DE102005030999B4

DE102005030999B4 - Anordnung zur Strömungsführung in Rohrbündel-Wärmeaustauschern zur thermischen Behandlung von Suspensionen

Info

Publication number: DE102005030999B4
Application number: DE102005030999A
Authority: DE
Inventors: Ludger Tacke; Norbert Hidding; Josef Tenspolde
Original assignee: Tuchenhagen Dairy Systems GmbH
Current assignee: GEA TDS GmbH
Priority date: 2005-07-02
Filing date: 2005-07-02
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2025-07-03
Also published as: EP1742006A1; ATE544046T1; DE102005030999A1; EP1742006B1; PL1742006T3

Abstract

Die Erfindung betrifft 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-Wärmeaustauschern nach dem Stand der Technik gegebene Verstopfungsanfälligkeit weitestgehend beseitigt. Dies wird dadurch erreicht, 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, und 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 (Figur 2).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Strömungsführung in Rohrbündel-Wärmeaustauschern zur thermischen Behandlung von Suspensionen, die stückige und/oder langfaserige Bestandteile beinhalten, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
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 2004/1051 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 paral lel 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 2004/083 761 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 aufgezähl ten 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 18 022 U1 ). 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, eine Anordnung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit der die Verstopfungsanfälligkeit des Rohrbündel-Wärmeaustauschers weitestgehend beseitigt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorgeschlagenen Anordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die 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. 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 langfaserigen Bestandteilen und im Zusammenwirken mit anderen stückigen Beimengungen vollständig verstopft werden.
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. 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 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. Es 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.
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 unerwünschtes 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 gemäß einem weiteren Vorschlag dadurch erreicht, dass die zweite Gruppe Vertei lerrohre der ersten Gruppe Verteilerrohre am Verteilerkörper diametral gegenüber liegend angeordnet ist.
Durch die vorg. Maßnahmen am Verteilerkörper wird bereits eine gleichmäßige Beschickung der Innenrohre des jeweils an den Verteilerraum angeschlossenen ersten Rohrbündels sichergestellt.
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 Absperrmöglichkeit erlaubt die Durchspülung bzw. das Freispülen jedes einzelnen Innenrohres, falls dies notwendig sein sollte. 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. Es lässt sich somit 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 Druckanstieg, 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.
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.
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 Rohrträgerplatten 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. 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.
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 ϑ_a > 25°C herrscht, sodass im Fermenter ohne Kühlung eine optimale Fermentationstemperatur von ca. ϑ_F = 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 erfindungsgemäßen Auslauf- und Sammelvorrichtung ausgestattet sind;
3a in der Ansicht die Rohrbündel-Wärmeaustauscher in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Anordnungen gemäß 2;
3b in der Draufsicht die Rohrbündel-Wärmeaustauscher gemäß 3a;
3c in der Seitenansicht die beiden Rohrbündel-Wärmeaustauscher gemäß den 3a und 3b;
4 in perspektivischer Darstellung die Einlauf- und Verteilervorrichtung, wie sie in den 2 bis 3c dargestellt ist;
4a in perspektivischer Darstellung die Einlauf- und Verteilervorrichtung gemäß 4 in einer modifizierten Ausführungsform;
5a in perspektivischer Darstellung die Verbindungsarmatur, die in den 2 bis 3c jeweils in Verbindung mit den zugeordneten Rohrbündeln gezeigt ist und
