DE102008011341A1 - Heat exchanger for heating temperature and residence time sensitive products - Google Patents

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DE102008011341A1
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Rüdiger Dr. Carloff
Joachim Heid
Olaf Dr. Pickenäcker
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    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Rohrbündelwärmetauscher, der in der Lage ist, temperaturempfindliche und/oder polymerisierbare Produkte schonend und schnell abzukühlen oder zu erhitzen.The invention describes a tube bundle heat exchanger which is capable of gently and rapidly cooling or heating temperature-sensitive and / or polymerizable products.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für temperaturempfindliche und/oder polymerisationsfähige Produkte.The The invention relates to a heat exchanger for temperature-sensitive and / or polymerizable products.

Stand der TechnikState of the art

Aus der Literatur sind viele verschiedene Ausführungsformen von Wärmetauschern bekannt. So bieten sich für kurze Verweilzeiten z. B. Wärmetauscher vom Typ der Plattenwärmetauscher oder Mikrowärmetauscher an. Diese Wärmetauscher haben allerdings den Nachteil, dass sie aufgrund der engen Strömungsspalte nur für niedrig viskose Produkte geeignet sind. Bei höher viskosen Produkten kann der Druckabfall über diese Wärmetauscher sehr hoch sein. Bei zur Polymerisation neigenden Produkten wie Monomere oder Polymersirup, der noch Monomere enthält, besteht die Gefahr, dass die Monomere in dem Wärmetauscher während des Betriebes oder beim Stillstand polymerisieren. Die Entfernung von auspolymerisiertem Sirup aus den Plattenwärmetauschern und Mikrowärmetauschern ist sehr aufwändig, wenn nicht gar unmöglich. Für hohe Viskositäten, insbesondere für mehrere Pas, und hohe Drücke, größer 10 bar, werden aufgrund der Fertigungsweise und der auftretenden Kräfte keine Plattenwärmetauscher angeboten.Out The literature is many different embodiments known from heat exchangers. So are for yourself short residence times z. B. Heat exchanger of the plate heat exchanger type or micro heat exchanger. These heat exchangers However, they have the disadvantage of being due to the narrow flow gaps only suitable for low viscosity products. At higher Viscous products can reduce the pressure drop across these heat exchangers be very high. For polymer prone products such as monomers or polymer syrup which still contains monomers, is the Risk that the monomers in the heat exchanger during to polymerize during operation or at standstill. The distance of polymerized syrup from the plate heat exchangers and micro heat exchangers is very expensive, though not impossible. For high viscosities, especially for several pas, and high pressures, greater than 10 bar, are due to the manufacturing process and the forces occurring no plate heat exchanger offered.

US-PS 1,961,907 beschreibt einen Rohrbündelwärmetauscher mit spiralförmig genuteten Verdrängerkörpern in den Rohren. Durch die wendelförmige Strömung wird eine besonders effektive Wärmeübertragung erreicht. Durch die Strömung des zu temperierenden Mediums innerhalb des Verdrängerrohrs wird jedoch ein zusätzlicher Druckverlust und eine zusätzliche Verweilzeit erzeugt, die für das Produkt schädlich sein kann. Überdies hat die komplexe Konstruktion auch hohe Kosten, eine schlechte Demontierbarkeit und eine schwierige Entleerbarkeit zur Folge. U.S. Patent No. 1,961,907 describes a shell-and-tube heat exchanger with helically grooved displacers in the tubes. Due to the helical flow, a particularly effective heat transfer is achieved. However, by the flow of the medium to be tempered within the displacement tube, an additional pressure loss and an additional residence time is generated, which can be detrimental to the product. Moreover, the complex construction also entails high costs, poor disassembly, and difficult drainability.

DE-G 8712815 (VIA Gesellschaft für Verfahrenstechnik) beschreibt einen Rohrbündelwärmetauscher für Drucklufttrockner. Der in das Rohr eingeführte Verdrängerkörper besteht aus Materialersparnisgründen seinerseits wieder aus einem Rohr, das an der Eintrittsseite verschlossen ist. Das Verdrängerrohr kann eine geriffelte Oberfläche aufweisen. Die nicht für temperaturempfindliche Produkte entwickelte Konstruktion weist jedoch ein großes produktgefülltes Volumen auf, da keine Böden mit sehr geringem Hold-up verwendet werden und die Verdrängerstäbe unten nicht verschlossen sind. Zudem sind die Verdrängerrohre nicht demontierbar, was bei temperaturempfindlichen Polymeren einen großen Nachteil darstellt. DE-G 8712815 (VIA Gesellschaft für Verfahrenstechnik) describes a tube bundle heat exchanger for compressed air dryers. The inserted into the tube displacement body consists of material saving reasons in turn from a tube which is closed at the inlet side. The displacer tube may have a corrugated surface. However, the design, which is not designed for temperature-sensitive products, has a large product-filled volume since no very low hold-up trays are used and the displacer bars are not sealed at the bottom. In addition, the displacer pipes are not removable, which is a major disadvantage in temperature-sensitive polymers.

DE-G 89 03 349 (VIA Gesellschaft für Verfahrenstechnik) beschreibt einen Rohrbündelwärmetauscher, insbesondere für Drucklufttrockner. Um das Wärmeübertragungsmedium möglichst gleichförmig durch den Apparat strömen zu lassen, wird in dem Apparat eine Siebplatte angeordnet, die für eine gleichmäßige Anströmung der Rohre sorgt. Eine schonende Wärmeübertragung ist bei diesem Rohrbündelwärmeübertrager jedoch nicht notwendig, so dass keine besonderen Anforderungen an den Querschnitt der Verdrängerstäbe existieren und keine Verdrängerhauben oder Flachböden mit minimalem Hold-up notwendig sind. Außerdem sind die Verdrängerstäbe nicht demontierbar. DE-G 89 03 349 (VIA Gesellschaft für Verfahrenstechnik) describes a tube bundle heat exchanger, especially for compressed air dryers. In order to allow the heat transfer medium as uniformly as possible to flow through the apparatus, a screen plate is arranged in the apparatus, which ensures a uniform flow of the tubes. A gentle heat transfer is not necessary in this tube bundle heat exchanger, so that no special requirements for the cross section of the displacer exist and no Verdrängerhauben or flat bottoms with minimal hold-up are necessary. In addition, the displacer rods are not removable.

