DE102022000727A1 - Koaxial-Turbulenzspalt-Wärmeübertrager - Google Patents

Abstract

Der erfindungsgemäße Koaxial-Turbulenzspalt-Wärmeübertrager erzeugt die innere Substratumwälzung, die zum effektiven Wärmeaustausch zwischen festen, mit einem Wärmeträgerfluid beheizten oder gekühlten Oberflächen und pumpbaren Substraten erforderlich ist, zwischen zwei koaxialen, sich relativ zueinander rotierenden Oberflächen., von denen eine in Ruhe verbleibt, die andere mechanisch in Rotation versetzt wird. Die Substrat-Durchströmung dieses koaxialen Turbulenzspaltes erfolgt axial.Durch die mechanisch erzeugte innere Umwälzung des Substrates sind substratseitig keine hohen Strömungsgeschwindigkeiten oder turbulenzerzeugende Geometrien erforderlich, die jeweils eine Erhöhung des Druckverlusts im Substratstrom verursachen. Im Turbulenzspalt können die Scherraten so erhöht werden, dass struktur-viskose Substrate mit hoher Viskosität effektiv aufgeheizt oder abgekühlt werden können. Zusätzlich wird einer Phasentrennung entgegengewirkt.Der erfindungsgemäße Koaxial-Turbulenzspalt-Wärmeübertrager ermöglicht, bei pumpbaren Substraten, die ausgasen, das anfallende Gas gezielt auszuschleusen.

