DE19754145A1 - Spiralwärmeübertrager in Elementbauweise - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiralwärmeübertrager in Elementbauweise für feststoffbeladene Flüssigkeiten, insbesondere für schlammartige Fluide höherer Viskosität mit einem ausgeprägten Fouling-Verhalten.

Anwendungsgebiet der Erfindung ist die thermische Behandlung von Klärschlamm, Bioabfall und organischem Restmüll an Klär- und Biogasanlagen.

Für gut fließ- und strömungsfähige Medien, wie Gase und Flüssigkeiten, werden Wärmeübertrager als Platten-, Rohrbündel-, und Doppelrohrwärmeübertrager in vielfältig bekannter Bauart eingesetzt. Bei Medien mit verminderter Fließfähigkeit durch Feststoffanteile sind derartige Wärmeübertrager durch zu enge Strömungsquerschnitte und scharfe Umlenkungen nur beschränkt bzw. nicht einsetzbar. Der Platten- und der Rohrbündelwärmeübertrager ist erfahrungsgemäß durch schnelles Verstopfen der engen Strömungsquerschnitte (geprägte Platten bzw. Rohrbündel) nicht geeignet. Der Doppelrohrwärmeübertrager, bestehend aus Mantel- und Kernrohr, ist nur mit hohem technischen Aufwand zu reinigen. Ablagerungen und Verstopfungen sind häufig die Ursache für eine schlechte Wärmeübertragung und Funktionsausfälle.

In der Praxis besteht jedoch nachhaltig Bedarf an geeigneten Wärmeübertragern für feststoffbeladene Medien mit bis zu 20% Trockensubstanzgehalt, wie zum Beispiel für industrielle und kommunale biologische Abfallstoffe bei der Behandlung in Biogasanlagen.

Der bisher zunehmend eingesetzte Wärmeübertrager für feststoffbeladene Medien mit ca. 10% Trockensubstanzgehalt, z. B. Gülle oder Bioabfallsuspensionen, ist der Spiralwärmeübertrager. Der Spiralwärmeübertrager hat durch seinen gekrummten Kanalaufbau einen vergleichsweise hohen Wärmedurchgangskoeffizient (k-Wert). Die erzeugten Turbulenzen an der Kanalwand sollen außerdem eine Selbstreinigung und weitestgehende Verhinderung von Ablagerungen (Fouling) bewirken. Das Fouling-Verhalten infolge der verschiedenen Ablagerungsmechanismen (Kristallisations-, Partikel-, Reaktions-, Korrosions- und Biologisches Fouling) wird wesentlich durch den konstruktiven Aufbau des Wärmeübertragers und den verwendeten Werkstoff bzw. die Oberflächenbeschaffenheit bestimmt. Diese an sich bekannten Vorteile des Spiralwärmeübertragers werden von den bekannten technischen Lösungen nur unzureichend erfüllt.

Nachteilig ist das häufige Verschmutzen und Verstopfen sowie die damit einhergehende Verschlechterung der Wärmeübertragerleistung.

Bei den bekannten geschweißten Spiralwärmeübertragern sind relativ dünne, spiralförmig gewickelte und parallel verlaufende Bleche zu einem Kanal wechselseitig oben und unten dicht verschweißt und mit Abstandshaltern (Stiften) zur Erhöhung der Festigkeit versehen. Um ein Verstopfen bei feststoffbeladenen Medien zu verhindern, muß auf die Stifte verzichtet und dafür die Blechstärke zum Nachteil für den Wärmeübergang erhöht werden. Zwei Deckel verschließen die jeweils offene Kanalseite.

Prinzipiell sind derartige Spiralwärmeübertrager aufwendige Schweißkonstruktionen mit einem hohen Fertigungsaufwand und damit sehr material- und kostenintensiv. Derartige Spiralwärmeübertrager erreichen bei feststoffbeladenen Medien hoher Viskosität einen niedrigen Wärmedurchgangskoeffizient und eine geringe Wärmeübertragerleistung. Der schmale und rechteckige Kanalquerschnitt ist die Ursache für Verstopfungen. Feststoffpartikel und Ablagerungen können sich nicht mehr lösen. Ein häufiges mechanisches Reinigen der Wärmeübertragungsflächen ist erforderlich. Oft werden auch Chemikalien, z. B. dünne Säuren, eingesetzt.

