DE1289069B

DE1289069B - Heat exchangers, especially for liquid media of higher viscosity

Info

Publication number: DE1289069B
Application number: DE1967P0043380
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Helmut; Kramer; Nolzen Hans Martin
Original assignee: Pintsch Bamag AG
Current assignee: Pintsch Bamag AG
Priority date: 1967-11-11
Filing date: 1967-11-11
Publication date: 1969-02-13

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für hochviskose Flüssigkeiten wie Kunstharze, Mehrkomponenten-Imprägnierlacke, Farben, zähflüssige chemische Lösungen, Salzbäder u. dgl,, mit einem zentralen, stehenden Leitrohr, in das von oben ein die Flüssigkeit umwälzendes und vermischendes Rührwerk hineinragt, welches einen im unteren Teil des Leitrohrs angeordneten Axial-Förderpropeller aufweist, und mit um das Leitrohr verteilten, von der Flüssigkeit gegenüber dem Leitrohr in entgegengesetzter Richtung durchströmten Wärmetauscherrohren, deren obere und untere Enden in je einem Rohrboden befestigt sind und die außen von Heiz- oder Kühlmittel beaufschlagt sind.The invention relates to a heat exchanger, in particular for high viscosity Liquids such as synthetic resins, multi-component impregnation varnishes, paints, viscous ones chemical solutions, salt baths, etc., with a central, standing guide tube, into which an agitator that circulates and mixes the liquid protrudes from above, which has an axial feed propeller arranged in the lower part of the guide tube, and with distributed around the draft tube, from the liquid opposite the draft tube in opposite direction flow through heat exchanger tubes, their upper and lower The ends are each fastened in a tube sheet and the outside of the heating or cooling medium are acted upon.

Ein Wärmetauscher dieser Gattung ist durch das deutsche Gebrauchsmuster 1$99 835 bekannt. Bei dieser Ausführung ist der Förderpropeller für Förderung nach unten vorgesehen. Hierdurch soll hauptsächlich die Wellendurchführung des Rührwerkes vor Berührung mit der Flüssigkeit geschützt werden. Um bei abnehmender Füllung noch eine Umwälzung im Wärmetauscher zu erreichen, muß der Förderpropeller eine große Förderleistung haben, was z. B. durch entsprechend große Propellersteigung erreicht wird. Der Energieverbrauch ist bei entsprechender Zähigkeit der Flüssigkeit unwirtschaftlich hoch, und es besteht die Gefahr, daß die Strömung auf der Saugseite abreißt, sich Hohlräume bilden und Kavitation auftritt oder daß sich von der Flüssigkeitsoberfläche her Saugtrichter ausbilden, durch die aus dem gas- oder luftgefüllten Raum oberhalb der Flüssigkeit Gasblasen eingesaugt werden. Die vom zentralen Zulauf entfernteren Wärmetauscherrohre werden wegen zu hoher Reibungs-und Druckverluste in der Flüssigkeit schlecht oder gar nicht durchströmt, so daß sie zum Wärmeaustausch nur wenig beitragen. Um trotzdem einen ausreichenden Wärmeaustausch zu erreichen, muß eine große Wärmeaustauschfläche, d. h. eine große Anzahl relativ enger Steigrohre vorgesehen werden, die schwer zu reinigen sind, leicht verstopfen und für noch polymerisierende Kunststoff-Härter-Gemische unbrauchbar sind.A heat exchanger of this type is by the German utility model Known $ 1 99 835. In this version, the conveyor propeller is for promotion after provided below. This is mainly intended for the shaft feed-through of the agitator protected from contact with the liquid. To with decreasing filling still To achieve a circulation in the heat exchanger, the conveyor propeller must have a large Have conveying capacity, which z. B. achieved by a correspondingly large propeller pitch will. The energy consumption is uneconomical with a corresponding viscosity of the liquid high, and there is a risk that the flow will break off on the suction side Cavities form and cavitation occurs or that is removed from the surface of the liquid Form her suction funnel, through which from the gas or air-filled space above gas bubbles are sucked into the liquid. Those farther away from the central inlet Heat exchanger tubes are damaged because of excessive friction and pressure losses in the liquid poor or no flow, so that they contribute little to the heat exchange. In order to still achieve a sufficient heat exchange, a large heat exchange surface, d. H. a large number of relatively narrow risers can be provided which are difficult to are clean, easily clogged and for plastic-hardener mixtures that are still polymerizing are useless.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile der bekannten Umwälz-Röhrenwärmetauscher zu beseitigen und einen in der Herstellung und im Betrieb wirtschaftlichen sowie leicht und mit nur geringen Verlusten zu reinigenden Wärmetauscher zu schaffen, der auch für Flüssigkeiten mit dynamischen Zähigkeiten von weit über 10 000 cP betriebssicher ist.The object of the invention is to overcome these disadvantages of the known circulating tubular heat exchangers and one that is economical to manufacture and operate as well to create heat exchangers that can be cleaned easily and with only low losses, which is also operationally reliable for liquids with dynamic viscosities of well over 10,000 cP is.

Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, daß der Förderpropeller für Förderung nach oben vorgesehen ist und über dem Leitrohraustritt ein radial förderndes Flügelrad angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung hat der Förderpropeller nur die Flüssigkeit im Leitrohr mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit von unten nach oben zu fördern, wobei - mit relativ geringer Antriebsleistung - auch bei niedrigem Flüssigkeitsstand im Wärmetauscher noch eine Umwälzung stattfindet und das die Flüssigkeit bis zu den radial äußersten Rohren hin verteilende Flügelrad noch von unten her angeströmt wird. Der Druck der auf dem Propeller lastenden Flüssigkeitssäule im Leitrohr verhindert das Abreißen der Strömung auf der Propellersaugseite. Dadurch, daß die das Leitrohr umgebenden Wärmetauscherrohre als Fallrohre in Schwerkraftrichtung durchströmt sind und von dem Flügelrad gleichmäßig bis zu den radial äußersten Rohren hin mit Flüssigkeit beliefert werden, wird eine Intensivierung des Wärmeaustausches in diesen Rohren erreicht. Bei Flüssigkeiten mit verhältnismäßig niedriger Zähigkeit nimmt die Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren infolge der Fallbeschleunigung nach unten zu, es bildet sich ein Einlaufwirbel aus, die Flüssigkeit fließt lediglich entlang den Rohrwänden, während sich in der Mitte ein Gaskern befindet. Der Wärmeaustausch ist hierbei gut. Bei steigender Zähigkeit wird normalerweise die Strömungsgeschwindigkeit wegen der größer werdenden Wandreibungskräfte geringer, die Tiefe des Einlaufwirbels und die Wirbelstärke nehmen ab, das Rohr füllt sich bis dicht unter seinen Einlauf mit Flüssigkeit, und der Wärmeaustausch verschlechtert sich. Das die zähe Flüssigkeit in Spiralbahnen über die gesamte Eintrittsfläche der Wärmetauscherrohre schleudernde Flügelrad erteilt jedoch der Flüssigkeit einen künstlichen Eintrittsdrall und begünstigt damit die Wirbelbildung. Der Förderpropeller wird so ausgelegt, daß er bei der zu erwartenden maximalen Zähigkeit den besten Propellerwirkungsgrad hat. Entsprechend einer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes hat er demgemäß Propellerflügel mit verhältnismäßig geringer Steigung und einem schmalen, dünnen Strömungsprofil. Hierdurch wird eine geringe Oberflächenreibung und minimale Wirbelbildung in der zähen zu fördernden Flüssigkeit erreicht und damit die erforderliche Antriebsleistung möglichst niedrig gehalten. Die geringe Steigung wirkt ebenfalls dem Abreißen der Strömung auf der Saugseite entgegen. Dadurch, daß das Flügelrad .-nach einer weiteren Ausgestaltung axial geteilt und deswegen auf einfache Weise auswechselbar und im Abstand über dem Austritt des zentralen Steigrohres einstellbar ist, kann die vorstehend angeführte Wirkung jeweils in optimaler Weise erzielt werden.For this purpose it is proposed that the conveyor propeller for promotion is provided upwards and a radially conveying impeller above the guide tube outlet is arranged. Due to the arrangement according to the invention, the conveyor propeller has only the liquid in the draft tube at a relatively low speed from below to promote upwards, with - with relatively low drive power - even with low Liquid level in the heat exchanger still a circulation takes place and that the liquid Up to the radially outermost tubes distributing impeller from below is flowed against. The pressure of the liquid column imposed on the propeller Guiding tube prevents the flow on the propeller suction side from tearing off. Through this, that the heat exchanger tubes surrounding the guide tube as downpipes in the direction of gravity are flowed through and from the impeller evenly to the radially outermost tubes are supplied with liquid, an intensification of the heat exchange achieved in these pipes. For liquids with relatively low viscosity the flow velocity in the pipes decreases as a result of the gravitational acceleration towards the bottom, an inlet vortex forms, the liquid only flows along the pipe walls while there is a gas core in the middle. The heat exchange is good here. As the viscosity increases, the flow rate normally increases because of the increasing wall friction forces, the depth of the inlet vortex is lower and the vortex strength decreases, the pipe fills up to just below its inlet with liquid, and the heat exchange deteriorates. That the viscous liquid hurling in spiral tracks over the entire inlet surface of the heat exchanger tubes However, the impeller gives the liquid an artificial inlet swirl and promotes it thus the vortex formation. The conveying propeller is designed so that it is too expected maximum toughness has the best propeller efficiency. Corresponding According to one embodiment of the subject matter of the invention, it has propeller blades with it relatively low gradient and a narrow, thin flow profile. Through this will have low surface friction and minimal vortex formation in the tough too conveying liquid and thus the required drive power as possible kept low. The slight slope also acts to break off the flow on the suction side opposite. Because the impeller. -According to a further embodiment axially divided and therefore easily exchangeable and spaced over the outlet of the central riser can be adjusted, the above-mentioned Effect can be achieved in each case in an optimal manner.

