DE19636018A1 - Verfahren zur Konstruktion und Betriebsweise von Wärmeübertragern zur Wärmeübertragung zwischen drei oder mehr Medien, welche den Wärmeübertrager getrennt voneinander durchströmen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konstruktion und Betriebsweise von Wärmeübertragern zur Wärmeübertragung zwischen drei oder mehr Medien, welche den Wärmeübertrager getrennt voneinander durchströmen.

Prinzip der Wärmeübertragung

Wärmeübertrager verschiedenster Bauart, z. B. Rohrbündel- oder Plattenwärmeübertrager, werden betrieben, um thermische Energie (Wärme) von einem Medium auf höherem Temperaturniveau ("wärmeres Medium") auf ein Medium auf niedrigerem Temperaturniveau ("kälteres Medium") zu übertragen. Dies wird im folgenden am Beispiel des Rohrbündel-Wärme­ übertragers erläutert.

Abb. 1 zeigt die Prinzipskizze eines Rohrbündel-Wärmeübertragers nach dem VDI-Wärme­ atlas.

Hier durchströmt ein Medium die Rohre, während ein Heiz- oder Kühlmedium gleichzeitig um die Rohre strömt. Rohr- und Mantelraum sind völlig voneinander getrennt. Abdichtungsprobleme zwischen den Medien oder nach außen treten nicht auf. Diese Bauart kann auch bei hohen Arbeitsdrücken eingesetzt werden.

Verfahrenstechnische Aspekte beim Betrieb von Wärmeübertragern

Stand der Technik ist es, die beschriebenen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen zwei Medien einzusetzen, die den Wärmeübertrager getrennt voneinander durchströmen. Die Wärmeübertragung kann zur Kondensation oder Verdampfung oder anderen Zwecken dienen. Zur Steuerung der Wärmeübertragung ist es möglich, z. B. die Strömungsgeschwindigkeit der beiden Medien zu regeln.

In vielen Fällen ist es wünschenswert, durch einen Wärmeübertrager die Wärmeübertragung nicht nur zwischen zwei, sondern zwischen drei oder mehr Medien zu ermöglichen. Häufig sollen die jeweiligen Medien aus technologischen oder anderen Gründen nicht miteinander vermischt werden oder nicht miteinander in Berührung kommen. Wenn nur zwei voneinander getrennte Räume - beim Rohrbündelwärmeübertrager Rohr- und Mantelraum - existieren, ist dies jedoch ohne dazwischen geschalteten Reinigungsprozeß nicht möglich.

Ein entsprechender Fall kann bei der Würzekochung in der Brauerei auftreten. Die Würzekochung ist ein Teilschritt bei der Bierbereitung. Dabei wird eine wäßrige Lösung, die Würze, unter Zusatz von Hopfen ca. 60-120 min unter Atmosphären- oder leichtem Überdruck gekocht und um ca. 6-15 Volumen-% eingedampft. Die Hauptinhaltsstoffe von Würze sind Zucker und Eiweiße, daneben auch andere Stoffe wie Fette und Mineralien in geringerer Konzentration.

Durch die Verdampfung entsteht ein leicht mit organischen Substanzen verunreinigter Wasserdampf, der Brüden. Oft erfolgt die Würzekochung mittels eines Brüdenverdichtungsanlage. Dabei wird der Brüden durch einen Verdichter angesaugt und auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau verdichtet, um ihn dann zur Beheizung des Würzekochprozesses einzusetzen. Der verdichtete Brüden gibt seine Kondensationswärme in einem Wärmeübertrager, z. B. einem Rohrbündelwärmeübertrager, an die Würze ab.

Brüdenverdichtungsanlagen entstanden aus Gründen der Energieersparnis, da der Würzekochprozeß ursprünglich mit Frischdampf beheizt wurde und der energiereiche Brüden in die Atmosphäre entwich. Mittlerweile ist es durch das Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG) nicht mehr zulässig, den geruchsbelasteten Brüden in die Atmosphäre entweichen zu lassen.

Der Brüden wird allerdings nicht immer in Form einer Brüdenverdichtungsanlage zur Beheizung der Würzekochung eingesetzt oder, etwa wenn eine thermische Brüdenverdichtungsanlage zum Einsatz kommt, nicht vollständig zur Würzekochung benötigt. Er kann dann in einem Wärmeübertrager, dem sogenannten Pfannendunstkondensator (Pfaduko), kondensiert und in einem zweiten Wärmeübertrager weiter abgekühlt werden, wobei Wasser von ca. 80-95°C erwärmt wird.

