DE102012221161A1

DE102012221161A1 - Wärmetauscher und Verfahren zum Erwärmen/Kühlen von zumindest einem Bauteil eines Prozessgeräts in einer Maschine zur Herstellung von Faserstoff

Info

Publication number: DE102012221161A1
Application number: DE201210221161
Authority: DE
Inventors: Arto Ikonen; Pekka Vantola; Ville Hopponen
Original assignee: Metso Paper Oy
Current assignee: Valmet Technologies Oy
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2014-05-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einer Wärmetauscherfläche, deren an der Übertragung von Wärmeenergie zwischen einem den Wärmetauscher durchströmenden Wärmetauschermedium und einem anderen Medium teilnehmender Anteil stufenweise zu- und abschaltbar ist. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird bevorzugt zum Erwärmen/Kühlen von zumindest einem Bauteil eines Prozessgeräts in einer Stoffauflauf-, Pressen-, Trocken- und/oder Endbehandlungspartie einer Maschine zur Herstellung von Faserstoff verwendet. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erwärmen/Kühlen von dem zumindest einem Bauteil mit den Schritten: Bereitstellen eines Wärmetauschers mit einer einstellbaren Wärmetauscherfläche, Durchströmen des Wärmetauschers mit einem Wärmetauschermedium und einem anderen Medium, Einstellen der Wärmetauscherfläche durch stufenweises Zu- und Wegschalten eines an der Übertragung von Wärmeenergie teilnehmenden Anteils der Wärmetauscherfläche, Übertragen von Wärmeenergie zwischen dem den Wärmetauscher durchströmenden Wärmetauschermedium und dem anderen Medium mittels der eingestellten Wärmetauscherfläche, und Erwärmen/Kühlen des zumindest einen Bauteils durch das erwärmte/gekühlte Wärmetauschermedium.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher und ein Verfahren zum Erwärmen/Kühlen von zumindest einem Bauteil eines Prozessgeräts in einer Stoffauflauf-, Pressen-, Trocken- und/oder Endbehandlungspartie einer Maschine zur Herstellung von Faserstoff.
Bekannte Wärmetauscher übertragen thermische Energie (Wärme) von einem Stoffstrom (Medium) auf einen anderen Stoffstrom (Medium). Üblicherweise werden Wärmetauscher verwendet, bei denen die Wärmeübertragung zwischen den Medien durch eine indirekte Wärmeübertragung erfolgt, d.h. bei denen die Medien räumlich durch ein wärmedurchlässiges Element (Wärmetauscherelement) getrennt sind. Derartige Wärmetauscher besitzen daher für die jeweiligen Medien jeweils einen voneinander getrennten Raum. Zum Beispiel sind Heizkörper als eine einfache Bauart solcher Wärmetauscher bekannt.
In der Regel werden z.B. Luft, Wasser, Gas, etc. als ein Wärmeübertragungsmedium verwendet, das von einer Pumpe mit Druck beaufschlagt wird. Die Einleitung des unter Druck stehenden Mediums in einen Wärmetauscher wird üblicherweise durch ein proportionales Steuerventil (Proportionalventil) gesteuert, das elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch angetrieben sein kann.
Ein solches Steuerventil hat einen in einem Ventilgehäuse hin- und herbewegbaren Steuerschieber oder Steuerkolben, der in Antwort auf seine Lage in dem Ventilgehäuse einen Solldruck am Ausgang einstellen kann, indem der Druck des von der Pumpe gelieferten Mediums geregelt wird. Die Beweglichkeit des Steuerkolbens in dem Ventilgehäuse erfordert zwingend ein gewisses Spiel oder Spaltmaß zwischen Steuerkolben und Ventilgehäuse, so dass eine Leckage von Hydrauliköl innerhalb des Steuerventils unvermeidbar ist, selbst wenn das Steuerventil vollständig geschlossen ist. Durch eine derartige Einstellung der Drücke mittels des Steuerventils kann somit die Stellung des hin- und herbewegbaren Steuerschiebers oder Steuerkolbens in dem Ventilgehäuse festgelegt werden, wodurch ein Volumenstrom, ein Massenstrom oder eine Durchflussrate des Mediums zu dem Wärmetauscher entsprechend eingestellt werden kann.
Die Konstruktion des Steuerventils muss unter Berücksichtigung der größtmöglichen Durchflussrate (Volumenstrom, Massenstrom) des Mediums, das durch den Wärmetauscher hindurchströmt, wenn das Ventil vollständig geöffnet ist, dimensioniert werden, wodurch die Baugröße und das Gewicht des Ventils erhöht sind. Zudem ist die Steuerung des Ventils bei geringen Durchflussraten ungenau, da bei solchen Durchflussraten die Leckageströmung in dem Ventil (zwischen Steuerkolben und Ventilgehäuse) im Verhältnis zu der Durchflussrate prozentuell stärker ausgeprägt ist als bei großen Durchflussraten.
Die Beweglichkeit des Steuerkolbens in dem Ventilgehäuse erfordert jedoch zwingend ein gewisses Spiel oder Spaltmaß zwischen Steuerkolben und Ventilgehäuse, wie vorstehend erwähnt ist. Das Spaltmaß darf daher nicht zu eng gewählt werden, weil das Ventil sonst zu anfällig gegen Verschmutzungen im Medium ist. Ferner sind die Herstellungskosten des Ventils aufgrund der engen Fertigungstoleranzen erhöht.