Description

• Die Wärmeübertragung zwischen Heiz- bzw. Kühlwasser und pumpbaren Substraten mit höherer Viskosität, z.B. Aufschlämmungen von biogenen Abfällen oder landwirtschaftlichen Reststoffen mit Trockenrückständen von 4 bis 15% unterliegt dem Zielkonflikt, einerseits für den effektiven konvektiven Wärmeübergang eine turbulente Strömung zu benötigen und andererseits den damit verbundenen Anstieg des Druckverlustes im Wärmeübertrager zu begrenzen. Der erfindungsgemäße Koaxial-Turbulenzspalt-Wärmeübertrager erzeugt die turbulente Strömung nicht mittels hydraulischer Energie (Pumpenleistung) sondern direkt mechanisch. Dadurch wird die für den Substrat-Durchfluss erforderliche Pumpenleistung vom benötigten Energieeintrag für die turbulente Strömung entkoppelt. Rühren in einem beheizten Behälter stellt keine Alternative dar, da hierbei das nicht am direkten Wärmeaustausch beteiligte Volumen zunimmt und das zur möglichst vollständigen Nutzung der vorhandenen Exergie zwingend erforderliche Gegenstrom-Prinzip in gerührten Heiz-/Kühl-Behältern nicht realisieren lässt. Durch das Rühren wird durch Flüssigkeitsverschiebung gegenüber den Wärmeübertrager-Oberflächen stets frisches, vom Wärmeübertrager noch nicht beeinflusstes Substrat der temperaturaktiven Oberfläche zugeführt. Dies führt jedoch im kontinuierlichen Betrieb zu geringen Temperaturdifferenzen an den für den Wärmeübertrag zur Verfügung stehenden Flächen. Folglich werden zum Aufheizen bzw. Abkühlen dieser Substrate Gegenstrom-Wärmeübertrager eingesetzt.
• Dem aktuellen Stand der Technik entsprechend werden folgende Gegenstrom-Wärmeübertrager eingesetzt:
• • Rohr-in-Rohr-Wärmeübertrager,
• • Spiral-Wärmeübertrager,
• • Doppel-Helix-Wärmeübertrager und
• • Platten-Wärmeübertrager.
• Diese sind konstruktiv-geometrisch optimiert, z.B. Profilierung der Rohroberflächen, um den Wärmeübergang zwischen den benachbarten Medien zu verbessern. Aufgrund der zueinander unbewegten Oberflächen verringert sich bei konstanter Pumpenleistung mit zunehmender Viskosität jedoch die innere Flüssigkeitsumwälzung. Dadurch wird die Strömung immer laminarer bis sich schließlich eine Pfropfenströmung ausbildet. Ein konvektiver Wärmeübergang kommt zum Erliegen, wenn die Pumpenleistung nicht erhöht wird. Sie haben somit allesamt den Nachteil, den für eine effektive Wärmeübertragung erforderlichen Flüssigkeitstausch an den Übertragungsflächen nur unter Erhöhung des Druckverlustes erzeugen zu können.
• Insbesondere führen Medien mit Inhaltsstoffen wie Fasern, gelöste Gase oder sedimentierende Partikel in Wärmeübertragern dieser Bauarten durch Verkrustung, Verstopfung oder Phasentrennung ebenfalls zu einer Verschlechterung der Wärmeübertragung. Eine Phasentrennung z.B. durch Sedimentation oder Bildung von Gasansammlungen als Blasen, Polster bzw. Film verringert die aktive Wärmeübertrager-Austauschfläche.
• Die Ursachen für die nachteilige Wirkung von Viskosität oder Inhaltsstoffen liegen in der Ausführung dieser Wärmeübertrager.
• Die Kinetik einer Flüssigkeit, die zwischen zwei relativ zueinander bewegten Oberflächen bewegt wird, unterscheidet sich von jener, die zwischen zwei unbewegten Oberflächen hindurchfließt. Werden diese Flächen nicht bewegt, wird zum Austausch der Flüssigkeit an diesen Flächen hydraulische Energie der Flüssigkeit benötigt. Der hierfür erforderliche Druckverlust ist erheblich und der Energiebedarf steigt entsprechend.
• Werden die Oberflächen zueinander z.B. mittels eines mechanischen Antriebs bewegt, ermöglicht ein geringerer Energieeinsatz einen vergleichbaren Wärmeaustausch. Dies wird mit dem Ansatz des koaxialen Turbulenzspaltes, innere Flüssigkeitsumwälzung durch Scherung zwischen zwei bewegten Oberflächen zu erzeugen, ermöglicht.
• 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager: Im äußeren doppelwandigen Rohr bestehend aus Mantelrohr (18) und Stator (1) dreht sich der Rotor (2) als zusätzlicher innerer Wärmeübertrager und zum Erzeugen einer Schergeschwindigkeit. Der Antrieb des Rotors erfolgt mechanisch, exemplarisch als Riementrieb mittels Riemenscheibe (8) dargestellt. Der mit dem zu erwärmenden oder zu kühlenden Substrat gefüllte schmale Ringspalt (3) hat eine stehende Außenwand und eine rotierende Innenwand. Eine einstellbare Geschwindigkeitsdifferenz über den Ringspalt führt dazu, dass auch langsam vertikal durchströmendes Substrat (4) an beiden Oberflächen turbulent vorbeiströmt.
