DE19653790A1

DE19653790A1 - Hochleistungs-Wärmetauschaggregat mit Planetenwalzen-Anordnung für den Wärmetausch mit viskosen Fluiden, auch bei Änderung des Aggregatzustandes zum Verdampfen, Eindampfen, Kondensieren und Gefrieren

Info

Publication number: DE19653790A1
Application number: DE19653790A
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr Oser
Original assignee: Erwin Dr Oser
Current assignee: Entex Rust and Mitschke GmbH
Priority date: 1996-12-21
Filing date: 1996-12-21
Publication date: 1998-06-25
Anticipated expiration: 2016-12-22
Also published as: DE19653790B4; DE19655289B4

Description

Wärmeaustauschaggregate gibt es in sehr unterschiedlichen Ausführungen. Die verschiedenen Bauformen haben sich im Hinblick auf die besonderen verfahrenstechnischen Anforderungen entwickelt.

Besondere Probleme ergeben sich in Wärmeaustauschaggregaten immer dann, wenn aufgrund physikalisch-chemischer Gegebenheiten Einschränkungen vorgegeben sind, z. B. durch die Temperaturempfindlichkeit von Produkten oder hohe Viskosität der Medien, die zu inhomoge nen Temperaturverteilungen führen können. Auch bei Auftreten von Änderungen von Aggre gatzuständen ändern sich die verfahrenstechnischen Bedingungen in einem Maße, daß hier be sondere Verdampferbauformen entwickelt werden mußten.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmeaustauscheraggregat realisiert, das hinsichtlich der Behandlung von Fluiden höherer Viskosität sowie beim Auftreten von Aggregatzuständen besondere Vorteile aufweist.

Die Erfindung sieht dazu eine sinnreiche Verkopplung von thermodynamischen und mechani schen Eigenschaften vor, die sich gegenseitig begünstigen. Die technische Realisierung zeigt

Fig. 1: In einem zylinderförmigen Volumen (1) werden Planetenwalzen (2) um eine angetrie bene zentrale Walze (3), die als "Spindel" wirkt, angeordnet. Die in Berührung tretenden Außenflächen der Komponenten sind mit einer Schrägverzahnung versehen, die als Evolven tenverzahnung ineinandergreifen. Hierdurch ergibt sich bei einer Drehung der Zentralspindel gleichzeitig eine Drehung der Planetenwalzen um die Zentralspindel sowie ein Abrollen der Planetenwalzen auf der äußeren Begrenzungsfläche.

Die Planetenbewegung bewirkt einen intensiven Durchmischungseffekt des gesamten Fluids sowie ein Auswalzen und Kontaktieren einer dünnen Grenzschicht zwischen den Berührungs flächen. Durch diese physikalischen Bedingungen werden besonders günstige Austauschbedin gungen erreicht. Durch Temperieren von Außenwand, Planetenwalzen und Zentralspindel er gibt sich ein hoher Wärmedurchgang und unterstützt von der Flächenvergrößerung der Ver zahnung, damit eine hohe Wärmeaustauschleistung pro Bauvolumen.

Gleichzeitig wird durch die aufeinander ablaufenden Walzen an den Berührungslinien eine ge richtete Kraft entsprechend der Schrägverzahnung erzeugt, die an den Kontaktflächen eine Abstreifwirkung ausübt, durch die etwaige Ablagerungen zugleich abgelöst werden. Hierdurch wird ein ständiger "Selbstreinigungseffekt" bewirkt, der die verfahrenstechnische Zu verlässigkeit des Aggregates sichert.

Die thermodynamische und mechanische Kopplung der Komponenten macht erfindungsgemäß einen Einsatz des Aggregats mit viskosen Medien und bei Austauschvorgängen mit Änderun gen von Aggregatzuständen besonders vorteilhaft.

