diesbezüglich vor, an der Innenwand des Fermenters Heiztaschen anzuordnen. - Es wurde weiterhin versucht, die zuzuführende Suspension, im Wesentlichen bestehend aus den zu fermentierenden Produkten, durch Erwärmung außerhalb des Fermenters in einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher der vorstehend beschriebenen Art vorzuwärmen und dann im hinreichend erwärmten Zustand dem Fermentationstank zuzuführen. Es zeigte sich bei dieser „externen" Erwärmung, dass die in Rede stehende Suspension im Rohrbündel-Wärmeaustauscher zu Verstopfungen führen und dort auch eine Entmischung erfahren konnte.
- Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die bislang bekannten Maßnahmen und Vorgehensweisen bei der Biofermentation zur Gewinnung von Biogas nicht dazu geeignet sind, die Fermentationstemperatur im Fermenter auch bei Zufuhr von neuer Suspension konstant zu halten. Bei Beheizung der zu fermentierenden Produkte innerhalb des Fermenters im Rahmen einer sog." internen" Beheizung zeigt sich eine sehr schlechte oder unzureichende Wärmeübertragung in die zu fermentierenden Produkte mit der Folge lokaler Temperaturunterschiede im Fermenter. Hieraus resultiert eine Verlangsamung des Fermentationsprozesses und eine damit einhergehende Verminderung der Ausbeute an Biogas. Die sog. „externe" Beheizung der zuzuführenden Suspension, der zu fermentierenden Produkte, innerhalb eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers der bekannten Art ist insofern problematisch, als die stückigen und/oder langfaserigen Bestandteile des dispersen Systems zu Verstopfungen und Entmischungen im Rohrbündel- Wärmeaustauscher führen können, wobei als Folge dieser Störungen sich wiederum lokale Temperaturunterschiede ergeben, aus denen eine Verlangsamung des Fermentationsprozesses und eine damit einhergehende Verminderung der Ausbeute an Biogas resultieren.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art und eine Anordnung zu seiner Durchführung zu schaffen, mit denen die Verstopfungsanfälligkeit des Rohrbündel-Wärmeaustauschers weitestgehend beseitigt wird.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist durch die Merkmale des Nebenanspruchs 9 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausführungsformen des vorgeschlagenen Verfahrens bzw. der Anordnung zu seiner Durchführung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
- Der grundlegende erfinderische Verfahrensgedanke beinhaltet zwei Lösungsansätze. Ein erster Lösungsansatz sieht vor, dass, in Strömungsrichtung gesehen, die Einleitung der Suspension in die Innenrohre des ersten Rohrbündels aus einem mit Abstand von letzterem angeordneten Verteilerraum derart erfolgt, dass sich dieser in separate Teilströme zur getrennten Beschickung jedes einzelnen Innenrohres verzweigt, wobei der Abstand benachbarter Verzweigungsstellen mindestens so groß ist, wie die größte Länge der faserigen Bestandteile. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die längsten faserigen Bestandteile sich nicht gleichzeitig in zwei Verzweigungsstellen hinein erstrecken können. Würde man nämlich eine derartige Überbrückung durch lange Fasern zulassen, dann liefe man Gefahr, dass diese „Brückenbildungen" durch die nachfolgende Strömung und Anströmung der Suspension nicht mehr aufgelöst werden können. Es kommt dann in diesen Bereichen bevorzugt zu weiteren diesbezüglichen Anlagerungen mit dem Ergebnis, dass die Verzweigungsstellen schließlich vollständig von lang faserigen Bestandteilen und im Zusammenwirken mit anderen stückigen Beimengungen vollständig verstopft werden.
- Ein zweiter Lösungsansatz besteht darin, dass die jeweiligen Teilströme durch die Innenrohre auf dem Weg über die weiteren Rohrbündel stets vereinzelt und separiert bleiben. Es handelt sich bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag somit um eine Einzelumlenkung des Teilstroms im jeweiligen Innenrohr, während bei bekannten Rohrbündel-Wärmeaustauschern die Teilströme aller parallel geschalteten Innenrohre zunächst vereinigt werden und der sich ergebende Gesamtstrom anschließend umgelenkt und dem nächsten Rohrbündel zugeführt wird.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung sieht vor, dass der jeweilige Teilstrom durch die Innenrohre vom Verteilerraum bis zum Eintritt in eine von allen Innenrohren des letzten Rohrbündels gespeiste Auslauf- und Sammelvorrichtung gleichwertige oder annähernd gleichwertige Strömungswiderstände zu überwinden hat. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die auf dem Weg durch den gesamten Rohrbündel-Wärmeaustauscher getrennt voneinander geführten Teilströme der miteinander verbundenen Innenrohre gleiche Verweilzeit im Rohrbündel-Wärmeaustauscher erfahren und somit einheitlich thermisch behandelt werden. Voreilende oder nacheilende Teilströme mit unterschiedlichen Austrittstemperaturen und Feststoffkonzentrationen werden somit vermieden.
- Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass jeder Teilstrom, beginnend im Verteilerraum und von dort bis zum Eintritt in das jeweilige Innenrohr des ersten Rohrbündels, gleichwertige oder annähernd gleichwertige Strömungswiderstände zu überwinden hat. Dadurch wird bereits eine gleichmäßige Beschickung der Innenrohre des jeweils an den Verteilerraum angeschlossenen ersten Rohrbündels sichergestellt.
- Weiterhin ist verfahrenstechnisch vorgesehen, dass der jeweilige Teilstrom durch die Innenrohre, einzeln und unabhängig von den anderen, wahlweise generierbar ist. Als geeignet für eine Absperrung der Teilströme durch die Innenrohre hat sich, in Strömungsrichtung gesehen, eine Stelle unmittelbar hinter dem Eintritt des jeweiligen Teilstroms in das jeweilige Innenrohr, ausgehend von dem Verteilerraum, erwiesen. Diese Absperrmöglichkeit erlaubt die Durchspülung bzw. das Freispülen jedes einzelnen Innenrohres, falls dies notwendig sein sollte.
- Erfolgt eine Auswahl des jeweiligen Teilstroms durch das jeweilige Innenrohr, wie dies weiterhin vorgeschlagen wird, in Abhängigkeit von einem für die Durchströmung des Innenrohres signifikanten Druck der Suspension, dann lässt sich die Notwendigkeit einer Durchspülung oder des Freispülens im Falle eine Verstopfung automatisch erfassen und, bei geeigneter gerätetechnischer Ausstattung, automatisieren. Ein verstopftes Innenrohr führt an einer geeigneten Messstelle zu einem Druckabfall, der entweder eine Alarmmeldung generiert oder ein automatisches Freispülen des verstopften Innenrohres veranlasst, während alle anderen Innenrohre bzw. Teilströme im Zuge dieses Freispülens abgesperrt bzw. unterbrochen werden.
- Eine Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung sieht weiterhin vor, dass der Verteilerraum an den Verzweigungsstellen zu den einzelnen Innenrohren vorbei wahlweise durchströmbar ist. Unabhängig davon, ob die sich an den Verzweigungsstellen aus dem Verteilerraum abzweigenden Innenrohre absperrbar oder abgesperrt sind, ergibt die vorg. Durchströmung des Verteilerraumes eine Querströmung an diesen Verzweigungsstellen, mit der dort ggf. abgelagerte Fasern beseitigt werden können. In Verbindung mit der oben beschriebenen Auswahl der Innenrohre zum Zwecke ihrer gezielten Durchspülung sind somit alle verstopfungsanfälligen Bereiche des erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmeaustauschers einer Behandlung zugänglich.
