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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einflussnahme auf die Strömung im
Bereich einer Rohrträgerplatte
eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers,
insbesondere für
die Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie,
mit einem von einem Außenmantel
umgebenen Außenkanal
für ein
Wärmeträgermedium,
mit einer Anzahl von sich achsparallel zum Außenmantel durch den Außenkanal
erstreckenden, gemeinsam einen Innenkanal bildenden, endseitig jeweils
in der Rohrträgerplatte
abgestützten
Innenrohren, mit einem für
alle Innenrohre gemeinsamen, in einem Austauscherflansch ausgebildeten
Eintritt oder Austritt und einem gemeinsamen, in einem Anschlussstutzen
ausgebildeten Austritt bzw. Eintritt für ein Produkt, mit wenigstens
einem die Strömung
im Anströmbereich
der Rohrträgerplatte
beeinflussenden Verdrängerkörper, der
an einem/einer sich an den Austauscherflansch oder den Anschlussstutzen anschließenden Verbindungsbogen/Verbindungsarmatur
unverrückbar
befestigt, axialsymmetrisch und konzentrisch zur Rohrträgerplatte
angeordnet und der aus wenigstens zwei Abschnitten gebildet ist,
die an ihrem Verbindungsquerschnitt miteinander einen gemeinsamen,
größten inneren
Außendurchmesser ausbilden,
und mit dem Verdrängerkörper, der
die Strömung
zum Innenkanal axialsymmetrisch teilt, nach außen umlenkt und dabei in einem
düsenartig verengten
Ringspaltquerschnitt beschleunigt, wobei letzterer zwischen dem
Verdrängerkörper und
einer Innenkontur eines den Verdrängerkörper konzentrisch umschließenden Bauteils
gebildet ist, und wobei der Verdrängerkörper, in Strömungsrichtung
gesehen, nachfolgend zusammen mit der Innenkontur einen sich erweiternden
Ringspaltquerschnitt bildet.
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STAND DER TECHNIK
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Eine
Vorrichtung der gattungsgemäßen Art ist
aus der
DE 10
2005 059 463 A1 oder der
WO 2007/068343 A1 bekannt. Der in Frage kommenden Rohrbündel-Wärmeaustauscher ist in der
DE 94 03 913 U1 beschrieben.
Einen jüngeren
diesbezüglicher Stand
der Technik, der sich prinzipiell jedoch nicht gegenüber dem äl teren Rohrbündel-Wärmeaustauscher
unterscheidet, beschreibt die Firmendruckschrift „Röhrenwärmetauscher
VARITUBE
®”, GEA Tuchenhagen,
Liquid Processing Division, 632d-00, aus dem Jahre 2000.
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Derartige
Rohrbündel-Wärmeaustauscher sind
aufgrund ihrer Querschnittsgeometrie generell besser als andere
Wärmeaustauscher-Bauarten,
wie beispielsweise Platten-Wärmeaustauscher,
geeignet zur thermischen Behandlung von Produkten mit hohen und
niedrigen Viskositäten,
von feststoffhaltigen Produkten mit ganzen Stücken, Pulpe oder Fasern. Gleichwohl
ist auch hier zu beobachten, dass sich bei faserigen Medien, beispielsweise
Säften
mit Fruchtfleisch, Ablagerungen an den Eintrittsöffnungen der Innenrohre der
Rohrträgerplatten
bilden. Die Behandlung bei relativ hohen Temperaturen begünstigt die
Agglomeration von Fasern und die Bildung von Pulpe. Diese lagern
sich bevorzugt an den Stegen zwischen den mehrfach angeordneten
Innenrohren und an den quer zur Strömungsrichtung orientierten Flächen der
Rohrträgerplatte
ab und können
dort zu Verstopfungen führen.
Temporäre
Ablagerungen lösen
sich von Zeit zu Zeit und die Klumpen gelangen dann ggf. in die
für den
Endverbraucher bestimmte Verpackung des jeweiligen Produkts, wo
sie unerwünscht
sind.
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Das
vorstehend geschilderte Problem wird durch eine in der
DE 10 2005 059 463 A1 oder
der
WO 2007/068343
A1 vorgeschlagene Vorrichtung für eine Vielzahl von Anwendungsfällen hinreichend
gelöst,
eignet sich diese Vorrichtung doch insbesondere für die thermische
Behandlung von feststoffhaltigen Produkten mit ganzen Stücken, Pulpe
oder Fasern. Darüber
hinaus bleibt durch die Anbindung des Verdrängerkörpers an den Verbindungsbogen
oder die Verbindungsarmatur das Zentrum der Rohrträgerplatte
frei für
ein aktives Mittenrohr des Rohrbündel-Wärmeaustauschers, wenn geometrisch
optimale Rohrteilungen mit 7, 19, 37 und mehr Innenrohren, die alle
ein aktives Mittenrohr beinhalten, gewünscht sind. Allerdings hat
sich gezeigt, dass mit der bekannten Vorrichtung bei Rohrträgerplatten
mit mehr als 19 Rohren eine Ungleichverteilung der Strömung und
damit eine ungleichverteilte Anströmung der über die Anströmfläche der
Rohrträgerplatte
verteilt angeordneten Innenrohre nicht verhindert werden kann.