Die Nachteile eines herkömmlichen Proportionalventils, das zur Steuerung/Regelung einer Durchflussrate für ein Medium angewandt wird, können daher wie folgt zusammengefasst werden:

– Wegen der Leckageströmung wird dieses stets von einem Mediumstrom durchströmt; dies kostet ständig Energie für Pumpen, die z.B. in einer Papiermaschine verwendet werden und das Medium zu dem Proportionalventil und somit zu dem Wärmetauscher fördern.
– Zudem sind, wie vorstehend beschrieben, die Herstellungskosten erhöht, da die Bauweise des Proportionalventil auf die größtmögliche Durchflussrate (bei vollständig geöffneter Stellung des Ventils) ausgelegt werden muss, wodurch sich die Größe und das Gewicht des Proportionalventils außerordentlich erhöhen.
– Die Steuerung von Ventilstellungen des Proportionalventils, um geringe Durchflussraten einzustellen, wird, wie vorstehend dargelegt, aufgrund des Leckageströmungsanteils ungenau bzw. schwierig

Es besteht somit ein Bedarf, den Energieverbrauch zum Steuern von Steuerungsventilen eines Wärmetauschers, z.B. in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, insbesondere einer Papier- oder Kartonmaschine weiter zu verringern, die Herstellungskosten solcher Ventile zu senken, und deren Steuerung im Betrieb zu vereinfachen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher und ein Verfahren zum Erwärmen/Kühlen von zumindest einem Bauteil eines Prozessgeräts in einer Stoffauflauf-, Pressen-, Trocken- und/oder Endbehandlungspartie einer Maschine zur Herstellung von Faserstoff bereitzustellen, mit dem der Energieverbrauch zur Steuerung von Durchflussventilen weiter verringert werden kann und somit die Einstellbarkeit der Wärmetauscherleistung verbessert werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Erwärmen/Kühlen von zumindest einem Bauteil eines Prozessgeräts in einer Stoffauflauf-/Pressen-/Trocken- und/oder Endbehandlungspartie einer Maschine zur Herstellung von Faserstoff mit den Merkmalen von Anspruch 15 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers und des Verfahrens zum Erwärmen/Kühlen von zumindest einem Bauteil in dem erwähnten Prozessgerät sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Wärmetauscher mit einer Wärmetauscherfläche bereitgestellt, deren an der Übertragung von Wärmeenergie zwischen einem den Wärmetauscher durchströmenden Wärmetauschermedium und einem anderen Medium teilnehmender Anteil stufenweise zu- und abschaltbar ist.
Allgemein gilt bei Wärmetauschern, dass seine Wärmeübertragungsleistung durch Q . = k·A·Δθ festlegt ist, wobei „k“ der Wärmedurchgangskoeffizient [W/(m²K)], „A“ die Wärmetauscherfläche [m²] und „∆θ“ die mittlere Temperaturdifferenz [K] sind, die sich aus den Temperaturdifferenzen der Medien auf der einen Seite und der anderen Seite des Wärmetauschers ergibt (z.B. sind dies bei einem Wärmetauscher, in dem die Medien im Gleichstrom in gleicher Richtung durch den Wärmetauscher strömen, die Temperaturdifferenzen auf der Eintrittsseite sowie auf der Austrittsseite des Wärmetauschers, und bei einem Wärmetauscher, in dem die Medien im Gegenstrom in entgegengesetzter Richtung zueinander durch den Wärmetauscher strömen, die Temperaturdifferenzen jeweils zwischen Eintritt des einen Mediums (Wärmetauschermediums) und Austritt des anderen Mediums). Die mittlere Temperaturdifferenz ist abhängig von der/dem Durchflussrate/Massenstrom des Wärmetauschermediums, das den Wärmetauscher durchströmt, d.h., indem man die Durchflussrate des Wärmetauschermediums (Menge des Wärmetauschermedium, das pro Zeiteinheit durch den Wärmetauscher strömt) mittels des vorstehend genannten Proportionalventils erhöht oder verringert (regelt), wird die erreichbare mittlere Temperaturdifferenz geändert und somit wird die Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers (d.h. die Übertragung von Wärmeenergie zwischen den Medien) geändert. Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher wird jedoch die Leistung des Wärmetauschers nicht wie in dem Stand der Technik durch Regeln der/des Durchflussrate/Massenstroms des Wärmetauschermediums über ein Proportionalventil geregelt, sondern durch stufenweises Zu- und Abschalten des an der Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem den Wärmetauscher durchströmenden Wärmetauschermedium und dem anderen Medium (das zu kühlen oder zu erwärmen ist) teilnehmenden Anteils der Wärmetauscherfläche. Das heißt, durch entsprechendes stufenweises Zu- und Abschalten dieses Anteils kann die zur Verfügung stehende nutzbare Wärmetauscherfläche des Wärmetauschers unabhängig von der Durchflussrate des Wärmetauschermediums stufenweise geregelt werden, wodurch die Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers entsprechend geändert bzw. eingestellt wird. Unter dem Begriff „stufenweises Zu- und Abschalten“ versteht man ein Ändern des Flächenanteils der wirksamen Wärmetauscherfläche „A“, wodurch die Wärmeübertragungsleistung „Q“ geändert wird. Dieses Ändern kann z.B. durch Blockieren bzw. Zulassen einer Strömung des Wärmetauschermediums durch einzelne Abschnitte des Wärmetauschers bewirkt werden. Zum Beispiel kann durch stufenweises Zuschalten von Wärmetauscheranteilsflächen die gesamte wirksame Wärmetauscherfläche schrittweise (stufenweise) erhöht werden, um die Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers zu erhöhen. Die Wärmetauscheranteilsflächen können z.B. jeweils 1 m² groß sein, wodurch sich durch jeweiliges Zu- oder Abschalten einer solchen Anteilsfläche gesamte wirksame Wärmetauscherfläche um 1 m² erhöht bzw. verringert. Erfindungsgemäß ist eine Vielzahl von solchen Wärmetauscheranteilsflächen in dem Wärmetauscher vorgesehen. Die Größe der Wärmetauscheranteilsflächen ist nicht auf 1 m² beschränkt sondern kann beliebig gewählt werden. Ferner können auch unterschiedlich große Wärmetauscheranteilsflächen in dem Wärmetauscher vorgesehen werden (z.B. in der Höhe von 0,25 m², 0,5 m², 1 m², 2 m² usw.). Zudem ist die Verwendung eines Proportionalventils zur Regelung der Durchflussrate des Wärmetauschermediums wie im Stand der Technik nicht mehr erforderlich, da erfindungsgemäß der Anteil der wirksamen Wärmetauscherfläche variiert wird, um die Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers zu ändern.
