DE102005055016A1

DE102005055016A1 - Verfahren und Röhren-Wärmeaustauscher zur thermischen Behandlung hochviskoser Produkte der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie

Info

Publication number: DE102005055016A1
Application number: DE200510055016
Authority: DE
Inventors: Marcus GÜNTHER
Original assignee: Tuchenhagen Dairy Systems GmbH
Current assignee: GEA TDS GmbH
Priority date: 2005-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2025-11-19
Also published as: DE102005055016B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Röhren-Wärmeaustauscher sowie eine Anordnung aus mehr als einem dieser Röhren-Wärmeaustauscher zur thermischen Behandlung hochviskoser Produkte der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, insbesondere mit faserigen oder stückigen Beimengungen, mit denen sichergestellt ist, dass diese thermische Behandlung kostengünstiger und energetisch effizienter als mit Verfahren und Röhren-Wärmeaustauschern nach dem Stand der Technik durchzuführen ist. Dies wird verfahrenstechnisch dadurch erreicht, dass ein unmittelbar wandnah im und ohne feste Verbindung zum Wärmeaustauscherrohr (300) angeordnetes Einbauelement (10) mit freiem Innendurchgang (10.4) durch Fremdenergie von außerhalb des Röhren-Wärmeaustauschers (100) rotierend angetrieben ist und es dadurch in seinem wandnahen Eingriffsbereich und über die gesamte wärmeaustauscherrelevante Länge des Wärmeaustauscherrohres (300) das Produkt (P) durchmischt und in diesem eine zusätzliche axiale Geschwindigkeitskomponente (v¶a¶) und eine zusätzliche tangentiale Geschwindigkeitskomponente (v¶t¶) erzeugt, und dass die axiale Geschwindigkeitskomponente (v¶a¶) die Förderung des Produktes (P) im Wärmeaustauscherrohr (300) unterstützt (Figur 2).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung hochviskoser Produkte der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, insbesondere mit faserigen und stückigen Beimengungen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Röhren-Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Nebenanspruchs 3.

STAND DER TECHNIK

In der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie ist die thermische Behandlung von Produkten, beispielsweise deren Kühlung oder Erwärmung, eine zentrale verfahrenstechnische Aufgabe. Besondere Anforderungen an die Wärmeaustauscher stellen hier hochviskose Produkte, insbesondere dann, wenn diese Produkte faserige oder stückige Beimengungen enthalten. Als Beispiel für derartige Produkte und ihre thermische Behandlung seien hier beispielhaft im Bereich der Food-Herstellung und -Verarbeitung die Kühlung von Suppen, Soßen und Fertiggerichten, die Kühlung oder die Erhitzung von Fruchtzubereitungen und die Kühlung von Fleischmassen genannt. Auf dem Gebiet der Saftherstellung und -verarbeitung sind beispielsweise das Kühlen oder das Anwärmen von Konzentraten und Pürees sowie die Maische-Vorwärmung bzw. -Erhitzung zu nennende Aufgaben. Im Bereich der Milchverarbeitung sind die Kühlung von Milchprodukten mit Fruchtanteil (Joghurt, Quark, Kefir) und die Kühlung von Frischkäsen mit Kräutern und Gemüsen sowie das Erhitzen von Milchkonzentraten weitere beispielhaft zu nennende Aufgaben.

Zur thermischen Behandlung der in Rede stehenden hochviskosen Produkte der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, die u.U. faserige oder stückige Beimengungen enthalten, sind nicht alle grundsätzlich zur Verfügung stehenden Wärmeaustauschertypen geeignet. So findet der kostengünstigste Wärmeaustauscher typ, der Platten-Wärmeaustauscher, seine verfahrenstechnische Begrenzung auf homogene Produkte mit niedriger bis mittlerer Viskosität. Der sog. Rohrbündel-Wärmeaustauscher mit mehreren parallel geschalteten Wärmeaustauscherrohren, die jeweils endseitig in einer sog. Rohrträgerplatte ausmünden, ist zwar gleichfalls kostengünstig, er ist jedoch nur bedingt geeignet für Produkte mit hohen Viskositäten und neigt insbesondere zur Verstopfungsanfälligkeit bei faserigen und stückigen Beimengungen.

Von den Wärmeaustauschertypen mit feststehenden Wärmeaustauschkanälen ist der sog. Einrohr-Röhren-Wärmeaustauscher, bei dem das thermisch zu behandelnde Produkt die Innenseite eines einen Innenkanal bildenden einzigen Wärmeaustauscherrohres berührt und bei dem ein Wärmeträgermedium in einem von einem Außenmantel umgebenden Außenkanal die Außenseite dieses Wärmeaustauscherrohres vorzugsweise im Gegenstrom beaufschlagt, eine Ausführungsform (sog. Monorohr/monotube), die die geringste Verstopfungsanfälligkeit von den bisher genannten Wärmeaustauschertypen aufweist. Allerdings ergeben sich Theologische und thermische Probleme bei der Auslegung und dem Betrieb dieses Wärmeaustauschertyps, und die relativ großen Produktvolumina dieses Einrohr-Röhren-Wärmeaustauschers werfen insbesondere bei hochwertigen Produkten zusätzliche Probleme auf, die beispielsweise ein Molchen des Produktweges erforderlich machen.

Schließlich ist noch ein weiterer Wärmeaustauschertyp zu nennen, der sog. „Schabe"-Wäremeaustauscher, bei dem die Wärmeaustauscher-Wände besonders ausgebildet sind zur Bewegung, wobei diese Bewegung in erster Linie dem Transport des hochviskosen und ggf. mit faserigen und stückigen Beimengungen versehenen Produktes dient. Die bewegte Wärmeaustauscher-Wand kann beispielsweise ein Schraubenförderer (Förderschnecke; Rohrschnecke) sein, der im Innern eines Rohres angeordnet ist und beispielsweise über seine hohle Welle innenseits und über das ihn umhüllende Rohr außenseits mit einem Wärmeträgermedium beaufschlagt werden kann. Derartige Aggregate sind zwangsläufig konstruktiv sehr aufwändig, da die bewegten Wärmeaustauscher-Wände gelagert und angetrieben werden müssen. Die hierzu notwendigen Lager- und Antriebsmittel erfordern neben einem einmaligen relativ hohen Kostenaufwand laufende Wartungs- und Ersatzteilkosten. Darüber hinaus sind diese herkömmlichen Schraubenförderer in der Regel für den Betrieb bei Atmosphärendruck vorgesehen bzw. geeignet. Für Prozessdrücke, die üblicherweise in Lebensmittelanlagen auftreten und die für bestimmte Prozessschritte (z.B. Hocherhitzung; Tankbefüllung) notwendig sind, besitzen die in Rede stehenden Schraubenförderer keine hinreichende Eignung.