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Aus
der
DE 103 11 529
B3 oder der
WO 2004/083761
A1 ist eine Vorrichtung zur Einflussnahme auf den Anströmbereich
einer Rohrträgerplatte eines
Rohrbündel-Wärmeaustauschers der in Rede stehenden
Art bekannt, bei der der Verdrängerkörper entweder
mit dem Zentrum der Rohrträgerplatte
fest verbunden ist oder als Kugel ausgebildet und überwiegend
im Zentrum der Rohrträgerplatte
frei beweglich positioniert ist. Bei dieser bekannten Vorrichtung in
den beiden grundsätzlichen
Ausführungsformen muss
auf geometrisch optimale Rohrteilungen mit einem aktiven Mittenrohr
von vornherein verzichtet werden, und es kann auch hier bei Rohrträgerplatten mit
mehr als 19 Rohren eine Ungleichverteilung der Strömung und
damit eine ungleichverteilte Anströmung der über die Anströmfläche der
Rohrträgerplatte
verteilt angeordneten Innenrohre nicht verhindert werden.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Vermeidung hygienisch,
reinigungstechnisch und strömungsphysikalisch
problematischer Lösungen
eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art
derart weiterzubilden, dass auch bei Rohrträgerplatten mit 19 und mehr
Innenrohren eine Gleichverteilung der Strömung und damit eine gleichverteilte
Anströmung
der über
die Anströmfläche der
Rohrträgerplatte
verteilt angeordneten Innenrohre sichergestellt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
erfinderische Grundgedanke besteht darin, bei Rohrträgerplatten
mit großer
radialer Erstreckung das Problem der Gleichverteilung der Anströmung in
diesem Bereich dadurch zu lösen,
dass die an sich bekannten, erwünschten
strömungsmechanischen
Wirkungen des Verdrängerkörpers gegenüber seiner
Umgebung zusätzlich
auch von einem weiteren Bauteil, einem Leitring, generiert werden.
Dabei bildet der Leitring radial innenseits mit seiner Innenkontur
die erforderliche Strömungsumgebung
für den Verdrängerkörper, und
er schafft mit seiner Außenkontur
im Zusammenwirken mit der ihn radial außenseits umschließenden Umge bung
strömungsmechanisch
vergleichbare Verhältnisse,
wie sie zwischen Verdrängerkörper und
dessen Umgebung bestehen.
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Dies
gelingt erfindungsgemäß dadurch,
dass der Leitring rotationssymmetrisch, hülsenförmig ausgebildet und unmittelbar
oder mittelbar mit dem Verbindungsbogen oder der Verbindungsarmatur
fest verbunden ist, und dass er dabei aus einem Anström- und einem
Abströmabschnitt
gebildet ist, die an ihrem Verbindungsquerschnitt miteinander einen
gemeinsamen, größten äußeren Außendurchmesser ausbilden.
Diese Anordnung und Ausgestaltung bewirkt, dass der Leitring die
Strömung
zum Innenkanal des Rohrbündel-Wärmeaustauschers
axialsymmetrisch teilt, nach außen
umlenkt, indem auch eine radiale Strömungskomponente generiert wird,
und dabei in einem zwischen dem Leitring und einer äußeren Innenkontur
des Austauscherflansches oder Anschlussstutzens düsenartig
verengten äußeren Ringspaltquerschnitt
beschleunigt. Im Anschluss an den düsenartig verengten äußeren Ringspaltquerschnitt
bildet der Leitring, in Strömungsrichtung
gesehen, zusammen mit der äußeren Innenkontur
einen sich erweiternden äußeren Ringspaltquerschnitt
aus.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
findet vorrangig Anwendung auf der Anströmseite der Rohrträgerplatte,
so dass hier die in Rede stehenden Ablagerungen wirksam verhindert
werden. Dabei sind der Verdrängerkörper und
der Leitring entweder in einem als 180 Grad Rohrbogen ausgeführten Verbindungsbogen
oder in einer eine 180 Grad Strömungsumlenkung
bewirkenden Verbindungsarmatur angeordnet, wobei diese endseitig
entweder jeweils in einem Austauscherflansch oder einem Anschlussstutzen
enden. Der Verbindungsbogen oder die Verbindungsarmatur verbinden
jeweils zwei benachbarte, im Wesentlichen parallel angeordnete,
in Reihe geschaltete Rohrbündel
des Rohrbündel-Wärmeaustauschers
miteinander. Ein diesbezüglicher
Rohrbündel-Wärmeaustauscher
ist beispielsweise aus der
DE
94 03 913 U1 bekannt, ein in diesem verwendeter Verbindungsbogen
ist z. B. in der
WO
2004/051 174 A1 oder der
WO 2004/083 761 A1 offenbart und eine diesbezügliche Verbindungsarmatur
ist in der
DE
10 2005 059 463 A1 beschrieben.
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Die
angestrebte strömungsmechanische Wirkung
des Leitrings erwächst
unter anderem aus dem Ringspaltquerschnitt zwischen letzterem und der äußeren Innenkontur
des Austauscherflansches oder des Anschlussstutzens. Der Leitring
beeinflusst die ihn umgebende Strömung dann besonders wirksam,
wenn, wie dies zwei Vorschläge
vorsehen, ein erster erweiterter Durchtrittsquerschnitt innerhalb des
Austauscherflansches oder ein zweiter erweiterter Durchtrittsquerschnitt
innerhalb des Anschlussstutzens jeweils Teil der äußeren Innenkontur
ist.
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Die
wünschenswerte
Ablösung
der Strömung
wird gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung durch eine am Verdrängerkörper ausgeführte umlaufende innere Strömungsabrisskante
herbeigeführt. Diese
innere Strömungsabrisskante
ist dann besonders wirksam, wenn sie, wie dies auch vorgesehen ist,
im erweiterten inneren Ringspaltquerschnitt des Leitrings positioniert
ist.
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Die
strömungsmechanische
Funktion des vorgeschlagenen Verdrängerkörpers kommt besonders vorteilhaft
zum Tragen, wenn, wie dies eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
vorsieht, die innere Strömungsabrisskante
an der engsten Stelle (minimaler innerer Rinspaltquerschnitt) des
inneren Ringspaltquerschnittes positioniert ist.
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Eine
weitere diesbezügliche
Ausführungsform
sieht vor, die innere Strömungsabrisskante,
in Strömungsrichtung
gesehen, hinter der engsten Stelle (minimaler innerer Rinspaltquerschnitt)
des inneren Ringspaltquerschnittes zu positionieren.