Bevorzugt weist der erfindungsgemäße Wärmetauscher eine Vielzahl von Wärmetauscherelementen auf, durch die das Wärmetauschermedium strömen kann, und können die Wärmetauscherelemente in mehrere Wärmetauschereinheiten derart zusammengefasst sein, dass jede Wärmetauschereinheit ein Ventil aufweist, wobei durch Schalten des Ventils die Strömung des Wärmetauschermediums durch die zugeordnete Wärmetauschereinheit ermöglicht und verhindert wird, wodurch der an der Übertragung von Wärmeenergie teilnehmende Anteil der Wärmetauscherfläche stufenweise geändert wird.
Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform ist jeder Wärmetauschereinheit ein entsprechendes Schaltventil zugeordnet, das die Strömung des Wärmetauschermediums durch die zugeordnete Wärmetauschereinheit zulässt oder blockiert. Wenn die Strömung des Wärmetauschermediums durch die zugeordnete Wärmetauschereinheit zugelassen wird, nimmt die zur Wärmeübertragung dienende wirksame Fläche dieser Wärmetauschereinheit an der Übertragung von Wärmeenergie teil, d.h. der an der Übertragung von Wärmeenergie teilnehmende Anteil der Wärmetauscherfläche ist um die zur Wärmeübertragung dienende wirksame Fläche dieser Wärmetauschereinheit erhöht worden. Wenn andererseits die Strömung des Wärmetauschermediums durch die zugeordnete Wärmetauschereinheit verhindert (blockiert) wird, indem das Schaltventil in seiner Schließstellung ist, so dass kein Wärmetauschermedium durch die zugeordnete Wärmetauschereinheit strömen kann, findet an der zur Wärmeübertragung dienenden wirksamen Fläche dieser Wärmetauschereinheit keine Übertragung von Wärmeenergie statt. Somit wird der an der Übertragung von Wärmeenergie teilnehmende Anteil der Wärmetauscherfläche um die zur Wärmeübertragung dienende wirksame Fläche dieser Wärmetauschereinheit verringert. Eine Wärmetauschereinheit kann aus zumindest einem der Wärmetauscherelemente gebildet sein.
Durch die Bereitstellung solcher Wärmetauscheinheiten mit den jeweiligen Ventilen können die vorstehend beschriebenen Nachteile bei der Verwendung des herkömmlichen Proportionalventils, das zur Steuerung/Regelung einer Durchflussrate für ein Medium angewandt wird, beseitigt werden.
Bevorzugt sind die Wärmetauscherelemente Wärmetauscherrohre in einem Rohrwärmetauscher oder Wärmetauscherkammern in einem Plattenwärmetauscher, wobei bei dem Plattenwärmetauscher die Kammern bevorzugt zwischen aufeinanderfolgenden Platten derart ausgebildet sind, dass in den somit aufeinanderfolgend ausgebildeten Kammern abwechselnd das Wärmetauschermedium und das andere Medium strömt. Zum Beispiel können die Platten derart profiliert sein, dass deren Wärmeübertragungsfläche gegenüber einer ebenen Platte vergrößert ist, und so zusammengesetzt sein, dass jeweils in den aufeinanderfolgenden Kammer einmal das aufzuwärmende oder abzukühlende Medium und danach das wärmeabgebende oder wärmeaufnehmende Wärmetauschermedium strömt.
Bevorzugt sind die Ventile der Wärmetauschereinheiten jeweils stromaufwärtig in Bezug auf ihre zugeordnete Wärmetauschereinheit angeordnet. Bei dieser Bauweise können die Ventile an einem Gehäuse, einer Halterung, etc. des Wärmetauschers, in/an dem die Wärmetauschereinheiten angeordnet sind, derart montiert sein, dass die Ventile einfach von außen zugänglich sind, wodurch sich deren Wartung, etc. vereinfacht.
Die Ventile sind bevorzugt Digitalventile, insbesondere solche die eine AUF/ZU-Funktion besitzen; d.h. einfache EIN/AUS-Schaltventile, die einen Mediumdurchfluss zulassen oder unterbrechen können und in dieser Anmeldung nachstehend als Ventile oder Digitalventile bezeichnet sind. Die Ventile selbst können herkömmliche Solenoidventile, d.h. Ventile mit elektromagnetischem Antrieb sein. Ein derartiges elektromagnetisch betätigbares Ventil ist z.B. in EP 1 052 441 A2 beschrieben. Natürlich können auch andere Antriebsformen gewählt werden.