5b die Verbindungsarmatur gemäß 5a 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 bis 100.n zusammengesetzter Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 nach dem Stand der Technik, wobei mit 100.1 ein beliebiges Rohrbündel bezeichnet wird (1; siehe auch DE-U-94 03 913), besteht in seinem mittleren Teil aus einem einen Außenkanal 200* begrenzenden Außenmantel 200 mit einem, bezogen auf die Darstellungslage, 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 festla gerseitigen 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, 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 A₀ 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. Der erweiterte Durchtrittsquerschnitt 500c 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 Verbindungsbogens 1000 (Nenndurchtrittsquerschnitt A_o des Verbindungsbogens) und demnach entsprechend größer als der Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller in den festlagerseitigen Austauscherflansch 500 eintretenden Innenrohre 300 mit einem jeweiligen Rohrinnendurchmesser D_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 mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Außenmantel c zu.
Ein erster Rohrbündel-Wärmeaustauscher 101 (2 und 3a, 3b, 3c) besteht aus einer Anzahl n in Reihe geschalteter, parallel angeordneter Rohrbündel 101.1 bis 101.n, wobei im Ausführungsbeispiel n = 8 Rohrbündel 101.i (i = 1 bis 8) vorgesehen sind. Parallel zum ersten Rohrbündel-Wärmeaustauscher 101 ist ein zweiter Rohrbündel-Wärmeaustauscher 102 vorgesehen, der gleichfalls aus einer Anzahl n in Reihe geschalteter, parallel angeordneter Rohrbündel 102.1 bis 102.n (i = 1 bis 8) besteht, wobei beide die Gesamtanordnung 100 bilden. Beide Rohrbündel-Wärmeaustauscher 101 und 102 sind gemeinsam an eine Einlauf- und Verteilervorrichtung 10 angeschlossen, die aus einem Verteilerkörper 10.3 besteht, der sich eingangsseitig in einen ersten konischen Übergangskörper 10.4 mit einem ersten Anschlussflansch 10.5 fortsetzt (4, 4a). Der Verteilerkörper 10.3 ist vorzugsweise als langgestreckter Hohlzylinder mit einem Innendurchmesser D ausgeführt, der innenseits einen Verteilerraum V ausbildet. Dieser ist mit jedem Innenrohr 300, 300* (siehe 1) des jeweils ersten Rohrbündels 101.1, 102.1 (2) über jeweils ein Verteilerrohr 10.1.1 bis 10.1.4 (10.1.i) aus einer ersten Gruppe Verteilerrohre 10.1 und über jeweils ein Verteilerrohr 10.2.1 bis 10.2.4 (10.2.i) aus einer zweiten Gruppe Verteilerrohre 10.2 separat verbun den, 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 Übergangskörper 10.4 in die Einlauf- und Verteilervorrichtung 10 ein, wo sie, in Strömungsrichtung gesehen, am Anfang des Verteilerkörpers 10.3 über ein Schauglas 10.7 visuell zu beobachten ist (2, 4). Innerhalb des Verteilerraumes V des Verteilerkörpers 10.3 verzweigt sich der Gesamtstrom der Suspension P in die jeweiligen Verteilerrohre 10.1.1 bis 10.1.4 einerseits und in die Verteilerrohre 10.2.1 bis 10.2.4 andererseits. Derart vereinzelte Teilströme P(T) der Suspension P gelangen über einen an den Enden der jeweiligen Verteilerrohre 10.1.1 bis 10.1.4 und 10.2.1 bis 10.2.4 angeordneten zweiten Anschlussflansch 10.6 zum jeweils ersten Rohrbündel 101.1 und 102.1 (2 und 3a, 3b, 3c, 4). Die Verbindung im Bereich des zweiten Anschlussflansches 10.6 ist derart ausgebildet, dass hier eine dichte Verbindung mit dem jeweils korrespondierenden Innenrohr des ersten Rohrbündels 101.1, 102.1 gegeben ist. Zur Spülung des Verteilerraumes V befindet sich, in Strömungsrichtung gesehen, am Ende des Verteilerkörpers 10.3 eine über einen Antrieb 11a steuerbare Absperreinrichtung 11, beispielsweise ein Kugelhahn, wobei die Absperreinrichtung 11 an ihrer dem Verteilerkörper 10.3 abgewandten Seite einen Spülanschluss 11b aufweist (4, 4a).
Die Längsachse des Verteilerkörpers 10.3 (2, 4) verläuft parallel zu dem Rohrbündel-Wärmeaustauscher 101 und somit auch zu dem parallel zu diesem angeordneten Rohrbündel-Wärmeaustauscher 102. Die erste Gruppe Verteilerrohre 10.1 ist in einer Meridianebene des Verteilerkörpers 10.3 angeordnet, wobei letztere senkrecht auf einer Anordnungsebene AE des ersten Rohrbündel- Wärmeaustauschers 101 steht (3c). Die zweite Gruppe Verteilerrohre 10.2 ist der ersten Gruppe 10.1 diametral gegenüber liegend angeordnet. Durch diese symmetrische Anordnung herrschen im Einlauf- und Verteilerbereich der beiden Rohrbündel-Wärmeaustauscher 101, 102 identische Strömungsverhältnisse.