- Eine andere Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens gemäß der Erfindung sieht vor, dass der Teilstrom in der Umlenkung vom Innenrohr des Rohrbündels zum zugeordneten Innenrohr des nachfolgenden Rohrbündels einerseits und von dort zum zugeordneten Innenrohr des wiederum nachfolgenden Rohrbündels andererseits in der Summe stets gleichwertige oder annähernd gleichwertige Strömungswiderstände zu überwinden hat. Diese Maßnahme stellt sicher, dass unabhängig von der Anzahl der in Reihe geschalteten, parallel angeordneten Rohrbündel allein die Umlenkung von einem zum andern Rohrbündel derart ausgestaltet ist, dass in jedem diesbezüglichen Teilbereich des Rohrbündel-Wärmeaustauschers gleichwertige Strömungswiderstände vorliegen und somit über die Innenrohre der jeweils zu betrachtenden Rohrbündel gleiche Strömungsverhältnisse und somit gleiche Verweilzeiten vorliegen.
- Die zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagene Anordnung ist durch drei grundlegende Lösungsansätze gekennzeichnet ist. Der erste Lösungsansatz besteht darin, dass, in Strömungsrichtung gesehen, dem ersten Rohrbündel eine Einlauf- und Verteilervorrichtung mit einem Verteilerkörper vorgeordnet ist, der innenseits einen Verteilerraum ausbildet. Der zweite Lösungsgedanke beinhaltet, dass der Verteilerraum mit jedem Innenrohr des ersten Rohrbündels über jeweils ein Verteilerrohr aus einer Gruppe Verteilerrohre separat verbunden ist, wobei der Abstand benachbarter Verteilerrohre mindestens so groß ist, wie die größte Länge der faserigen Bestandteile. Gemäß einem dritten Lösungsansatz ist jedes Innenrohr eines Rohrbündels mit einem zugeordneten Innenrohr des nachfolgenden Rohrbündels über einen Verbindungsbogen aus einer Gruppe Verbindungsbogen der Verbindungsarmatur separat verbunden.
- Im Verteilerraum wird die Vereinzelung in die jeweiligen Teilströme der Innenrohre vorgenommen, die bei Rohrbündel-Wärmeaustauschern nach dem Stand der Technik erst im Bereich der Rohträgerplatte des ersten Rohrbündels vorgesehen ist. Durch die Bemessung der Abstände benachbarter, aus dem Verteilerraum ausmündender Verteilerrohre wird die sog. „Brückenbildung" durch langfaserige Bestandteile weitestgehend vermieden und durch die separate Verbindung jedes einzelnen Innenrohres des ersten Rohrbündels mit dem Verteilerraum über jeweils ein Verteilerrohr aus einer Gruppe Verteilerrohre ist eine eindeutige Beschickung jedes dieser Innenrohre sichergestellt, wodurch der bei Rohrbündel-Wärmeaustauschern nach dem Stand der Technik kritische Anströmbereich der Rohrträgerplatte des ersten Rohrbündels eliminiert ist.
- Das Prinzip der durchgängigen Separierung der die einander zugeordneten Innenrohre passierenden Teilströme verhindert die sich immer wiederholende Bildung kritischer Anströmbereiche der Rohrträgerplatte bei Rohrbündel-Wärmeaustauschern nach dem Stand der Technik.
- Eine vorteilhafte Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung sieht weiterhin vor, dass der jeweilige Teilstrom durch die Innenrohre vom Verteilerraum bis zum Eintritt in eine von allen Innenrohren des letzten Rohrbündels gespeiste Auslauf- und Sammelvorrichtung gleichwertige oder annähernd gleichwertige Strömungswiderstände zu überwinden hat. Die diesbezügliche Ausbildung aller Teilströmungswege stellt eine gleichmäßige Durchströmung aller parallel geschalteten Bereiche des Rohrbündel-Wärmeaustauschers und gleichmäßige thermische Behandlung dieser parallelen Teilströme sicher.
- Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführung der Anordnung ist vorgesehen, dass an die Einlauf- und Verteilervorrichtung ein erster Rohrbündel-Wärmeaustauscher und ein zweiter Rohrbündel-Wärmeaustauscher parallel angeschlossen sind. Durch diese Anordnung ist es möglich, dass eine einzige Einlauf- und Verteilervorrichtung zwei identische Rohrbündel-Wärmeaustauscher versorgen kann.
- In diesem Zusammenhang ist weiterhin vorgesehen, dass die Innenrohre des jeweils letzten Rohrbündels in eine Auslauf- und Sammelvorrichtung mit einem Sammelkörper einmünden, der inenseits einen Sammelraum ausbildet. Diese Ausgestaltung bezieht sich sowohl auf eine Anordnung mit einem einzigen Rohrbündel-Wärmeaustauscher als auch auf eine solche, bei der zwei Rohrbündel-Wärmeaustauscher parallel geschaltet sind.
- Die Ausgestaltung der Auslauf- und Sammelvorrichtung gestaltet sich gemäß einem weiteren Vorschlag dann besonders einfach, wenn der Sammelkörper als langgestreckter Hohlzylinder ausgebildet ist. Um eine Homogenisierung der in der Auslauf- und Sammelvorrichtung vereinigten Teilströme sämtlicher parallel geführter Teilströme der Innenrohre einerseits sicherzustellen, soweit dies angesichts der erfindungsgemäßen Anordnung überhaupt noch notwendig ist, und ein uner wünschtes Leerlaufen des Rohrbündel-Wärmeaustauschers andererseits zu verhindern, welches zu einem Anbrennen der an der Innenfläche der Innenrohre anhaftenden Restsuspension führen kann, sieht ein weiterer Vorschlag vor, dass der Sammelkörper im Bereich der Verbindungsarmaturen auf einer Seite des Rohrbündel-Wärmeaustauschers zunächst im Wesentlichen vertikal aufsteigend und anschließend im Wesentlichen vertikal absteigend verlegt ist. Die Auslauf- und Sammelvorrichtung fungiert in diesem Falle zum einen als sog. Strömungsrohr, dessen notwendige Länge durch die vorgeschlagene Verlegung raumsparend zu installieren ist, und zum anderen als Syphon zur Verhinderung eines unerwünschten Leerlaufens des Rohrbündel-Wärmeaustauschers.
- Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Verteilerkörper, wie dies weiterhin vorgesehen ist, als langgestreckter Hohlzylinder mit einem Innendurchmesser D ausgebildet ist, wenn weiterhin die aus dem Verteilerkörper ausmündende Gruppe Verteilerrohre im Bereich ihrer Abzweigrohrstutzen in dessen Längsrichtung angeordnet ist und wenn die Verteilerrohre innerhalb ihrer Gruppe jeweils einen axialen Abstand a voneinander aufweisen, der gleich oder größer ist als der Innendurchmesser D. Letzterer wird dabei zweckmäßig etwa so groß wie die größte Länge der faserigen Bestandteile der Suspension ausgeführt. Durch die vorgenannte Bemessung des Verteilerkörpers werden günstige Bedingungen dafür geschaffen, dass lange Fasern sich nicht über den Zwischenbereich zwischen zwei Verteilerrohre im Sinne einer sog. „Brückenbildung" legen können.
- Verläuft, wie dies eine weitere Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung vorsieht, die Längsachse des Verteilerkörpers parallel zu dem Rohrbündel-Wärmeaustauscher und ist die Gruppe Verteilerrohre im Bereich ihrer Abzweigrohrstutzen in einer Meridianebene des Verteilerkörpers angeordnet, wobei letztere senkrecht auf einer Anordnungsebene des Rohrbündel-Wärmeaustauschers steht, dann bietet der Verteilerkörper Platz für eine zweite Gruppe Verteilerrohre, die im Bedarfsfall einen zweiten Rohrbündel-Wärmeaustauscher versorgen kann.