Durch Öffnen und Schließen einzelner Ventile bzw. Ventilkombinationen, die auf der Basis von Modellen von einem Rechner bestimmt und ausgewählt werden, kann nun eine sehr rasche und präzise Durchströmung der Wärmetauschereinheiten erreicht werden, indem die analoge Regelkurve des eingangs geschilderten Proportionalventils durch eine digital erstellte (d.h. angenäherte) Regelkurve ersetzt wird. Diese Kurve kann wegen des Wegfalls von Nichtlinearitäten und/oder Hystereseschleifen des analogen Proportionalventils eine stufenförmig angenäherte Gerade sein, die es erlaubt, die gewünschte Wärmeübertragungsleistung (d.h. einen Regelpunkt) schnell und nahezu überschwingungsfrei einzustellen (anzufahren).
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von solchen Digitalventilen liegt darin, dass die Ventile entweder (vollständig) offen oder geschlossen sein können, d.h. wenn die Ventile einfach geschlossen sind, gibt es keine Leckageströme im Inneren der Ventile. Damit besteht ein deutlicher Unterschied zum herkömmlichen Proportionalventil, das stets von einem Mediumstrom durchflossen ist. Dies kostet ständig Energie für die Hydraulikpumpen zur Förderung von Wärmetauschermedien, z.B. in einer Papiermaschine. Somit ist zu erkennen, dass es der Einsatz von Digitalventilen auch gestattet, diese Hydraulikpumpen weniger oft und/oder kürzer zu betreiben, wodurch Energie eingespart werden kann.
Ferner liegt ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von solchen Digitalventilen darin, dass deren Bauweise gegenüber einem Proportionalventil erheblich vereinfacht ist und die Größe und Gewicht solcher Digitalventile verkleinert bzw. verringert ist. Zudem ist, da die Ventile lediglich zwischen einer vollständig offenen Stellung und einer vollständig geschlossenen Stellung schaltbar sind, deren Steuerung einfach und es gibt keine Leckageströmung.
Besonders bevorzugt sind die Wärmetauschereinheiten durch die gleiche Anzahl von Wärmetauscherelementen gebildet oder sind die Wärmetauschereinheiten durch eine unterschiedliche Anzahl von Wärmetauscherelementen gebildet sind.
Bevorzugt steigt die Anzahl der Wärmetauscherelemente, die die jeweiligen Wärmetauschereinheiten bilden, in einer geometrischen Folge an, in der jedes Glied der Folge doppelt so groß ist wie das vorangegangene Glied. Wenn z.B. vier Wärmetauschereinheiten mit Wärmetauscherelementen im Verhältnis 1:2:4:8 bereitgestellt sind, kann der an der Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem den Wärmetauscher durchströmenden Wärmetauschermedium und dem anderen Medium teilnehmende Anteil der Wärmetauscherfläche stufenweise im Verhältnis 0:1:2:3 usw. bis 15 eingestellt werden. Hier bedeutet der Wert „0“, dass keine wirksame Wärmetauscherfläche (Anteil der Wärmetauscherfläche, der an der Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem Wärmetauschermedium und dem anderen Medium teilnimmt ist null, d.h. der (Flächen-)Anteil ist 0%), keine Wärmetauschereinheit in Betrieb ist und somit kein Wärmeaustausch vorliegt, und bedeutet der Wert „15“, dass die gesamte Wärmetauscherfläche (Anteil der Wärmetauscherfläche, der an der Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem Wärmetauschermedium und dem anderen Medium teilnimmt ist 100, d.h. der (Flächen-)Anteil ist 100%) des Wärmetauschers zur Übertragung von Wärmeenergie genutzt wird. Bei einer größeren Anzahl (d.h. größer 4) von Wärmetauschereinheiten wird die Reihe entsprechend fortgesetzt. Zum Beispiel kann durch entsprechendes Ansteuern (Zu- und Abschalten) des Anteils der Wärmetauscherfläche, das auf der Basis von Modellen von einem Rechner bestimmt und ausgewählt wird, nun eine sehr rasche und präzise Flächenanteileinstellung der Wärmetauscherfläche erreicht werden, indem eine analoge Regelkurve des eingangs geschilderten Proportionalventils, das gemäß dem Stand der Technik die (gesamte) Durchflussrate des Wärmetauschermediums durch den Wärmetauscher regelt, durch eine digital erstellte (d.h. angenäherte) Regelkurve des an der Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem den Wärmetauscher durchströmenden Wärmetauschermedium und dem anderen Medium teilnehmende Anteils der Wärmetauscherfläche ersetzt wird. Diese Kurve kann wegen des Wegfalls von Nichtlinearitäten und/oder Hystereseschleifen des analogen Proportionalventils eine stufenförmig angenäherte Gerade sein, die es erlaubt, einen Regelpunkt (d.h. den Wärmetauscherflächenanteil für die zu erzielende Wärmeübertragungsleistung „Q“) schnell und nahezu überschwingungsfrei anzufahren. Der Wärmetauscher kann auch angepasst sein, den an der Übertragung von Wärmeenergie teilnehmenden Anteil der Wärmetauscherfläche in mehreren Stufen zu- und abzuschalten, um die Wärmeübertragungsleistung noch schneller erreichen zu können.