Aus der DE 201 06 823 U1 ist eine Rohrschneckenkühlung bekannt, die wesentliche Merkmale des vorbeschriebenen „Schabe"-Wärmeaustauschers aufweist. Bei dieser Rohrschneckenkühlung ist in einem vorzugsweise mit Kühlwasser befüllbaren Trog, der in einem Gestell ruht, eine Rohrschnecke angeordnet, wobei letztere über eine mit Kühlwasser beaufschlagbare Hohlwelle verfügt und das die Rohrschnecke umgebende Hüllrohr, dessen Oberfläche mittels Leitbleche vergrößert ist, ständig mit umwälzbarem Kühlwasser über eine Umwälzpumpe in Wirkkontakt steht und der innere sowie äußere Kühlkreislauf durch das Wasserreservoir des Troges gemeinsam versorgt wird. Eine derartige Aggregation weist grundsätzlich die Eignung zur Förderung hochviskoser Produkte auf, wobei zur Förderung von faserigen und insbesondere stückigen Beimengungen bestimmte Anforderungen an die geometrischen Abmessungen der Rohrschnecke und hier insbesondere an den Schraubengang zu stellen sind. Neben den konstruktiven und maschinenbautechnischen Problemen, die eine derartige relativ komplexe Anordnung aufwirft, ist die Wärmeübertragung von der Hohlwelle in das in dem Schraubengang befindliche Produkt insoweit problematisch, als hier ein geschwindigkeitskritischer Engpass der Wärmeübertragung vorliegt. Unter reinigungstechnischen Gesichtspunkten ist eine derartige Anordnung mit einer in einem Rohr angeordneten Rohrschnecke gleichfalls problematisch, da entweder die Anordnung von Zeit zu Zeit manuell zerlegt und gründlich gereinigt werden muss oder aber eine Reinigung im Durchfluss vorzunehmen ist, bei der äußerst fraglich ist, ob die Vielzahl von kleinen Hohlräumen und Spalten einwandfrei zu reinigen sind. Höchsten hygienischen und sanitären Anforderungen, wie sie in der Nah rungsmittel- und Getränkeindustrie gestellt werden, wird eine derartige Anordnung jedenfalls nicht oder nur unzureichend gerecht.

Der vorstehend beschriebene Röhren-Wärmeaustauscher mit einem vom thermisch zu behandelnden Produkt durchströmten Monorohr ist zweifellos vom Ansatz her am besten geeignet, um hochviskose und ggf. mit faserigen und stückigen Beimengungen versehene Produkte thermisch zu behandeln. Allerdings hat es sich gezeigt, dass es schwierig ist, das relativ große Produktvolumen im Monorohr mit einer hinreichenden Wärmeübergangsleistung zu behandeln. Dies resultiert aus der Tatsache, dass sich die Wärmeübergangsbedingungen zum hochviskosen Produkt von der Rohrinnenwand an das Produkt und der Wärmetransport durch Konvektion und Leitung in den Kernbereich der Produktströmung nicht besonders günstig gestalten. Es kommt zur thermischen Schichtung des Produktes und dadurch zu dessen inhomogener Behandlung über den Durchmesser des Wärmeaustauscherrohres. Daraus resultiert, insbesondere bei Kühlung, ein relativ schlechter Wärmedurchgangskoeffizient k.

Eine diesbezügliche Problematik ist bekannt und wird beispielsweise mit Blick auf flüssig/gasförmige Zweiphasensysteme in Wärmeaustauscherrohren in der EP 0 661 511 A1 beschrieben. Aus dieser Druckschrift ist weiterhin bekannt, ein Wärmeaustauscherrohr für flüssig/gasförmige Zweiphasensysteme mit auswechselbarem statischem Einbauelement zu versehen, wobei das Einbauelement als Drahtspirale (besser: Drahtwendel, da es sich um ein räumliches Gebilde handelt) ausgebildet ist, deren Außendurchmesser etwa gleich dem Innendurchmesser des Wärmeaustauscherrohres ist. Durch das Einführen einer statischen Drahtwendel in das Rohrinnere wird überraschenderweise die Wirksamkeit des Wärmeaustauscherrohres erheblich verbessert. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass flüssig/gasförmige Zweiphasensysteme in einem horizontal angeordneten Rohr verdampft oder kondensiert werden sollen. Die Drahtwendel nimmt dabei im Rohrinnern eine feste Position ein, d.h. sie wird während des Betriebes nicht bewegt. Sie liegt weiterhin an der Rohrinnenwand an oder nahezu an, d.h. ihr Außendurchmesser ist etwa gleich dem Innendurchmesser des Wärmeaustauscher rohres. Mit Hilfe der in das Wärmeaustauscherrohr eingesetzten statischen Drahtwendel wird dem im unteren Bereich des Rohres befindlichen abzukühlenden oder zu erhitzenden fließfähigen Medium, das in Richtung der Rohrachse strömt, eine tangential gerichtete Geschwindigkeitskomponente aufgezwungen. Letztere führt zu einer Art Drallströmung, bei der die lineare Geschwindigkeit besonders im wandnahen Bereich, d.h. an der Austauschfläche, deutlich größer ist als bei einer rein axialen Strömung. Die thermodynamische und strömungsmechanische Beeinflussung der wandnahen Grenzschichten durch Erhöhungen oder Vertiefungen im Bereich der Rohrinnenwand im Hinblick auf eine Verbesserung des Wärmeüberganges in diesem Bereich ist zweifellos unstrittig. Dies zeigen beispielsweise auch Versuche an sog. Drallrohren, bei denen insbesondere die Rohrinnenwand durch schraubenförmige Nuten oder Erhebungen profiliert ist.

Schrauben- oder wendelförmige Einbauelemente, die die Rohrinnenwand berühren oder im geringen Abstand von dieser statisch angeordnet sind, wie dies in der EP 0 661 511 A1 vorgeschlagen wird, haben hinsichtlich des zu erzielenden Wärmeübergangs vergleichbare Eigenschaften; sie sind jedoch hinsichtlich der faserigen und stückigen Beimengungen im Produkt insofern problematisch, als sie Hindernisse in der Strömung darstellen und zu Verstopfungen und Blockierungen im Bereich zwischen dem Einbauelement und der Wand führen können. Darüber hinaus sind diese statischen Einbauelemente nicht geeignet, um die vorstehend bereits erwähnten typischen Nachteile eines sog. Monorohr-Wärmeaustauschers gänzlich zu beseitigen. Zu diesen Nachteilen gehören weiterhin, dass bei kleinen Rohrdurchmessern eine auf die Länge des Röhren-Wärmeaustauschers bezogen relativ niedrige Wärmeaustauscher-Fläche gegeben ist und daher eine vorgegebene Wärmeübertragungsleistung nur mit einer relativ großen Anzahl von Röhren-Wärmeaustauschern in Reihenschaltung realisierbar ist. Eine derartige Hintereinanderschaltung von Röhren-Wärmeaustauschern bedingt wiederum bei kleinem Rohrdurchmesser einen relativ hohen Druckverlust, der nur durch einen entsprechend hohen Pumpendruck, der mit der Gefahr einer Produktschädigung verbunden ist, aufzubringen und zu überwinden ist. Hohe Pumpendrücke bedingen wiederum hohe Kosten für Druckerhöhungspumpen und für deren Betrieb.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art und einen Röhren-Wärmeaustauscher sowie eine Anordnung mit mehr als einem Röhren-Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit denen hochviskose Produkte der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, insbesondere mit faserigen oder stückigen Beimengungen, kostengünstiger und energetisch effizienter als mit den vorstehend beschriebenen Wärmeaustauschern nach dem Stand der Technik thermisch zu behandeln sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein Röhren-Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens ist durch die Merkmale des Nebenanspruchs 3 gekennzeichnet. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens sowie vorteilhafte Ausführungsformen des Röhren-Wärmeaustauschers und einer Anordnung aus mehr als einem Röhren-Wärmeaustauscher sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der grundlegende erfinderische Verfahrensgedanke sieht eine Erhöhung der Turbolenz im hochviskosen Produkt im Wandbereich durch quasi einen Rührvorgang in diesem Bereich vor. Dieser Rührvorgang wird gerätetechnisch durch ein dynamisches Einbauelement erreicht, welches durch Fremdenergie von außerhalb des Röhren-Wärmeaustauschers rotierend angetrieben ist. Das dynamische Einbauelement generiert zwei Wirkungen, nämlich zum einen, dass in seinem wandnahen Eingriffsbereich und über die gesamte wärmeaustauscherrelevante Länge des Wärmeaustauscherrohres das Produkt durchmischt wird und zum anderen, dass die zusätzliche axiale Geschwindigkeitskomponente die Förderung des Produktes im Wärmeaustauscherrohr unterstützt und zusammen mit der zusätzlichen tangentialen Geschwindigkeitskomponente den Wärmeübergang insgesamt verbessert.

