DE1907432U - Waermetauscher. - Google Patents

Description

AMES CKOSTA MILIS & COMPAHY LIMITED, Moss Iron Works, Heywood, Lancashire, England

Wärmetauscher

Die vorliegende Neuerung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher, bei dem ein schraubenförmig oder spiralähnlich gewickeltes Bohr beidseits eingemantelt ist, wobei das Rohr mit in solchen gegenseitigen Abständen aufeinanderfolgenden Windungen gewickelt ist, daß zwischen benachbarten Windungen ein ununterbrochener schraubenförmiger Kanal gebildet ist, und wobei Zu- und Abführmittel für Gleich- oder Gegenstrom der im Kanal einerseits und im Eohr andererseits strömenden iviedien vorgesehen sind, insbesondere mit Wärmeaustausch zwischen zwei Flüssigkeiten, von denen eine, beispielsweise Faulwasserschlamm, Abwasserschlamm und dergleichen, zähflüssig ist.

Bei der Reinigung von Abwasser z.B. hat man es mit einer sehr zähen Flüssigkeit zu tun, die bedeutende Anteile von organischen, mineralischen und/oder pflanzlichen Stoffen enthält. Solch flüssiger Schlamm (Faulschlamm, Abwasserschlamm) wird einer Wärmebehandlung und einem damit verbundenen

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Zersetzungsprozeß (Ausfaulprozeß) unterzogen. Dabei wird der zu behandelnde bzw. auszufaulende Schlamm in geschlossenen Behältern auf Temperaturen zwischen 30 G und 55 C gehalten, wobei diese Temperaturbedingungen die natürliche Zersetzung des Schlammes und die Umwandlung mancher oder aller seiner komplexen, organischen Verbindungen (Bestandteile) in einfachere Verbindungen oder Anteile und Gase begünstigen bzw. beschleunigen. Große Mengen von brennbaren Gasen, hauptsächlich Methan, werden hierbei erzeugt und können direkt zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Ausfaul- oder Zersetzungsbehälters oder aber auch, bei größeren Anlagen, als Brennstoff für Kraftmaschinen verwendet werden, deren Kühlmittel bzw. Kühlwasser (nach Austritt aus der Kraftmaschine) Wärme an bzw. in den ausfaulenden bzw. sich zersetzenden Schlamm abgibt.

In der Verfahrentechnik ist heute eine Vielzahl von Ausführungen für Wärmeaustauscher bekannt. Alle Konstruktionen haben dabei das Ziel, aufgrund ihrer Baumgestalt einen möglichst günstigen Wärmeübergang zu erzielen. Eine weitere Aufgabe kann darin bestehen, daß aufgrund der Örtlichen Gegeben« heiten eine kompakte Bauweise des Wärmeaustauschers angestrebt wird. Es sind daher Ausführungen von Wärmeaustauschern bekannt, die zur Aufrechterhaltung· der Temperatur des Ausfauloder Zersetzungsbehälters kontinuierlich oder intermittierend eine bestimmte Menge des ausfaulenden bsw. des sich zersetzenden Schlammes durch eine schraubenförmige Rohrschlange pumpen, die in warmes bzw. heißes Wasser in einem geeigneten

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Gefäß oder Kessel eingetaucht ist, wobei die Wärme in den Schlamm aus solchem Wasser übertragen ?/^Tird₅ dessen Temperatur durch Gasbrenner und durch geeignete Heiz- bzw. Feuer- oder Rauchrohre aufrechterhalten wird, die sich durch das Gefäß oder den Kessel hindurch erstrecken, wobei diese Rohre aber auch Ton den Gasmotoren (mit Heißgas bzw. heißem Abgas) in kontinuierlicher Weise gespeist werden können. Diese Ausführung von Wärmeaustauschern steht seit vielen Jahren in Benutzung und hat sich als äußerst zuverlässig erwiesen, da die schnelle Strömung des Schlammes in den mit großem Durchmesser versehenen schraubenartigen Rohrschlangen es gewährleistet, daß keine Störungen durch Verstopfung oder dergleichen vorkommen. .Bei dieser Ausführung ist es jedoch besonders nachteilig, daß auf der Wasserseite des Heizschlangenrohres keine nennenswerten Zirkulations- und Umwälzströmungen auftreten, ".vas zur Folge hat, daß wegen des Fehlens der Scheuer-, ¥/isch- oder Spülwirkung der Gesamt-Wärmedurchgangs- bzw» Wämeübergangs-Koeff izient relativ niedrig ist.