Das Heißwasser kann z. B. zum Aufheizen der Würze vor der Würzekochung eingesetzt werden. Wünschenswert wäre es jedoch, die Kondensationswärme des Brüdens nicht zunächst auf Heißwasser zu übertragen, dieses Heißwasser zu speichern und dann wiederum die Wände vom Heißwasser auf ein anderes Medium zu übertragen, sondern direkt, ohne den Umweg über den Wärmeträger Heißwasser, auf ein anderes aufzuheizendes Medium. Dazu wird allerdings ein Prozeß benötigt, bei dem ein entsprechender Wärmebedarf besteht und der zeitgleich zur Würzekochung abläuft, bei der der Brüden entsteht. Sind Prozesse vorhanden, die nicht immer oder nicht völlig zeitgleich zur Würzekochung ablaufen, so sollte es alternativ auch möglich sein, doch- die Kondensationswärme des Brüdens zur Heiß- oder Warmwasserbereitung nutzen zu können.

Aus technologischen Gründen dürfen die vorhandenen Medien, z. B. Brüden, aufzuheizende Würze und Wasser, nicht miteinander in Berührung kommen. Dies ist mit einem Wärmeübertrager, der nur zwei voneinander getrennte Räume aufweist, nicht möglich.

Während Wasser mit ca. 95°C meist zur Aufheizung der Würze vor der Würzekochung genutzt werden kann, besteht in der Brauerei meist nur ein geringer Bedarf an Wasser mit ca. 80°C, so daß die Erwärmung von Wasser mit 80°C oft nicht sinnvoll ist und vermieden werden sollte.

Lösungsvorschlag

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Wärmeübertrager zu konstruieren, mit dem es möglich ist, Wärme von einem Medium auf zwei oder mehr Medien zu übertragen, wobei alle Medien getrennt voneinander bleiben. Gelöst wird die Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Wärmeübertragung soll steuerbar sein. Am Beispiel der Würzekochung in der Brauerei bedeutet dies, daß beim aufzuheizenden Medium eine bestimmte Temperatur erreicht werden soll, z. B. 95°C bei Wasser. Dies kann erreicht werden, indem die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers durch den Wärmeübertrager in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur des heißen Wassers aus dem Wärmeübertrager gesteuert wird. Steigt diese Austrittstemperatur über 95°C an, wird die Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Sinkt sie dagegen unter 95°C ab, wird die Strömungsgeschwindigkeit erhöht.

Am Beispiel des Rohrbündel-Wärmeübertragers wird nun gezeigt, wie ein Wärmeübertrager nach Anspruch 1 gestaltet werden kann. Um die Abbildung nicht unnötig zu verkomplizieren, wird angenommen, daß dabei die Wärme von einem Medium, z. B. Brüden, auf zwei andere Medien, z. B. Wasser oder aufzuheizende Würze, übertragen werden kann. Eine Prinzipskizze zeigt Abb. 2.

Hier strömt ein wärmeabgebendes Medium A durch eine Einströmöffnung 1 in den Mantelraum 2 eines Rohrbündel-Wärmeübertragers. In diesem Mantelraum 2 befindet sich eine dem jeweiligen Einsatzzweck angepaßte Anzahl von Rohren 3. Nach der Wärmeabgabe verläßt das Medium A den Mantelraum durch eine Ausströmöffnung 4.

Ein wärmeaufnehmendes Medium B tritt durch eine Einströmöffnung 5 in den Kopfraum 6 ein, strömt von dort durch Rohre 3 in den Kopfraum 7 und verläßt den Wärmeübertrager durch eine Ausströmöffnung 8.

Ein zweites wärmeaufnehmendes Medium C tritt durch eine Einströmöffnung 9 in den Kopfraum 10 ein, strömt von dort durch Rohre 3 in den Kopfraum 11 und verläßt den Wärmeübertrager durch eine Ausströmöffnung 12.

Die Kopfräume 6 und 10 sowie 7 und 11 sind durch halbkugelförmige oder anders geformte Hauben 16 und 17 vom Raum außerhalb des Rohrbündel-Wärmeübertragers vollständig abgetrennt.

Die Kopfräume 6 und 10 sowie 7 und 11 sind baulich so voneinander getrennt, daß ein Kontakt zwischen den Medien B und C nicht möglich ist. Dies kann geschehen, indem man im jeweiligen Kopfraum eine Trennplatte anbringt, oder aber den Kopfraum nicht durch eine unterteilte, sondern zwei getrennte Hauben ausführt. Größe der Hauben bzw. Position der Trennplatte hängen vom jeweiligen Einsatzzweck ab.

Die beschriebene Unterteilung der Kopfräume ist Gegenstand der Ansprüche 2 und 3.