Bevorzugt sind die Wärmetauscherelemente durch eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren ausgebildet, die parallel zueinander angeordnet sind, aneinander befestigt sind und in einem Wärmetauscherraum gehalten werden, der von dem anderen Medium durchströmbar ist. Solche Rohre werden bei Rohrwärmetauschern bzw. Rohrbündelwärmetauschern verwendet, durch die das Wärmetauschermedium strömt. Die Rohre befinden sich in dem Wärmetauscherraum, z.B. in einem Kessel, durch den das andere Medium strömt. Da der Rohrbündelwärmetauscher, in dem eine große Anzahl paralleler Rohre angeordnet ist, in seiner Herstellung relativ aufwendig ist, kann auch ein Wärmetauscher mit U-förmig gebogenen Rohren verwendet werden. Bei solchen Wärmetauschern kann das Rohrbündel aus U-förmig gebogenen Rohren leicht in den Wärmetauscherraum (Kessel) eingesetzt und herausgenommen werden, da es nur an einer Seite des Kessels zu befestigten ist. Es kann auch ein Mantelrohrwärmetauscher verwendet werden, der aus einer Vielzahl von konzentrischen Wärmetauscherrohren gebildet ist, in denen das andere Medium, das in den inneren Rohren strömt, durch das Wärmetauschermedium, das in den äußeren Rohren strömt, erwärmt oder gekühlt wird.
Bevorzugt weisen derartige Wärmetauscherrohre einen trapezförmigen oder kreisförmigen Querschnitt auf, wodurch ein strukturell kompaktes Rohrbündel aus den Wärmetauscherrohren gebildet werden kann. Somit kann die Baugröße des Wärmetauschers weiter verringert werden.
Bevorzugt weisen die Wärmetauscherrohre einen Kanal auf, durch den das Wärmetauschermedium strömen kann, wobei der Kanal bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Wärmetauscher zum Erwärmen/Kühlen von zumindest einem Bauteil eines Prozessgeräts in einer Stoffauflauf-, Pressen-, Trocken- und/oder Endbehandlungspartie einer Maschine zur Herstellung von Faserstoff verwendet, wobei das zumindest eine Bauteil bevorzugt eine Walze, ein Trockenzylinder oder ein Band ist, das fluiddicht ist, eine Endlosschleife bildet und zur Führung einer Faserstoffbahn dient.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zum Erwärmen/Kühlen von zumindest einem Bauteil eines Prozessgeräts in einer Stoffauflauf-, Pressen-, Trocken- und/oder Endbehandlungspartie einer Maschine zur Herstellung von Faserstoff, mit den Schritten bereitgestellt:
Bereitstellen eines Wärmetauschers mit einer einstellbaren Wärmetauscherfläche,
Durchströmen des Wärmetauschers mit einem Wärmetauschermedium und einem anderen Medium,
Einstellen der Wärmetauscherfläche durch stufenweises Zu- und Wegschalten eines an der Übertragung von Wärmeenergie teilnehmenden Anteils der Wärmetauscherfläche,
Übertragen von Wärmeenergie zwischen dem den Wärmetauscher durchströmenden Wärmetauschermedium und dem anderen Medium mittels der eingestellten Wärmetauscherfläche, und
Erwärmen/Kühlen des zumindest einen Bauteils durch das erwärmte/gekühlte Wärmetauschermedium.
Mit diesem Verfahren gemäß dem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung können die gleichen Wirkungen und Vorteile erreicht werden wie mit dem vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Wärmetauscher.
Bevorzugt kann bei dem Verfahren das Wärmetauschermedium durch eine Vielzahl von Wärmetauscherelementen hindurch strömen, können die Wärmetauscherelemente in mehrere Wärmetauschereinheiten zusammengefasst werden, von denen jede Wärmetauschereinheit ein Ventil aufweist, und kann durch entsprechendes Schalten der Ventile die Strömung des Wärmetauschermediums durch die zugeordneten Wärmetauschereinheiten ermöglicht und verhindert werden, so dass der an der Übertragung von Wärmeenergie teilnehmende Anteil der Wärmetauscherfläche stufenweise geändert wird.
Ferner kann der erfindungsgemäße Aufbau des Wärmetauschers auch bei einem Hochfahren in einem Hydraulikfluidsystem verwendet werden, das beim Hochfahren gespült werden muss, um mögliche Ablagerungen und Verschmutzungen oder Rückstände aus dem Fluidsystem abführen zu können. Insbesondere verstopfen Bauteile (Rohre, Kammern, Ventile, Filter, Leitungen, etc.) von Wärmetauschern mit der Zeit und somit müssen diese hin und wieder gespült bzw. gereinigt werden. Zudem verstopfen Filterelemente z.B. der Auffangbauart gerne und müssen von Zeit zu Zeit gereinigt bzw. gespült werden. Bisher war bekannt, die Wärmetauscher, d.h. deren Bauteile mit Druckwasser zu spülen bzw. zu reinigen bzw. die Filterelemente mit Wasser zu reinigen. Die Leitungen, Kammern bzw. Rohre des Wärmetauschers werden üblicherweise ausgeblasen bzw. gespült. Nunmehr kann mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher durch entsprechende Steuerung der Vielzahl von Ventilen, die an jeder Wärmetauschereinheit entsprechend angebracht sind, eine oszillierende Frequenz hergestellt werden, um somit die Wärmetauscherelemente in den verschiedenen Wärmetauschereinheiten, Ventile, Filter, etc. mit einer entsprechenden Reinigungssequenz von mechanischen Verschmutzungen reinigen zu können. Diese sogenannte digital gesteuerte Reinigungssequenz erhöht den Effekt des Reinigens und Ausspülens. Somit kann die Wartung in regelmäßigen Abständen durch Ausführung dieser Reinigungssequenz in einem Fluidsystem, insbesondere in den erfindungsgemäßen Wärmetauscher, erfolgen.
