DE3212727C2 - Wärmeaustauscher - Google Patents
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Abstract
Der z.B. zum Kühlen von hochviskosen, insbesondere von strukturviskosen, fließfähigen Substanzen bestimmte Wärmeaustauscher ist mit aus Flachröhren bestehenden Kühlelementen (1) versehen, die in einem geradlinigen, für die zu kühlende fließfähige Substanz bestimmten Durchflußraum eingebaut sind. Um für strukturviskose, fließfähige Substanzen einen möglichst kompakten und trotzdem sehr wirkungsvollen Wärmeaustauscher zu ermöglichen, sind die Kühlrohre (1) reihenweise nebeneinander und voneinander distanziert, einerseits in quer zur Durchströmrichtung (X) des Wärmeaustauschers verlaufenden, und andererseits in der Durchströmrichtung des letzteren voneinander distanzierten, zueinander parallelen Ebenen angeordnet. Die in zwei zueinander benachbarten Ebenen angeordneten Kühlelemente (2, 3) scheiden sich in Durchströmrichtung des Wärmeaustauschers gesehen unter einem Winkel von 90 °.
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher zum Kühlen oder Erwärmen von hochviskosen, insbesondere
strukturviskosen fließfähigen Substanzen mit in einen geradlinigen Durchflußraum der zu kehlenden bzw. zu
erhitzenden fließfähigen Substanz eingebauten stab- oder rohrförmigen Kühl- bzw. Heizelementen.
Aus der DE-OS 30 09 889 sowie der DE-AS 28 24 237 sind Wärmeaustauscher bekannt, bei denen zur periodischen
Reinigung der Wärmeaustauschflächen mehrere seriell oder parallel angeordnete Teilwärmeaustauscher
vorgesehen sind, um diese einzeln und ohne Außerbetriebsetzung des gesamten Wärmeaustauschers reinigen
zu können. Solche Konstruktionen sind jedoch in Anbetracht der vielen zu bewegenden und abzudichtenden
Teile kompliziert und teuer in der Herstellung sowie umständlich im Betrieb, und zeigen keine Möglichkeit,
1Jm bei der Notwendigkeit von großen Wärmeaustauschflächen
zum Kühlen oder Erwärmen von hoch- und strukturviskosen fließfähigen Substanzen eine möglichst
pulsationsfreie laminare Durchströmung zu erzielen.
Das spezielle Fließverhalten von breiigen, hochviskosen Flüssigkeiten, insbesondere von strukturviskosen
fließfähigen Substanzen, verursacht Probleme, weiche
in gewöhnlichen Platten- oder Rohrenwärmeaustauschern nicht gelöst werden können.
Es ist auch bereits bekannt, ein mit einer eingebauten Innenabschabeinrichtung versehenen, röhrenförmigen
Wärmeaustauscher für solche Substanzen zu verwenden. Solche Schab-Wärmeaustauscher sind jedoch kompliziert
im Aufbau und teuer in der Anschaffung, im Betrieb sowie im Unterhalt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines für hochviskose, insbesondere strukturviskose
fließfähige Substanzen geeigneten Wärmeaustauschers,
bei dem eine Verkrustung der Wärmeaustauschflächen bei einem Minimum an Druckverlust und einem Optimum
an erzielbarer Wärmeübertragung sowie mit möglichst geringen Strömungsimpulsationen bei der Durchströmung
des Wärmeaustauschers, sicher vermieden wird.