Der Mantelraum 2 ist von den Kopfräumen 6, 7, 10 und 11 durch zwei Lochplatten 13 und 14 getrennt. Die Enden der Rohre 3 sind so mit den Öffnungen in den Lochplatten verbunden, daß die Medien B und C durch die Rohre 3 strömen können, aber nicht mit dem Medium A im Mantelraum 2 in Berührung kommen können. Der Mantelraum 2 wird durch eine Zarge 15 vom Raum außerhalb des Wärmeübertragers vollständig abgetrennt.

Um eine gleichmäßigere Wärmeübertragung im gesamten Mantelraum zu erreichen und Temperaturspannungen zu vermeiden, kann eine Variante des Wärmeübertragers nach Anspruch 1 zur Anwendung kommen, wie sie Abb. 3 zeigt. Soweit möglich, werden die Bezeichnungen aus Abb. 2 übernommen. Auch hier wird der Einfachheit halber die Wärmeübertragung von einem Medium A, das durch den Mantelraum strömt, auf zwei Medien B und C, die durch die jeweiligen Kopfräume und Rohre strömen, angenommen.

Bei der Variante nach Abb. 3 existieren Rohre 3 und 3a mit unterschiedlicher Länge. Die kürzeren Rohre 3 enden an den Lochplatten 13 und 14. Die längeren Rohre 3a gehen durch die Lochplatten 13 und 14 hindurch und enden an zwei weiteren Lochplatten 18 und 19. Die Zarge 15 wird bis zu den Lochplatten 18 und 19 verlängert. Damit bilden die Lochplatten 13 und 18 sowie 14 und 19 zusammen mit der verlängerten Zarge jeweils einen eigenen Kopfraum 6 und 7. Entsprechend befindet sich am Kopfraum 6 die Einströmöffnung 5 und am Kopfraum 7 die Ausströmöffnung 8 für das Medium B. Die Anordnung kann auch umgekehrt erfolgen. Das Medium B strömt dann in die Einströmöffnung 5, von dort in den Kopfraum 6, durch die kürzeren Rohre 3 in den Kopfraum 7 und über die Ausströmöffnung 8 aus dem Wärmeübertrager hinaus.

Das Medium C strömt über die Einströmöffnung 9 in den Kopfraum 10, der von der Haube 16 und der Lochplatte 18 gebildet wird. Von dort strömt C durch die Rohre 3a in den Kopfraum 11, der von der Lochplatte 19 und der Haube 17 gebildet wird, und verläßt den Wärmeübertrager durch die Ausströmöffnung 12.

Durch die Verwendung von Rohren weiterer Längen und weiterer Lochplatten kann der Wärmeübertrager auch für eine größere Anzahl von Medien eingesetzt werden.

Die beiden gezeigten Varianten eines Rohrbündel-Wärmeübertragers sind konstruktiv ohne großen Aufwand herzustellen und führen daher zu akzeptablen Investitionskosten.

Die grundlegende Idee der Erfindung, einen Wärmeübertrager zu finden, mit dem es möglich ist, Wärme von einem Medium auf zwei oder mehr Medien zu übertragen, wobei alle Medien getrennt voneinander bleiben müssen, kann, neben der Bauart als Rohrbündel- Wärmeübertrager, auch durch andere Bauarten von Wärmeübertragern, z. B. Platten-Wärme­ übertrager, verwirklicht werden.

Claims (4)

1. Wärmeübertrager mit mehreren, mindestens aber drei, getrennten Räumen, dadurch gekennzeichnet, daß es möglich ist, Wärme von einem Medium auf mehrere, mindestens aber zwei, andere Medien zu übertragen, wobei die einzelnen Medien in völlig voneinander getrennten Räumen strömen und nicht miteinander in Berührung kommen können.

2. Rohrbündel-Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfräume des Wärmeübertragers durch jeweils eine Haube beliebiger Form und eine Lochplatte gebildet werden und durch eine oder mehrere Trennwände unterteilt sind, so daß ein jedes Rohr immer nur von einem Medium durchströmt werden kann, um die Berührung verschiedener Medien zu verhindern.

3. Rohrbündel-Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfräume des Wärmeübertragers nebeneinander liegen und durch jeweils zwei oder mehr voneinander getrennte Hauben beliebiger Form zusammen mit der jeweiligen Lochplatte gebildet werden, um die Berührung verschiedener Medien zu verhindern.

4. Rohrbündel-Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfräume des Wärmeübertragers hintereinander liegen und jeweils durch Lochplatten und Abschnitte der Zarge gebildet werden, wobei die beiden außen liegenden Kopfräume durch je eine Lochplatte und eine Haube beliebiger Form gebildet werden und wobei der Rohrraum, durch den das jeweilige Medium strömt, durch Rohre gleicher Länge gebildet wird, die Rohrräume unterschiedlicher Medien aber durch Rohre unterschiedlicher Länge gebildet werden, so daß eine Berührung verschiedener Medien vermieden wird.