Verdampfen: Dünnschicht-Verdampfung/Vakuum-Destillation

Mit geeigneter Einstellung der Betriebsparameter kann das Aggregat günstig als "Verdampfer" in Destillationsprozessen eingesetzt werden. Hierzu sind die Betriebsbedingungen, d. h. insbe sondere die Fluidbelastung, so anzupassen, daß gerade die Begrenzungswände und Wal zenoberflächen mit einem Fluidfilm bedeckt sind. Dies kann z. B. durch Benetzung der Außen flächen erreicht werden, wobei durch die Wirkung der ineinandergreifenden Walzen der Fluid film auch auf die anderen Begrenzungsflächen übertragen wird.

Das freie Reaktorvolumen wirkt nun als Verdampfungsraum für die abdampfenden Fluidbe standteile. Indem das Reaktorvolumen unter Unterdruck gesetzt wird, können auch die lei stungssteigernden und mediumschonenden Bedingungen der "Vakuumdestillation" realisiert werden. Der austretende Dampf wird in einem nachgeschalteten Kondensator abgeschieden.

Eindampfen

durch die Verkopplung des Verdampfens mit der mechanischen Förderung wird das Aggregat ideal für das Eindampfen von Schlämmen, z. B. Lackschlämmen. Hierbei werden die Lösemit telanteile abgedampft und die an Viskosität ständig zunehmenden Lackkomponenten werden durch die mechanische Schubwirkung der schrägverzahnten Walzen ausgetragen.

Kurzweg-Destillation

Durch eine geringe Modifikation der Walzenanordnung kann im Aggregat auch die besonders leistungsfähige Betriebsweise einer "Kurzweg-Destillation" realisiert werden. Hierbei sind Ver dampfer und Kondensator im gleichen Raum angeordnet und stehen sich in geringem Abstand gegenüber. Vorteile der Kurzwegdestillation sind hohe Verdampfungsleistungen pro Flä cheneinheit.

In dem beschriebenen Aggregat kann die Betriebsweise der Kurzwegdestillation dadurch reali siert werden, indem die Planetenwalzen und die Zentralspindel mechanisch entkoppelt werden. Dies kann erfindungsgemäß in einfacher Weise durch den Einsatz von Planetenwalzen mit ge ringerem Durchmesser erreicht werden. Dadurch wird der unmittelbare Kontakt der Begren zungsflächen unterbrochen; der zu wählende Mindestabstand wird durch die Destillationsbe dingungen bestimmt.

Fig. 2

In dieser Bauausführung muß für das Abrollen der Planetenwalzen auf der Behälterwand (1) das Antriebsmodul so abgeändert werden, daß nur der Außenkranz der Planetenwalzen (2) angetrieben wird. Der Auswalzeffekt sorgt wieder für dünne Grenzschichten mit effektiven Wärmeaustauschraten und hohen Verdampfungsleistungen.

Die Zentralspindel (3) wirkt in dieser Anordnung als Kondensator, indem sie unterhalb der Kondensationstemperatur temperiert wird. Außenwand und Planetenwalzen einerseits sowie Zentralspindel andererseits werden also auf unterschiedlichen Temperaturniveaus gefahren.

Gefrieren von Fluidanteilen in einem Kälteträgermedium Eiserzeugung

Die Verteilung der Kälte ist die Kühl- und Klimatisierungssystem von entscheidender Bedeu tung. Üblicherweise wird die Kälte in einer zentralen Kühlanlage erzeugt und mit Kälteträgern in Rohrleitungsnetzen zu den Verbrauchsstellen transportiert. Bei großflächigen Verteilungs netzen steigt der Aufwand für Installation, Überwachung und Betrieb der zugehörigen Um wälzpumpen sehr stark an. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, Kälteträger möglichst großer spezifischer Kühlleistung zu verwenden, um die Abmessungen des Rohrleitungsnetzes und die umzupumpenden Mengen in Grenzen zu halten.