Wenn die Oberseite des Fliigelrades nach einer Ausgestaltung der Erfindung in an sich bekannter Weise geschlossen ist, saugen die Rührflügel nur von unten - also aus dem vom Förderpropeller geförderten Strom - an. Hierdurch wird das Einsaugen von Gasblasen bei abnehmender Füllung des Wärmetauschers auch dann vermieden, wenn die Förderleistung des Flügelrades nicht genau auf die des Förderpropellers abgestimmt ist. Gleichzeitig ist die Rührwerks-Wellendurchführung und deren empfindliche Dichtung gegen Berührung durch die hochgepumpte Flüssigkeit noch besser als bei den vorstehend behandelten Ausführungen geschützt.When the top of the impeller according to one embodiment of the invention is closed in a manner known per se, the impellers only suck from below - i.e. from the electricity produced by the feeder propeller. This will cause the sucking in of gas bubbles with decreasing filling of the heat exchanger also avoided if the delivery rate of the impeller is not precisely matched to that of the delivery propeller is. At the same time is the agitator shaft lead-through and its sensitive seal against contact by the pumped up liquid even better than with the above treated executions protected.

Schließlich sollen die Wärmetauscherrohre mindestens 50 mm Nennweite aufweisen. Bei Rohren mit weiterem Durchmesser läßt sich der beschriebene Wandbenetzungseffekt durch den der Flüssigkeit vom Flügelrad erteilten künstlichen Eintrittsdrall noch besser ausnutzen.Finally, the heat exchanger pipes should have a nominal width of at least 50 mm exhibit. In the case of pipes with a larger diameter, the wall wetting effect described can be achieved by the artificial inlet swirl imparted to the liquid by the impeller make better use of it.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann bei gleicher Erwärmungs- bzw. Kühlleistung wesentlich kleinere Abmessungen haben als die bekannten Wärmetauscher. Wird der Wärmetauscher z. B. zur Erwärmung bzw. Kühlung polymerisierender Kunstharze verwendet, so ergeben sich hierdurch wesentliche wirtschaftliche Vorteile, weil bei der hierbei in relativ kurzen Zeitabständen erforderlichen Ausspülung mit einem Lösemittel die Verluste an teurem Kunstharz merklich kleiner sind. Nachstehend ist unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers näher erläutert. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher gemäß der Erfindung, F i g. 2 einen Teil des Wärmetauschers in F i g. 1 im Querschnitt durch die Rührflügel des Flügelrades, F i g. 3 ein zweiteiliges Flügelrad.The heat exchanger according to the invention can be used with the same heating or Cooling capacity have much smaller dimensions than the known heat exchangers. If the heat exchanger z. B. for heating or cooling polymerizing synthetic resins used, this results in significant economic advantages because in the rinsing with a required here at relatively short time intervals Solvent the losses of expensive synthetic resin are noticeably smaller. Below is with reference to the drawing an embodiment of the invention Heat exchanger explained in more detail. In the drawing, F i g. 1 shows a longitudinal section through a heat exchanger according to the invention, FIG. 2 part of the heat exchanger in Fig. 1 in cross section through the impeller of the impeller, F i g. 3 a two-part Impeller.