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Die
Anforderungen, die an den Verdrängerkörper gestellt
werden, bestehen nicht nur darin, dass er eine besonders wirksame
Einflussnahme auf die von ihm beeinflussbare Strömung im Bereich der Rohrträgerplatte
ausübt,
sondern er ist auch dahingehend auszugestalten, dass er möglichst
geringe Druckverluste bewirkt und nicht selbst zu einem Problem
für Ablagerungen
wird. Eine vorteilhafte Ausführungsform
sieht diesbezüglich
vor, dass die wenigstens zwei Abschnitte des Verdrängerkörpers axialsymmetrisch
ausgeführt
sind und am Verbindungsquerschnitt miteinander, dem gemeinsamen,
größten inneren
Außendurchmesser,
die innere Strömungsabrisskante
ausbilden.
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Es
ist in diesem Zusammenhang strömungsmechanisch
von Vorteil, wenn die zwei Abschnitte, der angeströmte und
der abgeströmte
Abschnitt, jeweils durch eine konkave Außenkontur berandet sind. Die
Befestigung des Verdrängerkörpers an
dem Verbindungsbogen oder der Verbindungsarmatur wird mechanisch
und strömungsmechanisch
begünstigt,
wenn, wie dies vorgesehen ist, der angeströmte Abschnitt des Verdrängerkörpers mit
einem sich in Richtung seiner Symmetrieachse erstreckenden Schaftteil
versehen ist, an dem die Befestigungstraverse(n) angreift (angreifen).
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Der
Strömungswiderstand
des Verdrängerkörpers wird
klein gehalten, wenn die dem angeströmten Abschnitt zugeordnete
erste konkave Außenkontur
an der Anströmseite
durch eine erste konvexe Außenkontur
abgerundet ist.
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Es
ist weiterhin vorgesehen, dass die konkaven Außenkonturen durch eine zweite
konvexe Außenkontur
miteinander abgerundet sind. Dieser stetige Übergang zwischen den beiden
konkaven Außenkonturen
wirkt einer Produktansatzbildung in diesem Bereich entgegen, ohne
dass durch diese Abrundung die wünschenswerte
Ausbildung der in diesem Bereich vorzusehenden inneren Strömungsabrisskante verwirkt
wird.
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Um
einer Produktansatzbildung auch im Abströmbereich des Verdrängerkörpers entgegen
zu wirken, wird weiterhin vorgeschlagen, dass die dem abgeströmten Abschnitte
zugeordnete zweite konkave Außenkontur
an der Abströmseite
durch eine dritte konvexe Außenkontur
abgerundet ist.
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Die
wünschenswerte
Ablösung
der Strömung
am Leitring wird gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung durch eine an diesem ausgeführte umlaufende äußere Strömungsabrisskante
herbeigeführt.
Letztere ist dann besonders wirksam, wenn sie, wie dies auch vorgesehen
ist, im erweiterten äußeren Ringspaltquerschnitt
des Austauscherflansches oder des Anschlussstutzens positioniert
ist.
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Die
strömungsmechanische
Funktion des vorgeschlagenen Leitrings kommt besonders vorteilhaft
zum Tragen, wenn, wie dies eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
vorsieht, die äußere Strömungsabrisskante
an der engsten Stelle (minimaler äußerer Rinspaltquerschnitt des äußeren Ringspaltquerschnittes
positioniert ist.
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Eine
weitere diesbezügliche
Ausführungsform
sieht vor, die äußere Strömungsabrisskante,
in Strömungsrichtung
gesehen, hinter der engsten Stelle (minimaler äußerer Rinspaltquerschnitt)
des äußeren Ringspaltquerschnittes
zu positionieren.
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Die
Anforderungen, die an den Leitring gestellt werden, bestehen nicht
nur darin, dass er eine besonders wirksame Einflussnahme auf die
von ihm beeinflussbare Strömung
im Bereich der Rohrträgerplatte
ausübt,
sondern er ist auch dahingehend auszugestalten, dass er möglichst
geringe Druckverluste bewirkt und nicht selbst zu einem Problem
für Ablagerungen
wird. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht
diesbezüglich
vor, dass der Anström-
und der Abströmabschnitt
des Leitrings axialsymmetrisch ausgeführt sind und am Verbindungsquerschnitt
miteinander, dem gemeinsamen, größten äußeren Außendurchmesser,
die äußere Strömungsabrisskante ausbilden.
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Der
Strömungswiderstand
des Leitrings wird klein gehalten, wenn das freie Ende seines Anströmabschnittes
konvex abgerundet ausgebildet ist. Eine diesbezügliche Abrundung wirkt auch
einer Produktansatzbildung im Anströmbereich des Leitrings entgegen.
Einer Produktansatzbildung im Abströmbereich des Leitrings wird
entgegengewirkt, wenn das freie Ende des Abströmabschnitts des Leitrings konvex
abgerundet ausgebildet ist.
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Die
unverrückbare
Befestigung des Verdrängerkörpers und
des Leitrings gestaltet sich sehr einfach, wenn diese über wenigstens
eine an beiden zugleich angreifende stabförmige Befestigungstraverse mit
dem Verbindungsbogen oder der Verbindungsarmatur verbunden sind.
Hinreichende Stabilität
der Befestigung und eine symmetrische Beeinflussung der Strömung durch
die Befestigung werden sichergestellt, wenn drei gleichmäßig über den
Umfang des Verdrängerkörpers und
da mit auch des Leitrings verteilt angeordnete Befestigungstraversen
vorgesehen sind.
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Eine
geringstmögliche
Beeinflussung der Strömung
durch die Befestigungstraversen) ergibt sich im Anströmbereich
des Leitrings, wenn diese am freien Ende des Anströmabschnitts
des Leitrings angreift (angreifen). Eine geringstmögliche Beeinflussung
der Strömung
durch die Befestigungstraverse(n) ergibt sich im Anströmbereich
des Verdrängerkörpers, wenn
diese am angeströmten
Abschnitt des Verdrängerkörpers angreift
(angreifen). Ein geringer Strömungswiderstand
der Befestigung wird erreicht und einer Produktansatzbildung durch
die Befestigung wird entgegengewirkt, wenn, wie dies weiterhin vorgesehen
ist, der angeströmte
Abschnitt des Verdrängerkörpers mit
einem sich in Richtung seiner Symmetrieachse erstreckenden Schaftteil
versehen ist, an dem die Befestigungstraverse(n) angreift (angreifen).