- Eine absolut identische Verrohrung zwischen dem jeweils ersten Rohrbündel der beiden Rohrbündel-Wärmeaustauscher und dem Verteilerkörper wird dabei ge mäß einem weiteren Vorschlag dadurch erreicht, dass die zweite Gruppe Verteilerrohre der ersten Gruppe Verteilerrohre am Verteilerkörper diametral gegenüber liegend angeordnet ist.
- Weist jedes Verteilerrohr im Bereich seines am Verteilerkörper ausmündenden Abzweigrohrstutzens, wie dies auch vorgesehen ist, eine Absperreinrichtung auf, dann lässt sich jedes Innenrohr, einzeln und unabhängig von den anderen, wahlweise absperren. Diese Absperreinrichtung kann unabhängig von den anderen entweder manuell oder ferngesteuert wahlweise betätigt werden. Die Betätigung wird zweckmäßig in Abhängigkeit von einem für die Durchströmung des Innenrohres signifikanten Druck der Suspension gesteuert. Zur Messung dieses Druckes ist an jedem Verteilerrohr, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der jeweiligen Absperreinrichtung ein Anschluss für eine Druckmesseinrichtung vorgesehen. Durch die vorstehende Konfiguration lässt sich jedes einzelne Innenrohr im Bedarfsfall gezielt separat frei- bzw. durchspülen, während alle anderen Innenrohre abgesperrt sind.
- Der Verteilerkörper weist, wie dies eine andere Ausführungsform vorsieht, an seinem seiner Anströmseite abgewandten Ende einen mittels einer Absperreinrichtung absperrbaren Spülanschluss auf. Dadurch kann der Verteilerkörper in seiner Längsrichtung durchspült werden und die dadurch generierte Querströmung erlaubt ein Freispülen der aus dem Verteilerkörper ausmündenden, zu den jeweiligen Innenrohren führenden Abzweigrohrstutzen, wodurch die dort ggf. abgelagerten Fasern wirksam entfernt und über den Spülanschluss ausgetragen werden. Die Absperreinrichtung ist dabei zweckmäßig manuell oder ferngesteuert zu betätigen, sodass die letztgenannte Variante in Verbindung mit der vorg. Druckmessung eine weitestgehende Automatisierung des Durch- bzw. Freispülvorganges ermöglicht.
- Um im Bereich der Verbindungsarmaturen gleiche Strömungsbedingungen für alle Teilströme in den Innenrohren zu erreichen, sieht eine weitere Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung vor, dass die Verbindungsarmatur ein Anordnungsmuster der Innenrohre in den beiden jeweils dicht zu verbindenden Rohr trägerplatten benachbarter Rohrbündel komplementär in ihrem Anschlussflansch abbildet, dass die Verbindungsarmaturen die Strömungsverbindung zwischen den jeweiligen Innenrohren an den Enden zweier benachbarter Rohrbündel einerseits und an den nachfolgenden Enden der benachbarten Rohrbündel andererseits derart herstellen, und dass der jeweilige Strömungsweg durch die jeweiligen beiden Verbindungsarmaturen zwischen den benachbarten Rohrbündeln in der Summe stets den gleichen Strömungswiderstand aufweist.
- Eine besonders zweckmäßige diesbezügliche Anordnung wird weiterhin dadurch erreicht, dass eine Anzahl von vier bis sieben, vorzugsweise vier, Innenrohre in einem Rohrbündel vorgesehen sind.
- Bei einer bevorzugten Anzahl von vier Innenrohren im Rohrbündel ergibt sich eine besonders einfache Ausgestaltung der Verbindungsarmatur, wenn diese Innenrohre, wie dies ein weiterer Vorschlag vorsieht, auf einem gemeinsamen Teilkreisdurchmesser derart gleichmäßig verteilt angeordnet sind, dass zwei benachbarte Rohrbündel mit nur zwei unterschiedlichen Verbindungsbogen verbunden sind, wobei zwei lange, gleiche Verbindungsbogen den vier außen liegenden Innenrohren und zwei kurze, gleiche Verbindungsbogen den vier innen liegenden Innenrohren zugeordnet sind. Dies bedeutet, dass, bezogen auf einen Teilstrom innerhalb miteinander verbundener Innenrohre, einem langen Verbindungsbogen einerseits ein kurzer Verbindungsbogen andererseits folgt und dass dieses Anordnungsmuster sich über die nachfolgenden miteinander verbundenen Rohrbündel stetig fortsetzt.
- Die erfindungsgemäße Anordnung zur Strömungsführung in Rohrbündel-Wärmeaustauschern ist nicht nur geeignet, die zu fermentierenden Produkte außerhalb des Fermenters besonders wirksam zu beheizen, um eine hinreichende Fermentationstemperatur sicherzustellen, sondern sie ist auch im Gegensatz zu „internen" und „externen" Heizvorrichtungen nach dem Stand der Technik besonders gut geeignet, um beispielsweise die zu fermentierenden Produkte im Fermenter vor Überhitzung zu schützen. Eine derartige „externe" Kühlung der zu fermentierenden Produkte ist beispielsweise dann angezeigt, wenn im Sommer über mehrere Wochen eine Außentemperatur ϑa > 25°C herrscht, sodass im Fermenter ohne Kühlung eine optimale Fermentationstemperatur von ca. ϑF = 37°C nicht einzuhalten ist. Die zu fermentierenden Produkte werden in diesem Falle dem Fermenter im Teilstrom entnommen und im Kreislauf über den erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmeaustauscher geführt, wobei als Wärmeträgermedium (Kühlmedium) vorzugsweise Brunnenwasser zur Anwendung kommt. Eine Überhitzung des Fermenters hat vergleichbare Auswirkungen auf den Fermentationsprozess, wie eine unzureichende Erwärmung der zu fermentierenden Produkte.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Ausgehend vom Stand der Technik zeigt
-
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. - Diese bekannte Ausführungsform wird nachfolgend einleitend erläutert.
- Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung ist in den weiteren Figuren der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen
-
2 in perspektivischer Darstellung zwei parallel angeordnete Rohrbündel-Wärmeaustauscher, die, in Strömungsrichtung des zu behandelnden Produktes gesehen, am Eintritt ihres jeweils ersten Rohrbündels mit einer erfindungsgemäßen Einlauf- und Verteilervorrichtung, an den Enden benachbarter, strömungsmäßig in Reihe geschalteter Rohrbündel jeweils mit einer erfindungsgemäßen Verbindungsarmatur und, in Strömungsrichtung gesehen, hinter ihrem jeweils letzten Rohrbündel mit einer er findungsgemäßen Auslauf- und Sammelvorrichtung ausgestattet sind; -
3a in der Ansicht die Rohrbündel-Wärmeaustauscher in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Anordnungen gemäß2 ; -
3b in der Draufsicht die Rohrbündel-Wärmeaustauscher gemäß3a ; -
3c in der Seitenansicht die beiden Rohrbündel-Wärmeaustauscher gemäß den3a und3b ; -
4 in perspektivischer Darstellung die Einlauf- und Verteilervorrichtung, wie sie in den2 bis3c dargestellt ist; -
4a in perspektivischer Darstellung die Einlauf- und Verteilervorrichtung gemäß4 in einer modifizierten Ausführungsform; -
5a in perspektivischer Darstellung die Verbindungsarmatur, die in den2 bis3c jeweils in Verbindung mit den zugeordneten Rohrbündeln gezeigt ist und -
5b die Verbindungsarmatur gemäß5a in einer dort mit „Z" gekennzeichneten Blickrichtung, wobei die jeweils zugeordnete Rohrträgerplatte des zu verbindenden Rohrbündels strichpunktiert angedeutet ist. - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
- Ein in der Regel aus einer Vielzahl von Rohrbündeln
100.1 bis100.n zusammengesetzter Rohrbündel-Wärmeaustauscher100 nach dem Stand der Technik, wobei mit100.i ein beliebiges Rohrbündel bezeichnet wird (1 ; siehe auch DE-U-94 03 913), besteht in seinem mittleren Teil aus einem einen Außenkanal200* begrenzenden Außenmantel200 mit einem, bezogen auf die Darstellungslage, linksseitig angeordneten festlagerseitigen Außenmantelflansch200a und einem rechtsseitig angeordneten loslagerseitigen Außenmantelflansch200b . An dem letzteren schließt sich ein von einem ersten Gehäuse400.1 begrenzter erster Querkanal400a* mit einem ersten Anschlussstutzen400a und an den festlager seitigen Außenmantelflansch200a schließt sich ein von einem zweiten Gehäuse400.2 begrenzter zweiter Querkanal400b* mit einem zweiten Anschlussstutzen400b an. Eine Anzahl von sich achsparallel zum Außenmantel200 durch den Außenkanal200* erstreckenden, gemeinsam einen Innenkanal300* bildenden Innenrohre300 , beginnend mit vier und danach auch bis neunzehn ansteigend und ggf. auch mehr an der Zahl, sind endseitig jeweils in einer festlagerseitigen Rohrträgerplatte700 bzw. einer loslagerseitigen Rohrträgerplatte800 (beide auch als Rohrspiegelplatte bezeichnet) abgestützt und an ihrem Rohraußendurchmesser in dieser verschweißt, wobei diese Gesamtanordnung über eine nicht näher bezeichnete Öffnung am zweiten Gehäuse400.2 in den Außenmantel200 eingeführt und über einen festlagerseitigen Austauscherflansch500 mit dem zweiten Gehäuse400.2 unter Zwischenschaltung von jeweils einer Flachdichtung900 zusammengespannt ist (Festlager500 ,700 ,400.2 ). - Die beiden Gehäuse
400.1 ,400.2 sind gegenüber dem jeweils benachbarten Außenmantelflansch200b ,200a ebenfalls mit einer Flachdichtung900 abgedichtet, wobei das rechtsseitig angeordnete erste Gehäuse400.1 in Verbindung mit dem Außenmantel200 über einen loslagerseitigen Austauscherflansch600 unter Zwischenschaltung eines O-Ringes910 gegen das linksseitig angeordnete Festlager500 ,700 ,400.2 gepresst wird. Die loslagerseitige Rohrträgerplatte800 greift durch eine nicht näher bezeichnete Bohrung im loslagerseitigen Austauscherflansch600 hindurch und findet gegenüber letzterem ihre Abdichtung mittels des dynamisch beanspruchten O-Ringes910 , der darüber hinaus das erste Gehäuse400.1 statisch gegen den loslagerseitigen Austauscherflansch600 abdichtet. Letzterer und die loslagerseitige Rohrträgerplatte800 bilden ein sog. Loslager600 ,800 , welches die Längenänderungen der in der loslagerseitigen Rohrträgerplatte800 eingeschweißten Innenrohre300 infolge Temperaturänderung in beiden axialen Richtungen zulässt. - Abhängig von der Anordnung des jeweiligen Rohrbündels
100.1 bis100.n im Rohrbündel-Wärmeaustauscher100 und seiner jeweiligen Beschaltung können die Innenrohre300 , bezogen auf die Darstellungslage, entweder von links nach rechts oder umgekehrt von einem Produkt P durchströmt werden, wobei die mitt lere Strömungsgeschwindigkeit im Innenrohr300 und damit im Innenkanal200* mit v gekennzeichnet ist. Die querschnittsmäßige Auslegung erfolgt in der Regel derart, dass diese mittlere Strömungsgeschwindigkeit v auch in einem Verbindungsbogen1000 vorliegt, der einerseits mit dem festlagerseitigen Austauscherflansch500 und andererseits mittelbar mit einem mit der loslagerseitigen Rohrträgerplatte800 fest verbundenen loslagerseitigen Anschlussstutzen800d verbunden ist. Mit den beiden in der Zeichnung nur jeweils zur Hälfte dargestellten Verbindungsbogen1000 (sog. 180 Grad-Rohrbogen) wird das in Rede stehende Rohrbündel100.i mit dem jeweils benachbarten Rohrbündel100.i-1 bzw.100.i+1 in Reihe geschaltet. Daher bildet einmal der festlagerseitige Austauscherflansch500 einen Eintritt E für das Produkt P und der loslagerseitige Anschlussstutzen800d beherbergt einen dazugehörenden Austritt A; beim jeweils benachbarten Rohrbündel100.i-1 bzw.100.i+1 kehren sich diese Ein- und Austrittsverhältnisse jeweils entsprechend um. - Der festlagerseitige Austauscherflansch
500 weist eine erste Anschlussöffnung500a auf, die einem Nenndurchmesser DN und damit einem Nenndurchtrittsquerschnitt Ao des dort angeschlossenen Verbindungsbogens1000 entspricht und die in der Regel so bemessen ist, dass dort die der mittleren Strömungsgeschwindigkeit v im Innenrohr300 bzw. Innenkanal300* entsprechende Strömungsgeschwindigkeit vorliegt. In gleicher Weise ist auch eine zweite Anschlussöffnung800a in dem loslagerseitigen Anschlussstutzen800d bemessen, wobei sich die jeweilige Anschlussöffnung500a bzw.800a auf einen jeweils erweiterten Durchtrittsquerschnitt500c bzw.800c im Bereich zur benachbarten Rohrträgerplatte700 bzw.800 durch einen konischen Übergang500b bzw.800b erweitert. Der erweiterte Durchtrittsquerschnitt500c bzw.800c ist dabei im Wesentlichen zylindrisch und mit einem Durchmesser ausgeführt, der in der Regel ein bis zwei Nennweiten größer als der Nenndurchmesser DN des Verbindungsbogens1000 (Nenndurchtrittsquerschnitt Ao des Verbindungsbogens) und demnach entsprechend größer als der Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller in den festlagerseitigen Austauscherflansch500 eintretenden Innenrohre300 mit einem jeweiligen Rohrinnendurchmesser Di dimensioniert ist. - In Abhängigkeit von der Richtung der Strömungsgeschwindigkeit v im Innenrohr