Ebenfalls eine aufwendige Schweißkonstruktion stellt der in DT 26 38 492 beschriebene Spiralwärmeübertrager mit dem Rahmenaufbau dar. Nachteilig sind der nach wie vor hohe Fertigungsaufwand und die vertikale Anordnung der Elemente mit Verbindung- und Trennplatten.

Ein weiterer geschweißter Spiralwärmeübertrager ist in DE 27 44 002 beschrieben. Hier ist von Nachteil, daß die Kanäle nach oben und unten offen sind und jeweils mit einem Deckel verschlossen sind. Die notwendige Wärmeübertragungsfläche ist nur durch Vergrößern bzw. Verkleinern des Durchmessers des Spiralwärmeübertragens möglich. Ein Elementaufbau ist nicht gegeben.

In der Schrift DT 21 03 102 wird ein Wärmeübertrager in Plattenbauweise mit spiralförmig verlaufenden Rillen in der Plattenhauptfläche beschrieben. Nachteilig ist das Zusammensetzen der Platten über eine hydraulische Vorrichtung mit Zug- und Druckplatte und die Bildung des Strömungskanals durch jeweils zwei zugehörige Platten als Rohrkanal. Der vertikale Plattenaufbau und die scharfe Umlenkung in die nächste Plattensektion verursachen bei feststoffbeladenen Medien hohe Druckverluste.

Ein geschichteter Spiralwärmeübertrager ist in der Schrift DE 32 10 168 bekannt. Mehrere Wärmeübertragungsplatten mit vielen Löchern, mit Abstandsgliedern und zwischenliegender Strömungsverteilungsplatte ergeben so ein Wärmetauscherpaket. Nachteilig ist der mehrteilige komplizierte Aufbau mit einem hohen Dichtungsaufwand. Für Medien mit Feststoffpartikeln ist dieser Wärmetauscher mit seinen zahlreichen Durchtritten (Löcher) und scharfen Strömungsrichtungsänderungen nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Spiralwärmeübertrager in Elementbauweise für die Wärmeübertragung zwischen feststoffbeladenen Medien mit einer hohen Wärmeübertragerleistung, geringem Druckverlust, leicht variierbarer Wärmeübertragerfläche und einem wesentlich verbesserten Fouling-Verhalten zu erstellen, der die dargestellten Nachteile der bekannten Spiralwärmeübertrager beseitigt. Außerdem werden Verstopfungen durch die Gestaltung des Strömungskanals verhindert.

Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Spiralwärmeübertrager in Elementbauweise ausgeführt ist. Das Element ist in seiner Grundform zylindrisch. Auf einer ebenen Grundplatte sind spiralförmig gekrümmt zwei senkrecht stehende Rippen angeordnet, deren Zwischenräume einen trapezförmigen Kanalquerschnitt bilden. Die nach außen begrenzenden Rippen sind stärker ausgebildet und übernehmen die Funktion des Gehäuses mit der äußeren Zu- und Abströmung. Im Zentrum befindet sich jeweils die Innere Zu- und Abströmung. Die Strömungskanäle durchdringen dabei wechselseitig die Grundplatte unter Beibehaltung des Krümmungsradius, der Trapezform und des Strömungsquerschnittes. Die nach oben offenen Kanalseiten werden durch einen Deckel abgedeckt und im Zentrum und am Umfang miteinander verspannt.

Ein Element bildet einen vollständigen Spiralwärmeübertrager. Mehrere Elemente im Paket angeordnet ergeben einen kompakten Spiralwärmeübertrager. Die Anzahl der Elemente bestimmt die Wärmeübertragerfläche.

Durch die wechselseitige Anordnung von linksgekrümmten (Linkselement) und rechtsgekrümmten (Rechtselement) Elementen werden scharfe Umlenkungen vermieden und der Druckverlust verringert.

Die durch den Trapezkanal erzeugte Sekundärströmung verbessert den Wärmeübergang an der Wärmeübertragerwand und verhindert das Verschmutzen der Wärmeübertragerfläche.