Wärmetauscher, die auch bei höher viskosen Produkten einen geringen Druckabfall zeigen, sind häufig z. B. vom Rohrbündeltyp. Bei dieser Ausführung durchströmt das Produkt mehrere parallel angeordnete Rohre. Nachteilig ist hierbei allerdings, dass die Rohrbündelwärmetauscher gewöhnlich eine geringe spezifische Wärmeaustauschfläche besitzen. Die spezifische Wärmeaustauschfläche wird hierbei definiert als das Verhältnis der Wärmeaustauschfläche zum Volumen in den Rohren, das das Produkt ausfüllt. Durch die geringe Wärmeaustauschfläche werden in der Regel große Wärmetauscher mit dadurch großen Hold-up in den Rohren benötigt. Die Verweilzeit ist deshalb in den Rohrbündelwärmetauschern recht hoch.Heat exchanger, even with more viscous products a low pressure drop show, are often z. B. of the tube bundle type. at In this embodiment, the product flows through several parallel tubes. The disadvantage here, however, is that the shell and tube heat exchangers usually a low specific heat exchange area have. The specific heat exchange surface is defined here as the ratio of the heat exchange surface to the volume in the tubes filling the product. By The low heat exchange surface will usually large heat exchanger with thereby large Hold-up in the pipes needed. The residence time is therefore quite high in the tube bundle heat exchangers.

Aufgabetask

Angesichts des diskutierten Standes der Technik bestand nun die Aufgabe, einen Wärmetauscher zu entwickeln, der die Verweilzeit für das im Wärmetauscher zu erhitzende oder zu kühlende Produkt möglichst kurz sein lässt. Der Wärmetauscher soll weiterhin so aufgebaut sein, dass sowohl niedrig viskose als auch höher viskose Produkte erwärmt bzw. gekühlt werden können.in view of The object of the discussed prior art was to provide a To develop a heat exchanger, the residence time for that in the heat exchanger to be heated or cooled Keep the product as short as possible. The heat exchanger should continue to be designed so that both low viscous than even higher viscous products heated or cooled can be.

Gesucht wurde nach einer Ausführungsform eines Wärmetauschers, der

  • • eine kurze Verweilzeit bei gleichzeitig geringem Druckabfall ermöglicht,
  • • leicht zu reinigen ist,
  • • leicht zu fertigen ist,
  • • leicht abzudichten ist,
  • • für ein breites Temperatur-, Druck- und Viskositätsspektrum einsetzbar ist, und
  • • Temperaturdifferenzen zwischen Produktraum und Heiz- bzw. Kühlraum gut abfängt.
What was sought after an embodiment of a heat exchanger, the
  • • allows a short residence time with low pressure drop,
  • • easy to clean,
  • • easy to manufacture,
  • • easy to seal,
  • • can be used for a wide range of temperature, pressure and viscosity, and
  • • Cuts temperature differences between product room and heating or cooling room well.

Diese Aufgabe wurde gelöst durch einen Rohrbündelwärmetauscher mit speziell ausgeführten Verdrängerstäben in den produktgefüllten Rohren. Die Verdrängerstäbe sind so ausgeführt, dass sie mehr als 40% des in den Rohren befindlichen Volumens einnehmen, bevorzugt mehr als 50% des in den Rohren befindlichen Volumens einnehmen und ganz besonders bevorzugt mehr als 60% des in den Rohren befindlichen Volumens einnehmen. Um das produktgefüllte Volumen im Apparat gering zu halten, werden zweckmäßigerweise ein oder mehrere Verdrängerkörper in den Wärmetauscherhauben des Apparats angeordnet oder zumindest ein Flachboden verwendet.These Task was solved by a tube bundle heat exchanger with specially designed displacement rods in the product-filled pipes. The displacer rods are designed so that they exceed 40% of the pipes occupy the volume, preferably more than 50% of the in the Take tubes located volume and very particularly preferred more than 60% of the volume in the tubes. To keep the product-filled volume in the apparatus low, are expediently one or more displacer arranged in the heat exchanger hoods of the apparatus or at least one flat bottom used.

Durchführung der ErfindungImplementation of the invention

1. Ausführung des Rohrbündelwärmetauschers Beschreibung1. Execution of the Tube bundle heat exchanger description

Der Rohrbündelwärmetauscher besteht aus einem Gehäuse (4) und einem Rohrbündel, das aus einem oder mehreren vom zu temperierenden Produkt durchströmten, im Wesentlichen parallel angeordneten Rohren gebildet wird. Die Rohre können fluchtend, versetzt oder auf konzentrischen Lochkreisen zueinander angeordnet sein. Bevorzugt ist ein minimaler und im Wesentlichen gleicher Rohrabstand, wodurch ein geringes produktgefülltes Volumen (6) resultiert. Besonders bevorzugt ist eine Anordnung der Rohre auf konzentrischen Kreisen, um eine gleichmäßige Anströmung der Rohre und wenig Totzonen im Boden-Bereich zu erhalten.The tube bundle heat exchanger consists of a housing ( 4 ) and a tube bundle, which is formed from one or more of the product to be tempered flowed through, substantially parallel tubes. The tubes can be aligned, offset or arranged on concentric hole circles to each other. Preference is given to a minimum and substantially equal pipe spacing, whereby a small product-filled volume ( 6 ) results. Particularly preferred is an arrangement of the tubes on concentric circles in order to obtain a uniform flow of the tubes and little dead zones in the bottom region.