• Diese durch die Geschwindigkeitsdifferenz angeregte Turbulenz kann durch die Gestaltung der substratberührten Oberflächen z.B. Profilierung des rotierenden Innenrohrs, ggf. auch des stehenden Außenrohres noch verstärkt werden. Als Option ist in 2 der Rotor mit Schneckenwindungen (26) und das stehende Innenrohr mit einer als Konterwindung ausgeführten Produktleitschiene (27) versehen, die eine innere Rotation des Substratstroms und somit der Turbulenz als auch eine Flussunterstützung in axialer Durchströmungsrichtung verstärken. Aus der Drehrichtung des Rotors, im oder gegen den Uhrzeigersinn, ergibt sich bei Anwendung rechts- oder linksgängiger Schneckenwindungen um den Rotor ein Auf- oder Abwärtsstrom im Turbulenzspalt. Bei sehr hochviskosen, schlecht fließenden Substraten kann deren Fluss mit zusätzlichen, an der Innenfläche des Stators feststehenden, in Flussrichtung gewendelten Produktleitschienen (27) zwangsgeführt unterstützt werden.
• Wie in 1 dargestellt, ist der Rotor mit Zu- und Ablauf für Heiz- bzw. Kühlwasser (6 und 7) ausgerüstet. Der Stator hat ebenfalls Zu- und Ablauf für Heiz- bzw. Kühlwasser (9 und 10). Sowohl im stehenden Außenrohr als auch im Rotor strömen Heiz- bzw. Kühlwasser im Gegenstrom zum Substrat (4 und 20). Durch geeignete Dimensionierung der vertikalen Heiz- bzw. Kühlwasser-Strömungsquerschnitte und Lochronden (16) kann eine effizienzschädliche Temperaturschichtung infolge temperaturabhängiger Dichteunterschiede vermieden werden.
• Während des Betriebes zentriert sich der pendelnd gelagerte Rotor (14) nach dem Prinzip eines hydrodynamischen Gleitlagers selbst. Gasdichte Rotations-Abdichtung erfolgt mittels Tauchtasse und Sperrflüssigkeit (25). Der Koaxial-Turbulenzspalt-Wärmeübertrager ist mit einer Gasableitung mit Schaum- sowie Flotatauslass (11) ausgestattet.
• Mehrere Koaxial-Turbulenzspalt-Wärmeübertrager können zu einer Baugruppe zusammengeschaltet werden. Diese Kopplung kann in Reihen oder Parallelschaltung ausgeführt werden. Dabei können die einzelnen Elemente sowohl im Dreh- und Fördersinn, als auch in der Durchströmungsrichtung beliebig aufeinander abgestimmt werden. 3. zeigt exemplarisch eine Reihung, bei der die einzelnen Elemente jeweils an den oberen Substratanschlussflanschen (31) direkt und an den unteren Substratanschlussflanschen mittels U-Rohrbögen (32) verbunden sind. Die Elemente werden vom Substrat abwechselnd von oben nach unten oder von unten nach oben und vom Heiz- bzw. Kühlwasser jeweils umgekehrt durchströmt (33). Eine solche Baugruppe beispielsweise. mit 10 Elementen wird über einen zentralen Gruppenantrieb (34), hier exemplarisch mit zweiseitig treibendem Keilriemen (35) dargestellt, angetrieben. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit für die unterschiedlichen Drehrichtungen.
• Eigene Untersuchungen zeigen, dass bei struktur-viskosen Flüssigkeiten, z.B. Aufschlämmungen von biogenen Abfällen oder landwirtschaftlichen Reststoffen mit Trockenrückständen von 4 bis 15 % bezogen auf die Feuchtmasse, sich mit der Scherrate die Viskosität stark umgekehrt proportional verändert.
• Im koaxialen Turbulenzspalt wird die Scherung senkrecht zur Fließrichtung mechanisch erzeugt und verursacht somit auf die senkrecht dazu verlaufene Durchströmung keinen zusätzlichen Druckverlust, da die Bewegungs- bzw. Reaktionsvektoren senkrecht zueinander stehen.
• Somit kann mechanisch die Viskosität verringert und gleichzeitig eine turbulente Durchströmung des Wärmeübertragers realisiert werden, ohne die Pumpenleistung erhöhen zu müssen. Zusätzlich erfolgt die Längsdurchströmung des Turbulenzspaltes aufgrund dessen großer Querschnittsfläche nur mit einem Bruchteil der in statischen Wärmeübertragern zur Erzeugung turbulenter Strömungsverhältnisse erforderlichen Strömungsgeschwindigkeit. Entsprechend sinkt der Druckverlust aufgrund abgesenkter Viskosität und geringer Strömungsgeschwindigkeit.