Zum Zwecke einer gezielten Durchspülung der Verteilerrohre 10.1.i, 10.2.i jeder Gruppe Verteilerrohre 10.1, 10.2 und der damit jeweils verbundenen Innenrohre 300 wird die in 4 dargestellte Einlauf- und Verteilervorrichtung 10 modifiziert. Diese modifizierte Einlauf- und Verteilervorrichtung 10* zeigt 4a. Dort weist jedes Verteilerrohr 10.1.i,10.2.i im Bereich seines am Verteilerkörper 10.3 ausmündenden Abzweigrohrstutzens eine Absperreinrichtung 10.8.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 Absperreinrichtungen 10.8 und die an zweiter Stelle genannten eine zweite Gruppe Absperreinrichtungen 10.9 bilden. Jede dieser Absperreinrichtungen 10.8.i, 10.9.i ist unabhängig von den anderen entweder manuell oder ferngesteuert wahlweise betätigbar. Um feststellen zu können, ob ein Verteilerrohr 10.1.1, 10.2.i und/oder das damit jeweils verbundene Innenrohr 300 durch Ablagerungen in seinem Strömungsdurchgang beeinträchtigt ist, ist an jedem Verteilerrohr 10.1.i, 10.2.i, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der jeweiligen Absperreinrichtung 10.8.i, 10.9.i ein Anschluss für eine Druckmesseinrichtung 10.10 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 Verteilerrohre 10.1.i, 10.2.i (beispielsweise Spülung/Reinigung R1 des ersten Verteilerrohres 10.1.1 in der ersten Gruppe Verteilerrohre 10.1) in Verbindung mit den zugeordneten Innenrohren 300 und/oder eine Durchspülung des Verteilerkörpers 10.3 (Spülung/Reinigung R) generiert werden kann.
Jedes Innenrohr 300, 300* (siehe hierzu 1) eines Rohrbündels (beispielhaft sei hier das Rohrbündel 101.i herausgegriffen; siehe 2 und 3a, 3b, 3c) ist mit einem zugeordneten Innenrohr 300, 300* des nachfolgenden Rohrbündels 101.i+1 über einen Verbindungsbogen 20.1.i aus einer Gruppe Verbindungs bogen 20.1 einer Verbindungsarmatur 20 separat verbunden (siehe auch 5a und 5b). Die Verbindung erfolgt über einen die beiden Rohrträgerplatten 700 bzw. 800 überbrückenden Anschlussflansch 20.5.
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 Rohrbündel 101.i, 101.i+1 mit nur zwei unterschiedlich langen Verbindungsbogen verbunden sind. Dabei sind zwei lange, gleiche Verbindungsbogen 20.1.1 und 20.1.2 den vier außen liegenden Innenrohren zugeordnet (s. auch Verbindungsbogen 20.1.1 am rechtsseitigen Ende der Rohrbündel 101.i, 101.i+1). Zwei kurze, gleiche Verbindungsbogen 20.1.3 und 20.1.4 sind den vier innen liegenden Innenrohren zugeordnet.
Die Teilströme P(T) der beiden außen liegenden Innenrohre der benachbarten Rohrbündel 101.i und 101.i+1 (2 und 3a) nehmen in der Umlenkarmatur 20, wie vorstehend dargestellt, den langen Strömungsweg L_l (s. auch 5b). Bei der nachfolgenden Umlenkung dieser Teilströme P(T) am linksseitigen Ende der benachbarten Rohrbündel 101.i+1 und 101.1+2 werden die beiden außen liegenden Innenrohre des Rohrbündels 101.i+1 in Bezug auf das Rohrbündel 101.i+2 gleichsam zu innen liegenden Innenrohren, die mit den gleichfalls innen liegenden Innenrohren des Rohrbündels 101.i+2 über zwei kurze, gleiche Verbindungsbogen 20.1.3 und 20.1.4 verbunden sind. Die Teilströme P(T) der beiden innen liegenden Innenrohre der benachbarten Rohrbündel 101.i+1 und 101.i+2 (2 und 3a) nehmen in der Umlenkarmatur 20 nunmehr den kurzen Strömungsweg L_k (s. auch 5b). Dadurch wird der erfindungsgemäße Lösungsansatz verwirklicht, dass der Teilstrom P(T) in der Umlenkung vom Innenrohr 300, 300* des Rohrbündels 101.i zum zugeordneten Innenrohr 300, 300* des nachfolgenden Rohrbündels 100.i+1 einerseits und von dort zum zugeordneten Innenrohr 300, 300* des wiederum nachfolgenden Rohrbündels 100.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 Rohrbündels 101.n und 102.n münden über einen ersten Sammelbogen 30.2 bzw. einen zweiten Sammelbogen 30.3 in einen Sammelkörper 30.1 einer Auslauf- und Sammelvorrichtung 30 ein (Verbindung über dritten Anschlussflansch 30.4). Der Sammelkörper 30.1 ist vorzugsweise als lang gestreckter Hohlkörper ausgebildet und begrenzt innenseits einen Sammelraum S. Dem Sammelkörper 30.1 schließt sich ein zweiter konischer Übergangskörper 30.5 und ein vierter Anschlussflansch 30.6 an. Die Auslauf- und Sammelvorrichtung 30 ist raumsparend im Bereich der Verbindungsarmaturen 20 auf einer Seite der Rohrbündel-Wärmeaustauscher 101, 102 zunächst im Wesentlichen vertikal aufsteigend und anschließend im Wesentlichen vertikal absteigend verlegt, wodurch ein Leerlaufen des Rohrbündel-Wärmeaustauschers 101, 102 und damit ein Anbrennen von Restsuspension verhindert wird. Neben dieser Syphonwirkung homogenisiert sie die aus den letzten Rohrbündeln 101.n und 102.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 Innenkanälen 300* strömenden Suspension P (Teilströme P(T)) und einem im Außenmantel 200 bzw. in den Außenkanälen 200* 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 Rohrbündel 101.n einerseits über den ersten Anschlussstutzen 400a mit der mittleren Strömungsgeschwindigkeit c im Außenmantel zu (2). Es verlässt das Rohrbündel 101.n andererseits über den zweiten Anschlussstutzen 400b, der mit dem ersten Anschlussstutzen 400a des benachbarten Rohrbündels 101.n-1 auf kurzem Weg verbunden ist. Schließlich verlässt das Wärmeträgermedium M(A) mit der mittleren Strömungsgeschwindigkeit c im Außenmantel das erste Rohrbündel 101.1 über den zweiten Anschlussstutzen 400b.