Das Produkt durchströmt die Rohre und wird über den Rohrmantel erwärmt oder gekühlt. Das Heiz- bzw. Kühlmedium (5) durchströmt den äußeren Mantel der Rohre. Die Rohre können dabei im Kreuzstrom, im Gegenstrom oder im Gleichstrom zum Produktstrom von dem Heiz- bzw. Kühlmedium (5) angeströmt werden. Vorzugsweise erfolgt die Temperierung im Wesentlichen im Kreuz-Gegenstrom, da so geringere treibende Temperaturgefälle zwischen Temperiermedium (5) und Produktraum (6) ausreichen. Damit die Entleerung einfach vorgenommen werden kann, wird der Wärmetauscher vorzugsweise vom Produkt von oben nach unten durchströmt. Damit die Entlüftung des Heiz- bzw. Kühlmediums (5) einfach erfolgen kann, wird der Wärmetauscher vom Temperiermedium (5) vorzugsweise von unten nach oben durchströmt.The product flows through the pipes and is heated or cooled by the pipe jacket. The heating or cooling medium ( 5 ) flows through the outer jacket of the tubes. The tubes may be in cross-flow, countercurrent or cocurrent to the product flow of the heating or cooling medium ( 5 ) are flown. Preferably, the temperature is essentially in the cross-countercurrent, since so lower driving temperature gradient between tempering ( 5 ) and product space ( 6 ) suffice. So that the emptying can be easily made, the heat exchanger is preferably flowed through by the product from top to bottom. So that the venting of the heating or cooling medium ( 5 ) can be done easily, the heat exchanger from the temperature control ( 5 ) preferably flows through from bottom to top.

Zumindest ein Ende des Rohrbündels wird von einem Boden umschlossen, durch den das Produkt ein- bzw. austritt. Dieser Boden kann als Wärmetauscherhaube (2) mit geringer Wanddicke oder als dickwandiger, aber kompakter Flachboden (17) ausgeführt sein. Der Boden besitzt vorzugsweise einen Apparateflansch, so dass er an den Wärmetauscherhauptteil angeflanscht oder wieder demontiert werden kann. Der Boden kann einen vorzugsweise auf der Achse befindlichen Stutzen aufweisen, durch den das Produkt ein- oder austreten kann. Denkbar sind auch mehrere Stutzen in Achsnähe, durch die Produkt austreten kann. Der Boden wird vorzugsweise so ausgeführt, dass er mit einem Temperiermedium beheizt bzw. gekühlt werden kann. Denkbar ist aber auch eine elektrische Beheizung.At least one end of the tube bundle is enclosed by a bottom through which the product enters or exits. This floor can be used as a heat exchanger hood ( 2 ) with a small wall thickness or as a thick-walled but compact flat bottom ( 17 ). The bottom preferably has an apparatus flange so that it can be flanged or disassembled to the heat exchanger body. The floor may have a preferably on-axis nozzle, through which the product can enter or exit. Also conceivable are several nozzles near the axis through which product can escape. The floor is preferably designed so that it can be heated or cooled with a temperature control medium. But also conceivable is an electric heating.

Es ist auch denkbar, dass der Wärmetauscher direkt an einen anderen Apparat angeschlossen ist, so dass auf dieser Seite auf einen entsprechenden Boden verzichtet werden kann.It is also conceivable that the heat exchanger directly to a other apparatus is connected, so on this page a corresponding floor can be dispensed with.

Zum Dehnungsausgleich kann bei Bedarf ein Kompensator im äußeren Mantel eingesetzt werden, um die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen Rohrbündel und Außenmantel auszugleichen.To the Strain compensation can, if necessary, a compensator in the outer Cloak be used to the different thermal expansion balance between tube bundle and outer jacket.

Vorteiladvantage

Der Druckabfall in den Wärmetauscherrohren ist für höher viskose Produkte durch Wahl geeigneter Rohrdurchmesser beherrschbar.Of the Pressure drop in the heat exchanger tubes is for higher viscous products by choosing suitable pipe diameters manageable.

2. Ausführung der Verdrängerstäbe Beschreibung2nd execution of Displacer rods Description

Um das Volumen des Produkts (6) in den Wärmetauscherrohren zu reduzieren und die Wärmeübertragung zu erhöhen, werden Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) in die Rohre eingeführt. Die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) können teilweise in die Wärmetauscherhauben (2) hineinragen. Die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) sind so ausgeführt, dass sie mehr als 40% des Volumens in den Wärmetauscherrohren verdrängen. Vorzugsweise werden mehr als 60% des Leervolumens der Rohre durch die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) verdrängt. Vorzugsweise werden weniger als 95% des Volumens verdrängt, um sowohl eine kompakte Bauform des Wärmeüberträgers als auch einen geringen Druckabfall zu erhalten. Die Außenkontur der Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) ist so gestaltet, dass die Achse der Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) in den Rohren zentriert ist, um Totzonen zu vermeiden und eine über den Querschnitt des Wärmetauscherrohres homogene Strömung zu erzielen. Der Produktstrom fließt im Spalt (11) zwischen Verdrängerstab (7, 10, 12, 15) und Innenwand des Wärmetauscherrohres.To the volume of the product ( 6 ) in the heat exchanger tubes and to increase the heat transfer, are Verdrängerstäbe ( 7 . 10 . 12 . 15 ) introduced into the tubes. The displacer rods ( 7 . 10 . 12 . 15 ) can partially into the heat exchanger hoods ( 2 protrude). The displacer rods ( 7 . 10 . 12 . 15 ) are designed to displace more than 40% of the volume in the heat exchanger tubes. virtue example, more than 60% of the void volume of the tubes by the Verdrängerstäbe ( 7 . 10 . 12 . 15 ) repressed. Preferably, less than 95% of the volume is displaced to obtain both a compact heat exchanger design and a low pressure drop. The outer contour of the displacement rods ( 7 . 10 . 12 . 15 ) is designed so that the axis of the displacement rods ( 7 . 10 . 12 . 15 ) is centered in the tubes to avoid dead zones and to achieve a homogeneous over the cross section of the heat exchanger tube flow. The product stream flows in the gap ( 11 ) between displacer rod ( 7 . 10 . 12 . 15 ) and inner wall of the heat exchanger tube.