• Wird der Rotor, ggf. auch das stehende Innenrohr, wie in 2 dargestellt, zusätzlich mit Schneckenwindungen, die die Flüssigkeit in Strömungsrichtung im Sinne eines Schneckenförderers treiben, ausgerüstet (26), wird der geringe Druckverlust je nach Geometrie und Rotationsgeschwindigkeit kompensiert oder gar überkompensiert, so dass eine Längsdurchströmung des Turbulenzspaltes allein durch den Eintrag mechanischer Energie durch den Rotor erzielt werden kann. In einem derartigen Fall ist keine Pumpenleistung erforderlich.
• Zusätzliche Produktleitschienen (27) im Inneren des stehenden Außenrohres erforderlich, die auch als Konter-Windungen mit gleicher Förderrichtung bei gegenläufigem Drehsinn ausgebildet sein können, können eine Durchströmung durch massive Scherung zwischen Rotor-Außen- und Stator-Innengewinde begünstigen. In diesem Fall bleibt die Eigenschaft des Turbulenzspaltes erhalten, sofern die Schneckenwindungen den Spalt nicht vollständig ausfüllen, und der gegen die Förderrichtung rückströmende Leckagestrom ausreichend Turbulenzen erzeugt.
• Diese Konfiguration eignet sich insbesondere für höchst struktur-viskose Substrate mit bis zu 20% Trockenrückstand, wie z.B. in Biogasfermentern üblich, als externe Heizung einzusetzen, ohne dass eine zusätzliche Pumpe notwendig ist. Für höchst struktur-viskose Substrate ist aufgrund der sehr hohen Druckverluste und des unzureichenden Wärmeübertrags der Einsatz konventioneller, externer Wärmetauscher weder technisch noch wirtschaftlich sinnvoll.
• Die erfindungsgemäße Ausführung eines senkrecht aufgestellten Koaxial-Turbulenzspalt-Wärmeübertrager bietet folgende Vorteile:
• • Geringer Druckverlust über die Länge des Wärmeübertragers bei der erforderlichen niedrigen Strömungsgeschwindigkeit des Substrates (z.B. 0,1 bis 0,3 m/s).
• • Die durch die Drehzahl des Rotors gezielt erzeugten Scherkräfte verbessern den konvektiven Wärmeübertrag. Bei strukturviskosen Substraten reduzieren diese deren Viskosität und folglich den Druckverlust im Rotationsspalt.
• • Da Volumenstrom des Substrats und Intensität der Turbulenz unabhängig voneinander beeinflusst werden können, besteht die Möglichkeit die Wärmeübertragung optimal zu regeln. Durch das Trennen von Volumenstrom- und Drehzahlregelung ist das Gesamtsystem flexibler.
• • Kein Mindest-Volumenstrom erforderlich, da die zum Wärmeübertrag erforderliche Turbulenz unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird.
• • Durch die unabhängige Steuerung der Turbulenz im Spalt kann eine Selbstreinigung bewirkt werden, die durch Drehrichtungsumkehr signifikant verbessert werden kann, z.B.im Sinne einer Reinigungs- bzw. Wartungsroutine.
• • Separieren sich durch Druck- und Temperaturänderung sowie Turbulenzen im Substrat gelöste oder adsorbierte Gase, führt die senkrechte Ausrichtung zum Aufsteigen der Gase, so dass diese die Wärmeübertragung nicht oder nur unwesentlich behindern.
• • Eine sich bildende Gasphase sowie Schaum oder Flotat werden gefasst und gezielt ausgeleitet.
• • Der konzentrische Aufbau und Aufteilung der Wärmeübertragerflächen ermöglicht konstruktiv optimale Strömungsquerschnitte für das Wärmeträgermedium, so dass einerseits der Druckverlust im Wärmeträgermedium niedrig gehalten werden kann, andererseits effizienzschädliche Temperaturschichtungen vermieden werden können.
• • Die senkrechte Ausrichtung gekoppelt mit der vertikalen Durchströmung mit Substrat verhindert Ablagerungen durch Sedimentation auf den Wärmeübertragerflächen. Ggf. anfallende Sedimente können gezielt an den Tiefpunkten der U-Rohr-Verbindungsleitungen aus dem Prozess ausgeschleust werden.
• • Der geringe Druckverlust beim Durchströmen des Substrats ermöglicht eine größere Anzahl von Wärmeübertrager-Elementen in Reihe zu schalten.
• • Die schlanke hohe Bauweise und die Reihenschaltung ohne zusätzliche Pumpen ermöglichen eine platzsparende Anordnung der Wärmeübertrager-Elemente verbunden mit reduzierten Investitionskosten.
• • Die Senken freie vertikale Bauweise des Wärmeübertragers ermöglicht eine vollständige Restentleerung des Substrats. Dies ermöglicht bei Substraten, die zu Phasentrennung z.B. durch Flotation neigen, vor längeren Stillstandzeiten vorsorglich eine einfache Entleerung.
• • Die konzentrische vertikale Bauweise ermöglicht eine einfache Demontage der Rotors durch Lösen von einer Flanschverbindung, der Rotor-Wärmeträger-Leitungen und des Antriebselements. Der Rotor wird nach oben herausgezogen. Das kann auch bei gefülltem Element erfolgen.