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Zur
Erhöhung
der Stabilität
der Befestigung sieht ein anderer Vorschlag vor, dass der Verbindungsbogen
oder die Verbindungsarmatur im Befestigungsbereich der Befestigungstraverse(n)
mit einer verstärkten
Wandstärke
in Form eines umlaufenden Verstärkungsringes
ausgebildet ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine
eingehendere Darstellung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung
und den beigefügten
Figuren der Zeichnung sowie aus den Ansprüchen. Während die Erfindung in den
verschiedensten Ausführungsformen
realisiert ist, wird in der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel einer bevorzugten Ausführungsform
der vorgeschlagenen Vorrichtung dargestellt und nachfolgend nach
Aufbau und Funktion beschrieben unter der Voraussetzung, dass diese Ausführungsform
nur ein Beispiel für
die Erfindung darstellt, nicht aber die Erfindung auf dieses speziell dargestellte
Beispiel beschränkt
ist.
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Ausgehend
vom Stand der Technik zeigt
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1 einen
Mittelschnitt durch ein sog. Rohrbündel als modularer Teil eines
ggf. aus einer Vielzahl solcher Rohrbündel bestehenden Rohrbündel-Wärmeaustauschers,
wobei auf jeder Seite ein kreisförmiger
Verbindungsbogen oder eine Verbindungsarmatur mit 180 Grad Umlenkung
gemäß
DE 10 2005 059 463
A1 angeordnet ist, auf den/die die erfindungsgemäßen Merkmale
Anwendung finden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorgeschlagenen Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in den
weiteren Figuren der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend
beschrieben. Es zeigen
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2 in
perspektivischer Darstellung einen Mittelschnitt durch einen Verbindungsbogen,
wobei in diesem ein von einem Leitring umschlossener Verdrängerkörper auf
der Anströmseite
einer nicht dargestellten Rohrträgerplatte
angeordnet ist und der Blick auf die Frontseite der Austauscherflansche
und somit auf die Abströmseite
des Verdrängerkörpers und
des Leitrings gerichtet ist;
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3 in
perspektivischer Darstellung den Mittelschnitt durch den Verbindungsbogen
gemäß 2,
wobei der Blick nunmehr auf die Anströmseite des Verdrängerkörpers und
des Leitrings gerichtet ist;
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4 den
Mittelschnitt durch den Verbindungsbogen gemäß den 2 und 3 und
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4a einen
Mittelschnitt durch den vereinzelten, aus 4 herausgelösten Verdrängerkörper.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Ein
in der Regel aus einer Vielzahl von Rohrbündeln
100.1 bis
100.n zusammengesetzter
Rohrbündel-Wärmeaustauscher
100 nach
dem Stand der Technik, wobei mit
100.i ein beliebiges Rohrbündel bezeichnet
wird (
1; siehe auch
DE 94 03 913 U1 ), 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
ei nem 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.
Eine Anzahl von sich achsparallel zum Außenmantel
200 durch
den Außenkanal
200* erstreckenden,
gemeinsam einen Innenkanal
300* bildenden Innenrohre
300,
beginnend mit vier und danach auch bis neunzehn ansteigend und,
mit Blick auf die vorliegende Erfindung, auch mehr an der Zahl,
sind endseitig jeweils in einer festlagerseitigen Rohrträgerplatte
700 bzw.
einer loslagerseitigen Rohrträgerplatte
800 (beide
auch als Rohrspiegelplatte bezeichnet) abgestützt und an ihrem Rohraußendurchmesser
in dieser verschweißt,
wobei diese Gesamtanordnung über
eine nicht näher
bezeichnete Öffnung
am zweiten Gehäuse
400.2 in
den Außenmantel
200 eingeführt und über einen
festlagerseitigen Austauscherflansch
500 mit dem zweiten
Gehäuse
400.2 unter
Zwischenschaltung von jeweils einer Flachdichtung
900 zusammengespannt
ist (Festlager
500,
700,
400.2).
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Die
beiden Gehäuse 400.1, 400.2 sind
gegenüber
dem jeweils benachbarten Außenmantelflansch 200b, 200a ebenfalls
mit einer Flachdichtung 900 abgedichtet, wobei das rechtsseitig
angeordnete erste Gehäuse 400.1 in
Verbindung mit dem Außenmantel 200 über einen
loslagerseitigen Austauscherflansch 600 unter Zwischenschaltung
eines O-Ringes 910 gegen das linksseitig angeordnete Festlager 500, 700, 400.2 gepresst
wird. Die loslagerseitige Rohrträgerplatte 800 greift
durch eine nicht näher
bezeichnete Bohrung im loslagerseitigen Austauscherflansch 600 hindurch
und findet gegenüber
letzterem ihre Abdichtung mittels des dynamisch beanspruchten O-Ringes 910,
der darüber
hinaus das erste Gehäuse 400.1 statisch
gegen den loslagerseitigen Austauscherflansch 600 abdichtet.
Letzterer und die loslagerseitige Rohrträgerplatte 800 bilden
ein sog. Loslager 600, 800, welches die Längenänderungen der
in der loslagerseitigen Rohrträgerplatte 800 eingeschweißten Innenrohre 300 infolge
Temperaturänderung
in beiden axialen Richtungen zulässt.