300 bzw. Innenkanal300* strömt das zu behandelnde Produkt P entweder über die erste Anschlussöffnung500a oder die zweite Anschlussöffnung800a dem Rohrbündel100.1 bis100.n zu, sodass entweder die festlagerseitige Rohrträgerplatte700 oder die loslagerseitige Rohrträgerplatte800 angeströmt wird. Da in jedem Falle ein Wärmeaustausch zwischen Produkt P in den Innenrohren300 bzw. den Innenkanälen300* und einem Wärmeträgermedium M im Außenmantel200 bzw. in den Außenkanälen200* im Gegenstrom zu erfolgen hat, strömt dieses Wärmeträgermedium M entweder dem ersten Anschlussstutzen400a oder aber dem zweiten Anschlussstutzen400b mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Außenmantel c zu. - Ein erster Rohrbündel-Wärmeaustauscher
101 (2 und3a ,3b ,3c ) besteht aus einer Anzahl n in Reihe geschalteter, parallel angeordneter Rohrbündel101.1 bis101.n , wobei im Ausführungsbeispiel n = 8 Rohrbündel101.i (i = 1 bis 8) vorgesehen sind. Parallel zum ersten Rohrbündel-Wärmeaustauscher101 ist ein zweiter Rohrbündel-Wärmeaustauscher102 vorgesehen, der gleichfalls aus einer Anzahl n in Reihe geschalteter, parallel angeordneter Rohrbündel102.1 bis102.n (i = 1 bis 8) besteht, wobei beide die Gesamtanordnung100 bilden. Beide Rohrbündel-Wärmeaustauscher101 und102 sind gemeinsam an eine Einlauf- und Verteilervorrichtung10 angeschlossen, die aus einem Verteilerkörper10.3 besteht, der sich eingangsseitig in einen ersten konischen Übergangskörper10.4 mit einem ersten Anschlussflansch10.5 fortsetzt (4 ,4a ). Der Verteilerkörper10.3 ist vorzugsweise als langgestreckter Hohlzylinder mit einem Innendurchmesser D ausgeführt, der innenseits einen Verteilerraum V ausbildet. Dieser ist mit jedem Innenrohr300 ,300* (siehe1 ) des jeweils ersten Rohrbündels101.1 ,102.1 (2 ) überjeweils ein Verteilerrohr10.1.1 bis10.1.4 (10.1.i ) aus einer ersten Gruppe Verteilerrohre10.1 und über jeweils ein Verteilerrohr10.2.1 bis10.2.4 (10.2.i ) aus einer zweiten Gruppe Verteilerrohre10.2 separat verbunden, wobei ein axialer Abstand a benachbarter Verteilerrohre mindestens so groß ist, wie die größte Länge der faserigen Bestandteile (4 ). Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, den axialen Abstand a gleich oder größer als den Innendurchmesser D auszuführen, wobei die Bemessung des Innendurchmessers D unter Berücksichtigung des durchzusetzenden Volumenstroms der Suspension P die gewünschte mittlere Strömungsgeschwindigkeit c eines jeweiligen Teilstroms P(T) im jeweiligen Innenrohr zulassen muss. - Eine thermisch zu behandelnde Suspension P(E) tritt über den ersten Anschlussflansch
10.5 in Verbindung mit dem ersten konischen Übergangskörper10.4 in die Einlauf- und Verteilervorrichtung10 ein, wo sie, in Strömungsrichtung gesehen, am Anfang des Verteilerkörpers10.3 über ein Schauglas10.7 visuell zu beobachten ist (2 ,4 ). Innerhalb des Verteilerraumes V des Verteilerkörpers10.3 verzweigt sich der Gesamtstrom der Suspension P in die jeweiligen Verteilerrohre10.1.1 bis10.1.4 einerseits und in die Verteilerrohre10.2.1 bis10.2.4 andererseits. Derart vereinzelte Teilströme P(T) der Suspension P gelangen über den an den Enden der jeweiligen Verteilerrohre10.1.1 bis10.1.4 und10.2.1 bis10.2.4 angeordneten zweiten Anschlussflansch10.6 zum jeweils ersten Rohrbündel101.1 und102.1 (2 und3a ,3b ,3c ,4 ). Die Verbindung im Bereich des zweiten Anschlussflansches10.6 ist derart ausgebildet, dass hier eine dichte Verbindung mit dem jeweils korrespondierenden Innenrohr des ersten Rohrbündels101.1 ,102.1 gegeben ist. Zur Spülung des Verteilerraumes V befindet sich, in Strömungsrichtung gesehen, am Ende des Verteilerkörpers10.3 eine über einen Antrieb11a steuerbare Absperreinrichtung11 , beispielsweise ein Kugelhahn, wobei die Absperreinrichtung11 an ihrer dem Verteilerkörper10.3 abgewandten Seite einen Spülanschluss11b aufweist (4 ,4a ). - Die Längsachse des Verteilerkörpers
10.3 (2 ,4 ) verläuft parallel zu dem Rohrbündel-Wärmeaustauscher101 und somit auch zu dem parallel zu diesem angeordneten Rohrbündel-Wärmeaustauscher102 . Die erste Gruppe Verteilerrohre10.1 ist in einer Meridianebene des Verteilerkörpers10.3 angeordnet, wobei letztere senkrecht auf einer Anordnungsebene AE des ersten Rohrbündel-Wärmeaustauschers101 steht (3c ). Die zweite Gruppe Verteilerrohre10.2 ist der ersten Gruppe10.1 diametral gegenüber liegend angeordnet. Durch diese symmetrische Anordnung herrschen im Einlauf- und Verteilerbereich der beiden Rohrbündel-Wärmeaustauscher101 ,102 identische Strömungsverhältnisse. - Zum Zwecke einer gezielten Durchspülung der Verteilerrohre
10.1.i ,10.2.i jeder Gruppe Verteilerrohre10.1 ,10.2 und der damit jeweils verbundenen Innenrohre300 wird die in4 dargestellte Einlauf- und Verteilervorrichtung10 modifiziert. Diese modifizierte Einlauf- und Verteilervorrichtung10* zeigt4a . Dort weist jedes Verteilerrohr10.1.i ,10.2.i im Bereich seines am Verteilerkörper10.3 ausmündenden Abzweigrohrstutzens eine Absperreinrichtung10.8.i bzw.10.9.i (10.8.1 ,10.8.2 ,10.8.3 ,10.8.4 ;10.9.1 ,10.9.2 ,10.9.3 ,10.9.4 ) auf, wobei die an erster Stelle genannten eine erste Gruppe Absperreinrichtungen10.8 und die an zweiter Stelle genannten eine zweite Gruppe Absperreinrichtungen10.9 bilden. Jede dieser Absperreinrichtungen10.8.i ,10.9.i ist unabhängig von den anderen entweder manuell oder ferngesteuert wahlweise betätigbar. Um feststellen zu können, ob ein Verteilerrohr10.1.i ,10.2.i und/oder das damit jeweils verbundene Innenrohr300 durch Ablagerungen in seinem Strömungsdurchgang beeinträchtigt ist, ist an jedem Verteilerrohr10.1.i ,10.2.i , in Strömungsrichtung gesehen, hinter der jeweiligen Absperreinrichtung10.8.i ,10.9.i ein Anschluss für eine Druckmesseinrichtung10.10 vorgesehen ist. Verstopfungen führen an der Messstelle zu einer leicht messbaren, signifikanten Druckänderung, mit der wenigstens eine Alarmmeldung oder aber eine gezielte Durchspülung und Freispülung der in Frage kommenden Verteilerrohre10.1.i ,10.2.i (beispielsweise Spülung/Reinigung R1 des ersten Verteilerrohres10.1.1 in der ersten Gruppe Verteilerrohre10.1 ) in Verbindung mit den zugeordneten Innenrohren300 und/oder eine Durchspülung des Verteilerkörpers10.3 (Spülung/Reinigung R) generiert werden kann. - Jedes Innenrohr