Wieder andere Konstruktionen sehen zwar ein Gegenstromprinzip und damit einen verhältnismäßig hohen Wärmeübergang vor, sind aber wegen der starken Krümmungen und Knicke ihrer Rohrführung bzw. der Zu- und Abführstutzen der Rohre zum Führen von sehr zähflüssigen Medien, insbesondere von Abwasserschlamm und dergleichen nicht oder kaum geeignet,

Bei der Ausführung eines Wärmeaustauschers, der zur Reinigung von Abwässern, insbesondere flüssigem Schlamm (Faulschlamm, Abwasserschlamm) dient, müssen nach den

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der Neuerung zugrundeliegenden Erkenntnissen folgende Punkte konstruktiv "berücksichtigt werden:

1 . hoher Gesamt-Warme-Durchgangs-Koeffizient bzw. Wärmeübergangs~K.oeff izient_}

2. kompakte Gesamtbauweise,

3. ungestörte, schnelle und nach Möglichkeit reibungsfreie Strömung des Durchgangsmediums.

iJie vorliegende .Neuerung erfüllt aufgrund ihrer Raumform alle drei eteea genannten Forderungen. Insbesondere wird den sehr schwierigen Erfordernissen bei der Heinigung von Abwässern dadurch Rechnung getragen, daß für den möglichst ungestörten und reibungslosen Durchgang des schlammigen Mediums durch den Wärmeaustauscher gesorgt wird.

Es wird neuerungsgemäß ein Wärmeaustauscher vorgeschlagen, bei dem ein schraubenförmig oder spiralig gewickeltes Rohr beidseits eingemantelt ist und wobei das Rohr mit in solchen gegenseitigen Abständen aufeinanderfolgender Windungen gewickelt ist, daß zwischen benachbarten Windungen ein ununterbrochener schraubenförmiger h.anal gebildet ist, ?,^robei Zu- und Abführmittel für Gleich- oder Gegenstrom der im Kanal einerseits und im Rohr andererseits strömenden iiedien vorgesehen sind, insbesondere mit Wärmeaustausch zwischen zwei Flüssigkeiten, von denen eine zähflüssig ist ,wie beispielsweise Faulschlamm, wobei gemäß merkmal der feuerung ein oder beide Zu™ und Abführstutzen oder -Rohre tangential in Anfang bzw. Ende des Rohres einlaufend bzw. auslaufend angeordnet sind.

Die feuerung schlägt auch vor, das Rohr als -führungsmittel für die zu beheizende zähflüssige Flüssigkeit auszubilden. _ Blatt 5 -

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Z/Os /

Weiterhin ist es neuerungswichtig, daß bei dem spiralförmig verlaufenden Bohr die Einmantelung eine Außenkontur der Peripherie und Einmantelung besitzt, die eine spiralig verlaufende Form aufweist, und zwar mit etwa radial verlaufender Verschlußplatte9 welche einen anderen Abführanschluß für das zu beheizende medium besitzt.

Dabei kann neuerungsgemäß ferner vorgesehen sein, daß mehrere Einheiten spiralförmig verlaufender Eohre in an sich bekannter Art paketartig aufeinandergeschichtet angeordnet sind, wobei mehrere oder alle Rohre und mehrere oder alle kanäle jeweils in Serie geschaltet, miteinander verbunden sind.