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Abhängig von
der Anordnung des jeweiligen Rohrbündels 100.1 bis 100.n im
Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 und
seiner jeweiligen Beschaltung können
die Innenrohre 300, bezogen auf die Darstellungslage, entweder
von links nach rechts oder umgekehrt von einem Produkt P durchströmt werden, wobei
die mittlere Strömungsgeschwindigkeit
im Innenrohr 300 und damit im Innenkanal 200* mit
v gekennzeichnet ist. Die querschnittsmäßige Auslegung erfolgt in der
Regel derart, dass diese mittlere Strömungsgeschwindigkeit v auch
in einem Verbindungsbogen 1000 oder einer Verbindungsarmatur 1100 vorliegt,
der oder die, bezogen auf das in Frage kommende Rohrbündel 100.i,
einerseits mit dem festlagerseitigen Austauscherflansch 500 und
andererseits mittelbar mit einem mit der loslagerseitigen Rohrträgerplatte 800 fest
verbundenen loslagerseitigen Anschlussstutzen 800d verbunden
ist. Mit den beiden in der Zeichnung nur jeweils zur Hälfte dargestellten
Verbindungsbogen 1000 (sog. 180 Grad-Rohrbogen) wird das
in Rede stehende Rohrbündel 100.i mit
dem jeweils benachbarten Rohrbündel 100.i-1 bzw. 100.i+1 in
Reihe geschaltet. Daher bildet einmal der festlagerseitige Austauscherflansch 500 einen
Eintritt E für
das Produkt P und der loslagerseitige Anschlussstutzen 800d beherbergt
einen dazugehörenden
Austritt A; beim jeweils benachbarten Rohrbündel 100.i-1 bzw. 100.i+1 kehren
sich diese Ein- und Austrittsverhältnisse jeweils entsprechend
um. Ein von dem Verbindungsbogen 1000 oder der Verbindungsarmatur 1100 überbrückter mittlerer
Abstand der Rohrträgerplatten 700, 800 ist
mit b gekennzeichnet (s. 4).
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Der
festlagerseitige Austauscherflansch 500 weist eine erste
Anschlussöffnung 500a auf,
die einem Nenndurchmesser DN und damit einem Nenndurchtrittsquerschnitt
A0 des dort angeschlossenen Verbindungsbogens 1000 oder
der Verbindungsarmatur 1100 entspricht, wobei die Anschlussöffnung 500a in
der Regel so bemessen ist, dass dort die der mittleren Strömungsgeschwindigkeit
v im Innenrohr 300 bzw. Innenkanal 300* entsprechende
Strömungsgeschwindigkeit
vorliegt. In gleicher Weise ist auch eine zweite Anschlussöffnung 800a in
dem loslagerseitigen Anschlussstutzen 800d bemessen, wobei
sich die jeweilige Anschlussöffnung 500a bzw. 800a auf
einen jeweils erweiterten Durchtrittsquerschnitt 500c bzw. 800c im
Bereich zur benachbarten Rohrträgerplatte 700 bzw. 800 durch
einen konischen Übergang 500b bzw. 800b erweitert.
Der erweiterte Durchtritts querschnitt 500c bzw. 800c ist
dabei im Wesentlichen zylindrisch mit einem Durchmesser D1 (größter Durchmesser
des ersten erweiterten Durchtrittsquerschnitts 500c) ausgeführt, wobei
letzterer in der Regel ein bis zwei Nennweiten größer als der
Nenndurchmesser DN des Verbindungsbogens 1000 oder der
Verbindungsarmatur 1100 (Nenndurchtrittsquerschnitt Ao des Verbindungsbogens oder der Verbindungsarmatur)
und demnach entsprechend größer als
der Gesamtdurchtrittsquerschnitt nAi aller
in den festlagerseitigen Austauscherflansch 500 eintretenden
Innenrohre 300 mit einem jeweiligen Rohrinnendurchmesser
Di und einem Durchtrittsquerschnitt Ai dimensioniert ist. Der erweiterte Durchtrittsquerschnitt 500c bzw. 800c bildet
zusammen mit dem ersten konischen Übergang 500b bzw. 800b eine
Innenkontur Ki im festlagerseitigen Austauscherflansch 500 bzw.
im loslagerseitigen Anschlussstutzen 800d aus.
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In
Abhängigkeit
von der Richtung der Strömungsgeschwindigkeit
v im Innenrohr 300 bzw. Innenkanal 300* strömt das zu
behandelnde Produkt P entweder über
die erste Anschlussöffnung 500a oder die
zweite Anschlussöffnung 800a dem
Rohrbündel 100.1 bis 100.n zu,
so dass entweder die festlagerseitige Rohrträgerplatte 700 oder
die loslagerseitige Rohrträgerplatte 800 angeströmt wird.
Da in jedem Falle ein Wärmeaustausch
zwischen Produkt P in den Innenrohren 300 bzw. den Innenkanälen 300* und
einem Wärmeträgermedium
M im Außenmantel 200 bzw.
in den Außenkanälen 200* im
Gegenstrom zu erfolgen hat, strömt
dieses Wärmeträgermedium M
entweder dem ersten Anschlussstutzen 400a oder aber dem
zweiten Anschlussstutzen 400b mit einer Strömungsgeschwindigkeit
im Außenmantel
c zu.
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Ein
an sich bekannter Verdrängerkörper
10 (
4a;
z. B. Stand der Technik gemäß
DE 10 2005 059 463
A1 ) ist insgesamt rotationssymmetrisch zu seiner Längsachse,
einer Symmetrieachse S, ausgebildet und besteht aus einem vorzugsweise
zylindrischen Schaftteil
10i, der einen Schaftdurchmesser
d
3 aufweist, und einem sich daran unmittelbar
anschließenden
angeströmten
Abschnitt
10a, wobei der Übergang zwischen beiden stetig
verläuft.
Der angeströmte
Abschnitt
10a ist mit einem schaftfernen, abgeströmten Abschnitt
10b verbunden,
und beide Abschnitte
10a,
10b bilden an ihrem
Verbindungsquerschnitt miteinander einen gemeinsamen, größten inneren
Außendurchmesser
d
max aus, der gleichzeitig auch eine umlaufende
innere Strömungsabrisskante
10c sein
kann.