Infolge der Durchmischung des Produktes in Wandnähe wird die Grenzschicht an der Rohrwand minimiert und konstant gehalten, wodurch sich eine Erhöhung des Wärmedurchgangskoeffizienten k ergibt. Dabei ist darauf zu achten, dass das dynamische Einbauelement möglichst nicht an der Rohrinnenwand schabt. Vielmehr soll die Grenzschicht als „Schmierfilm" und „Verschleißschutz" genutzt werden. Durch geeignete Ausgestaltung des dynamischen Einbauelementes wird die Förderung des Produktes im Wärmeaustauscherrohr unterstützt, wobei eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens vorsieht, dass durch Veränderung der Drehfrequenz des Einbauelementes die axiale und die tangentiale Geschwindigkeitskomponente veränderlich und einstellbar sind. Die Unterstützung der Förderung des Produktes im Wärmeaustauscherrohr durch das Einbauelement entlastet die zur Förderung vorgesehene produktseitige Förderpumpe. Es ergeben sich hierdurch niedrigere Pumpendrücke und -leistungen und eine geringere als ansonsten übliche Druck- und Scherbelastung des Produktes. Durch die Verbesserung des Wärmedurchgangskoeffizienten k sind höhere Temperaturdifferenzen zwischen dem Wärmeträgermedium und dem Produkt möglich, wodurch insgesamt weniger Röhren-Wärmeaustauscher der in Rede stehenden Art in Reihe zu schalten sind.

Die anerkannten Vorteile eines Einrohr-Röhren-Wärmeaustauschers, wie die geringe Verstopfungsgefahr bei faserigen und stückigen Produkten, bleiben erhalten, da das dynamische Einbauelement einen größtmöglichen freien Innendurchgang ohne jegliche Einbauten und Hindernisse aufweist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Einrohr-Röhren-Wärmeaustauscher mit dem erfindungsgemäßen Einbauelement sehr gut bei Überdruck gegenüber Atmosphärendruck zu betreiben ist und damit ohne Weiteres für Prozessdrücke ausgelegt werden kann, die üblicherweise in Lebensmittelanlagen auftreten und die für bestimmte Prozessschritte (z.B. Hocherhitzung; Tankbefüllung) notwendig sind. Außerdem begünstigt eine besondere Eignung des Einrohr-Röhren-Wärmeaustauschers für Überdruck die Realisierung von großen thermischen Längen (bei Mehrmodulanordnungen).

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Röhren-Wärmeaustauscher vorgeschlagen, der in seinem einzigen, einen Innenkanal bildenden Wärmeaustauscherrohr das dynamische Einbauelement aufweist, welches sich über die gesamte wärmeaustauscherrelevante Länge des Wärmeaustauscherrohres erstreckt. Dieses Einbauelement ist endseitig wenigstens einseitig drehbar gelagert und es wird durch einen Antriebsmotor oder Antriebsmittel von außerhalb des Röhren-Wärmeaustauschers rotierend angetrieben. Es ist derart ausgestaltet, dass es in seinem wandnahen Eingriffsbereich und über die gesamte wärmeaustauscherrelevante Länge des Wärmeaustauscherrohres das Produkt durchmischt. Neben dieser die Turbulenz erhöhenden Durchmischung erzeugt es gezielt eine zusätzliche axiale und eine zusätzliche tangentiale Geschwindigkeitskomponente, wobei die axiale Geschwindigkeitskomponente zum einen die Förderung des Produktes im Wärmeaustauscherrohr unterstützt und zum anderen zusammen mit der tangentialen Geschwindigkeitskomponente den Wärmeübergang insgesamt verbessert.

Grundsätzlich sind alle denkbaren Formen eines Einbauelementes, welches sich im wandnahen Bereich rotierend bewegt, möglich, wenn diese Formen die angestrebten Wirkungen, nämlich die Erzeugung der axialen und tangentialen Geschwindigkeitskomponente und die Unterstützung der Förderung des Produktes bewirken.

In besonderer Weise werden die vorgenannten Wirkungen erreicht, wenn, wie dies vorgeschlagen wird, das Einbauelement als wendelförmiges Mittel ausgebildet ist, dessen Wendelquerschnitt den freien Innendurchgang radial außenseits berandet. Mit einem wendel- oder schraubenförmigen Mittel, welches einen freien Innendurchgang ohne Einbauten und/oder ohne eine zentrale Achse aufweist, lassen sich durch Veränderung der Drehfrequenz und/oder der Gangsteigung die axiale und die tangentiale Geschwindigkeitskomponente verändern und auch gezielt einstellen.

Der Antrieb des Einbauelementes von außerhalb des Röhren-Wärmeaustauschers wird, wie dies vorgesehen ist, auf zwei grundsätzlich unterschiedliche Arten durchgeführt. Eine erste Ausführungsform sieht vor, dass das Einbauelement aus einem sich an das Wärmeaustauscherrohr anschließenden modifizierten Verbindungsbogen abgedichtet in die Umgebung des Röhren-Wärmeaustauschers hinausgeführt und dort mit dem Antriebsmotor oder dem Antriebsmittel fest verbunden ist. Eine diesbezügliche Durchführung durch die Wandung des Verbindungsbogens erfordert dort insbesondere nach Maßgabe der in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie vorgegebenen hygienischen und sanitären Erfordernisse eine geeignete Abdichtung. Diesbezüglich sieht die Erfindung vor, dass die Durchführung des Endes des Einbauteils durch die Wandung des modifizierten Verbindungsbogens hindurch mittels einer Gleitringdichtungs-Einrichtung erfolgt, die bei Bedarf spülbar ausgebildet sein kann.