300 ,300* (siehe hierzu1 ) eines Rohrbündels (beispielhaft sei hier das Rohrbündel101.i herausgegriffen; siehe2 und3a ,3b ,3c ) ist mit einem zugeordneten Innenrohr300 ,300* des nachfolgenden Rohrbündels101.i+1 über einen Verbindungsbogen20.1.i aus einer Gruppe Verbindungsbogen20.1 einer Verbindungsarmatur20 separat verbunden (siehe auch5a und5b ). Die Verbindung erfolgt über einen die beiden Rohrträgerplatten700 bzw.800 überbrückenden Anschlussflansch20.5 . - Eine Anzahl N = 4 Innenrohre ist, wie dies in
5a dargestellt ist, auf einem gemeinsamen Teilkreisdurchmesser gleichmäßig verteilt angeordnet, wobei die Anordnung so gewählt ist, dass zwei benachbarte Rohrbündel101.i ,101.i+1 mit nur zwei unterschiedlich langen Verbindungsbogen verbunden sind. Dabei sind zwei lange, gleiche Verbindungsbogen20.1.1 und20.1.2 den vier außen liegenden Innenrohren zugeordnet (s. auch Verbindungsbogen20.1.1 am rechtsseitigen Ende der Rohrbündel101.i ,101.i+1 ). Zwei kurze, gleiche Verbindungsbogen20.1.3 und20.1.4 sind den vier innen liegenden Innenrohren zugeordnet. - Die Teilströme P(T) der beiden außen liegenden Innenrohre der benachbarten Rohrbündel
101.i und101.i+1 (2 und3a ) nehmen in der Umlenkarmatur20 , wie vorstehend dargestellt, den langen Strömungsweg Ll (s. auch5b ). Bei der nachfolgenden Umlenkung dieser Teilströme P(T) am linksseitigen Ende der benachbarten Rohrbündel101.i+1 und101.i+2 werden die beiden außen liegenden Innenrohre des Rohrbündels101.i+1 in Bezug auf das Rohrbündel101.i+2 gleichsam zu innen liegenden Innenrohren, die mit den gleichfalls innen liegenden Innenrohren des Rohrbündels101.i+2 über zwei kurze, gleiche Verbindungsbogen20.1.3 und20.1.4 verbunden sind. Die Teilströme P(T) der beiden innen liegenden Innenrohre der benachbarten Rohrbündel101.i+1 und101.i+2 (2 und3a ) nehmen in der Umlenkarmatur20 nunmehr den kurzen Strömungsweg Lk (s. auch5b ). Dadurch wird der erfindungsgemäße Lösungsansatz verwirklicht, dass der Teilstrom P(T) in der Umlenkung vom Innenrohr300 ,300* des Rohrbündels101.i zum zugeordneten Innenrohr300 ,300* des nachfolgenden Rohrbündels100.i+1 einerseits und von dort zum zugeordneten Innenrohr300 ,300* des wiederum nachfolgenden Rohrbündels100.i+2 andererseits in der Summe stets gleichwertige oder annähernd gleichwertige Strömungswiderstände zu überwinden hat. - Die Innenrohre
300 ,300* des, in Strömungsrichtung gesehen, jeweils letzten Rohrbündels101.n und102.n münden über einen ersten Sammelbogen30.2 bzw. einen zweiten Sammelbogen30.3 in einen Sammelkörper30.1 einer Auslauf- und Sammelvorrichtung30 ein. Der Sammelkörper30.1 ist vorzugsweise als lang gestreckter Hohlkörper ausgebildet und begrenzt inenseits einen Sammelraum S. Dem Sammelkörper30.1 schließt sich ein zweiter konischer Übergangskörper30.5 und ein vierter Anschlussflansch30.6 an. Die Auslauf- und Sammelvorrich tung30 ist raumsparend im Bereich der Verbindungsarmaturen20 auf einer Seite der Rohrbündel-Wärmeaustauscher101 ,102 zunächst im Wesentlichen vertikal aufsteigend und anschließend im Wesentlichen vertikal absteigend verlegt, wodurch ein Leerlaufen des Rohrbündel-Wärmeaustauschers101 ,102 und damit ein Anbrennen von Restsuspension verhindert wird. Neben dieser Syphonwirkung homogenisiert sie die aus den letzten Rohrbündeln101.n und102.n austretende Suspension P(A) hinsichtlich Temperatur und Feststoffkonzentration, falls dies angesichts der erfindungsgemäßen Anordnung überhaupt noch erforderlich ist. - Der Wärmeaustausch zwischen der mit der mittleren Strömungsgeschwindigkeit v in den Innenrohren
300 bzw. den Innenkanälen300* strömenden Suspension P (Teilströme P(T)) und einem im Außenmantel200 bzw. in den Außenkanälen200* strömenden Wärmeträgermedium M erfolgt im Gegenstrom. Dabei strömt das Wärmeträgermedium M(E), beispielsweise Heißwasser oder, im Falle eine Kühlung der zu fermentierenden Produkte, Kühlwasser dem n-ten Rohrbündel101.n einerseits über den ersten Anschlussstutzen400a mit der mittleren Strömungsgeschwindigkeit c im Außenmantel zu (2 ). Es verlässt das Rohrbündel101.n andererseits über den zweiten Anschlussstutzen400b , der mit dem ersten Anschlussstutzen400a des benachbarten Rohrbündels101.n-1 auf kurzem Weg verbunden ist. Schließlich verlässt das Wärmeträgermedium M(A) mit der mittleren Strömungsgeschwindigkeit c im Außenmantel das erste Rohrbündel101.1 über den zweiten Anschlussstutzen400b . -
1 (Stand der Technik) - 100
- Rohrbündel-Wärmeaustauscher
- 100.1, 100.2, ..., 100.i, ..., 100.n
- Rohrbündel; i = 1 bis n
- 100.i
- i-tes 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
- mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Außenmantel
- n
- Anzahl
der Rohrbündel
100.i - v
- mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Innenrohr
- A
- Austritt
- Ao
- Nenndurchtrittsquerschnitt des Verbindungsbogens
- Di
- Rohrinnendurchmesser (Innenrohr
300 ) - DN
- Nenndurchmesser des Verbindungsbogens (Ao = DN2π/4)
- E
- Eintritt
- P
- Produkt/Suspension (temperaturbehandelte Seite)
- M
- Wärmeträgermedium, allgemein
-
2 ,3a ,3b ,3c ,4 ,4a ,5a ,5b - 101
- erster Rohrbündel-Wärmeaustauscher
- 102
- zweiter Rohrbündel-Wärmeaustauscher
- 101.1, 101.2, ..., 101.i,..., 101.n
- erstes
bis n-tes Rohrbündel
des ersten Rohrbündel-Wärmeaustauschers
101 ; i = 1 bis n - 102.1, 102.2, ..., 102.i, ..., 102.n
- erstes
bis n-tes Rohrbündel
des zweiten Rohrbündel-Wärmeaustauschers
102 ; i = 1 bis n - 101.i
- i-tes
Rohrbündel
des ersten Rohrbündel-Wärmeaustauschers
101 - 101.i+1
- dem
Rohrbündel
101.i nachgeschaltetes Rohrbündel - 100.i+2
- dem
Rohrbündel
100.i+1 nachgeschaltetes Rohrbündel - 101.i-1
- dem
Rohrbündel
101.1 vorgeschaltetes Rohrbündel - 102.i
- i-tes
Rohrbündel
des zweiten Rohrbündel-Wärmeaustauschers
102 - 102.i+1
- dem
Rohrbündel
102.i vorgeschaltetes Rohrbündel - 102.i-1
- dem
Rohrbündel
102.i vorgeschaltetes Rohrbündel - 10
- Einlauf- und Verteilervorrichtung
- 10*
- modifizierte Einlauf- und Verteilervorrichtung
- 10.1
- erste Gruppe Verteilerrohre
- 10.1.1
- erstes Verteilerrohr der ersten Gruppe
- 10.1.2
- zweites Verteilerrohr der ersten Gruppe
- 10.1.3
- drittes Verteilerrohr der ersten Gruppe
- 10.1.4
- viertes Verteilerrohr der ersten Gruppe
- 10.1.i
- Verteilerrohr der ersten Gruppe, allgemein
- 10.2
- zweite Gruppe Verteilerrohre
- 10.2.1
- erstes Verteilerrohr der zweiten Gruppe