Ferner können bei den heutigen Maschinen zur Herstellung von Faserstoff Hydraulikfluidsysteme verwendet werden, die mit Heizwiderständen innerhalb des Systems auf eine Betriebstemperatur erwärmt werden. In einigen Fällen wird ein Hydraulikfluid(-medium), das in dem System strömt, zu einer Vorrichtung in dem System geführt, die ein separates Bypasssystem hat, um das Hydraulikfluid schnell erwärmen zu können. Danach kühlt das derart erwärmte Fluid, das zu einem Bauteil eines Prozessgeräts in der Maschine zur Herstellung von Faserstoff zugeführt wird, wieder ab, da zwischen der Vorrichtung und der Maschine die Leitungssysteme kalt sind, da in diesen ein kaltes (d.h. nicht erwärmtes) Fluid strömt. Diese Vorgangsweise zum hinreichenden Erwärmen des Fluids erfordert eine lange Zeitdauer und muss z.B. nach jedem Stillstand der Maschine durchgeführt werden, da die Maschine nicht in Betrieb genommen wird, bevor die Leitungssysteme die vorbestimmte (gewünschte) Temperatur aufweisen. Durch die Verwendung von digitalhydraulischen Systemen können jedoch Digitalventile derart gesteuert werden, dass eine Strömung in einem geschlossenen System entsteht, das nicht mit der Maschine verbunden ist. Dann werden die Digitalventile gleichzeitig geöffnet, wodurch eine sogenannte „Spülströmung“ in dem geschlossenen System entsteht. In diesem Fall entsteht durch das gleichzeitige Öffnen der Digitalventile eine energiereiche schnell umwälzende Strömung und tritt ein Druckabfall auf, wodurch das in dem geschlossenen System zu erwärmende Fluid sehr schnell erwärmt wird. Durch diese Anordnung kann das Fluid in den Leitungen sehr schnell zu der gleichen Zeit erwärmt werden. Wenn dann das Fluid ausreichend erwärmt ist, werden die Digitalventile derart geschaltet, dass das Fluid auch zu dem Bauteil eines Prozessgeräts in der Maschine, d.h. zu der Maschine, zugeführt wird, wodurch das Bauteil (z.B. die Maschine und deren Komponenten) schneller erwärmt und somit früher verwendet werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend hinsichtlich verschiedener Gesichtspunkte anhand einer beispielhaften Ausgestaltung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, in denen Folgendes gezeigt ist:
1 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer Wärmetauscherfläche, deren an der Übertragung von Wärmeenergie zwischen einem den Wärmetauscher durchströmenden Wärmetauschermedium und einem anderen Medium teilnehmender Anteil stufenweise zu- und abschaltbar ist.
2 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einer Wärmetauscherfläche, deren an der Übertragung von Wärmeenergie zwischen einem den Wärmetauscher durchströmenden Wärmetauschermedium und einem anderen Medium teilnehmender Anteil stufenweise zu- und abschaltbar ist.
In der nachstehenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile diesselben Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1. Der Wärmetauscher 1 weist eine Vielzahl von Wärmetauscherelementen 2, durch die ein Wärmetauschermedium strömen kann (in der Zeichnung ist die Strömungsrichtung des Wärmetauschermediums von rechts nach links und durch die beiden waagrechten, nach links zeigenden Pfeile dargestellt), und eine Vielzahl von Ventilen 4 auf. Insbesondere kann das Wärmetauschermedium durch die Ventile 4 und die nachfolgenden Wärmetauscherelemente 2 strömen, wie in der Zeichnung dargestellt ist.
Die Ventile 4 sind einfache Schaltventile bzw. sogenannte Digitalventile, insbesondere solche die eine AUF/ZU-Funktion besitzen; d.h. einfache EIN/AUS-Schaltventile. Die Ventile 4 können Solenoidventile, d.h. Ventile mit elektromagnetischem Antrieb, sein. Für die Ventile 4 können auch andere Antriebsformen gewählt werden, die die AUF/ZU-Funktion bereitstellen können.
Die in der Zeichnung lediglich schematisch dargestellten Wärmetauscherelemente 2 können Wärmetauscherrohre in einem Rohrwärmetauscher oder Wärmetauscherkammern in einem Plattenwärmetauscher sein. Jedes Wärmetauscherelement 2 umfasst somit eine bestimmte Wärmetauscherfläche, die einen zu- und abschaltbaren Anteil der gesamten Wärmetauscherfläche des Wärmetauschers 1 darstellt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1 bilden jeweils eines der Wärmetauscherelemente 2 und eines der Ventile 4 eine Wärmetauschereinheit 3 aus. Das heißt, der Wärmetauscher 1 weist acht Wärmetauschereinheiten 3 auf, von denen jede ein Wärmetauscherelement und ein Ventil umfasst. Daher sind die Wärmetauschereinheiten 3 durch die gleiche Anzahl von Wärmetauscherelementen 2 und Ventilen 4 gebildet (hier ist die Anzahl jeweils eins). In anderen Worten ist jeder Wärmetauschereinheit 3 eines der Ventile 4 und eines der Wärmetauscherelemente 2 zugeordnet.
Die Ventile 4 sind jeweils stromaufwärtig (bezüglich der Strömung des Wärmetauschermediums durch den Wärmetauscher) ihrer zugeordneten Wärmetauscherelemente 2 in Bezug auf ihre zugeordnete Wärmetauschereinheit 3 angeordnet. Bei dieser Bauweise können die Ventile 4 an einem Gehäuse, einer Halterung, etc. des Wärmetauschers (nicht dargestellt), in/an dem die Wärmetauschereinheiten 3 angeordnet sind, derart montiert sein, dass die Ventile 4 einfach von außen zugänglich sind, wodurch sich deren Wartung, etc. vereinfacht.