V/eitere merkmale sind den öchutzansprüehen zu entnehmen.

Die Zeichnung zeigt zwei Ausführungsbeispiele; im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer (mit schraubenförmiger Rohrschlange ausgestatteten) Ausführung des neuerungsgemäßen Wärmeaustauschers 5

Fig. 2 einen Schnitt 2-2 - gern. Fig. 1 , Fig. 3 eine Draufsicht,

Fig. 4 im Schnitt ein Detail, das eine Modifikation betrifft,

Fig. 5 eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels (mit spiralförmiger Rohrführung);

Fig. 6 einen Schnitt 6-6 gem. Fig. 5·

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z/Os

In den Beispielen gemäß den Figuren 1 bis 3 ist ein Wärmetauscher für einen Schlamm- oder Abwasser-Erhitzer gezeigt. Das Flachrohr A des Wärmetauschers hat einen Hauptdurchmesser von 1753 nua; ^es besteht aus acht Windungen eines Stahlrohres mit einem lichten Durchmesser von 127 mm, wobei die Windungen etwa 25 mm Abstand voneinander haben*

Dieses schraubenförmig angeordnete Rohr A ist voll ummantelt bzw. eingemantelt mit Hilfe von jeweils einem kompletten (einteiligen,) äußeren und inneren Zylinder B, C von gleicher (axialer) Erstreckung, also von einer axialen Länge, die der der Eohrschraube entspricht, wobei jeder Zylinder entlang einer geeigneten Umfangsschraubenlinie mit einer Anzahl bzv/. Serie von Löchern oder Schlitzen D versehen ist, Vielehe die feste und dauerhafte Verbindung der Zylindermäntel mit dem Rohr z.B. durch Verschweißung oder Verlötung gestatten? es entsteht so ein ununterbrochener schraubenförmiger Kanal E, also jeweils zwischen aufeinanderfolgenden und benachbarten Windungen des Rohres. Dieser Kanal ist an beiden Enden (oben und unten, Fig. 1 und 2) abgeschlossen mit Hilfe von Eingplatten F, die an die entsprechenden benachbarten (auch ringförmigen) Kanten (Endkanten) der Zylinder B, C angeschweißt oder angelötet, jedenfalls fest und dicht angeschlossen sind.

Es ist normalerweise zweckmäßig, die Schrauben-Rohrschlange A mit vertikaler Achse anzuordnen, und für diesen Zweck kann der innere Zylinder G mit Anhebearmen oder Laschen G oder dergleichen versehen sein, und zwar liegen dann diese Organe G zweckmäßig in der iiähe des oberen Endes des Gerätes; das obere Ende ist mit einem diametral angeordneten Support

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(Querstrebe) a verspannt, beispielsweise für ein bedeckendes Glied (Deckel oder dergleichen, in der Zeichnung nicht dargestellt) .

Das untere und das obere Ende der Rohrschlange A sind durch den äußeren Zylinder B nach außen durchgeführt, so daß ein tangentialer Einlaßstutzen und ein tangentialer Auslaßstutzen I bzw. J gebildet sind, die als Anschlüsse für Zu- und Ableitung dienen; diese Stutzen I, J oder dergleichen sind gegensinnig gerichtet und an ihren Enden mit Flanschen bzw. Anschraubflanschen versehen. V/eitere Einlaß- und Auslaßstutzen K, L oder dergleichen sind rund um entsprechende Durchbruchsöffnungen des Zylinders B angeschweißt, und zwar oben und unten an diesen Zylinder, also in solcher Weise, daß diese Organe ii, L mit dem schraubenförmigen itanal E an (zwei) solche? Stellen in Verbindung stehen, welche voneinander durch acht komplette Windungen des genannten Kanals E entfernt liegen (von K bis L hat E eine Länge von acht Umläufen).