Die übertragbaren Kühlleistungen mit den üblichen Kälteträgern auf der Basis von Wasser, z. B. Kaltwasser bis etwa 5°C und Solemischungen unterhalb von 3-5°C oder Wasser-Glykol-Mi schungen wird vor allem durch die spezifische Wärmekapazität des Wassers bestimmt, also ca. 4,1 kJ/kg und °C reichen die mit dem wäßrigen Kälteträgern übertragbaren Kühlleistungen nicht aus, weil sonst die Abmessungen der Rohrleitungsnetze zu groß würden, so werden häu fig auch die zur Erzeugung der Kälte eingesetzten Kältemittel direkt umgepumpt. An den Ver brauchsstellen werden dann Verdampfer angeordnet, in denen effektiv die Kälte ausgetauscht wird.

Höhere spezifische Kälteleistungen können auch durch die Ausnutzung der latenten Schmelz wärmen von Inhaltsstoffen erreicht werden, die beim Phasenübergang fest-flüssig freigesetzt werden. Wasser ist in dieser Hinsicht ein sehr günstiges Medium, da die latente Schmelzwärme des Wassers mit etwa 335 kJ/kg sehr groß ist. Aus diesem Grunde kann mit Kälteträgern, in denen der Kühleffekt durch Schmelzen von Eis zu Wasser erzeugt wird, eine hohe spezifische Kühlleistung erreicht werden.

Die in den Verbrauchsstellen durch Schmelzen des Eisanteils "freigesetzte Kälte" muß in der zentralen Eiserzeugungsanlage jeweils wieder in das System eingespeist werden. Dies geschieht durch Erhöhen des Eisanteils beim Durchgang durch die Eiserzeugungsanlage. Eine derartige Eiserzeugungsanlage wird üblicherweise auf der Basis von Platten- oder Rohrbündel- Wärmetauscher realisiert. Dabei scheidet sich das Eis auf den Wandflächen der vom Kühlme dium durchströmten Austauschflächen ab und muß dann durch zusätzliche mechanische Ab streifvorrichtungen abgelöst werden. Dadurch steigt der Eisanteil in der Mischung, und die damit gebundene latente Kälte immer weiter an. Die mit Eis angereicherte Mischung wird als Vorlauf mit Hilfe einer Pumpe erneut in das Kälteverteilungssystem eingespeist.

Die auf der Basis von Platten- und Rohrbündelwärmetauschern bekannt gewordenen Eiserzeu gungsaggregate sind durch die erforderlichen mechanischen Abstreifeinrichtungen aufwendig und störanfällig. Es hat sich gezeigt, daß diese Abstreifeinrichtungen mechanisch relativ stark belastet werden und deshalb nur eine begrenzte Lebensdauer haben. Die Verminderung der Störanfalligkeit durch einfachere technische Lösungen wäre deshalb im Hinblick auf eine hö here Zuverlässigkeit des Gesamtsystems wünschenswert.

Das erfindungsgemäße Wärmeaustauschaggregat mit Planetenwalzen-Anordnung ist für eine Eiserzeugung in der beschriebenen Anordnung sehr geeignet, indem die sich auf den gekühlten Flächen bildenden Eisschichten durch den mechanischen Eingriff der Verzahnungen, der von den umlaufenden Planetenspindeln ausgeübt wird, ständig abgelöst und in die Mischung über führt werden.

Homogenisieren von Schmelzen

Thermisch induzierte Festkörperreaktionen zwischen metallischen oder keramischen Kompo nenten, wie z. B. bei der Herstellung von Legierungen, Gläsern, Fritten oder Glasuren, werden üblicherweise in Schmelzen durchgeführt. Die zeitliche Dauer und die Vollständigkeit der Festkörperreaktion wird entscheidend von der Viskosität, der Durchmischung und der Homo genität der Schmelzen bestimmt. Unzureichende Durchmischungen bewirken sehr lange Reak tionszeiten. Damit steigt gleichzeitig der bei diesen Prozessen sehr hohe Energiebedarf.

Bei entsprechender Ausgestaltung kann das erfindungsgemäße Aggregat günstig zur Homo genisierung von Schmelzen eingesetzt werden. Die einzelnen Komponenten sind hierzu aus geeigneten Feuerfestmaterialien oder Spezialkeramiken auszuführen, die bei den hohen Schmelztemperaturen eine hinreichende mechanische Festigkeit aufweisen. Die Beheizung des Aggregats erfolgt günstigerweise über die Außenflächen.