Durch entsprechendes Schalten der Ventile 4 (d.h. Öffnen und Schließen einzelner Ventile 4 bzw. Ventilkombinationen aus mehreren Ventilen) kann die Strömung des Wärmetauschermediums durch die zugeordnete Wärmetauschereinheit 3 ermöglicht und verhindert werden, wodurch der an der Übertragung von Wärmeenergie teilnehmende Anteil der Wärmetauscherfläche (Zu- und Abschalten der einzelnen Wärmetauscherflächen der Wärmetauscherelemente 4) stufenweise geändert wird. Somit wird durch Öffnen und Schließen der Ventile 4 (Schalten der Ventile kann auf der Basis von Modellen von einem Rechner (nicht gezeigt) bestimmt und ausgewählt werden) eine sehr rasche und präzise Durchströmung der Wärmetauschereinheiten 3 erreicht. Das heißt, die analoge Regelkurve des eingangs geschilderten Proportionalventils wird durch eine digital erstellte (d.h. angenäherte) Regelkurve durch Schalten der Ventile 4 ersetzt. Diese Kurve kann wegen des Wegfalls von Nichtlinearitäten und/oder Hystereseschleifen des analogen Proportionalventils eine stufenförmig angenäherte Gerade sein, die es erlaubt, die gewünschte Wärmeübertragungsleistung durch stufenweises Zu- und Abschalten des an der Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem den Wärmetauscher 1 durchströmenden Wärmetauschermedium und einem anderen Medium teilnehmender Anteil der gesamten Wärmetauscherfläche schnell und nahezu überschwingungsfrei einzustellen.
In der Zeichnung strömt das andere Medium von unten nach oben (siehe gestrichelt dargestellte Pfeile) und erfolgt die Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem den Wärmetauscher 1 durchströmenden Wärmetauschermedium und dem anderen Medium innerhalb des gestrichelt dargestellten Kastens. In anderen Worten durchströmt im Betrieb des Wärmetauschers 1 das Wärmetauschermedium die Ventile 4 in Offenstellung und die stromabwärtigen Wärmetauscherelemente 2 von rechts nach links in der Zeichnung und umströmt das wärmeabgebende oder wärmeaufnehmende andere Medium die Wärmetauscherelemente 2 im Bereich des gestrichelt dargestellten Kastens von unten nach oben in der Zeichnung. Die wirksame Wärmetauscherfläche (d.h. der an der Übertragung von Wärmeenergie teilnehmende Anteil der Wärmetauscherfläche innerhalb des dargestellten Kastens) wird durch entsprechendes Schalten der Ventile 4 gesteuert, um die Strömung des Wärmetauschermediums durch die zugeordneten Wärmetauschereinheiten 3 zu ermöglichen und zu verhindern, wodurch der an der Übertragung von Wärmeenergie teilnehmende Anteil der Wärmetauscherfläche stufenweise geändert werden kann. Dann wird die Wärmeenergie zwischen dem Wärmetauschermedium und dem anderen Medium mittels der derart eingestellten Wärmetauscherfläche übertragen. Durch das somit erwärmte/gekühlte Wärmetauschermedium kann zumindest ein Bauteil eines Prozessgeräts in einer Stoffauflauf-, Pressen-, Trocken- und/oder Endbehandlungspartie einer Maschine zur Herstellung von Faserstoff (nicht dargestellt) erwärmt/gekühlt werden.
2 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1.
Bei diesem Wärmetauscher 1 sind die Wärmetauschereinheiten 3 durch eine unterschiedliche Anzahl von Wärmetauscherelementen 2 gebildet. Insbesondere steigt die Anzahl der Wärmetauscherelemente 2, die die jeweiligen Wärmetauschereinheiten 3 bilden, in einer geometrischen Folge an, in der jedes Glied der Folge doppelt so groß ist wie das vorangegangene Glied.
In 2 sind drei Wärmetauschereinheiten 3-1, 3-2 und 3-3 mit den Wärmetauscherelementen 2 im Verhältnis 1:2:4 bereitgestellt. Zu jeder Wärmetauschereinheit 3-1, 3-2 und 3-3 ist ein Ventil der Ventile 4 zugeordnet, die stromaufwärtig in Bezug auf ihre zugeordnete Wärmetauschereinheit angeordnet sind.
Somit kann der an der Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem den Wärmetauscher durchströmenden Wärmetauschermedium und dem anderen Medium teilnehmende Anteil der Wärmetauscherfläche stufenweise im Verhältnis 0:1:2:3:4:5:6:7 eingestellt werden. Hier bedeutet der Wert „0“, dass alle drei Ventile 3 geschlossen sind, so dass keine wirksame Wärmetauscherfläche (Anteil der Wärmetauscherfläche der Wärmetauscherelemente 2 (in dem gestrichelt dargestellten Kasten in 2), der an der Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem Wärmetauschermedium und dem anderen Medium teilnimmt, beträgt 0%) vorliegt und keine Wärmetauschereinheit 3-1, 3-2 und 3-3 zum Wärmeaustausch mit dem anderen Medium genutzt wird. Der Wert „7“ bedeutet, dass alle drei Ventile 3 offen sind und somit die gesamte Wärmetauscherfläche (Anteil der Wärmetauscherfläche der Wärmetauscherelemente 2 (in dem gestrichelt dargestellten Kasten in 2), der an der Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem Wärmetauschermedium und dem anderen Medium teilnimmt, beträgt 100%) des Wärmetauschers 1 zur Übertragung von Wärmeenergie genutzt wird.