Die vorzugsweise horizontale Anordnung der Elemente verhindert das Verstopfen des Strömungskanals durch Feststoffpartikel. Feststoffpartikel werden immer in Strömungsrichtung und in Richtung der Schwerkraft bewegt.

Vorzugsweise wird das Element als Aluminiumgußteil ausgeführt.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Draufsicht eines Linkselementes

Fig. 2 Schnitt X-X aus Fig. 1

Fig. 3 Draufsicht eines Rechtselementes

Fig. 4 Schnitt Y-Y aus Fig. 3

Fig. 5 Anordnung mehrerer Spiralwärmeübertragerelemente zur Variation der Übertragerfläche

Fig. 6 Darstellung des Kanalquerschnittes

Fig. 7 Prinzip der Reihenschaltung der Elemente bei jeweils gleichsinnig innen- und außenliegenden Ein- und Austrittsöffnungen

Fig. 8 Prinzip der Reihenschaltung der Elemente bei jeweils ungleichsinnig innen- und außenliegenden Ein- und Austrittsöffnungen.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 1. Die hier dargestellte Draufsicht läßt die zwei auf der Grundplatte (1) spiralförmig gleichsinnig gekrümmten senkrechten Rippen (2) erkennen, welche hier linksgekrümmt sind. Die kanalbildenden Zwischenräume (3) beginnen mit der außenliegenden Eintrittsöffnungen für das Medium A (4) und der ebenfalls außenliegenden Austrittsöffnung für das Medium B (5).

Die Austrittsöffnung für das Medium A (6) liegt, wie die Eintrittsöffnung für das Medium B (7), nahe dem Zentrum (8).

Im Schnitt X-X aus Fig. 1, dargestellt in Fig. 2, sind die Austrittsöffnung für das Medium A (6) und die Eintrittsöffnung für das Medium B (7) nahe dem Zentrum (8) durch die ansonsten geschlossene Grundplatte (1) zu erkennen. Weiterhin sind die beiden senkrechten Rippen (2), welche die trapezförmigen Kanalquerschnitte (3) bilden erkennbar. Der Schnitt verläuft ferner durch die Eintrittsöffnung des Mediums A (4) und die Austrittsöffnung des Mediums B (5). Beide sind in der Querschnittshöhe derart reduziert wie das korrespondierende Kanalende des folgenden Elementes oder des Deckels in der Höhe ansteigt, so daß die Kanalquerschnittsform beibehalten wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 3. Die hier dargestellte Draufsicht läßt die zwei auf der Grundplatte (1) spiralförmig gleichsinnig gekrümmten senkrechten Rippen (2) erkennen, welche hier rechtsgekrümmt sind.

Die Eintrittsöffnung für das Medium A (9) liegt, wie die Austrittsöffnung für das Medium B (10), nahe dem Zentrum (8). Die kanalbildenden Zwischenräume (3) enden mit der außenliegenden Austrittsöffnungen für das Medium A (11) und der ebenfalls außenliegenden Eintrittsöffnung für das Medium B (12).

Im Schnitt Y-Y aus Fig. 3, dargestellt in Fig. 4, sind die Austrittsöffnung für das Medium A (11) und die Eintrittsöffnung für das Medium B (12) nahe dem äußeren Rand der ansonsten geschlossene Grundplatte (1) zu erkennen. Weiterhin sind die beiden senkrechten Rippen (2), welche die trapezförmigen Kanalquerschnitte (3) bilden erkennbar. Der Schnitt verläuft ferner durch die Eintrittsöffnung des Mediums A (9) und die Austrittsöffnung des Mediums B (10) nahe dem Zentrum (8). Beide sind in der Querschnittshöhe derart reduziert, wie das korrespondierende Kanalende des folgenden Elementes oder des Deckels in der Höhe ansteigt, so daß die Kanalquerschnittsform beibehalten wird.