Als Alternative zur Durchführung des Einbauelementes durch die Gehäusewandung des modifizierten Verbindungsbogens wird eine durchführungsfreie Anordnung vorgeschlagen, die höchsten hygienischen und sanitären Ansprüchen entspricht. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Lagerstelle des Einbauelementes im produktbeaufschlagten Bereich eines sich an das Wärmeaustauscherrohr anschließenden modifizierten Verbindungsbogens vorgesehen ist und das zugeordnete Ende des Einbauelementes in diesem produktbeaufschlagten Bereich endet, und dass dieses Ende bzw. diese Enden des Einbauelementes berührungsfrei magnetisch angetrieben ist bzw. sind. Hier bieten sich beispielsweise permanentmagnetische Antriebe an, wie sie beispielsweise im Kreiselpumpenbau bei stopfbuchsloser Pumpe, d.h. bei Pumpen ohne Wellendurchführung in die Umgebung, seit langem bekannt und auch realisiert sind.

Damit das erfindungsgemäße Einbauelement im Röhren-Wärmeaustauscher keinen zusätzlichen Druckverlust erzeugt, wird weiterhin vorgeschlagen, dass der freie Innendurchgang des Einbauelementes mit einem freien Durchtrittsquerschnitt dimensioniert ist, der wenigstens einem Nenndurchtrittsquerschnitt einer an den Röhren-Wärmeaustauscher angeschlossenen Rohrleitung oder des modifizierten Verbindungsbogens entspricht.

Zur Anpassung an die unterschiedlichsten strömungsmechanischen Anforderungen hinsichtlich Rühr- und Förderbedingungen sowie hinsichtlich der anzustrebenden axialen und tangentialen Geschwindigkeitskomponenten wird das wendelförmige Einbauelement entweder eingängig oder mehrgängig ausgebildet.

Hinsichtlich der Werkstoffwahl für das Einbauelement werden lebensmittelbeständige und für Lebensmittel zugelassene Werkstoffe vorgeschlagen, wie korrosionsbeständige Metalle, vorzugsweise Edelstahl mit erhöhter Korrosionsbeständigkeit, oder geeignete Kunststoffe oder Keramiken.

Eine weitere geometrische Einflussgröße mit Blick auf die vorstehenden Strömungsparameter ist der Querschnitt bzw. Wendelquerschnitt des Einbauelementes. Ein Vorschlag sieht vor, den Wendelquerschnitt durch eine ausschließlich geradlinig umgrenzte Kontur zu begrenzen. Hier wird bevorzugt Rechteckform vorgeschlagen, wobei die lange Seite des Rechtecks parallel zur Innenseite des Wärmeaustauscherrohres verläuft. Ein weiterer Vorschlag sieht vor, als Querschnitt Halbkreis- oder Kreisabschnittsform vorzusehen, wobei hierbei die gerade Seite der jeweiligen Form parallel zur Innenseite des Wärmeaustauscherrohres verläuft. Es ist weiterhin vorgesehen, dass der Wendelquerschnitt ausschließlich durch eine krummlinige Kontur mit stetigen Übergängen begrenzt ist, wobei bevorzugt eine ovale oder elliptische Form oder eine Kreisform zur Anwendung kommt. Ein kreisförmiger Wendelquerschnitt führt zu einem sehr einfachen, einfach zu fertigenden und leicht zu reinigenden Einbauelement; er greift bei Beachtung der querschnittsrelevanten Festigkeitserfordernisse allerdings weitergehend in den freien Innendurchgang des Einbauelementes ein, als dies beispielsweise bei der vorgenannten Rechteckform der Fall ist. Durch die radiale Erstreckung des Wendelquerschnitts (Kreisform; langgestreckte Rechteckform) kann der freie Innendurchgang (Innendurchgangsquerschnitt) des Einbauelementes in Grenzen verändert und so den Erfordernissen des mit stückigen oder faserigen Beimengungen versehenen hochviskosen Produktes Rechnung getragen werden.

Hinsichtlich der Lagerung des dynamischen Einbauelementes wird neben der endseitig wenigstens einseitigen (fliegenden) drehbaren Lagerung weiterhin eine beiderseits endseitige Lagerung vorgeschlagen, wenn dies beispielsweise aufgrund der außerordentlichen Erstreckungslänge des Wärmeaustauscherrohres erforderlich ist.

Zusätzlich zur endseitig einseitigen (fliegenden) oder beiderseits endseitigen drehbaren Lagerung des Einbauelementes sieht ein weiterer Vorschlag vor, dass das Einbauteil, über seine Erstreckungslänge gesehen, stellenweise eine Abstützung und/oder eine Zwischenlagerung im Bereich seines der Innenseite des Wärmeaustauscherrohres zugewandten Querschnitts bzw. Wendelquerschnitts erfährt. Eine diesbezügliche Abstützung und/oder Zwischenlagerung kann erforderlich oder zumindest vorteilhaft sein, um Schwingungen zu verhindern und/oder Verschleiß zu minimieren, wenn beispielsweise eine relativ große Länge des Wärmeaustauscherrohres gegeben ist. In diesem Zusammenhang wird weiterhin vorgeschlagen, dass die Abstützung und/oder Zwischenlagerung über einen am betreffenden Querschnitt adaptierten Gleitwerkstoffteil erfolgt. Wird, wie dies weiterhin vorgesehen ist, der Gleitwerkstoffteil austauschbar angeordnet, dann lässt sich der Verschleiß des Einbauteiles auf diese austauschbaren Teile verlagern und begrenzen. Es kann aber auch die gesamte mit der Innenwandung des Wärmeaustauscherrohres in Berührung kommende Außenfläche des Einbauelementes mit einem verschleißmindernden, einen geringen Reibungskoeffizienten aufweisenden Material beschichtet oder armiert werden.

Die thermische Behandlung der in Rede stehenden Produkte beschränkt sich nicht auf einen einzigen Röhren-Wärmeaustauscher, sondern im Regelfall ist eine Anordnung aus mehr als einem Röhren-Wärmeaustauscher vorgesehen, wobei die Röhren-Wärmeaustauscher parallel zueinander angeordnet und durch jeweils beidseitig an ihnen angeordnete Verbindungsbogen meanderförmig in Reihe geschaltet sind.

Hinsichtlich einer diesbezüglichen Anordnung erfindungsgemäßer Röhren-Wärmeaustauscher mit angetriebenen Einbauelementen sieht eine erste Ausgestaltung vor, dass an jedem Röhren-Wärmeaustauscher, jeweils wechselseitig, ein Antriebsmotor vorgesehen ist, wobei dieser Antriebsmotor entweder an der jeweiligen Eintrittsseite des Produkts in das Wärmeaustauscherrohr oder an der jeweiligen Austrittsseite des Produktes aus dem Wärmeaustauscherrohr angeordnet ist. Diese wechselseitige Anordnung des Antriebsmotors auf der jeweiligen Eintritts- oder Austrittsseite des Produktes erfordert zur Sicherstellung der gewünschten Förderwirkung des Einbauelementes in Abhängigkeit von der Steigungsrichtung der Wendel (rechts- oder linkssteigend) den erforderlichen Drehsinn, damit Förderwirkung und Strömungsrichtung im Wärmeaustauscherrohr im Einklang sind. Der jeweilige Antriebsmotor wird zweckmäßig, wie dies vorgesehen ist, als drehzahlgeregelter Getriebemotor ausgeführt.