Bei einer größeren Anzahl von Wärmetauschereinheiten 3 wird die Reihe entsprechend fortgesetzt.
Somit kann durch entsprechendes Ansteuern (Zu- und Abschalten) des Anteils der Wärmetauscherfläche (der Wärmetauscherelemente 2), das auf der Basis von Modellen von einem Rechner (nicht gezeigt) bestimmt und ausgewählt wird, eine noch schnellere Flächenanteileinstellung der Wärmetauscherfläche als in dem Ausführungsbeispiel von 1 erreicht werden, da weniger Ventile 4 bereitgestellt werden. Somit kann die bauliche Größe des Wärmetauschers und der Steuerungsaufwand der Ventile 4 weiter reduziert werden.
Die Größe der Wärmetauscheranteilsflächen der Wärmetauscherelemente 4 kann beliebig gewählt werden. Sie können gleich groß gewählt werden (z.B. 1 m²) oder auch unterschiedlich groß sein (z.B. 0,25 m², 0,5 m², 1 m², 2 m², etc.).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1052441 A2 [0019]

Claims

Wärmetauscher mit einer Wärmetauscherfläche, deren an der Übertragung von Wärmeenergie zwischen einem den Wärmetauscher durchströmenden Wärmetauschermedium und einem anderen Medium teilnehmender Anteil stufenweise zu- und abschaltbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher eine Vielzahl von Wärmetauscherelementen aufweist, durch die das Wärmetauschermedium strömen kann, und die Wärmetauscherelemente in mehrere Wärmetauschereinheiten derart zusammengefasst sind, dass jede Wärmetauschereinheit ein Ventil aufweist, wobei durch Schalten des Ventils die Strömung des Wärmetauschermediums durch die zugeordnete Wärmetauschereinheit ermöglicht und verhindert wird, wodurch der an der Übertragung von Wärmeenergie teilnehmende Anteil der Wärmetauscherfläche stufenweise geändert wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente Wärmetauscherrohre in einem Rohrwärmetauscher oder Wärmetauscherkammern in einem Plattenwärmetauscher sind, wobei die Kammern bevorzugt zwischen aufeinanderfolgenden Platten derart ausgebildet sind, dass in den somit aufeinanderfolgend ausgebildeten Kammern abwechselnd das Wärmetauschermedium und das andere Medium strömt.
Wärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wärmetauschereinheit zumindest ein Wärmetauscherelement aufweist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile der Wärmetauschereinheiten jeweils stromaufwärtig in Bezug auf ihre zugeordnete Wärmetauschereinheit angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile Digitalventile sind, insbesondere solche die eine AUF/ZU-Funktion besitzen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinheiten durch die gleiche Anzahl von Wärmetauscherelementen gebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinheiten durch eine unterschiedliche Anzahl von Wärmetauscherelementen gebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Wärmetauscherelemente, die die jeweiligen Wärmetauschereinheiten bilden, in einer geometrischen Folge ansteigt, in der jedes Glied der Folge doppelt so groß ist wie das vorangegangene.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente durch eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren ausgebildet sind, die parallel zueinander angeordnet sind, aneinander befestigt sind und in einem Wärmetauscherraum gehalten werden, der von dem anderen Medium durchströmbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre einen trapezförmigen oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre einen Kanal aufweisen, durch den das Wärmetauschermedium strömen kann, wobei der Kanal bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher angepasst ist, den an der Übertragung von Wärmeenergie teilnehmenden Anteil der Wärmetauscherfläche in mehreren Stufen zu- und abzuschalten.
Verwendung des Wärmetauschers nach einem der vorangegangenen Ansprüche zum Erwärmen/Kühlen von zumindest einem Bauteil eines Prozessgeräts in einer Stoffauflauf-, Pressen-, Trocken- und/oder Endbehandlungspartie einer Maschine zur Herstellung von Faserstoff, wobei das zumindest eine Bauteil bevorzugt eine Walze, ein Trockenzylinder oder ein Band ist, das fluiddicht ist, eine Endlosschleife bildet und zur Führung einer Faserstoffbahn dient.
Verfahren zum Erwärmen/Kühlen von zumindest einem Bauteil eines Prozessgeräts in einer Stoffauflauf-, Pressen-, Trocken- und/oder Endbehandlungspartie einer Maschine zur Herstellung von Faserstoff, mit den Schritten: Bereitstellen eines Wärmetauschers mit einer einstellbaren Wärmetauscherfläche, Durchströmen des Wärmetauschers mit einem Wärmetauschermedium und einem anderen Medium, Einstellen der Wärmetauscherfläche durch stufenweises Zu- und Abschalten eines an der Übertragung von Wärmeenergie teilnehmenden Anteils der Wärmetauscherfläche, Übertragen von Wärmeenergie zwischen dem den Wärmetauscher durchströmenden Wärmetauschermedium und dem anderen Medium mittels der eingestellten Wärmetauscherfläche, und Erwärmen/Kühlen des zumindest einen Bauteils durch das erwärmte/gekühlte Wärmetauschermedium.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschermedium durch eine Vielzahl von Wärmetauscherelementen hindurch strömt, die Wärmetauscherelemente in mehrere Wärmetauschereinheiten zusammengefasst werden, von denen jede Wärmetauschereinheit ein Ventil aufweist, und durch entsprechendes Schalten der Ventile die Strömung des Wärmetauschermediums durch die zugeordneten Wärmetauschereinheiten ermöglicht und verhindert wird, so dass der an der Übertragung von Wärmeenergie teilnehmende Anteil der Wärmetauscherfläche stufenweise geändert wird.