Heißwasser (Kühlwasser) von Gasmotoren oder von anderen außerhalb liegenden Heizquellen (Wärmeerzeugern) wird in den Einlaßstutzen Ii des schraubenförmigen Kanals E gepumpt und verläßt diesen wieder durch den Auslaß L nahe dem unteren Ende von E, nachdem nämlich die erforderliche Wärmemenge entzogen bzw. zurückgehalten wurde. Auf diese Weise wird ein wesentlicher Anteil der in dem zirkulierenden Wasser vorhandenen bzw. der aus diesem erhältlichen Wärme bzw. Wärmemenge in den Schlamm übertragen, welcher in der schraubenförmigen Rohrschlange A im Gegenstrom strömt (d.h. im Beispiel: aufwärts von I nach J); Schlamm und Wasser können auch in

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gleicher Richtung strömen (Gleichstrom); auch kann die Rohrschlange A mit horizontaler Achse angeordnet sein.

Wenn man eine noch bessere Saumaus nutzung (ein besseres lichtes Querschnittsprofil von E) wünscht als im Beispiel der li'ig. 1 bis 3> dann kann der Profilquerschnitt des schraubenförmig -verlaufenden Kanals E erweitert (vergrößert) werden durch eine solche Formgebung für das Querschnittsprofil des Rohrs A, die nicht kreisrund ist; die Figur 4- zeigt als Beispiel die Verwendung eines flach - rechtwinklig (rechteckig) profilierten Kanals E, der zwischen aufeinanderfolgenden Windungen eines mit quadratischem Querschnittsprofil ausgestatteten Rohrs A läuft.

Welche Querschnittsprofile für das Rohr A auch verwendet werden, es kann in jedem Fall jede der kompletten (zum Beispiel aus Blech geformten) äußeren und inneren Zylinder B, C ersetzt werden durch eine Serie von passend entwickelten bzvi. aufgewickelten metallstreifen oder -bändern, ^velche Ende-an-Ende miteinander verbunden werden, um eine Art Schraube zu bilden, und Vielehe an die Rohrschlange A längs deren Seitenkanten (oder -flächen) angeschweißt oder angelötet "/erden (durch Bandagenwicklung entstandene Zylinder B, C).

Die Fig. 5 ^un<3· 6 zeigen eine andere Ausführungsform, Hier ist die schraubenförmige Rohrschlange A ersetzt durch ein entsprechend langes Rohrstück A', welches in einer flachen oder ebenen Spirale gewickelt ist, und von Anbeginn an Windungen mit gegenseitigem Abstand besitzt, und welche zwischen Balkenoder Deckplatten B¹, C¹ befestigt ist; somit wird jeweils zwischen den benachbarten Windungen der Spirale und zwischen den (zueinander vornehmlich parallelen) Platten B¹, C ein

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ebenfalls spiralig laufender Kanal E^! gebildet, dessen Querschnittsprofil abhängig ist vom Querschnittsprofil des verwendeten Rohrs A¹« Für die Art der verwendbaren Querschnittsprofile (Strömungsquerschnitte) gilt analog das schon zum ersten Beispiel Gesagte.

Die äußerste bindung des Kanals E' ist begrenzt von der benachbarten (äußersten, letzten) Windung des spiralförmig laufenden Eohrs A¹I, und durch einen Metallstreifen oder ein :.;etallband i;¹·, welches zwischen den überhängenden (über die Spirale nach außen überstehenden) Umfangsbereichen der Seitenoder Deckplatten B¹, C ein- bzw. angelötet oder angeschweißt ist? am inneren Ende mündet der Kanal E¹ in einen zentralen Raum M, der sich zwischen den genannten Deckplatten befindet. Geeignete Stellen für die Einlaß- und Auslaßanschlüsse für den Schlamm und das heiße Wasser sind bei I¹, J¹ und K¹, L' entsprechend angegeben. Eine kehrzahl solcher Einheiten kann geschichtet oder paketartig aufeinander gesetzt oder zusammengesetzt werden, wie (zum Teil gestrichelt) in Fig. β angegeben ist ι in solchem Falle wird man geeignete Verbindungen (Verbindungsstücke) zwischen den aufeinanderfolgenden Rohrschlangen A¹ und den entsprechenden Kanälen Ef vorsehen (also: alle Rohre A¹ des Pakets sind in Serie geschaltet, ebenso alle Kanäle E¹; gegebenenfalls ist aber auch Parallelschaltung möglich).