Die Fig. 5 zeigt die Anordnung mehrerer Spiralwärmeübertragerelemente zur Variation der Übertragerfläche. Dabei sind die Übertragerelemente 50 angeordnet, daß jeweils auf ein Element mit linksläufig spiralförmig gekrümmten Rippen (13) ein Element mit rechtsläufig spiralförmig gekrümmten Rippen (14) folgt. Dadurch ergibt sich keine Umkehrung der Strömungsrichtung der Medien beim Übertritt ins nachfolgende Element, oder in den Deckel (15). Zwischen den Elementen und zwischen Element und dem jeweils abschließenden Deckel (15) sind geeignete Dichtungen (16) angeordnet. Der gesamte Spiralwärmeübertrager wird durch die Verspannung (17) zusammen gehalten.

Außerdem sind die Eintrittsöffnung des Mediums A (9) in das Element mit rechtsläufig spiralförmig gekrümmten Rippen (14) und die Austrittsöffnung des Mediums A (11) dargestellt. Desweiteren ist die Reduzierung der Kanalquerschnittshöhe im Bereich des Übertritts (18 und 19) derart erkennbar, wie das jeweils korrespondierende Kanalende des folgenden Elementes oder des Deckels in der Höhe ansteigt. Der nahe dem Zentrum (8) liegende Übertritt (18) ergibt sich dadurch, daß die Kanalenden nahe dem Zentrum des Elementes mit linksläufig spiralförmig gekrümmten Rippen (13) abgedeckt sind, wobei diese Abdeckung über dem Durchbruch in der Grundplatte (1) liegt und in seiner Stärke anwächst. Der außen liegende Übertritt (19) ergibt sich dadurch, daß die Kanalenden des Elementes mit rechtsläufig spiralförmig gekrümmten Rippen (14) ebenfalls abgedeckt sind, wobei diese Abdeckung über dem Durchbruch in der Grundplatte (1) liegt und in seiner Stärke anwächst.

In Fig. 6, Darstellung des Kanalquerschnittes, ist das Verhältnis von Kanalhöhe und Kanalbreite aufgezeichnet. Die Trapezform ergibt sich aus den Abmessungen h < 4a und a < b, wenn man die Kanalhöhe mit h, die untere Kanalbreite mit b und die obere Kanalbreite mit a benennt. Durch diese Kanalform ergibt sich im Querschnitt eine Sekundärströmung, die einen verbesserten Wärmeübergang und eine gewisse Selbstreinigung bewirkt. Die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Kanalform wird auch in den Übertritten (18 und 19) im wesentlichen beibehalten.

Die Fig. 7 beinhaltet das Prinzip der Reihenschaltung der Elemente bei jeweils gleichsinnig innen- und außenliegenden Ein- und Austrittsöffnungen. In der Fig. 7 ist der Verlauf des Mediums A und der Verlauf des Mediums B dargestellt, dabei liegen die Eintrittsöffnung des Mediums A (4), die Austrittsöffnung des Mediums B (5) und die Übertritte (19) am äußeren Rand der Grundplatte (1). Die Übertritte (18), die Austrittsöffnung des Mediums A (6) und die Eintrittsöffnung des Mediums B (7) befinden sich nahe dem Zentrum (8). Die Übertritte (18) nahe dem Zentrum (8) sind gleichartig gestaltet, d. h. beim Element mit rechtsläufig spiralförmig gekrümmten Rippen (14) sind beide Kanalenden mit einem Anstieg des Kanalendes versehen und die Kanalenden am äußeren Rand der Grundplatte (1) mit einem abgedeckten Kanalende und dem darunterliegenden Durchbruch durch die Grundplatte (1). Bei dem Element mit linksläufig spiralförmig gekrümmten Rippen (13) sind die Kanalenden im umgekehrten Sinn ausgebildet.

Außerdem ist in Fig. 7 zu erkennen, daß das Medium A und B beim Durchströmen der Spiral­ wärmeübertrager-Elemente ihren Drehsinn nicht ändern und sich deshalb keine 180°-Umlenkungen beim Obertritt von Element zu Element ergibt. Die Medien A und B strömen in den Elementen lediglich vom Zentrum (8) nach außen bzw. umgekehrt.

Die Fig. 8 zeigt das Prinzip der Reihenschaltung der Elemente bei jeweils ungleichsinnig innen- und außenliegenden Ein- und Austrittsöffnungen. In dieser Variante der Anordnung sind die Übertritte (18) nahe dem Zentrum (8) beim Element mit linksläufig spiralförmig gekrümmten Rippen (13) für das Medium A mit einem abgedeckten Kanalende und dem darunterliegenden Durchbruch durch die Grundplatte (1) und für das Medium B mit einem Anstieg des Kanalendes versehen.