Alternativ zur wechselseitigen Anordnung der Antriebsmotore wird weiterhin vorgeschlagen, dass an jedem Röhren-Wärmeaustauscher ein Antriebsmotor vorgesehen ist, wobei diese Antriebsmotore insgesamt entweder auf der einen oder auf der anderen Seite der Röhren-Wärmeaustauscher angeordnet sind.

Eine derartige einseitige Anordnung der Antriebsmotore lässt eine weitere Vereinfachung dahingehend zu, wie dies weiterhin vorgeschlagen wird, dass an nur einem der Röhren-Wärmeaustauscher einer infrage kommenden Seite ein Antriebsmotor in Verbindung mit einem Antriebsmittel vorgesehen ist, dass die anderen Röhren-Wärmeaustauscher jeweils mit einem dieser Antriebsmittel versehen sind, und dass die Antriebsmittel über Ketten oder Zahnriemen miteinander verbunden sind (Kettentrieb/Zahnriementrieb).

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausgehend vom Stand der Technik zeigt
1 einen Mittelschnitt durch einen Röhren-Wärmeaustauscher mit einem einzigen, einen Innenkanal bildenden Wärmeaustauscherrohr (Einrohr-Röhren-Wärmeaustauscher; monotube), wobei auf jeder Seite dieses Röhren-Wärmeaustauschers ein kreisförmiger Verbindungsbogen angeordnet ist.
Diese bekannte Ausführungsform wird nachfolgend einleitend erläutert.
Ein Ausführungsbeispiel des Röhren-Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung sowie vorteilhafte Mehrfachanordnungen des erfindungsgemäßen Röhren-Wärmeaustauschers sind in den weiteren Figuren der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen
2 im Mittelschnitt den Einrohr-Röhren-Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung in Verbindung mit einem modifizierten Verbindungsbogen und der Abdichtung des Endes des Einbauelementes an dessen Durchführung durch die Wandung des Verbindungsbogens;
2a im Schnitt eine in 2 mit „X" gekennzeichnete Einzelheit im Bereich eines auf der Innenseite des Wärmeaustauscherrohres abgestützten und zwischengelagerten Wendelquerschnitts;
3a in schematischer Darstellung mehrere benachbarte, über Verbindungsbogen meanderförmig in Reihe geschaltete Röhren-Wärmeaustauscher gemäß 2 mit jeweils einem Antriebsmotor für das zugeordnete Einbauelement und
3b in schematischer Darstellung eine Anordnung der erfindungsgemäßen Röhren-Wärmeaustauscher gemäß 3a mit ei ner modifizierten Ausgestaltung der Antriebe der Einbauelemente.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ein in der Regel aus einer Vielzahl von Wärmeaustauscherrohren 300.1 bis 300.n zusammengesetzter Röhren-Wärmeaustauscher 100 nach dem Stand der Technik, wobei mit 300.i ein beliebiges Wärmeaustauscherrohr bezeichnet wird (1; siehe auch Firmendruckschrift GEA Tuchenhagen, Liquid Processing Division, Tubular Heat Exchanger VARITUBE, 037/02-00; grundsätzlicher Aufbau eines baugleichen Rohrbündel-Wärmeaustauschers s. 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 festlagerseitigen Außenmantelflansch 200a schließt sich ein von einem zweiten Gehäuse 400.2 begrenzter zweiter Querkanal 400b* mit einem zweiten Anschlussstutzen 400b an. Das sich achsparallel zum Außenmantel 200 durch den Außenkanal 200* erstreckende, einen Innenkanal 300* bildende Wärmeaustauscherrohr 300 ist endseitig jeweils in einer festlagerseitigen Rohrträgerplatte 700 bzw. einer loslagerseitigen Rohrträgerplatte 800 abgestützt und an seinem Rohraußendurchmesser jeweils 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 Längenänderung des in der loslagerseitigen Rohrträgerplatte 800 eingeschweißten Wärmeaustauscherrohres 300 infolge Temperaturänderung in beiden axialen Richtungen zulässt.
Abhängig von der Anordnung des jeweiligen Wärmeaustauscherrohres 300.1 bis 300.n im Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 und seiner jeweiligen Beschaltung kann das Wärmeaustauscherrohr 300, bezogen auf die Darstellungslage, entweder von links nach rechts oder umgekehrt von einem Produkt P durchströmt werden, wobei die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Wärmeaustauscherrohr 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 Wärmeaustauscherrohr 300.i mit dem jeweils benachbarten Wärmeaustauscherrohr 300.i-1 bzw. 300.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 Wärmeaustauscherrohr 300.i-1 bzw. 300.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 Wärmeaustauscherrohr 300 mit seinem Rohrinnendurchmesser D_i 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.
In Abhängigkeit von der Richtung der Strömungsgeschwindigkeit v im Wärmeaustauscherrohr 300 strömt diesem das zu behandelnde Produkt P entweder über die erste Anschlussöffnung 500a oder die zweite Anschlussöffnung 800a zu, sodass entweder die festlagerseitige Rohrträgerplatte 700 oder die loslagerseitige Rohrträgerplatte 800 angeströmt wird. Da in jedem Falle ein Wärmeaustausch zwischen Produkt P im Wärmeaustauscherrohr 300 und einem Wärmeträgermedium M im Außenmantel 200 bzw. in den Außenkanälen 200* vorzugsweise 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.
In das Wärmeaustauscherrohr 300 (des Röhren-Wärmeaustauschers 100) ist ein als wendelförmiges Mittel ausgebildetes Einbauelement 10 eingeführt (2), welches innenseits einen freien Innendurchgang 10.4 besitzt, dessen freier Durchtrittsquerschnitt Q wenigstens dem Nenndurchtrittsquerschnitt A₀ einer an den Röhren-Wärmeaustauscher 100 angeschlossenen Rohrleitung bzw. eines modifizierten Verbindungsbogens 1000* entspricht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Wendelquerschnitt 10.1 rechteckförmig ausgebildet, wobei die lange Seite des Rechtecks parallel zur Innenseite des Wärmeaustauscherrohres 300 verläuft. Die Längsachse des schraubenförmigen Einbauelements 10 ver läuft koaxial zur Längsachse S des Wärmeaustauscherrohres 300. Zwischen den wandnahen Wendelquerschnitten 10.1 und dem Wärmeaustauscherrohr 300 ist jeweils ein radiales Füge- und Gleitspiel ausgeführt, sodass bei Rotation des Einbauelementes 10 ein auf der Innenwandung des Wärmeaustauscherrohres 300 befindlicher Produktfilm quasi für eine hydrodynamische Schmierung des Einbauelementes 10 sorgt.
Im Ausführungsbeispiel ist das Einbauelement 10 endseitig einseitig drehbar gelagert, wobei das endseitige Gangende des Einbauelementes 10 (Wendel) über Antriebstraversen 10.2 mit einer Nabe 10.3 vorzugsweise stoffschlüssig verbunden ist. Die Nabe 10.3 besitzt eine nicht näher bezeichnete kegelförmige Aufnahmebohrung, mit der sie in Verbindung mit einer Befestigungsmutter 50 auf einen Aufnahmekegel 20b einer Antriebswelle 20 zwecks kraftschlüssiger Mitnahme gepresst wird. Im Bereich der Befestigungsmutter 50 verlängert sich der Aufnahmekegel 20b in einen Gewindezapfen 20c, während sich andererseits der Aufnahmekegel 20b in einem zylindrischen Wellenteil 20a bis zu einer Klemmhülse 20d fortsetzt.