Claims

1. Vorrichtung für einen effektiven Wärmeaustausch, gekennzeichnet durch einen zylin derförmigen Reaktorraum, in dem Planetenwalzen um eine zentrale Spindel herum an geordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenwalzen so wohl den Außenzylinder als auch die Zentralspindel berühren, so daß durch eine Dre hung an der Zentralspindel die Planetenwalzen um die Zentralspindel herum bewegt werden und zum anderen auf der Außenfläche abrollen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Zylin dermantels sowie die Oberflächen von Planetenwalzen und Zentralspindel eine Schräg verzahnung aufweisen.

4. Vorrichtung nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägver zahnungen bei der Berührung der Komponenten ineinandergreifen und bei einer Dre hung der Zentralspindel jeweils ineinander abrollen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenzylinder über einen Doppelmantel, und die Zentralspindel über Strömungskanäle temperiert werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenwalzen über einen Strömungskanal temperiert werden.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorraum über einen Anschlußstutzen evakuiert werden kann.

8. Verfahren zum Wärmeaustausch in Fluiden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluide durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 hindurchströmen und über einen Antrieb der Zentralspindel auf die schrägverzahnten Kontaktflächen eine Rotationsbewegung der Planetenwalzen ausgelöst wird, die eine intensive Durchmischung und Homogeni sierung bewirkt.

9. Verfahren zur Destillation, indem die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 in vertikaler Anordnung als "Dünnschicht-Verdampfer" verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid im Verdampfungs raum ringförmig auf der Außenfläche verteilt wird und durch die Wirkung der aufein ander ablaufenden Planetenwalzen und Spindel auf die anderen Kontaktflächen übertra gen wird, so daß das Fluid als dünner Film auf allen Begrenzungsflächen verteilt ist.

11. Verfahren zum Eindampfen, dadurch gekennzeichnet, daß das einzudampfende Fluid entsprechend Anspruch 10 verteilt wird und durch Abdampfen der leichterflüchtigen Komponente aufkonzentriert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das immer viskoser wer dende Restfluid durch mechanische Schubwirkung, die sich aus den ineinander ablau fenden Verzahnungen bewirkt wird, nach unten ausgetragen wird.

13. Verfahren zur Destillation von Fluidmischungen, dadurch gekennzeichnet, daß über die Vorrichtung nach Anspruch 1 die verfahrenstechnischen Bedingungen einer "Kurzweg- Destillation" realisiert werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenwalzen und die Zentralspindel mechanisch voneinander entkoppelt werden, so daß sie sich nicht mehr berühren.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenwalzen un abhängig von der Zentralspindel angetrieben werden, während die Zentralspindel in Ruhe bleibt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralspindel auf eine Temperatur kleiner als die Kondensationstemperatur der abzudampfenden Komponente temperiert wird, so daß die Zentralspindel als Kondensator wirkt.

17. Verfahren zum Gefrieren von Fluidanteilen in einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsflächen auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der auszufrierenden Komponente temperiert werden, wodurch diese Komponente an den Flächen anfriert und durch die ineinandergreifende Verzah nung der Begrenzungsflächen mechanisch ständig abgelöst und in den Fluidstrom überführt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der auszufrierende Fluidanteil Wasser ist, so daß die Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Eiserzeugung in einer Eis-Wasser-Mischung als Kälteträger in einem Kühlsystem dient.

19. Verfahren zum Homogenisieren von Schmelzen in einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungswände auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Fluidbestandteile temperiert werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß Mischungen aus metal lischen oder keramischen Pulvern zur Herstellung von Legierungen, Gläsern, Farbkör pern oder Fritten behandelt werden.

21. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungswände aus feuerfestem Materialien oder hochtemperaturbeständigen Keramikwerkstoffen her gestellt werden.