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Der
Verdrängerkörper 10 ist
derart in dem Austauscherflansch 500 oder dem Anschlussstutzen 800d des
Verbindungsbogens 1000 bzw. der Verbindungsarmatur 1100 angeordnet
(2 bis 4), dass seine Symmetrieachse
S konzentrisch zur Längsachse
des Rohrbündels 100.i und
damit konzentrisch zur Rohrträgerplatte 700, 800 ((s.
hierzu auch 1) verläuft. Der Schaftteil 10i ist
mit dem Verbindungsbogen 1000 oder der Verbindungsarmatur 1100 fest
verbunden. Somit realisiert die vorbeschriebene, an sich bekannte
Anordnung, so weit es sich allein um den Verdrängerkörper 10 handelt, einen
auf der Anströmseite
der Rohrträgerplatte 700, 800 positionierten
Verdrängerkörper 10.
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Die
erfindungsgemäße Lösung besteht
darin (2 bis 4, 4a), dass
der an sich bekannte und vorstehend in seinen Grundzügen beschriebene Verdrängerkörper 10 in
einem rotationssymmetrischen, hülsenförmigen Leitring 11 derart
angeordnet ist, dass die Symmetrieachse S des Verdrängerkörpers 10 und
jene des Leitrings 11 deckungsgleich sind. Letzterer ist
wenigstens aus einem Anström- 11a und
einem Abströmabschnitt 11b gebildet,
die axialsymmetrisch ausgeführt
sind und die an ihrem Verbindungsquerschnitt miteinander einen gemeinsamen,
größten äußeren Außendurchmesser
Dmax ausbilden (3), der
gleichzeitig auch eine umlaufende äußere Strömungsabrisskante 11c sein
kann. Das jeweilige freie Ende des Anström- 11a und des Abströmabschnitts 11b sind
vorzugsweise konvex abgerundet ausgebildet.
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Der
Leitring 11 ist unmittelbar oder mittelbar mit dem Verbindungsbogen 1000 oder
der Verbindungsarmatur 1100 fest verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind der Verdrängerkörper 10 und
der diesen konzentrisch umschließende Leitring 11 über drei
gleichmäßig über den
Umfang des Verdrängerkörpers 10 und
damit auch des Leitrings 11 verteilt angeordnete, stabförmige Befestigungstraversen 12 mit
dem Verbindungsbogen 1000 fest verbunden (3),
wobei die Befestigungstraversen 12 am freien Ende des Anströmabschnitts 11a und
zugleich unmittelbar oder mittelbar am angeströmten Abschnitt 10a,
und hier bevorzugt an dem sich in Richtung der Symmetrieachse S
erstreckenden Schaftteil 10i, angreifen (4a).
Der Verbindungsbogen 1000 oder die Verbindungsarmatur 1100 ist
im Befestigungsbereich der Befestigungstraversen 12 mit
einer verstärkten
Wandstärke
in Formeines umlaufenden Verstärkungsringes 13 ausgebildet
(2 bis 4).
-
Die
wenigstens zwei Abschnitte 10a, 10b des Verdrängerkörpers 10 sind
jeweils durch eine konkave Außenkontur 10g, 10h berandet
(4a), wobei die dem angeströmten Abschnitt 10a zugeordnete
erste konkave Außenkontur 10g an
der Anströmseite
durch eine erste konvexe Außenkontur 10d abgerundet
ist. Die konkaven Außenkonturen 10g, 10h sind
durch eine zweite konvexe Außenkontur 10e miteinander
abgerundet, und die dem abgeströmten
Abschnitt 10b zugeordnete zweite konkave Außenkontur 10h ist
an der Abströmseite
durch eine dritte konvexe Außenkontur 10f abgerundet.
-
Der
Verdrängerkörper 10 bildet
zwischen seinem Schaftteil 10i und dem sich anschließenden angeströmten Abschnitt 10a,
der mit der ersten konkaven Außenkontur 10g ausgeformt
ist, und dem Anströmabschnitt 11a des
Leitrings 11, der einen ersten Abschnitt einer inneren
Innenkontur Ki1 bildet, einen sich düsenartig
verengenden inneren Ringspaltquerschnitt AS1 aus
(4). Letzterer ist an seiner engsten Stelle, einem
minimalen inneren Ringspaltquerschnitt ASmin1,
radial innenseits von der inneren Strömungsabrisskante 10c begrenzt.
Die am abgeströmten
Abschnitt 10b des Verdrängerkörpers 10 ausgeformte
zweite konkave Außenkontur 10h bildet,
in Strömungsrichtung
gesehen, zusammen mit einem zweiten Abschnitt der inneren Innenkontur
Ki1 einen sich erweiternden inneren Ringspaltquerschnitt
ASE1 aus.
-
Der
Verdrängerkörper 10 im
umschließenden,
die innere Innenkontur Ki1 ausformenden
Leitring 11 teilt einen über den Verbindungsbogen 1000 oder
die Verbindungsarmatur 1100 mit einer ungleichverteilten
Strömungsgeschwindigkeit
w zum Innenkanal 300* (s. 1) des Rohrbündels 100.i durch
die Ringspaltquerschnitte AS1, ASmin1 und ASE1 strömenden eintretenden
Produktstrom P(E) axialsymmetrisch über den gesamten Umfang der
Ringspaltquerschnitte auf und lenkt ihn nach außen um (2, 4).
Der in das Rohrbündel 100.i eintretende
Produktstrom P(E) resultiert aus einem austretenden Produktstrom
P(A), der aus dem vorgeschalteten Rohrbündel 100.i-1 über den
Verbindungsbogen 1000 oder die Verbindungsarmatur 1100 abströmt. Dabei
wird die Strömung
in dem zwischen dem Verdrängerkörper 10 und
der inneren Innenkontur Ki1 des Leitrings 11 düsenartig
verengten inneren Ringspaltquerschnitt AS1 beschleunigt
und erreicht an dessen engster Stelle, dem minimalen inneren Ringspaltquerschnitt
ASmin1, eine maximale Strömungsgeschwindigkeit.
Die innere Strömungsabrisskante 10c ist
im Ausführungsbeispiel
an der Stelle des minimalen inneren Ringspaltquerschnittes ASmin1 positioniert.