Um die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) im Rohr mit einem definierten Spalt zu zentrieren, können die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) z. B. wie folgt aufgebaut sein:

  • • Beidseitig verschlossene Rohre, geschlossene Hohlkörper oder Massivkörper (15), dessen Querschnitte entlang seiner Achse in zumindest zwei Teilbereichen (14, 16) zur Zentrierung im Rohr (9) verformt sind (siehe 2 und 56),
  • • Beidseitig verschlossene Rohre, geschlossene Hohlkörper oder Massivkörper (12) mit zumindest an zwei axialen Positionen außen angebrachten Elementen (13) zur Zentrierung im Rohr (siehe 34),
  • • Entlang der Rohrachse versetzte Platten mit der Eigenschaft, Volumen zu verdrängen
To the Verdrängerstäbe ( 7 . 10 . 12 . 15 ) center in the tube with a defined gap, the displacement rods ( 7 . 10 . 12 . 15 ) z. B. be constructed as follows:
  • • Tubes closed on both sides, closed hollow bodies or solid bodies ( 15 ) whose cross-sections along its axis in at least two sub-areas ( 14 . 16 ) for centering in the tube ( 9 ) are deformed (see 2 and 5 - 6 )
  • • Tubes closed on both sides, closed hollow bodies or solid bodies ( 12 ) with elements attached at least at two axial positions ( 13 ) for centering in the tube (see 3 - 4 )
  • • Plates offset along the tube axis with the capacity to displace volume

Die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) sind vorzugsweise in die Rohre (9) hinein geschoben, so dass sie bei Bedarf zu Reinigungs- und Prüfzwecken wieder herausgenommen werden können. Die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) können auch aus mehreren einzelnen hintereinander geschalteten Stäben bestehen. Vorstellbar ist auch, hohle Verdrängerstäbe zu verwenden, die mit einem Medium gefüllt sind, das den Wärmetransport verbessert. Beispielsweise kann Wasser enthalten sein, das im heißen Bereich verdampft und im kühlen Bereich kondensiert, so dass Wärme in axialer Richtung transportiert wird. Denkbar ist auch, mit Hilfe eines die Verdrängerrohre durchströmenden Wärmeträgermediums zusätzlich Wärme zu übertragen. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von elektrisch beheizten Verdrängerstäben, wodurch die spezifische Wärmeübertragungfläche weiter erhöht wird und die Verweilzeit noch weiter verringert werden kann. Ebenso ist denkbar, dass Kombinationen der oben genannten Verdrängerstäbe eingesetzt werden.The displacer rods ( 7 . 10 . 12 . 15 ) are preferably in the tubes ( 9 ) are pushed in so that they can be taken out for cleaning and testing purposes if necessary. The displacer rods ( 7 . 10 . 12 . 15 ) can also consist of several individual bars connected in series. It is also conceivable to use hollow displacer rods which are filled with a medium which improves the heat transport. For example, water may be contained which evaporates in the hot region and condenses in the cool region, so that heat is transported in the axial direction. It is also conceivable to additionally transfer heat with the aid of a heat transfer medium flowing through the displacer tubes. Another possibility is the use of electrically heated displacement rods, which further increases the specific heat transfer area and further reduces the residence time. It is also conceivable that combinations of the above Verdrängerstäbe be used.

Die Verdrängerstäbe erzeugen vorzugsweise im beheizten Teil der Rohre einen engen Querschnitt, im Eintrittsbereich kann eine Querschnittsaufweitung zur Verminderung des Druckverlustes im Rohrboden-Bereich vorgesehen sein.The Verdrängerstäbe produce preferably in the heated Part of the tubes can have a narrow cross-section, in the entry area a cross-sectional expansion to reduce the pressure loss be provided in the tube plate area.

Vorteiladvantage

Durch die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) wird der Hold-up des Produktes in den Rohrleitungen (6) reduziert und die spezifische Wärmeaustauschfläche erhöht. Der Druckabfall über den Rohrbündelwärmeübertrager mit Verdrängerstäben (7, 10, 12, 15) ist geringer als bei Mikrowärmetauschern und Plattenwärmetauschern gleicher thermischer Leistung und Rohranzahl. Der Druckabfall kann bei Mikrowärmetauschern und Plattenwärmetauschern nur durch eine deutliche Erhöhung der Rohranzahl in diesen Wärmetauschertypen auf das Niveau des Rohrbündelwärmetauschers mit Verdrängerstäben gesenkt werden. Der geringe Rohrdurchmesser und die große Anzahl an Rohren erschwert die Reinigung dieser Wärmetauscher erheblich.By the displacement rods ( 7 . 10 . 12 . 15 ), the hold-up of the product in the pipelines ( 6 ) and increases the specific heat exchange area. The pressure drop across the tube bundle heat exchanger with displacement rods ( 7 . 10 . 12 . 15 ) is lower than in micro heat exchangers and plate heat exchangers the same thermal performance and number of tubes. The pressure drop can be reduced in micro heat exchangers and plate heat exchangers only by a significant increase in the number of tubes in these heat exchanger types to the level of the tube bundle heat exchanger with Verdrängerstäben. The small pipe diameter and the large number of pipes makes it much more difficult to clean these heat exchangers.