Die Kanalenden am äußeren Rand der Grundplatte (1) beim Element mit linksläufig spiralförmig gekrümmten Rippen (13) beginnen für das Medium B mit einem abgedeckten Kanalende und dem darunterliegenden Durchbruch durch die Grundplatte (1) und enden für das Medium A mit einem Anstieg des Kanalendes. Bei dem Element mit rechtsläufig spiralförmig gekrümmten Rippen (14) sind die Kanalenden im umgekehrten Sinn ausgebildet.

Auch in Fig. 8 zu erkennen, daß das Medium A und B beim Durchströmen der Spiral­ wärmeübertrager-Elemente ihren Drehsinn nicht ändern und sich deshalb keine 180°-Umlenkungen beim Übertritt von Element zu Element ergibt. Die Medien A und B strömen in den Elementen lediglich vom Zentrum (8) nach außen bzw. umgekehrt.

Claims (7)

1. Spiralwärmeübertrager (SWÜ) in Elementbauweise, insbesondere für flüssige Medien mit Feststoffen, wobei eine beliebige Anzahl gleichartiger Elemente aneinandergereiht einen kompakten SWÜ ergeben, der an den Stirnseiten mit einem Deckel verschlossen ist, und in den Deckeln jeweils die Kühlmedium-Eintritt- oder Austrittsöffnungen oder die Heizmedium-Eintritt- oder Austrittsöffnungen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das SWÜ-Element (Fig. 1, 3) in seiner Grundform vorzugsweise zylindrisch ist und aus zwei auf einer ebenen Grundplatte (1) spiralförmig gleichsinnig gekrümmten, senkrecht stehenden Rippen (2) (Fig. 2, 4) besteht, deren Zwischenräume (3) einen trapezförmigen, höher als breiten und nach oben offenen Kanalquerschnitt (Fig. 6) bilden; daß die Kanäle wechselseitig die Grundplatte durchdringen und dabei sowohl den Krümmungsradius und die Drehrichtung der Spirale als auch den Strömungsquerschnitt beibehalten.

2. Spiralwärmeübertrager in Elementbauweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalbildenden Rippen (2) auf der ebenen Grundplatte (1) entweder linke oder rechtsläufig spiralförmig gekrümmt sind (13, 14) und jeweils für sich einen eigenständigen Wärmeübertrager ohne Gehäuse darstellen, wobei nur die nach oben offenen Kanalseiten in geeigneter Weise abgedeckt werden.

3. Spiralwärmeübertrager in Elementbauweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden benachbarten Kanäle die Grundplatte jeweils im Zentrum (8) oder an der Peripherie durchdringen (Fig. 7).

4. Spiralwärmeübertrager in Elementbauweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden benachbarten Kanäle die Grundplatte im Zentrum und der andere an der Peripherie durchdringt (Fig. 8).

5. Spiralwärmeübertrager in Elementbauweise nach Anspruch 1, mit mehreren aneinandergesetzten SWÜ-Elementen, die so einen kompakten Wärmeübertrager ergeben, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils auf ein Element mit linksläufig spiralförmig gekrümmten Rippen (13) ein Element mit rechtsläufig spiralförmig gekrümmten Rippen (14) folgt oder umgekehrt (Fig. 5).

6. Spiralwärmeübertrager in Elementbauweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die SWT-Elemente und der stirnseitig abschließende Deckel (15) mit den Ein- und Austrittsöffnungen vorzugsweise im Zentrum der SWÜ-Elemente zentriert und gleichzeitig am Umfang sowie im Zentrum miteinander verspannt werden (Fig. 5).

7. Spiralwärmeübertrager in Elementbauweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die senkrecht stehenden Rippen gebildete Trapezkanal (3) (Fig. 6) ein Höhen-Breiten-Verhältnis von größer 4 (h < 4a) besitzt und die durch die Grundplatte gebildete Trapezseite (b) kleiner ist als die nach oben offene Kanalseite (b < a).