• • Leichter Wartungszugang zum Rotor und in das innere Standrohr aufgrund der einfachen Demontierbarkeit.
• • Mit der Möglichkeit der Drehrichtungsumkehr können betriebs- oder stillstandbedinge Blockaden, Verstopfungen, sowie allfällige Ablagerungen aufgelöst werden.
• • Der Koaxial-Turbulenzspalt-Wärmeübertrager bietet für Substrate der Biogas-Verfahrenstechnik eine um bis zu 10-fach höhere Wärmeübertragungsleistung als der Stand der Technik.
• Ausführungsbeispiel:
• Die im Folgenden dargestellte exemplarische Auslegung eines Turbulenzspalt-Wärmeübertragers für die Betriebsweise Heizen eines typischen strukturviskosen Substrats der Biogastechnik basiert auf eigenen Untersuchungen und Erfahrungswerten. Die Maßangaben entsprechen typischen Anwendungsgrößen und Herstellerangaben. Druckverluste wurden unter Verwendung eines online-Rechners ermittelt. Es werden dabei die Nummern von 1 und 3 in Bezug genommen.
1. 1. Substrat-Eigenschaften:
   • 1.1. Trockensubstanzbereich 10 bis 15 % bezogen auf die Gesamtmasse.
   • 1.2. Für einen Bereich der Scherrate y* von 10 bis 100 s^-1 ein Bereich der dynamischen Viskosität von 2 bis 40 Pa × s.
2. 2. Angestrebte Scherrate y* 10 bis 60 s^-1 zur Reduzierung der dynamischen Viskosität durch den Rotorbetrieb, angestrebte Reduzierung 50 bis 90 %.
3. 3. Angestrebte Mindest-Strömungsgeschwindigkeit für effektiven Wärmeübergang 2 bis 5 m/s.
4. 4. Fertigungstechnisch und anwendungsspezifisch sinnvolle Halbzeug-Geometrien:
   • 4.1. Rohrdurchmesser-Bereich: 100 bis 400 mm.
   • 4.2. Die Halbzeug-Längen für Rohre von typisch 6 m stellen eine Leitgröße für die Baulänge bzw. Höhe eines Elementes dar.
5. 5. Fertigungstechnisch und anwendungsspezifisch sinnvolle Schichtdicken-Bereiche:
   • 5.1. für Heiz-/Külwasser-durchströmte Ringspalte in Rohren: 30 bis 60 mm.
   • 5.2. für Substrat-durchströmte Ringspalte zwischen Rotor und Stator: 30 bis 100 mm
6. 6. Aus 4.1. und 5. ergibt sich ein erster Ansatz für die Rotor-/ Stator-Geometrien:
   • 6.1. Leitrohr (15) PP 110 SDR 11, D_a = 110 mm, D_i = 90 mm
   • 6.2. Rotor (2) 1.4301, DN 200 × 2 mm, D_a = 219,1 mm, D_i = 215,1 mm
   • 6.3. Ringspalt (17) zwischen Leitrohr (15) und Rotorinnenseite (2):
     • a(17) = (D_i von (2) - D_a von (15)) / 2 = 54,6 mm.
   • 6.4. Stator (1) 1.4301, DN 350 × 2 mm, D_a = 355,6 mm, D_i = 351,6 mm.
   • 6.5. Ringspalt (3) zwischen Rotor (2) und Stator (1):
     • a(3) = (D_i von (1) - D_a von (2)) / 2 = 66,3 mm.
   • 6.6. Mantelrohr (18) 1.4301, DN400 × 2 mm, D_a = 406,4 mm, D_i = 402,4 mm.
   • 6.7. Ringspalt (19) zwischen Stator (1) und Mantelrohr (18):
     • a(19) = (D_i von (18) - D_a von (1)) / 2 = 23,4 mm.
   • 6.8. Für Vor- und Rücklauf-Führung geteilte Hohlwelle (13) Gewinderohr DN80:
     • s = 4,05 mm, D_a = 88,9 mm, D_i = 80,8 mm, L = 1 m, Trennschichtdicke 5 mm.
   • 6.9. Heizwasser-Zu- und Ablaufleitungen Rotorkopf (6 und 7) Gewinderohr DN 50:
     • s = 3,65 mm, D_a = 60,3 mm, D_i = 53,0 mm, L = 0,5 m.
   • 6.10. Heizwasser-Zu- und Ablaufleitungen Stator (9 und 10) Gewinderohr DN 65:
     • s = 3,65 mm, Da = 76,1 mm, Di = 68,8 mm, L = 0,5 m.
   • 6.11.Substrat-Zu- & Ab- sowie Verbindungsleitungen DN150 1.4301 :
     • s = 2 mm, D_a = 168,3 mm, D_i = 164,3 mm.
     • 6.11.1. Substrat-Zu- & Ablaufleitungen (30) je 2 × 90°-Bogen, 6,5 m gerades Rohr.
     • 6.11.2. Substrat-Verbindungsleitungen oben (31) je 0,5 m gerades Rohr.
     • 6.11.3. Substrat-Verbindungsleitungen unten (32) je 2 x 90°-Bogen, 0,3 m gerades Rohr.
• Vergleich Koaxial-Turbulenzspalt-Wärmeübertrager mit Wärmeübertragern des aktuellen Standes der Technik entsprechend des obigen Auslegungs-Beispiels.
• Spiral- und Platten-Wärmeübertrager werden mangels Eignung für das Substrat nicht berücksichtig. Abschätzung und Berechnung erfolgten auf Grundlage eigener Untersuchungen bzw. Erfahrungen, unter Verwendung eines online-Rechners für Druckverluste und Herstellerangaben.
• Die vergleichende Gegenüberstellung in der folgenden Tabelle zeigt den Vorteil eines Koaxial-Turbulenzspalt-Wärmeübertrager gegenüber Wärmeübertrager nach Stand der Technik, die für die dargestellte Aufgabe eine Alternative darstellen:

  Bauart Wärmeübertrager	Koaxial-Turbulenzspalt-	Rohr-in-Rohr	Doppel-Helix
  Ausrichtung	Elemente vertikal	horizontal	Längsachse horizontal
  Substrat Bioabfallsuspension	TS 12%, c = 1 kWhth/(K x Mg), dyn. Viskosität 2...40 Pa × s, ϑz = 22°C, ϑa = 71 °C, TSpreitzung= 49 K, V* = 20 m3/h
  Pth erf.	980 kWth
  Heizwasser	c'= 1,16 kWhth/(K x Mg), ϑVL = 85°C, ϑRL = 65°C, TSpreitzung= 20 K
  V* HzWsr erf.	42 m3/h
  LMDT	25,84 K
  Dimensionierung	LElement = 6 m Rotor DN 200 Stator DN 350 AWT Element = 10,0 m2	LElement = 6 m Innenrohr DN100 Mantelrohr DN 150 AWT/Element = 2,0 m2	L = 6,3 m Da = 518 mm DN 100, Kanäle 100 × 120 Rechteckprofil, Kanallänge ca. 85 m AWT/Element = 12,3 m2
  k-Wert-Ansatz	1,25 kW/(m2 × K)	0,4 kW/(m2 × K)	0,3 kW/(m2 × K)
  AWT erf	30 m2	95 m2	125 m2
  erf. Anzahl Elemente	3	48	10
  WT Layout, Gruppierung	3 × in Reihe	48 Elemente in Reihe	2 Linien parallel mit je 5 Elementen
  Strömungsgeschwindigkeit	3 m/s	0,58 m/s	0,23 m/s je Linie
  dyn. Viskosität, Ansatz	3 Pa × s	5 Pa × s	10 Pa × s
  Druckverlust	< 0,5 bar	ca. 30 bar	ca. 50 bar je Linie
  Bei Halbierung des TS-Gehalt ergibt sich:
  Substrat Bioabfallsuspension	TS 6 %, c'= 1 kWhth/(K x Mg), dyn. Viskosität 0,11 ...1,5 Pa × s, ϑz = 22°C, ϑa = 71 °C, TSpreitzung= 49 K, V* = 20 m3/h
  Pth erf.	980 kWth
  Heizwasser	c'= 1,16 kWhth/(K × Mg), ϑVL = 85°C, ϑRL = 65°C, TSpreitzung= 20 K
  V* HzWsr erf.	42 m3/h
  LMDT	25,84 K
  Dimensionierung	LElement = 6 m Rotor DN 200 Stator DN 350 AWT Element = 10,0 m2	LElement = 6 m Innenrohr DN100 Mantelrohr DN 150 AWT/Element = 2,0 m2	L = 6,3 m Da = 518 mm DN 100, Kanäle 100 × 120 Rechteckprofil, Kanallänge ca. 85 m AWT/Element = 12,3 m2
  k-Wert-Ansatz	1,9 kW/(m2 × K)	0,8 kW/(m2 x K)	0,6 kW/(m2 × K)
  AWT erf	20,0 m2	47,4 m2	63,2 m2
  erf. Anzahl Elemente	2	24	6
  WT Layout, Gruppierung	2 ×in Reihe	24 Elemente in Reihe	6 Elemente in Reihe
  Strömungsgeschwindigkeit	3 m/s	0,58 m/s	0,46 m/s je Linie
  dyn. Viskosität, Ansatz	0,2 Pa × s	1,5 Pa × s	2 Pa × s
  Druckverlust	< 0,1 bar	ca. 4 bar	ca. 12 bar