-
Die
Strömung
wird hinter dem Verdrängerkörper 10 zum
Zentrum der Rohrträgerplatte 700, 800 hin
umgelenkt, wodurch eine möglichst
gleichmäßige Durchströmung aller
Innenrohre 300 bzw. Innenkanäle 300* in diesem
zentralen Bereich erfolgt (s. hierzu auch 1). Darüber hinaus
erweitert sich hinter dem minimalen inneren Ringspaltquerschnitt ASmin1 der Durchtrittsquerschnitt für die Strömung. Die derart
gekrümmte
und verzögerte
Strömung
muss zwangsläufig
in diesem Bereich ablösen.
Durch die innere Strömungsabrisskante 10c erfolgt
die Ablösung
planmäßig an dieser
eindeutig definierten Stelle. Die geschilderte Strömungsbewegung
hinter dem Verdrängerkörper 10 führt dort
nach den strömungsmechanischen
Gesetzmäßigkeiten
zu einer Sekundärströmung, auf
der die gewünschte
Wirkung, nämlich
die Verhinderung von Ablagerungen im zentralen Bereich der angeströmten Rohrträgerplatte 700, 800, zum
Teil beruht.
-
Die
Strömungsverhältnisse
in den Ringspaltquerschnitten A
S1, A
Smin1 und A
SE1 sind,
so weit sie sich auf eine Anordnung des Verdrängerkörpers
10 gemäß
DE 10 2005 059 463
A1 beschränken,
prinzipiell bekannt; sie sind dort und auch zusätzlich in
4 – in letzterer
wegen der Zuordnung zum genannten Stand der Technik – mit A
S, A
Smin und A
SE bezeichnet.
-
Der
Leitring 11 bildet zwischen seinem Anströmabschnitt 11a und
einem ersten Abschnitt einer äußeren Innenkontur
Ki2, der im Wesentlichen von dem ersten
konischen Übergang 500b im
Austauscherflansch 500 und dem vorgeordneten, die erste Anschlussöffnung 500a umschließenden Rohrteil oder
von dem zweiten konischen Übergang 800b im Anschlussstutzen 800d und
dem vorgeordneten, die zweite Anschlussöffnung 800a umschließenden Rohrteil
gebildet ist, einen sich düsenartig
verengenden äußeren Ringspaltquerschnitt
AS2 aus (4). Der äußere Ringspaltquerschnitt
AS2 ist an seiner engsten Stelle, einem
minimalen äußeren Ringspaltquerschnitt
ASmin2, radial innenseits von der äußeren Strömungsabrisskante 11c begrenzt.
-
Der
Abströmabschnitt 11b des
Leitrings 11 bildet, in Strömungsrichtung gesehen, zusammen
mit einem zweiten Abschnitt der äußeren Innenkontur Ki2, der im Wesentlichen von dem ersten konischen Übergang 500b im
Austauscherflansch 500 und dem nachgeordneten ersten erweiterten
Durchtrittsquerschnitt 500c oder von dem zweiten konischen Übergang 800b im
Anschlussstutzen 800d und dem nachgeordneten zweiten erweiterten
Durchtrittsquerschnitt 800c gebildet ist, einen sich erweiternden äußeren Ringspaltquerschnitt
ASE2 aus (4).
-
Der
Leitring 11 in der umschließenden äußeren Innenkontur Ki2 teilt den über den Verbindungsbogen 1000 oder
die Verbindungsarmatur 1100 mit einer ungleichverteilten
Strömungsgeschwindigkeit
w zum Innenkanal 300* (s. 1) des Rohrbündels 100.i durch
die Ringspaltquerschnitte AS2, ASmin2 und ASE2 strömenden eintretenden
Produktstrom P(E) axialsymmetrisch über den gesamten Umfang der Ringspaltquerschnitte
auf und lenkt ihn in der Hauptsache nach außen um (2, 4).
Die Umlenkung der Strömung
in den Außenbereich
der Rohrträgerplatte 700, 800 ist
unter Anderem erklärtes
Ziel der Erfindung, insbesondere dann, wenn die Rohrträgerplatte 700, 800 neunzehn
Innenrohre und mehr an der Zahl aufweist. Die Strömung wird
in dem zwischen dem Leitring 11 und der äußeren Innenkontur Ki2 düsenartig
verengten äußeren Ringspaltquerschnitt
AS2 beschleunigt und erreicht an dessen
engster Stelle, dem minimalen äußeren Ringspaltquerschnitt
ASmin2, eine maximale Strömungsgeschwindigkeit.
Die äußere Strömungsabrisskante 11c (4) ist
im Ausführungsbeispiel
an der Stelle des minimalen äußeren Ringspaltquerschnittes
ASmin2 positioniert.
-
Die
Strömung
wird hinter dem Leitring 11 auch radial nach innen umgelenkt,
wodurch eine möglichst
gleichmäßige Durchströmung der
Innenrohre 300 bzw. Innenkanäle 300* in diesem
zentralen Außenbereich
erfolgt, der vom Verdrängerkörper 10 nicht
mehr hinreichend beeinflusst werden kann. Darüber hinaus erweitert sich hinter
dem minimalen äußeren Ringspaltquerschnitt
ASmin2 der Durchtrittsquerschnitt für die Strömung. Die
derart gekrümmte und
verzögerte
Strömung
muss zwangsläufig
in diesem Bereich ablösen.
Durch die äußere Strömungsabrisskante 11c erfolgt
die Ablösung
planmäßig an dieser
eindeutig definierten Stelle. Die geschilderte Strömungsbewegung
hinter dem Leitring 11 führt dort nach den strömungsmechanischen
Gesetzmäßigkeiten
zu einer Sekundärströmung, auf
der die gewünschte
Wirkung, nämlich
die Verhinderung von Ablagerungen im zentralen Außenbereich
der angeströmten
Rohrträgerplatte 700, 800,
zum Teil beruht.