Die Verweilzeit im Rohrbündelwärmeübertrager mit Verdrängerstäben ist naturgemäß geringer als in Rohrbündelwärmeüberträgern ohne Verdrängerstäbe gleichen Durchmessers. Nur für Leerrohre mit signifikant geringerem Durchmesser, die dann aber deutlich länger sind, kann die Verweilzeit auf das gleiche Niveau wie beim Rohrbündelwärmetauscher mit Verdrängerstäben eingestellt werden.The Residence time in the tube bundle heat exchanger with Verdrängerstäben is naturally lower as in tube bundle heat exchangers without displacer rods of the same diameter. Just for conduits with significantly smaller diameter, the but then are significantly longer, the residence time can the same level as the shell and tube heat exchanger be adjusted with Verdrängerstäben.

3. Verdrängerkörper in den Wärmetauscherhauben Beschreibung3. displacer in the heat exchanger hoods description

Um den Hold-up in den Wärmetauscherhauben (2) zu minimieren, werden Verdrängerkörper (3) in die Hauben (2) eingebaut. Die Hauben (2) können ebenfalls beheizt oder gekühlt sein. Zur Zentrierung können diese z. B. Bleche oder Stifte an den Außenseiten aufweisen. Um die Wärmetauscherrohre gleichmäßig mit Flüssigkeit zu beschicken, wird die den Wärmetauscherrohren zugewandte Seite vorzugsweise konisch ausgeführt; siehe 7.To hold-up in the heat exchanger hoods ( 2 ), displacers ( 3 ) in the hoods ( 2 ) built-in. The hoods ( 2 ) may also be heated or cooled. For centering these z. B. plates or pins on the outer sides. To uniformly charge the heat exchanger tubes with liquid, the heat exchanger tubes facing side is preferably made conical; please refer 7 ,

Vorteiladvantage

Geringere Verweilzeit in den Wärmetauscherhauben (2) und damit geringere thermische Belastung der Produkte.Reduced residence time in the heat exchanger hoods ( 2 ) and thus lower thermal stress on the products.

4. Flachboden4. flat bottom

Die Zonen für Produkteintritt (1) und Produktaustritt (8) können auch als Flachboden (17) mit Aussparungen (low volume head) ausgeführt sein (siehe 8). Die Aussparungen werden so bemessen, dass die Verweilzeit des Produkts im Boden bei Volllast zwischen 0,5 s und 20 s, bevorzugt zwischen 1,5 s und 15 s, bzw. bei Teillast zwischen 1 s und 40 s, bevorzugt zwischen 1,5 s und 30 s, beträgt. Die Aussparungen können beispielsweise durch Ausdrehen oder Ausfräsen hergestellt werden. Die Aussparung des Flachbodens kann konisch ausgeführt sein.The zones for product entry ( 1 ) and product leakage ( 8th ) can also be used as a flat bottom ( 17 ) with recesses (low volume head) (see 8th ). The recesses are dimensioned so that the residence time of the product in the soil at full load between 0.5 s and 20 s, preferably between 1.5 s and 15 s, or at part load between 1 s and 40 s, preferably between 1.5 s and 30 s. The recesses can be made for example by turning or milling. The recess of the flat bottom can be made conical.

5. Betriebsparameter5. Operating parameters

Beschreibungdescription

  • Betriebstemperaturen T = –20°C bis +400°C;Operating temperatures T = -20 ° C to + 400 ° C;
  • Druck im Produktraum der Rohre (6) und der Hauben (2) P = –0,95 barg bis +100 barg.Pressure in the product space of the pipes ( 6 ) and the hoods ( 2 ) P = -0.95 barg to +100 barg.

Der Druck im Raum des Wärmeträgermedium (5) kann zwischen P = –0,95 barg bis +50 barg liegen. Die Temperatur des Wärmeträgermediums (5) kann T = –20°C bis +400°C betragen.The pressure in the space of the heat transfer medium ( 5 ) can be between P = -0.95 barg to +50 barg. The temperature of the heat transfer medium ( 5 ) T = -20 ° C to + 400 ° C.

Das Wärmeträgermedium (5) kann flüssig oder dampfförmig zugeführt werden. Der gemäß der Erfindung beschriebe Wärmetauscher ist geeignet, Produkte mit einer Viskosität von n = 0,1 mPas bis 500 Pas zu erwärmen bzw. zu kühlen. Die Verweilzeit der Produkte im Wärmetauscher kann 1 s bis 300 s betragen.The heat transfer medium ( 5 ) can be supplied in liquid or vapor form. The heat exchanger described according to the invention is suitable for heating or cooling products having a viscosity of n = 0.1 mPas to 500 Pas. The residence time of the products in the heat exchanger can be 1 s to 300 s.

Vorteiladvantage

Der Wärmetaucher erlaubt die Einstellung eines weiten Bereiches an Temperaturen, Drücken und Viskositäten.Of the Heat diver allows the setting of a wide range at temperatures, pressures and viscosities.

Vergleich zwischen konventionellen Wärmetauschern des Standes der Technik und Wärmetauschern mit RingspaltComparison between conventional Heat exchangers of the prior art and heat exchangers with annular gap