• Abkürzungsverzeichnis

• 1.4301	Werkstoff-Nr.
  DN	Nenn-Durchmesser
  erf.	erforderlich
  HzWsr	Heizwasser
  LMDT	logarithmische mittlere Differenz-Temperatur
  Ofl	Oberfläche
  PP	Rohrleitungs-Werkstoff Plypropylen
  RL	Rücklauf
  SDR	Wandstärken-Durchmesserverhältnis, normierte Angabe bei PP- / PE-Rohren
  TS	Trockensubstanzgehalt in % der Gesamtmasse
  VL	Vorlauf
  WT	Wärmeübertrager

• Formelzeichen

• a	Abstand [mm]
  A	(Ober-)Fläche [m2]
  c'	spezifische Wärmekapazität [kWhth/(Mg x K)] oder [kWhth(m3 x K)]
  Da	Durchmesser außen [mm]
  Di	Durchmesser innen [mm]
  dT	Differenztemperatur [K] oder [C]
  F	Kraft [N]
  k	k-Wert, spezifischer Wärmeübergangskoeffizient [kWth/(m2 x K)]
  L	Länge [m]
  M	Drehmoment [Nm]
  N	Drehzahl [1/s] oder [U/min]
  Pel	elektrische Leistung [kWel]
  Pmech	mechanische Leistung [kWmech]
  Pth	thermische Leistung [kWth]
  s	Wandstärke [mm]
  T	Temperatur [°C]
  V*	Volumenstrom [m3/h]
  y*	Scherrate [1/s]
  ϑ	Temperatur [°C]
  ϑa	Ablauf-Temperatur [°C]
  ϑz	Zulauf-Temperatur [°C]
  ϕ	Durchmesser [m]