Nach F i g. 1 ist der Wärmetauscher in bekannter Weise zusammengesetzt aus einem Behälteroberteil 1, einem Mittelteil 2 und einem Unterteil 3. Auf das Oberteil 1 ist ein Lagerungs- und Dichtaufsatz 4 aufgesetzt, der einen Flanschmotor 5 trägt mit einer nach unten in den Wärmetauscher ragenden Welle 6, auf der an ihrem unteren Ende ein Förderpropeller 7 und darüber ein radial förderndes, an seiner Oberseite mit einer Deckscheibe 8' abgedecktes Flügelrad 8 angeordnet sind. Der Mittelteil 2 des Wärmetauschers weist einen oberen Rohrboden 9 und einen unteren Rohrboden 10 auf, in denen die Enden eines zentralen, stehenden Leitrohres 11 und zahlreicher um das Leitrohr 11 verteilter, im Verhältnis zu den bekannten Wärmetauschern weiter Wärmetauscherrohre 12 befestigt sind. Zwischen den Rohren 11 und 12 sind waagerechte Leitbleche 13 in bekannter Weise so angeordnet, daß ein durch Stutzen 14 und 15 ein- bzw. ausströmendes Kühl- bzw. Heizmittel möglichst gleichmäßig alle Rohre umströmt. Unter dem Förderpropeller 7 sind im Leitrohr 11 radial angeordnete, senkrechte Leitbleche 16 vorgesehen, die das Mitrotieren der zähen Flüssigkeit verhindern. Vorteilhaft sind der Einlauf 17 und der Austritt 18 des Leitrohres 11 gerundet. Als Einlauf 17 ist ein in radialer Richtung flachgedrückter Rohrbogen am Rand des Leitrohres auf den unteren Rohrboden 10 aufgeschweißt. Hierdurch wird auf einfache Weise eine gleichmäßige, möglichst verlustarme Einströmung in das Leitrohr erreicht. Ebenso verbessert die Ausrundung am Austritt 18 des Leiterrohres die Strömungsverhältnisse bei der dort notwendigen Umlenkung um 90°. Im Unterteil 3 des Wärmetauschers ist ein Deckelstutzen 19 angebracht, durch den die Flüssigkeit in das Gefäß eingelassen und wieder abgelassen werden kann.According to FIG. 1, the heat exchanger is composed in a known manner from an upper container part 1, a middle part 2 and a lower part 3. A bearing and sealing attachment 4 is placed on the upper part 1, which carries a flange motor 5 with a shaft 6 protruding downward into the heat exchanger, on which at its lower end a conveying propeller 7 and above it a radially conveying impeller 8 which is covered on its upper side with a cover disk 8 'are arranged. The middle part 2 of the heat exchanger has an upper tube sheet 9 and a lower tube sheet 10, in which the ends of a central, upright guide tube 11 and numerous heat exchanger tubes 12 distributed around the guide tube 11 and wider in relation to the known heat exchangers are fastened. Between the tubes 11 and 12, horizontal guide plates 13 are arranged in a known manner so that a cooling or heating medium flowing in or out through nozzles 14 and 15 flows around all the tubes as evenly as possible. Radially arranged, vertical guide plates 16 are provided under the conveying propeller 7 in the guide tube 11, which prevent the viscous liquid from rotating with it. The inlet 17 and the outlet 18 of the guide tube 11 are advantageously rounded. As an inlet 17, a pipe bend which is flattened in the radial direction is welded onto the lower pipe sheet 10 at the edge of the guide pipe. In this way, a uniform flow into the guide tube with as little loss as possible is achieved in a simple manner. The rounding at the outlet 18 of the conductor tube also improves the flow conditions in the case of the necessary deflection by 90 °. In the lower part 3 of the heat exchanger, a cover nozzle 19 is attached, through which the liquid can be let into the vessel and drained off again.