Die mit dem Einbauelement 10 derart verbundene Antriebswelle 20 ist im Bereich ihres zylindrischen Wellenteils 20a durch eine radial außenliegende Gehäusewand des modifizierten Verbindungsbogens 1000* mittels einer Gleitringdichtungs-Einrichtung 40 dichtend hindurchgeführt. Im Bereich dieser Gleitringdichtungs-Einrichtung 40 wird eine nicht näher bezeichnete Öffnung im modifizierten Verbindungsbogen 1000* von einer topfförmig ausgebildeten, sich vom Verbindungsbogen 1000* weg ausstülpenden Gehäusewand 60 überbrückt, die konzentrisch zur Antriebswelle 20 eine Gehäusebohrung 60a aufweist. In dieser Gehäusebohrung 60a ist ein stationärer Gleitring 40.1 festgelegt und mittels eines statischen Dichtringes 40.3 abgedichtet. Ein mit dem stationären Gleitring 40.1 im Rahmen der Gleitringdichtungs-Einrichtung 40 komplementär zusammenwirkender rotierender Gegenring 40.2 ist auf einem nicht näher bezeichneten zylindrischen Außendurchmesser der Nabe 10.3 konzentrisch gelagert und über einen dynamischen Dichtring 40.4 gegenüber dieser abgedichtet.
Die mit dem modifizierten Verbindungsbogen 1000* einerseits verbundene Gehäusewand 60 zentriert sich andererseits außenseits über einen nicht näher bezeichneten Außendurchmesser in einer Laternenbohrung 30a im verjüngten Ende eines konischen Laternengehäuses 30, welches über die Gehäusewand 60 am modifizierten Verbindungsbogen 1000* befestigt ist. Das Laternengehäuse 30 endet auf seinem dem modifizierten Verbindungsbogen 1000* abgewandten durchmessergrößeren Ende in einem Befestigungsflansch 30b.
An dem Befestigungsflansch 30b wird ein nur teilweise dargestellter Antriebsmotor 11, 11* befestigt, dessen Motorwelle 11a mit ihrem auskragenden Wellenende in der Klemmhülse 20d kraftschlüssig Aufnahme findet. Die Klemmverbindung zwischen der Klemmhülse 20d und dem Wellenende der Motorwelle 11a ist derart ausgeführt, dass die beiderseitige Lagerung der Motorwelle 11a gleichzeitig die Lagerung der Antriebswelle 20 und damit die endseitig einseitige (fliegende) drehbare Lagerung des Einbauelementes 10 übernimmt.
Es ist in diesem Zusammenhang auch jede andere Lagerung in Verbindung mit einem geeigneten Antrieb möglich, wenn diese die hygienischen und sanitären Anforderungen erfüllen, wie sie in der Nahrungsmittel- und Getränketechnik heute gestellt werden (z.B. sog. EHEDG Anforderungen).
Der Eintritt des Produktes P(E) in den Röhren-Wärmeaustauscher 100 und damit in das Wärmeaustauscherrohr 300 erfolgt über den modifizierten Verbindungsbogen 1000*. Der freie Innendurchgang 10.4 ist mit seinem freien Durchtrittsquerschnitt Q derart dimensioniert, dass er wenigstens dem Nenndurchtrittsquerschnitt A₀ des Verbindungsbogens 1000* bzw. der an den Röhren-Wärmeaustauscher 100 herangeführten Rohrleitungen entspricht und somit durch die Anordnung des Einbauelementes 10 keinerlei Behinderung bzw. Verengung der Produktströmung im Wärmeaustauscherrohr 300 stattfindet.
Das wendelförmige Einbauelement 10 erfasst mit seinen Wendelquerschnitten 10.1 im Eingriffsbereich in unmittelbarer Nähe zur Innenwand des Wärmeaustauscherrohres 300 das hochviskose Produkt P mit seinen ggf. vorhandenen faserigen oder stückigen Beimengungen und erzeugt in dem Wärmeaustauscherrohr 300 über dessen gesamte wärmeaustauscherrelevante Länge eine zusätzliche axiale Geschwindigkeitskomponente v_a und eine zusätzliche tangentiale Geschwindigkeitskomponente v_t, die sich aufgrund der Zähigkeit des Produktes P und der daraus resultierenden Scherkräfte auch auf die Strömung des Produktes P innerhalb des freien Innendurchganges 10.4 partiell übertragen. Neben diesen Geschwindigkeitskomponenten v_a, v_t wird der wandnahe Bereich des Produktes P durchmischt, wodurch sich, wie vorstehend bereits dargelegt, der Wärmedurchgangskoeffizient k gegenüber Wärmeaustauscherrohren ohne oder mit statischem Einbauelement deutlich erhöht. Dabei werden die Steigungsrichtung des wendelförmigen Einbauelementes 10 und dessen Drehsinn N so aufeinander abgestimmt, dass die axiale Geschwindigkeitskomponente v_a die Förderung des Produktes P im Wärmeaustauscherrohr 300 unterstützt.
Auf der Austrittsseite des Produktes P(A) kann im Bedarfsfall eine zweite endseitige Lagerstelle vorgesehen werden, wobei hier lediglich eine Lagerung und keine Durchführung durch eine Gehäusewand vorzusehen ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ersichtlich, dass das Wärmeträgermedium M das Wärmeaustauscherrohr 300 außenseits im Gegenstrom beaufschlagt. Am Eintritt des Produktes P(E) in das Wärmeaustauscherrohr 300 verlässt ein austretendes Wärmeträgermedium M(A) den zweiten Anschlussstutzen 400b, das andererseits (nicht dargestellt) als eintretendes Wärmeträgermedium M(E) in den ersten Anschlussstutzen 400a (s. 1) eintritt.
Prinzipiell kann der dargestellte Röhren-Wärmeaustauscher 100 auch in umgekehrter Richtung vom Produkt P durchströmt werden. In diesem Falle wäre dann zur Sicherstellung der Förderung des Produktes P im Wärmeaustauscherrohr 300 durch die axiale Geschwindigkeitskomponente v_a der Drehsinn N des wendelförmigen Einbauelementes 10 umzukehren.
In 2a ist gezeigt, wie das Einbauelement 10, über seine Erstreckungslänge gesehen, stellenweise eine Abstützung und/oder eine Zwischenlagerung im Bereich seines der Innenseite des Wärmeaustauscherrohres 300 zugewandten Querschnitts bzw. Wendelquerschnitts 10.1 erfährt. Dabei erfolgt die Abstützung und/oder Zwischenlagerung über einen am betreffenden Querschnitt 10.1 adaptierten Gleitwerkstoffteil 10.5, der austauschbar angeordnet sein kann.
In der Praxis ist aus Gründen der hinreichenden Bereitstellung von Wärmeaustauschfläche die Anordnung von mehr als einem Röhren-Wärmeaustauscher 100 erforderlich (3a), wobei die Röhren-Wärmeaustauscher 100 parallel zueinander angeordnet und durch jeweils beidseitig an ihnen angeordnete Verbindungsbogen 1000* meanderförmig in Reihe geschaltet sind. In einer ersten Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung aus mehr als einem Röhren-Wärmeaustauscher 100 wird an jedem, jeweils wechselseitig, ein Antriebsmotor 11, 11* vorgesehen. Diese Anordnung kann entweder so getroffen werden, dass der Antriebsmotor 11 an der jeweiligen Eintrittsseite des Produktes P(E) oder dass der Antriebsmotor 11* an der jeweiligen Austrittsseite des Produktes P(A) angeordnet ist. Diese Antriebsmotore 11, 11* sind vorzugsweise als drehzahlgeregelte Getriebemotore mit Frequenzumrichter ausgeführt.
Ein weiterer Vorschlag sieht vor, dass an jedem Röhren-Wärmeaustauscher 100 ein Antriebsmotor 11, 11* vorgesehen ist, wobei diese Antriebsmotore 11, 11 insgesamt entweder auf der einen oder auf der anderen Seite der Röhren-Wärmeaustauscher 100 angeordnet sind.
Um die Anzahl der Antriebsmotore 11, 11* zu minimieren, sieht ein weiterer Vorschlag vor (3b), dass an nur einem der Röhren Wärmeaustauscher 100 einer infrage kommenden Seite ein Antriebsmotor 11; 11* in Verbindung mit einem Antriebsmittel 12 vorgesehen ist, wobei es sich dabei um Ketten- oder Zahnrie menritzel handelt, dass die anderen Röhren-Wärmeaustauscher 100 jeweils mit einem dieser Antriebsmittel 12 versehen sind, und dass die Antriebsmittel 12 über Ketten oder Zahnriemen 13 miteinander verbunden sind, sodass hier der unmittelbare Antrieb mittels eines Antriebsmotors 11, 11* durch ein Zahnriemen/Kettentrieb 12, 13 ersetzt wird.