• 1: Koaxial-Turbulenzspalt-Wärmeübertrager
• 2: Koaxial-Turbulenzspalt-Wärmeübertrager mit Rotor mit Schneckenwindungen und stehendes Innenrohr mit Produktleitschiene
• 3: Beispiel einer Baugruppe von Koaxial-Turbulenzspalt-Wärmeübertragern Legende zu 1, 2 und 3

1

Stator

2

Rotor

3

Ringspalt, „Turbulenzspalt“

4

Substratstrom

5

Heiz-/Kühlwasserstrom im Leitrohr

6

Heizwasser-Zulauf Rotor

7

Heizwasser Ablauf Rotor

8

Riemenscheibe

9

Heizwasser-Zulauf Stator

10

Heizwasser Ablauf Stator

11

Gasableitung mit Schaum- sowie Flotatauslass

12

Stopfbuchsenpackung

13

Hohlwelle, für Vor- und Rücklauf-Führung geteilt, heizwasserseitig

14

Pendelwälzlager

15

Leitrohr, heizwasserseitig

16

Lochronden zwischen Leit- und Rotorrohr, heizwasserseitig

17

Ringspalt zwischen Rotor (2) und Leitorohr (15), heizwasserseitig

18

Mantelrohr

19

Heizwasser-Ringspalt zwischen Mantel und Stator

20

Heiz- bzw. Kühlwasser im Gegenstrom zum Substrat

21

Substrat-Zulaufleitung

22

Substrat-Ablaufleitung

23

Reduzierung Stator -> Ablauf, bei umgekehrter Strömung Erweiterung Zulauf → Stator

24

Füllhöhe im Substrat-Ringspalt

25

Rotationsabdichtung mit Tauchtasse und Sperrflüssigkeit

26

Schneckenwindung mit rotierend auf dem Rotor (Option)

27

Schnecken-Konterwindung feststehend im Stator (Option)

30

Substrat-Zu- und Ablaufleitungen

31

Substrat-Verbindungsleitungen oben

32

Substrat-Verbindungsleitungen unten, U-Rohrbogen mit Restelntleerung

33

Auf- und Abwärtsströmungen in den gereihten Wärmetauscher-Elementen

34

zentralen Gruppenantrieb

35

zweiseitig treibender Keilriemen

Claims (10)

1. Wärmeübertrager für eine turbulente Gegenstrom-Wärmeübertragung zwischen einem flüssigen Wärmeträgermedium und einem pumpbaren Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus einem doppelwandigen Außenrohr und einem rotierenden Innerrohr besteht, die einen Ringspalt bilden, durch den das Substrat gepumpt wird, wobei das rotierende Innenrohr als auch der Mantel des Außenrohrs vom Wärmeträgermedium durchströmt wird und die Innenfläche des Außenrohrs sowie die Außenfläche des rotierenden Innenrohrs die Kontaktfläche für den Wärmeübertrag bilden.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mantelrohr und rotierendes Innenrohr vertikal konzentrisch ausgerichtet sind.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die substratberührte Oberfläche des rotierenden Innenrohrs profiliert ist.
4. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die substratberührte Oberfläche des rotierenden Innenrohrs mittels Schneckenwendeln profiliert ist.
5. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Innenrohr oben mechanisch angetrieben wird.
6. Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des mechanischen Antriebs die Drehzahl des rotierenden Innenrohrs gesteuert wird.
7. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus mehreren in Reihe geschalteten Wärmeübertrager nach Anspruch 2 besteht.
8. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser unterhalb der Dichtung des rotierenden Innenrohrs im Außenrohr eine verschließbare Öffnung zum Ableiten von Gas, Schaum oder Flotat hat.
9. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser an der Unterseite eine verschließbare Öffnung zur Entleerung hat.
10. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen von Schneckenwendeln und Spalt so ausgelegt sind, dass das Substrat durch die Rotation des Innenrohrs durch den Wärmeübertrager gefördert wird.

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