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
A_o: Nenndurchtrittsquerschnitt des Verbindungsbogens
D_i: Rohrinnendurchmesser (Innenrohr 300)
DN: Nenndurchmesser des Verbindungsbogens (A_o = DN²TT/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.i 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)
L_l: langer Strömungsweg in der Umlenkarmatur
L_k: 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 Rohrbündels 100.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

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 und 102.1, 102.2, 102.1, ..., 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, und • 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 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.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, 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 1 bis 3, 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 4, 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 5, 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 4 bis 6, 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 7, 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 7 oder 8, 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 1 bis 9, 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 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperreinrichtung (11) entweder manuell oder ferngesteuert betätigt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsarmatur (20) ein Anordnungsmuster der Innenrohre in den beiden jeweils dicht zu verbindenden Rohrträgerplatten (700 oder 800) 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 und 102.i-1, 102.i) einerseits und an den nachfolgenden Enden der benachbarten Rohrbündel (100.i, 100.i+1; 101.i, 101.i+1 und 102.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 12, 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 13, 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 und 20.1.3, 20.1.4) verbunden sind, wobei zwei lange, gleiche Verbindungsbogen (20.1.1, 20.1.2) den vier außen liegenden Innen rohren (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 9 bis 14, 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 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkörper (30.1) als langgestreckter Hohlzylinder ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 15 oder 16, 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.