Die folgende Tabelle fasst Ergebnisse von Massen- und Energiebilanzen sowie von Berechnungen von Strömung und Wärmeübertragung in Rohren und Ringspalten zusammen. Die Druckverlustberechnungen basieren auf der analytischen Lösung der Impulserhaltungsgleichung für das laminar durchströmte Rohr (Hagen-Poiselle-Strömung) bzw. für den laminar durchströmten Ringspalt. Die Wärmeübergangsberechnungen fußen auf semiempirischen Nußelt-Zahl-Beziehungen für hydrodynamisch und thermisch nicht ausgebildete Laminarströmung. Soweit nicht anders vermerkt, wird ein Massenstrom von 1.000 kg/h, eine Verweilzeit in den Rohren von 60 Sekunden, eine Temperaturerhöhung des zu erwärmenden Mediums von 100 K und eine logarithmische Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträgermedium (5) und zu erwärmendem Medium von 30 K angenommen. Letztere beiden Zahlenwerte lassen sich zu einem Quotienten von 3,33 zusammenführen. Verwendet werden als Stoffwerte außerdem eine Wärmeleitfähigkeit von 0,15 W/mK, eine Dichte von 1.000 kg/m3, eine spezifische Wärmekapazität von 2.200 J/kgK und eine konstante dynamische Viskosität von 1 Pas, d. h. es wird von einem newtonschen Medium ausgegangen. Weiterhin wird vorausgesetzt, dass der wärmeträgerseitige Wärmeübergangswiderstand sowie der Leitungswiderstand durch die Rohrwandung vernachlässigbar sind. Rohr, Fall A Rohr, Fall B Rohr, Fall C Rohr, Fall D Rohr, Fall E Rohr, Fall F Rohr, Fall G Rohr, Fall H Ringspalt, Fall I Verweilzeit/s 60 25 60 580 60 5 60 60 60 Quotient aus T-Erhöhung und log. T-Differenz 3,33 3,33 12,7 3,33 0,80 3,33 23,7 3,33 3,33 Druckabfall/bar 4,4 4,4 4,4 4,4 4,4 4,4 4,4 0,069 4,4 Rohranzahl 170 408 2120 18 6 2041 6610 1360 40 Rohrlänge/m 4,7 2,0 2,0 45,5 14,6 0,4 1,4 0,6 3,0 Rohrdurchmesser/mm 5,2 3,3 2,2 16 16 1,5 1,5 5,2 24/20 The following table summarizes results of mass and energy balances as well as calculations of flow and heat transfer in pipes and annular gaps. The pressure loss calculations are based on the analytical solution of the conservation of momentum equation for the laminar flow-through pipe (Hagen-Poiselle flow) or for the laminar flow-through annular gap. The heat transfer calculations are based on semiempirical Nusselt number relationships for hydrodynamically and thermally unformed laminar flow. Unless otherwise stated, a mass flow of 1,000 kg / h, a residence time in the tubes of 60 seconds, a temperature increase of the medium to be heated of 100 K and a logarithmic temperature difference between the heat transfer medium ( 5 ) and 30 K medium to be warmed up. The latter two numerical values can be combined to a quotient of 3.33. Also used as physical properties are a thermal conductivity of 0.15 W / mK, a density of 1,000 kg / m 3 , a specific heat capacity of 2,200 J / kgK and a constant dynamic viscosity of 1 Pas, ie a newtonian medium is used. Furthermore, it is assumed that the heat transfer-side heat transfer resistance and the line resistance through the pipe wall are negligible. Pipe, case A Pipe, case B Pipe, case C Pipe, case D Pipe, case E Tube, case F Pipe, case G Pipe, case H Annular gap, case I Dwell / s 60 25 60 580 60 5 60 60 60 Quotient of T increase and log. T-difference 3.33 3.33 12.7 3.33 0.80 3.33 23.7 3.33 3.33 Pressure drop / bar 4.4 4.4 4.4 4.4 4.4 4.4 4.4 0,069 4.4 tube number 170 408 2120 18 6 2041 6610 1360 40 Pipe length / m 4.7 2.0 2.0 45.5 14.6 0.4 1.4 0.6 3.0 Pipe diameter / mm 5.2 3.3 2.2 16 16 1.5 1.5 5.2 24/20

Beispiel A zeigt, dass bei konventionellen Rohrbündelwärmeübertragern sehr enge, lange Rohre notwendig sind, um die vorgegebenen Bedingungen zu erreichen. Diese sind aber nur schwer fertigbar und lassen sich praktisch nicht reinigen.example A shows that conventional tube bundle heat exchangers very tight, long pipes are necessary to the given conditions to reach. These are difficult to produce and can be practically not clean.

Beispiele B und C zeigen, dass kürzere Rohre bei geringerer Verweilzeit (Fall B) oder geänderten thermischen Bedingungen (Fall C) möglich sind. Jedoch sinken dabei zugleich die Rohrdurchmesser noch mehr und die Rohranzahl steigt stark an, so dass hierin keine Alternative zu Fall A gesehen werden kann.Examples B and C show that shorter tubes with less residence time (Case B) or changed thermal conditions (case C) are possible. However, at the same time, the pipe diameters sink even more and the number of tubes increases sharply, so that there is no Alternative to case A can be seen.

Beispiele D und E demonstrieren, dass ein größerer Rohrdurchmesser zwar mit Hilfe von längerer Verweilzeit (Fall D) oder höheren Wandtemperaturen (durch größere logarithmische Temperaturdifferenzen; Fall E) erzielt werden kann. Der Vorteil der besseren Reinigbarkeit aufgrund des größeren Durchmessers wird jedoch durch die extrem erhöhte Rohrlänge, die die Fertigbarkeit sehr erschwert, sowie Verschlechterungen in der Produktqualität aufgrund erhöhter Verweilzeiten und Wandtemperaturen überkompensiert. Ferner ist der Platzbedarf solch langer Apparate in Gebäuden problematisch.Examples D and E demonstrate that a larger pipe diameter although with the help of longer residence time (case D) or higher Wall temperatures (by larger logarithmic Temperature differences; Case E) can be achieved. The advantage the better cleanability due to the larger Diameter is however due to the extremely increased tube length, which makes the fertility very difficult, as well as deterioration in the Product quality due to increased residence times and wall temperatures overcompensated. Furthermore, the space requirement such long apparatus in buildings is problematic.

Beispiele F und G zeigen, dass ein kleinerer Rohrdurchmesser durch kürzere Verweilzeit (Fall F) oder geänderte thermische Bedingungen (Fall G) eine extrem große Anzahl an Rohren zur Folge hat. Eine solch hohe Anzahl an filigranen Rohren ist in Anbetracht der hohen Drücke und Temperaturen, auf die der Rohrbündelapparat ausgelegt sein müsste, nicht fertigbar.Examples F and G show that a smaller pipe diameter due to shorter Residence time (case F) or changed thermal conditions (Case G) results in an extremely large number of tubes. Such a high number of filigree tubes is in view of the high pressures and temperatures to which the tube bundle apparatus should be designed, not manufacturable.