Im Behälteroberteil 1 ist schließlich ein Rohranschluß 20 zur Ent- oder Belüftung des Raumes über der Flüssigkeit bzw. zum Einleiten von Gas angeordnet. Dieser Teil des Wärmetauscherbehälters kann außerdem auch mit einem - nicht gezeichneten - Sicherheitsventil oder mit einem Sicherheitskopf mit Berstscheibe ausgestattet sein.Finally, a pipe connection 20 for venting or ventilating the space above the liquid or for introducing gas is arranged in the upper part of the container 1. This part of the heat exchanger tank can also be equipped with a safety valve - not shown - or with a safety head with a rupture disk.

In F i g. 2 ist die Anordnung der Wärmetauscherrohre 12 um das Leitrohr 11 sowie der Förderpropeller 7 im unteren Teil des Leitrohres und das Flügelrad 8 zu sehen.In Fig. 2 is the arrangement of the heat exchanger tubes 12 around the draft tube 11 and the conveyor propeller 7 in the lower part of the guide tube and the impeller 8 to see.

In F i g. 3 ist das Flügelrad 8 in größerem Maßstab dargestellt, so daß die Ausbildung der radial fördernden Rührflügel 8" zu erkennen ist sowie die axiale Teilung des Flügelrades und die Schrauben 21, mit denen die beiden Flügelradhälften verbunden und auf der Welle 6 festgeklemmt sind.In Fig. 3 shows the impeller 8 on a larger scale so that the formation of the radially conveying impeller 8 "can be seen as well as the axial division of the impeller and the screws 21 with which the two impeller halves are connected and clamped on the shaft 6.

Claims

Claims: 1. Heat exchanger for liquids with a central, standing draft tube, into which a liquid circulating and mixing from above Agitator protrudes, which has an axial conveying propeller arranged in the front part of the guide tube having, and with distributed around the draft tube, of the liquid in opposite to the Guide tube in the opposite direction flowed through heat exchanger tubes, the upper and lower ends are each fastened in a tube sheet and the outside of heating or Coolants are applied, characterized in that the conveyor propeller (7) is provided for conveying upwards and a radial above the guide tube outlet conveying impeller (8) is arranged.

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized characterized in that the conveyor propeller (7) propeller blades with relatively has a low slope and a narrow, thin flow profile.

3. Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the impeller (8) is divided axially and the wheel halves are connected by means of screws (21) and on the agitator shaft (6) are clamped.

4. Heat exchanger according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the top of the impeller (8) is closed in a known manner (cover disk 8th').

5. Heat exchanger according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the heat exchanger tubes (12) have a nominal width of at least 50 mm.

6. Heat exchanger according to one of claims 1 to 5, characterized by below the conveyor propeller (7) radially arranged, vertical guide plates (16).

7. Heat exchanger according to claim 6, characterized by the rounded inlet (17) and outlet (18) of the guide tube (11).