- 10.2.2
- zweites Verteilerrohr der zweiten Gruppe
- 10.2.3
- drittes Verteilerrohr der zweiten Gruppe
- 10.2.4
- viertes Verteilerrohr der zweiten Gruppe
- 10.2.i
- Verteilerrohr der zweiten Gruppe, allgemein
- 10.3
- Verteilerkörper
- 10.4
- erster konischer Übergangskörper
- 10.5
- erster Anschlussflansch
- 10.6
- zweiter Anschlussflansch
- 10.7
- Schauglas
- 10.8
- erste Gruppe Absperreinrichtungen
- 10.8.1
- erste Absperreinrichtung der ersten Gruppe
- 10.8.2
- zweite Absperreinrichtung der ersten Gruppe
- 10.8.3
- dritte Absperreinrichtung der ersten Gruppe
- 10.8.4
- vierte Absperreinrichtung der ersten Gruppe
- 10.8.i
- Absperreinrichtung der ersten Gruppe, allgemein
- 10.9
- zweite Gruppe Absperreinrichtungen
- 10.9.1
- erste Absperreinrichtung der zweiten Gruppe
- 10.9.2
- zweite Absperreinrichtung der zweiten Gruppe
- 10.9.3
- dritte Absperreinrichtung der zweiten Gruppe
- 10.9.4
- vierte Absperreinrichtung der zweiten Gruppe
- 10.9.i
- Absperreinrichtung der zweiten Gruppe, allgemein
- 10.10
- Anschluss für Druckmesseinrichtung
- 11
- Absperreinrichtung (z.B. Kugelhahn)
- 11a
- Antrieb
- 11b
- Spülanschluss
- 20
- Verbindungsarmatur
- 20.1
- Gruppe Verbindungsbogen
- 20.1.1
- erster, langer Verbindungsbogen
- 20.1.2
- zweiter, langer Verbindungsbogen
- 20.1.3
- erster, kurzer Verbindungsbogen
- 20.1.4
- zweiter, kurzer Verbindungsbogen
- 20.1.i
- Verbindungsbogen, allgemein
- 20.5
- Anschlussflansch
- 30
- Auslauf- und Sammelvorrichtung
- 30.1
- Sammelkörper
- 30.2
- erster Sammelbogen
- 30.3
- zweiter Sammelbogen
- 30.4
- dritter Anschlussflansch
- 30.5
- zweiter konischer Übergangskörper
- 30.6
- vierter Anschlussflansch
- a
- axialer Abstand der Verteilerrohre
- AE
- Anordnungsebene
- des
(ersten) Rohrbündel-Wärmeaustauschers
100 (101 ) - D
- Innendurchmesser des Verteilerkörpers (Verteilerrohr)
- Ll
- langer Strömungsweg in der Umlenkarmatur
- Lk
- kurzer Strömungsweg in der Umlenkarmatur
- P
- Suspension (z.B. Biomasse)
- P(A)
- Suspension, Austritt
- P(E)
- Suspension, Eintritt
- P(T)
- Suspension (Teilstrom)
- M(A)
- Wärmeträgermedium, Austritt (z.B. Wasser)
- M(E)
- Wärmeträgermedium, Eintritt (z.B. Wasser)
- N
- Anzahl
der Innenrohre
300 eines Rohrbündels100.i ,102.i - R
- Spülung/Reinigung
des Verteilerkörpers
10.3 - R1
- Spülung/Reinigung
des ersten Verteilerrohres
10.1.1 der ersten Gruppe - S
- Sammelraum
- V
- Verteilerraum
Claims (25)
- Verfahren zur Strömungsführung in Rohrbündel-Wärmeaustauschern zur thermischen Behandlung von Suspensionen, die stückige und/oder langfaserige Bestandteile beinhalten, wobei der Rohrbündel-Wärmeaustauscher (
100 ;101 ,102 ) aus mehreren gleichen, in Reihe geschalteten, im Wesentlichen parallel angeordneten Rohrbündeln (101.1 ,101.2 ,101.1 , ...,101.n ;102.1 ,102.2 ,102.i , ...,102.n ) besteht, jedes Rohrbündel einen von einem Außenmantel (200 ) umgebenen Außenkanal (200* ) für ein Wärmeträgermedium (M) und eine Anzahl von sich achsparallel zum Außenmantel (200 ) durch den Außenkanal (200* ) erstreckenden, gemeinsam einen Innenkanal (300* ) bildenden, endseitig jeweils in einer Rohrträgerplatte (700 ,800 ) abgestützten Innenrohren (300 ) aufweist und benachbarte Rohrbündel über eine die Strömungsführung in den Innenrohren (300 ;300* ) sicherstellende Verbindungsarmatur (20 ) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, • dass, in Strömungsrichtung gesehen, die Einleitung der Suspension (P) in die Innenrohre (300 ;300* ) des ersten Rohrbündels (100.1 ;101.1 ,102.1 ) aus einem mit Abstand von letzterem angeordneten Verteilerraum (V) derart erfolgt, dass sich dieser in separate Teilströme P(T) zur getrennten Beschickung jedes einzelnen Innenrohres (300 ;300* ) verzweigt, wobei der Abstand benachbarter Verzweigungsstellen mindestens so groß ist, wie die Länge der faserigen Bestandteile, • und dass die jeweiligen Teilströme P(T) durch die Innenrohre (300 ;300* ) auf dem Weg über die weiteren Rohrbündel (101.1 ,101.2 ,101.i , ...,101.n ;102.1 ,102.2 , ...,102.i , ...,102.n ) stets vereinzelt und separiert bleiben. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Teilstrom P(T) durch die Innenrohre (
300 ;300* ) vom Verteilerraum (V) bis zum Eintritt in eine von allen Innenrohren (300 ;300* ) des letzten Rohrbündels (100.n ;101.n ,102.n ) gespeiste Auslauf- und Sammelvorrichtung (30 ) gleichwertige oder annähernd gleichwertige Strömungswiderstände zu überwinden hat. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Teilstrom P(T), beginnend im Verteilerraum (V) und von dort bis zum Eintritt in das jeweilige Innenrohr (
300 ;300* ) des ersten Rohrbündels (100.1 ;101.1 ,102.1 ), gleichwertige oder annähernd gleichwertige Strömungswiderstände zu überwinden hat. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Teilstrom P(T) durch die Innenrohre (
300 ;300* ), einzeln und unabhängig von den anderen, wahlweise generierbar ist. - Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswahl des jeweiligen Teilstroms P(T) durch das jeweilige Innenrohr (
300 ;300* ) in Abhängigkeit von einem für die Durchströmung des Innenrohres signifikanten Druck der Suspension (P) erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Absperrung der Teilströme P(T) durch die Innenrohre (
300 ;300* ), in Strömungsrichtung gesehen, unmittelbar hinter dem Eintritt des jeweiligen Teilstroms P(T) in das jeweilige Innenrohr, ausgehend von dem Verteilerraum (V), erfolgt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerraum (V) an den Verzweigungsstellen zu den einzelnen Innenrohren (
300 ;300* ) vorbei wahlweise durchströmbar ist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrom P(T) in der Umlenkung vom Innenrohr (
300 ;300* ) des Rohrbündels (100.i-1 ;101.i-1 ,102.i-1 ) zum zugeordneten Innenrohr (300 ;300* ) des nachfolgenden Rohrbündels (100.i ;101.i ,102.i ) einerseits und von dort zum zugeordneten Innenrohr (300 ;300* ) des wiederum nachfolgenden Rohrbündels (100.i+1 ;101.i+1 ,102.i+1 ) andererseits in der Summe stets gleichwertige oder annähernd gleichwertige Strömungswiderstände zu überwinden hat. - Anordnung zur Strömungsführung in Rohrbündel-Wärmeaustauschern zur thermischen Behandlung von Suspensionen, die stückige und/oder langfaserige Bestandteile beinhalten, wobei der Rohrbündel-Wärmeaustauscher (