Die nicht zu vernachlässigende Rohrlänge erlaubt zudem noch nicht eine Reinigung des Apparateinneren.The not negligible pipe length also allows not yet a cleaning of the interior of the apparatus.

Beispiel H legt dar, dass ein reduzierter Druckabfall durch eine erhöhte Rohranzahl und eine verkürzte Länge keine geringen Rohrdurchmesser zur Folge hat. Wegen der hohen Anzahl an dünnen Rohren mit nicht verschwindender Länge ist auch hier die Reinigbarkeit, ebenso wie die Fertigbarkeit, praktisch nicht möglich.example H states that a reduced pressure drop is due to an increased pressure drop Number of tubes and a shortened length no small Pipe diameter has the consequence. Because of the high number of thin ones Pipes with non-disappearing length is also here Cleanability, as well as the manufacturability, practically not possible.

Vergleich einer erfindungsgemäßen Auslegung (Beispiel I) mit denen für konventionelle Rohrbündelwärmeübertrager (Beispiele A–H):Comparison of an inventive Design (Example I) with those for conventional shell-and-tube heat exchangers (Examples A-H):

Beispiel I zeigt exemplarisch eine Auslegung für einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit Verdrängerstäben. Unter Berücksichtigung von Verweilzeit, thermischen Bedingungen und Druckabfall hat dieser im Vergleich zu den Beispielen konventioneller Wärmeübertrager (Beispiele A–H) einen sehr großen Rohrdurchmesser, der eine gute Reinigungsmöglichkeit gewährleistet. Zudem hält sich im Vergleich zu den Beispielen A, D und E die Rohrlänge in Grenzen, wodurch eine gute Fertigbarkeit und Reinigbarkeit ermöglicht wird und wenig Platzbedarf vorliegt. Gegenüber den Beispielen A–C und F–H ist zudem die Rohranzahl gering, so dass eine einfache und kostengünstige Fertigung möglich ist.example I shows an example of a design for an inventive Heat exchanger with displacement rods. Taking into account residence time, thermal conditions and pressure drop has this in comparison to the examples of conventional Heat exchanger (Examples A-H) a very large pipe diameter, which is a good cleaning option guaranteed. In addition, holds in comparison to Examples A, D and E, the tube length in limits, which a good manufacturability and cleanability is possible and little space is required. Compared to Examples A-C and F-H is also the number of tubes low, so that a simple and cost-effective production is possible.

Der erfindungsgemäße Rohrbündelwärmetauscher kann besonders vorteilhaft bei der Synthese von Polymeren eingesetzt werden, da die geringe Verweilzeit bei gleichzeitiger effektiver Wärmeübertragung das Produkt wenig thermisch belastet und so unerwünschte Polymerisationen verhindert.Of the Tube bundle heat exchanger according to the invention can be used particularly advantageously in the synthesis of polymers because the low residence time while effective Heat transfer the product little thermally loaded and thus prevents unwanted polymerizations.

RechenwegCalculating method

Aus der Wärmebilanz an der Rohrwandung:

Figure 00120001
lässt sich bei Vorgabe von zwei der drei Geometriegrößen (Spalt-Außendurchmesser da, Spalt-Innendurchmesser di, Rohrlänge L) die dritte berechnen.From the heat balance at the pipe wall:
Figure 00120001
can be calculated by specifying two of the three geometry sizes (gap outer diameter d a , gap inner diameter d i , tube length L) the third.

Hierbei sind L die Rohr- bzw. Ringspaltlänge, τ die Verweilzeit, da der Außendurchmesser des Spalts bzw. Rohrdurchmesser, di der Innendurchmesser des Ringspalts (Rohr: di = 0), ρ die Dichte, cp die spezifische Wärmekapazität, ΔTs die Temperaturerhöhung des Sirups, dh der hydraulische Durchmesser, λ die Wärmeleitfähigkeit, ΔTlg die logarithmische Temperaturdifferenz zwischen Heizmedium (5) und Sirup.Here, L are the tube or annular gap length, τ the residence time, d a the outer diameter of the gap or tube diameter, d i the inner diameter of the annular gap (tube: d i = 0), ρ the density, c p the specific heat capacity, ΔT s the temperature increase of the syrup, d h the hydraulic diameter, λ the thermal conductivity, ΔT lg the logarithmic temperature difference between the heating medium ( 5 ) and syrup.

Die mittlere Nußelt-Zahl Num berechnet sich für ein Rohr nach Baehr/Stefan (Wärme- und Stoffübertragung, Springer-Verlag Berlin, 1994, S. 381–382) unter Berücksichtigung des hydrodynamischen und thermischen Anlaufs über:

Figure 00130001
The average Nusselt number Nu m is calculated for a pipe after Baehr / Stefan (heat and mass transfer, Springer-Verlag Berlin, 1994, p. 381-382) taking into account the hydrodynamic and thermal start-up via:
Figure 00130001

Hierbei sind Pr die Prandtl-Zahl und X eine dimensionslose Länge:

Figure 00130002
Where Pr is the Prandtl number and X is a dimensionless length:
Figure 00130002

Mit K = di/da gilt für die mittlere Nußelt-Zahl im von außen beheizten Ringspalt außerdem: Num,RS = 3,657 + 1,2·K1/2 + (Num,Rohr – 3,657)·(1 + 0,14·K1/3) With K = d i / d a , the average Nusselt number in the externally heated annular gap also applies: Nu m, RS = 3.657 + 1.2 · K 1.2 + (Nu m, tube - 3.657) · (1 + 0.14 · K 3.1 )