-
Durch
das erfindungsgemäße Zusammenwirken
des Verdrängerkörpers 10 und
des Leitrings 11 (2 bis 4)
wird bei Rohrbündel-Wärmeaustauschern 100 der
in Rede stehenden Art (1) mit Rohrträgerplatten 700, 800,
die insbesondere 19 und mehr Innenrohre aufweisen, in einem, in
Strömungsrichtung
gesehen, hinter dem Verdrängerkörper 10 und
dem Leitring 11 sich ausbildenden Verteilungsquerschnitt
(Strömungsgeschwindigkeit
w; s. 3) eine weitestgehende Gleichverteilung der Strömung und
damit eine weitestgehend gleichverteilte Anströmung der über die Anströmfläche der Rohrträgerplatte 700, 800 verteilt
angeordneten Innenrohre 300 sichergestellt.
-
Aus
dem oben Genannten wird verständlich, dass
verschiedene Modifikationen und Varianten realisiert werden können, ohne
vom Geist und dem neuen Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Dies ist so zu verstehen, dass keine Beschränkung auf die beschriebene
Ausführungsformen
beabsichtigt ist, welche hier dargestellt und beschrieben oder nur
beschrieben worden ist. Die Offenbarung soll alle solchen Modifikationen
umfassen, die sich innerhalb des von den Ansprüchen beanspruchten Schutzumfangs
befinden.
-
- 100
- Rohrbündel-Wärmeaustauscher
- 100.1,
100.2, ..., 100.i, ..., 100.n
- Rohrbündel
- 100.i
- i-tes
Rohrbündel
- 100.i+1
- dem
Rohrbündel 100.i nachgeschaltetes
Rohrbündel
- 100.i-1
- dem
Rohrbündel 100.i vorgeschaltetes
Rohrbündel
- 200
- Außenmantel
- 200*
- Außenkanal
- 200a
- festlagerseitiger
Außenmantelflansch
- 200b
- loslagerseitiger
Außenmantelflansch
- 300
- Innenrohr
- 300*
- Innenkanal
- 400.1
- erstes
Gehäuse
- 400a
- erster
Anschlussstutzen
- 400a*
- erster
Querkanal
- 400.2
- zweites
Gehäuse
- 400b
- zweiter
Anschlussstutzen
- 400b*
- zweiter
Querkanal
- 500
- (festlagerseitiger)
Austauscherflansch
- 500a
- erste
Anschlussöffnung
- 500b
- erster
konischer Übergang
- 500c
- erster
erweiterter Durchtrittsquerschnitt
- 600
- loslagerseitiger
Austauscherflansch
- 700
- festlagerseitige
Rohrträgerplatte
(Rohrspiegelglatte)
- 800
- loslagerseitige
Rohrträgerplatte
(Rohrspiegelglatte)
- 800a
- zweite
Anschlussöffnung
- 800b
- zweiter
konischer Übergang
- 800c
- zweiter
erweiterter Durchtrittsquerschnitt
- 800d
- (loslagerseitiger)
Anschlussstutzen
- 900
- Flachdichtung
- 910
- O-Ring
- 1000
- Verbindungsbogen
- 1100
- Verbindungsarmatur
- b
- mittlerer
Abstand der Rohrträgerplatten
(Rohrbündel)
- c
- Strömungsgeschwindigkeit
im Außenmantel
mittlere Strömungsgeschwindigkeit
im Innenrohr
- A
- Austritt
- Ai
- Durchtrittsquerschnitt
des Innenrohres
- nAi
- Gesamtdurchtrittsquerschnitt
aller parallel durchströmten
Innenrohre
- Ao
- Nenndurchtrittsquerschnitt
des Verbindungsbogens
- Di
- Rohrinnendurchmesser (Innenrohr 300)
- D1
- größter Durchmesser
des ersten erweiterten Durchtrittsquerschnitts 500c im festlageseitigen
Austauscherflansch 500
- DN
- Nenndurchmesser
des Verbindungsbogens (Ao = DN2π/4)
- E
- Eintritt
- K
- Innenkontur
- M
- Wärmeträgermedium,
allgemein
- P
- Produkt
(temperaturbehandelte Seite)
-
- 10
- Verdrängerkörper)
- 10a,
10b
- Abschnitte
- dmax
- gemeinsamer,
größter (innerer)
Außendurchmesser
(Verdrängerkörper)
- d3
- Schaftdurchmesser
- AS
- Ringspaltquerschnitt
- ASE
- erweiternder
Ringspaltquerschnitt
- ASmin
- minimaler
Ringspaltquerschnitt (engste Stelle des Ringspaltquerschnittes AS)
- S
- Symmetrieachse
-
2 bis 4
- 10
- Verdrängerkörper
- 10a
- angeströmter Abschnitt
- 10b
- abgeströmter Abschnitt
- 10c
- innere
Strömungsabrisskante
- 10d
- erste
konvexe Außenkontur
- 10e
- zweite
konvexe Außenkontur
- 10f
- dritte
konvexe Außenkontur
- 10g
- erste
konkave Außenkontur
- 10h
- zweite
konkave Außenkontur
- 10i
- Schaftteil
- 11
- Leitring
- 11a
- Anströmabschnitt
- 11b
- Abströmabschnitt
- 11c
- äußere Strömungsabrisskante
- 12
- Befestigungstraverse
- 13
- Verstärkungsring
- w
- Strömungsgeschwindigkeit
im Verteilungsquerschnitt
- AS1
- innerer
Ringspaltquerschnitt
- ASE1
- erweiternder
innerer Ringspaltquerschnitt
- ASmin1
- minimaler
innerer Ringspaltquerschnitt (engste Stelle des inneren Ringspaltquerschnittes
AS1)
- AS2
- äußerer Ringspaltquerschnitt
- ASE2
- erweiternder äußerer Ringspaltquerschnitt
- ASmin2
- minimaler äußerer Ringspaltquerschnitt (engste
Stelle des äußeren Ringspaltquerschnittes
AS2)
- Dmax
- gemeinsamer,
größter äußerer Außendurchmesser
(Leitring)
- Ki1
- innere
Innenkontur
- Ki2
- äußere Innenkontur
- P(A)
- austretender
Produktstrom
- P(E)
- eintretender
Produktstrom