100 ;101 ,102 ) aus mehreren gleichen, in Reihe geschalteten, im Wesentlichen parallel angeordneten Rohrbündeln (100.1 ,100.2 ,100.i , ...,100.n ;101.1 ,101.2 ,101.i , ...,101.n und102.1 ,102.2 ,102.i , ...,102.n ) besteht, jedes Rohrbündel einen von einem Außenmantel (200 ) umgebenen Außenkanal (200* ) für ein Wärmeträgermedium (M) und eine Anzahl von sich achsparallel zum Außenmantel (200 ) durch den Außenkanal (200* ) erstreckenden, gemeinsam einen Innenkanal (300* ) bildenden, endseitig jeweils in einer Rohrträgerplatte (700 ,800 ) abgestützten, jeweils von einem Teilstrom P(T) durchströmten Innenrohren (300 ) aufweist und benachbarte Rohrbündel über eine die Strömungsführung in den Innenrohren (300 ;300* ) sicherstellende Verbindungsarmatur (20 ) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, • dass, in Strömungsrichtung gesehen, dem ersten Rohrbündel (100.1 ;101.1 ,102.1 ) eine Einlauf- und Verteilervorrichtung (10 ) mit einem Verteilerkörper (10.3 ) vorgeordnet ist, der innenseits einen Verteilerraum (V) ausbildet, • dass der Verteilerraum (V) mit jedem Innenrohr (300 ;300* ) des ersten Rohrbündels (100.1 ;101.1 ,102.1 ) über jeweils ein Verteilerrohr (10.1.i ;10.1.i ,10.2.i ) aus einer Gruppe Verteilerrohre (10.1 ;10.1 ,10.2 ) separat verbunden ist, wobei der Abstand benachbarter Verteilerrohre mindestens so groß ist, wie die Länge der faserigen Bestandteile, • dass jedes Innenrohr (300 ;300* ) eines Rohrbündels (100.i ;101.i ,102.i ) mit einem zugeordneten Innenrohr (300 ;300* ) des nachfolgenden Rohrbündels (100.i+1 ;101.i+1 ,102.i+1 ) über einen Verbindungsbogen (20.1.i ) aus einer Gruppe Verbindungsbogen (20.1 ) der Verbindungsarmatur (20 ) separat verbunden ist. - Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Teilstrom P(T) durch die Innenrohre (
300 ;300* ) vom Verteilerraum (V) bis zum Eintritt in eine von allen Innenrohren (300 ;300* ) des letzten Rohrbündels (100.n ;101.n ,102.n ) gespeiste Auslauf- und Sammelvorrichtung (30 ) gleichwertige oder annähernd gleichwertige Strömungswiderstände zu überwinden hat. - Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass an die Einlauf- und Verteilervorrichtung (
10 ) ein erster Rohrbündel-Wärmeaustauscher (101 ) und ein zweiter Rohrbündel-Wärmeaustauscher (102 ) parallel angeschlossen sind. - Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkörper (
10.3 ) als langgestreckter Hohlzylinder mit einem Innendurchmesser (D) ausgebildet ist, dass die aus dem Verteilerkörper (10.3 ) ausmündende(n) Gruppe(n) Verteilerrohre (10.1 ;10.1 ,10.2 ) im Bereich ihrer Abzweigrohrstutzen jeweils in dessen Längsrichtung angeordnet ist (sind) und die Verteilerrohre (10.1.i ;10.1.i ,10.2.i ) innerhalb ihrer Gruppe jeweils einen axialen Abstand (a) voneinander aufweisen, der gleich oder größer ist als der Innendurchmesser (D) (a ≥ D). - Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des Verteilerkörpers (
10.3 ) parallel zu dem (den) Rohrbündel-Wärmeaustauschern (100 ;101 ,102 ) verläuft, und dass die (erste) Gruppe Verteilerrohre (10.1 ) in einer Meridianebene des Verteilerkörpers (10.3 ) angeordnet ist, wobei letztere senkrecht auf einer Anordnungsebene (AE) des (ersten) Rohrbündel-Wärmeaustauschers (100 ;101 ) steht. - Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gruppe Verteilerrohre (
10.2 ) der ersten Gruppe Verteilerrohre (10.1 ) diametral gegenüber liegend angeordnet ist. - Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Verteilerrohr (
10.1.i ;10.1.i ,10.2.i ) im Bereich seines am Verteilerkörper (10.3 ) ausmündenden Abzweigrohrstutzens eine Absperreinrichtung (10.8.i ;10.8.i ,10.9.i ) aufweist. - Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jede Absperreinrichtung (
10.8.i ;10.8.i ,10.9.i ) unabhängig von den anderen entweder manuell oder ferngesteuert wahlweise betätigt ist. - Anordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Verteilerrohr (
10.1.i ;10.1.i ,10.2.i ), in Strömungsrichtung gesehen, hinter der jeweiligen Absperreinrichtung (10.8.i ;10.8.i ,10.9.i ) ein Anschluss für eine Druckmesseinrichtung (10.10 ) vorgesehen ist. - Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkörper (
10.3 ) an seinem seiner Anströmseite abgewandten Ende einen mittels einer Absperreinrichtung (11 ) absperrbaren Spülanschluss (11b ) aufweist. - Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperreinrichtung (
11 ) entweder manuell oder ferngesteuert betätigt ist. - Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsarmatur (
20 ) ein Anordnungsmuster der Innenrohre in den beiden jeweils dicht zu verbindenden Rohrträgerplatten (700 oder800 ) benachbarter Rohrbündel komplementär in ihrem Anschlussflansch (20.5 ) abbildet, und dass die Verbindungsarmaturen (20 ) die Strömungsverbindung zwischen den jeweiligen Innenrohren (300 ;300* ) an den Enden zweier benachbarter Rohrbündel (100.i-1 ,100.i ;101.i-1 ,101.i und102.i-1 ,102.i ) einerseits und an den nachfolgenden Enden der benachbarten Rohrbündel (100.i ,100.i+1 ;101.i ,101.i+1 und102.i ,102.i+1 ) andererseits derart herstellen, dass der jeweilige Strömungsweg durch die jeweiligen beiden Verbindungsarmaturen (20 ) zwischen den benachbarten Rohrbündeln in der Summe stets den gleichen Strömungswiderstand aufweist. - Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl N = 4 bis N = 7, vorzugsweise N = 4, Innenrohre (
300 ;300* ) in einem Rohrbündel (100.i ;101.i ,102.i ) vorgesehen sind. - Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl N = 4 Innenrohre (
300 ;300* ) auf einem gemeinsamen Teilkreisdurchmesser derart gleichmäßig verteilt angeordnet ist, dass zwei benachbarte Rohrbündel mit nur zwei unterschiedlich langen Verbindungsbogen (20.1.1 ,20.1.2 und20.1.3 ,20.1.4 ) verbunden sind, wobei zwei lange, gleiche Verbindungsbogen (20.1.1 ,20.1.2 ) den vier außen liegenden Innenrohren (300 ;300* ) und zwei kurze, gleiche Verbindungsbogen (20.1.3 ,20.1.4 ) den vier innen liegenden Innenrohren (300 ;300* ) zugeordnet sind. - Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrohre (
300 ;300* ) des jeweils letzten Rohrbündels (100.n ;101.n ,102.n ) in eine Auslauf- und Sammelvorrichtung (30 ) mit einem Sammelkörper (30.1 ) einmünden, der innenseits einen Sammelraum (S) ausbildet. - Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkörper (
30.1 ) als langgestreckter Hohlzylinder ausgebildet ist. - Anordnung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkörper (
30.1 ) im Bereich der Verbindungsarmaturen (20 ) auf einer Seite des Rohrbündel-Wärmeaustauschers (100 ;101 ,102 ) zunächst im Wesentlichen vertikal aufsteigend und anschließend im Wesentlichen vertikal absteigend verlegt ist.
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