Für den Druckverlust in Ringspalten oder Rohren (K = 0) gilt nach Martin ( Wärmeübertrager, Georg Thieme Verlag Stuttgart, 1988, S. 24 ):

Figure 00130003
For pressure loss in annular gaps or pipes (K = 0), according to Martin ( Heat exchanger, Georg Thieme Verlag Stuttgart, 1988, p. 24 ):
Figure 00130003

11
Produkteintrittproduct entry
22
Wärmetauscherhaubeheat exchanger cover
33
Verdrängerkörperdisplacement
44
Wärmetauscher-GehäuseHeat exchanger housing
55
Heiz- und/oder Kühlmedium um die Wärmetauscherrohreheating and / or cooling medium around the heat exchanger tubes
66
Produktraum in den Wärmetauscherrohrenproduct space in the heat exchanger tubes
77
Verdrängerstäbe in den Rohren des Rohrbündelsdisplacement rods in the tubes of the tube bundle
88th
Produktaustrittproduct outlet
99
Wärmetauscherrohr (schematisch)heat exchanger tube (Schematically)
1010
Verdrängerstabdisplacer
1111
freies Volumen zwischen Verdrängerstab und Wärmerauscherrohrfree Volume between displacement rod and heat exchanger tube
1212
Verdrängerstabdisplacer
1313
Abstandhalter zur Zentrierung des Verdrängerstabes im Wärmetauscherrohrspacer for centering the displacer rod in the heat exchanger tube
1414
Zentrierbereich in einem Teilbereich des Verdrängerstabescentering in a partial area of the displacer bar
1515
Verdrängerstabdisplacer
1616
Zentrierbereich in einem Teilbereich des Verdrängerstabescentering in a partial area of the displacer bar
1717
Flachboden (low volume head)flat bottom (low volume head)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Rohrbündelwärmetauscher zur Wärmeübertragung bei temperaturempfindlichen und/oder polymerisierbaren Medien, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Gehäuse (4) mit einem oder mehreren Produktaustritten (8) und einem oder mehreren Produkteintritten (1) ein Rohrbündel angeordnet ist, in den Rohren des Rohrbündels Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) angeordnet sind und zumindest eine Wärmetauscherhaube des Rohrbündelwärmetauschers zur Reduktion von produktgefülltes Volumen mit Verdrängerkörpern (3) gefüllt ist.Tube bundle heat exchanger for heat transfer in temperature-sensitive and / or polymerizable media, characterized in that in a housing ( 4 ) with one or more product exits ( 8th ) and one or more product entries ( 1 ) a tube bundle is arranged in the tubes of the tube bundle displacers ( 7 . 10 . 12 . 15 ) are arranged and at least one heat exchanger hood of the tube bundle heat exchanger for the reduction of product-filled volume with displacers ( 3 ) is filled. Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) zu Reinigungszwecken herausnehmbar gestaltet sind.Tube bundle heat exchanger according to claim 1, characterized in that the displacer rods ( 7 . 10 . 12 . 15 ) are designed removable for cleaning purposes. Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) selbstzentrierende Querschnitte aufweisen.Tube bundle heat exchanger according to claim 1, characterized in that the displacer rods ( 7 . 10 . 12 . 15 ) have self-centering cross-sections. Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) mehr als 40% des Volumens des Rohres ausfüllen.Tube bundle heat exchanger according to claim 1, characterized in that the displacer rods ( 7 . 10 . 12 . 15 ) fill more than 40% of the volume of the tube. Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) mehr als 50% des Volumens des Rohres ausfüllen.Tube bundle heat exchanger according to claim 1, characterized in that the displacer rods ( 7 . 10 . 12 . 15 ) fill more than 50% of the volume of the tube. Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) mehr als 60% des Volumens des Rohres ausfüllen.Tube bundle heat exchanger according to claim 1, characterized in that the displacer rods ( 7 . 10 . 12 . 15 ) fill more than 60% of the volume of the tube. Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) höchstens 95% des Volumens des Rohres ausfüllen.Tube bundle heat exchanger according to claim 1, characterized in that the displacer rods ( 7 . 10 . 12 . 15 ) fill at most 95% of the volume of the tube. Verwendung des Rohrbündelwärmetauschers nach einem der vorstehenden Patentansprüche bei der Synthese von Polymeren.Use of the tube bundle heat exchanger according to any one of the preceding claims in the synthesis of polymers. Rohrbündelwärmetauscher zur Wärmeübertragung bei temperaturempfindlichen und/oder polymerisierbaren Medien, dadurch gekennzeichnet, dass in einem im Wesentlichen zylindrischen Gehäuse (4) mit einem oder mehreren Produktaustritten (8) und einem oder mehreren Produkteintritten (1) ein Rohrbündel angeordnet ist, in den Rohren des Rohrbündels Verdrängerstäbe (7, 10, 12, 15) angeordnet sind und zumindest ein Boden des Rohrbündelwärmetauschers als Flachboden (17) zur Reduktion des produktgefüllten Volumens ausgeführt ist.Tube bundle heat exchanger for heat transfer in temperature-sensitive and / or polymerizable media, characterized in that in a substantially cylindrical housing ( 4 ) with one or more product exits ( 8th ) and one or more product entries ( 1 ) a tube bundle is arranged in the tubes of the tube bundle displacers ( 7 . 10 . 12 . 15 ) are arranged and at least one bottom of the tube bundle heat exchanger as a flat bottom ( 17 ) for reducing the product-filled volume. Rohrbündelwärmetauscher zur Wärmeübertragung bei temperaturempfindlichen und/oder polymerisierbaren Medien nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit des Produkts in den Aussparungen des Flachbodens (17) zwischen 0,5 s und 40 s beträgt.Tubular heat exchanger for heat transfer in temperature-sensitive and / or polymerizable media according to claim 9, characterized in that the residence time of the product in the recesses of the flat bottom ( 17 ) is between 0.5 s and 40 s.
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