1 (Stand der Technik)

100: Röhren-Wärmeaustauscher
200: Außenmantel
200*: Außenkanal
200a: festlagerseitiger Außenmantelflansch
200b: loslagerseitiger Außenmantelflansch
300: Wärmeaustauscherrohr
300.1, 300.2, ..., 300. i, ... ..., 300.n: Wärmeaustauscherrohr; i = 1 bis n, in Reihe geschaltet
300. i: i-tes Wärmeaustauscherrohr
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
A: Austritt
A₀: Nenndurchtrittsquerschnitt der an den Röhren-Wärmeaustauscher 100 angeschlossenen Rohrleitung/des Verbindungsbogens
D_i: Rohrinnendurchmesser (Wärmeaustauscherrohr 300)
DN: Nenndurchmesser der Rohrleitung/des Verbindungsbogens (A₀ = DN²π/4)
E: Eintritt
p: Produkt/Suspension (temperaturbehandelte Seite)
M: Wärmeträgermedium, allgemein
c: mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Außenmantel
v: mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Wärmeaustauscherrohr

2, 2a, 3a, 3b

10: Einbauelement (wendelförmig)
10.1: Wendelquerschnitt
10.2: Antriebstraversen
10.3: Nabe
10.4: freier Innendurchgang
10.5: Gleitwerkstoffteil
11, 11*: Antriebsmotor
11a: Motorwelle
12: Antriebsmittel
13: Zahnriemen/Kette
12/13: Zahnriementrieb/Kettentrieb
20: Antriebswelle
20a: zylindrischer Wellenteil
20b: Aufnahmekegel (kegelförmiger Wellenteil)
20c: Gewindezapfen
20d: Klemmhülse
30: Laternengehäuse
30a: Laternenbohrung
30b: Befestigungsflansch
40: Gleitringdichtungs-Einrichtung
40.1: stationärer Gleitring
40.2: rotierender Gegenring
40.3: statischer Dichtring
40.4: dynamischer Dichtring
50: Befestigungsmutter
60: Gehäusewand
60a: Gehäusebohrung
1000*: modifizierter Verbindungsbogen
M(A): Wärmeträgermedium, Austritt (z.B. Wasser)
M(E): Wärmeträgermedium, Eintritt (z.B. Wasser)
N: Drehsinn
P(A): Produkt/Suspension, Austritt
P(E): Produkt/Suspension, Eintritt
Q: freier Durchtrittsquerschnitt des Einbauelementes 10
S: Längsachse des Wärmeaustauscherrohres
v_a: axiale Geschwindigkeitskomponente
v_t: tangentiale Geschwindigkeitskomponente