Die erzwungene Zirkulation und die sich ergebende hohe Geschwindigkeit des Wassers (üeißwassers) beim Durchströmen des schraubenförmigen oder spiralförmigen Kanals E (bzw. E¹) gewährleistet Sicherung der äußeren Heizfläche (Erhaltung der i'unktionstüchtigkeit, Saüberhaltung) des Rohres A oder A^!

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und erhöht wesentlich den Gesamtwarmeübergangs-Koeffizienten des Gerätes, so daß die Länge eines solchen Eohres entsprechend reduziert werden kann.

Die Ausführung der Anschlußstutzen für Zu- und Einlauf I und J des spiralig gewickelten Rohres ist dabei für die vorliegende Neuerung von besonderer Wichtigkeit. Durch einen derartigen Anschluß wird die Strömung sowohl beim Einlauf in das spiralförmige Rohr als auch beim Auslauf aus dem spiralförmigen Rohr heraus nicht schädlich gestört; es bilden sich dort also keine starken Wirbel, sondern die Strömung bleibt in weitem kaße laminar; damit wird der Strömungswiderstand auf ein Liinimum reduziert, was bei zähflüssigen, d.h. nieder-viskosen i'lüssigkeiten wie Schlamm und dergleichen, von maßgeblicher .Bedeutung ist.

Wie man aus Fig. 3 leicht erkennt, bietet die tangentiale Anordnung der Anschlußstutzen an dem spiralförmigen Rohr den weiteren beachtlichen Vorteil einer sehr kompakten Bauweise.

Wenn die Durchflußrate des zirkulierenden Wassers gering ist, kann seine Geschwindigkeit (Strömungsgeschwindigkeit) durch den schraubenförmigen oder spiralförmigen Kanal erhöht werden durch eine zusätzliche Zirkulations- oder Umwälzpumpe (oder deren mehrere), T/elche also das Wasser durch den Wärmeaustauscher auf eine in sich geschlossene (endlose) Strömungsbahn bewegt (durchpumpt). Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit durch Veränderung der Leistung dieser Pumpe hat die Wirkung einer (entsprechenden) Änderung der Wärme-Übertragungs-Lapazität des Gerätes, so daß der Gesamt-Wärinedurchgangs-Koeffizient durch die Geschwindigkeit des V/assers beeinflußt

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Z/Os

Wenn das i'aulgas (SchlaimngasJ nicht als Brennstoff für Motoren oder Maschinen mit innerer Verbrennung (z.B. Gasmotoren) verwendet wird, dann kann die Lieferung -von heißem Wasser von irgendeiner äußeren 57ärme quelle erzielt werden; beispielsweise hat ein solcher Wassererhitzer eine Mehr-Brennstoff -Brenner-Ausstattung (Einrichtung zum Verbrennen verschiedenartiger Brennstoffe), so daß abwechselnd oder wunschgemäß Brennstoffe wie Heizöl, Stadtgas, Propangas und dergleichen verwendet werden können, beispielsweise dann, wenn nur ungenügende Mengen von i'aul- oder Schlammgas zur Verfügung stehen. Andererseits und alternativ können die ummantelten oder abgedeckten schraubenförmigen oder spiraligen Rohre auch völlig in einem geeigneten wassergefüllten Gefäß oder Kessel untergebracht werden (also eintauchen), welches bzw. welcher mit entsprechenden Feuerrohren (auch Rauchgasrohren) und Ivlehrzweckbrennern (Mehrstoffbrennern) zum Aufheizen des Wassers versehen wird, wobei eine Pumpe zum Umwälzen bzw. Zirkulieren des Heißwassers vom Boden dieses Gefäßes oder Kessels durch den schraubenförmigen oder spiraligen Kanal E, E¹ der eingeschlossenen oder eingetauchten Anordnung (auch Rohrschlange mit Abdeckungen) vorgesehen ist oder sein kann.