Claims

Verfahren zur thermischen Behandlung hochviskoser Produkte der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, insbesondere mit faserigen oder stückigen Beimengungen, bei dem das thermisch zu behandelnde Produkt (P) in einem Röhren-Wärmeaustauscher (100) die Innenseite eines einen Innenkanal (300*) bildenden Wärmeaustauscherrohres (300) berührt, bei dem ein Wärmeträgermedium (M) in einem von einem Außenmantel (200) umgebenen Außenkanal (200*) die Außenseite des Wärmeaustauscherrohres (300) beaufschlagt und bei dem ein unmittelbar wandnah im und ohne feste Verbindung zum Wärmeaustauscherrohr (300) angeordnetes Einbauelement (10) mit freiem Innendurchgang (10.4) die Wärmeübergangsleistung erhöht, dadurch gekennzeichnet, • dass das Einbauelement (10) durch Fremdenergie von außerhalb des Röhren-Wärmeaustauschers (100) rotierend angetrieben ist und es dadurch in seinem wandnahen Eingriffsbereich und über die gesamte wärmeaustauscherrelevante Länge des Wärmeaustauscherrohres (300) das Produkt (P) durchmischt und in diesem eine zusätzliche axiale Geschwindigkeitskomponente (v_a) und eine zusätzliche tangentiale Geschwindigkeitskomponente (v_t) erzeugt, • und dass die axiale Geschwindigkeitskomponente (v_a) die Förderung des Produktes (P) im Wärmeaustauscherrohr (300) unterstützt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitskomponenten (v_a; v_t) durch Veränderung der Drehfrequenz des Einbauelementes (10) veränderlich und einstellbar sind.
Röhren-Wärmeaustauscher zur thermischen Behandlung hochviskoser Produkte der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, insbesondere mit faserigen oder stückigen Beimengungen, bei dem das thermisch zu behandelnde Produkt (P) die Innenseite eines einen Innenkanal (300*) bildenden Wärmeaustauscherrohres (300) berührt, bei dem ein Wärmeträgermedium (M) in einem von einem Außenmantel (200) umgebenen Außenkanal (200*) die Außenseite des Wärmeaustauscherrohres (300) beaufschlagt und bei dem ein unmittelbar wandnah im und ohne feste Verbindung zum Wärmeaustauscherrohr (300) angeordnetes Einbauelement (10) mit freiem Innendurchgang (10.4) die Wärmeübergangsleistung erhöht, dadurch gekennzeichnet, • dass sich das Einbauelement (10) über die gesamte wärmeaustauscherrelevante Länge des Wärmeaustauscherrohres (300) erstreckt, • dass das Einbauelement (10) endseitig wenigstens einseitig drehbar gelagert ist, • dass das Einbauelement (10) durch einen Antriebsmotor (11, 11*) oder Antriebsmittel (12, 13) von außerhalb des Röhren-Wärmeaustauschers (100) rotierend angetrieben ist • und es dadurch in seinem wandnahen Eingriffsbereich und über die gesamte wärmeaustauscherrelevante Länge des Wärmeaustauscherrohres (300) das Produkt (P) durchmischt und in diesem eine zusätzliche axiale Geschwindigkeitskomponente (v_a) und eine zusätzliche tangentiale Geschwindigkeitskomponente (v_t) erzeugt, • und dass die axiale Geschwindigkeitskomponente (v_a) die Förderung des Produktes (P) im Wärmeaustauscherrohr (300) unterstützt.
Röhren-Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbauelement (10) als wendelförmiges Mittel ausgebildet ist, dessen Wendelquerschnitt (10.1) den freien Innendurchgang (10.4) radial außenseits berandet.
Röhren-Wärmeaustauscher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbauelement (10) aus einem sich an das Wärmeaustauscherrohr (300) anschließenden modifizierten Verbindungsbogen (1000*) abgedichtet in die Umgebung des Röhren-Wärmeaustauschers (100) hinausgeführt und dort mit dem Antriebsmotor (11, 11*) oder den Antriebsmitteln (12, 13) fest verbunden ist.
Röhren-Wärmeaustauscher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Lagerstelle des Einbauelementes (10) im produktbeaufschlagten Bereich eines sich an das Wärmeaustauscherrohr (300) anschließenden modifizierten Verbindungsbogens (1000*) vorgesehen ist und das zugeordnete Ende des Einbauelementes (10) in diesem produktbeaufschlagten Bereich endet, und dass dieses Ende (diese Enden) des Einbauelementes (10) berührungsfrei magnetisch angetrieben ist (sind).
Röhren-Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Innendurchgang (10.4) mit einem freien Durchtrittsquerschnitt (Q) dimensioniert ist, der wenigstens einem Nenndurchtrittsquerschnitt (A₀) einer an den Röhren-Wärmeaustauscher (100) angeschlossenen Rohrleitung oder des modifizierten Verbindungsbogens (1000*) entspricht.
Röhren-Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wendelförmige Einbauelement (10) eingängig ausgebildet ist.
Röhren-Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wendelförmige Einbauelement (10) mehrgängig ausgebildet ist.
Röhren-Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbauelement (10) aus einem lebensmittelbeständigen und für Lebensmittel zugelassenen Werkstoff besteht.
Röhren-Wärmeaustauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbauelement (10) aus einem korrosionsbeständigen Metall oder aus Edelstahl mit erhöhter Korrosionsbeständigkeit oder aus einem Kunststoff oder aus Keramik besteht.
Röhren-Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wendelquerschnitt (10.1) durch eine ausschließlich geradlinig umgrenzte Kontur begrenzt ist.
Röhren-Wärmeaustauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wendelquerschnitt (10.1) Rechteckform besitzt und die lange Seite des Rechtecks parallel zur Innenseite des Wärmeaustauscherrohres (300) verläuft.
Röhren-Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Wendelquerschnitt (10.1) Halbkreisform oder Kreisabschnittsform besitzt und die gerade Seite der jeweiligen Form parallel zur Innenseite des Wärmeaustauscherrohres (300) verläuft.
Röhren-Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wendelquerschnitt (10.1 ausschließlich durch eine krummlinige Kontur mit stetigen Übergängen begrenzt ist.
Röhren-Wärmeaustauscher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wendelquerschnitt (10.1) eine ovale oder eine elliptische oder eine Kreisform besitzt.
Röhren-Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbauelement (10) beiderseits endseitig gelagert ist.
Röhren-Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbauelement (10), über seine Erstreckungslänge gesehen, stellenweise eine Abstützung und/oder eine Zwischenlagerung im Bereich seines der Innenseite des Wärmeaustauscherrohres (300) zugewandten Querschnitts bzw. Wendelquerschnitts (10.1) erfährt.
Röhren-Wärmeaustauscher nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung oder Zwischenlagerung über einen am betreffenden Querschnitt (10.1) adaptierten Gleitwerkstoffteil (10.5) erfolgt.
Röhren-Wärmeaustauscher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitwerkstoffteil (10.5) austauschbar angeordnet ist.
Röhren-Wärmeaustauscher nach Anspruch 5 oder einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung des Endes des Einbauelements (10) durch die Wandung des modifizierten Verbindungsbogens (1000*) hindurch mittels einer Gleitringdichtungs-Einrichtung (40) erfolgt.
Röhren-Wärmeaustauscher nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitringdichtungs-Einrichtung (40) spülbar ausgebildet ist.
Anordnung aus mehr als einem Röhren-Wärmeaustauscher (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 22, wobei die Röhren-Wärmeaustauscher (100) parallel zueinander angeordnet und durch jeweils beidseitig an ihnen angeordnete Verbindungsbogen (1000; 1000*) meanderförmig in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Röhren-Wärmeaustauscher (100), jeweils wechselseitig, ein Antriebsmotor (11; 11*) vorgesehen ist.
Röhren-Wärmeaustauscher nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (11, 11*) als drehzahlgeregelter Getriebemotor ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (11) an der jeweiligen Eintrittsseite des Produktes P(E) in das Wärmeaustauscherrohr (300) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (11*) an der jeweiligen Austrittsseite des Produktes P(A) aus dem Wärmeaustauscherrohr (300) angeordnet ist.
Anordnung aus mehr als einem Röhren-Wärmeaustauscher (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 22, wobei die Röhren-Wärmeaustauscher (100) parallel zueinander angeordnet und durch jeweils beidseitig an ihnen angeordnete Verbindungsbogen (1000; 1000*) meanderförmig in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Röhren-Wärmeaustauscher (100) ein Antriebsmotor (11; 11*) vorgesehen ist, wobei diese Antriebsmotore (11; 11*) insgesamt entweder auf der einen oder auf der anderen Seite des Röhren-Wärmeaustauschers (100) angeordnet sind.
Anordnung aus mehr als einem Röhren-Wärmeaustauscher (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 22, wobei die Röhren-Wärmeaustauscher (100) parallel zueinander angeordnet und durch jeweils beidseitig an ihnen angeordnete Verbindungsbogen (1000; 1000*) meanderförmig in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an nur einem der Röhren-Wärmeaustauscher (100) einer infrage kommenden Seite ein Antriebsmotor (11; 11*) in Verbindung mit einem Antriebsmittel (12) vorgesehen ist, dass die anderen Röhren-Wärmeaustauscher (100) jeweils mit einem dieser Antriebsmittel (12) versehen sind, und dass die Antriebsmittel (12) über Ketten oder Zahnriemen (13) miteinander verbunden sind.