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Claims (6)

!A. 813 659*19.1164 2812/01 - 12 - 17- November 1964 Schut zansprüche

1. Wärmetauscher, bei dem ein schraubenförmig oder spiralig gewickeltes Bohr beidseits eingemantelt ist und wobei das Rohr mit in solchen gegenseitigen Abständen aufeinander folgender Windungen gewickelt ist, daß z\<srischen benachbarten Windungen ein ununterbrochener schraubenförmiger Kanal gebildet ist, wobei Zu- und Abführmittel für Gleich- oder Gegenstrom der im Kanal einerseits und im Rohr andererseits strömenden Medien vorgesehen sind, insbesondere mit Wärmetausch zwischen zwei Flüssigkeiten, von denen eine, beispielsweise Faulschlamm, Abwasserschlamm und dergleichen, zähflüssig ist, dadurch gekennzeichnet , daß ein oder beide Zu- und Abführstutzen oder -rohre (i) tangential in Anfang bzw. Ende des Rohrs (a) einlaufend bzw. auslaufend angeordnet sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennaeich net, daß das Rohr (a) als Führungsmittel für die zu beheizende zähflüssige Flüssigkeit ausgebildet ist.

nach Anspruch 1 und/oder 2

3. Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet , daß

bei spiralig verlaufendem Rohr (A¹) die Einmantelung (B¹, C^!, F*) eine Außenkontur der Peripherie und Einmantelung (F^r) be-

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sitzt, die eine spiralig verlaufende Form, aufweist, und zwar mit etwa radial verlaufender Yerschlußplatte (I¹)» welche einen Zu- oder Abführanschluß für das zu beheizende Medium "besitzt.

4. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 "bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß mehrer« Einheiten spiralig verlaufender Rohre in an sich bekannter Art pakebar tig aufeinander geschichtet angeordnet sind, wobei mehrere oder alle Rohre (A') und mehrere oder alle Kanäle (E¹) jeweils in Serie geschaltet miteinander verbunden sind.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4₅ dadurch g e k e η η zeichnet, daß jedes der aufeinander geschichteten Rohre mit seiner Ummantelung eine körperliche Einheit bildet und daß mehrere solcher Einheiten aufeinander geschichtet zusammengefaßt sind.

6. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet , daß das Rohr (A,A¹) in an sich bekannter Weise ein rundes Querschnittsprofil besitzt.

7ο Wärmetauscher, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch. gekennzeichnet , daß das Rohr

(.xi-jji.¹ ) in an sich bekannter Weise ein rechteckeges Querschnitts-Profil besitzt.

3. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-7 dadurch gekennzeichnet, daß

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der Kanal (E,E*) Teil eines geschlossenen Strömungskreislaufes ist, in welchem eine oder mehrere Pumpen ztim Bewegen des Strömungsmediums vorgesehen sind.

nach, einem oder mehreren der Ansprüche 1 _r 8 , „ 9. Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet , daß ein an sich bekannter Vorratsbehälter in einer die eingemantelte Rohrschlange oder Rohrschlangen umgebenden Formung vorgesehen ist, wobei dieser Vorratsbehälter mit dem Kanal (Ε,Ε¹) bleibend verbunden ist und wobei für den Vorratsbehälter eine Beheizungsvorrichtung vorgesehen ist.