Die Aufgabe wird bei einem Wärmeaustauscher der eingangs genannten Art erfindungsgemäß nach dem
Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei einer solcher erfindungsgemäßen Ausbildung des
Wärmeaustauschers bewirken die ganz speziell gewählten Dimensionierungszusammenhänge, daß beim
Durchströmen der hochviskosen Substanz durch den Wärmeaustauscher die gesamte Längsseite der Flachrohre
sich im Bereich einer hydrodynamischen Anlaufstrecke befindet, was eine wesentliche Verbesserung
des Wärmeüberganges zwischen der vorbeifließenden hochviskosen Substanz und der Flachrohrwandung zur
Folge hat
Trotzdem wird beim Durchströmen eines solchen erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmeaustauschers ein
sehr gleichmäßiger, nahezu puisationsfreier Fließvorgang in der durchfließenden hochviskosen Substanz sowie
zusätzlich eine Vermeidung einer Verkrustung der Flachrohroberflächen erreicht. Nach dem jeweiligen
Austreten der derart durchfließenden Substanz aus einer Flachrohrgruppe werden die Substanz-Teilströme
sehr sanft zu einem einzigen Substanz-Strom zusammengefaßt und zur Erzielung eines gleichmäßigen Wärmeaustauschs
über den gesamten Fließquerschnitt der durchfließenden hochviskosen Substanz, zur Vermeidung
einer bei hochviskosen Substanzen sonst sehr ausgeprägten Verkrustungstendenz der Flachrohroberflächen
sowie zur Erzielung der hydrodynamischen Anlaufstrecken, mittels einer nachfolgenden Flachrohrgruppe
erneut und unterschiedlich gegenüber vorher wieder in Teilnröme aufgeteilt, wobei die erfindungsgemäßen
Dimensionierungszusammenhänge einen entscheidenden Einfluß haben. Ferner wird beim erfindungsgemäßen
Wärmeaustauscher eine laminare Durchströmung bewirkt, was für hochviskose fließfähige
Substanzen von ausschlaggebender Bedeutung ist, da bei einer hochviskoten Substanz bei turbulentem Fließen
der Druckwiderstand äußerst stark ansteigt.
Vorteilhafte Weiterausgestaltungen des erfindungsgemäöen
Wärmeaustauschers sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 7.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutei t. Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers /um Erhitzer! einer hochviskosen Flüssigkeit;
Fig. 2 esnen Schnitt längs der Linie H-II in Fig. I;
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie HI-III in F i g. 1:
F ι g. 4 eine Stirnansicht in Richtung des Pfeiles A in
Fig I:
F ι g. 5 einen Längsschnitt durch einen Teil einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Wärmeaustauschers; und
Fig.6 eine Stirnansicht in Richtung des Pfeiles B in
Fig.5.
Wie aus den F i g. 1 bis 4 ersichtlich, sind die Heizelemente
1 des dargestellten Wärmeaustauschers reihenweise nebeneinander und 'im die Distanz a voneinander
distanzier! einerseits in quer zur Durchströmrichtung X des Wärmeaustauschers verlaufenden, und andererseits
in der Durchströmrichtur.J Xdes letzteren voneinander
distanzierten, zueinander" parallelen Ebenen angeordnet.
Dabei sind die Heizelemente ί als Flachrohre zur
Durchleitung eines Heizmediums ausgebildet und mit ihren Breitseiten parallel und mit ihren Schmalseiten
senkrecht zur Strömungsrichtung der zu kühlenden bzw. zu erwärmenden strukturviskosen, fließfähigen
Substanz verlaufend angeordnet. Diese Heizelemente 1 weisen im Querschnitt betrachtet eine Breite b von 5 bis
12 mm und eine Höhe h von 50 bis SO mm, das heißt in
ίο Strömungsrichtung eine geringe Tiefe, auf, so daß die
Heizelemente 1 im Gebiet der sogenannten Anlaufstrecke und somit im Gebiet erheblich verbesserten
Wärmeüberganges arbeiten.
Um einerseits einen möglichst kompakten Wärmeaustauscher zu erhalten, anderseits jedoch einen möglichst
homogenen Obergang der Strömung in die nachfolgende ricizelementreihe zu erzielen, ist der stirnseitige
Abstand c zwischen je zwei zuei'.-jider benachbarten
Heizelementreihen 2 und 3 kleiner als der Mittenabstand m zwischen zwei zueinander benachbarten flachrohrförmigen
Heizelementen 1 dieser Reihen 2 un^ 3.
Mittels dieses Abstandes c wird sichergestellt, daß die
zu erwä -Tiende fließfähige Substanz nach jedem Durchgang
durch eine Heizelementereihe gründlich durchmischt wird, bevor sie in die nachfolgende Heizelementreihe
eintritt, wodurch die Bildung von Kurzschlußströmen vermieden wird.
Der Abstand a zwischen zwei seitlich zueinander benachbarten
Heizelementen 1 liegt zur Erzielung eines möglichst geringen Druckverlustes des Wärmeaustauschers
im Bereich von 7 bis 10 mm.
Um eine möglichst vollständige, gleichmäßige Aufteilung der durch den Wärmeaustauscher durchströmenden,
strukturviskosen fließfähigen Substanz in eine Vielzahl von Teilströmen zu erreichen, schneiden die in zwei
aufeinanderfolgenden Ebenen angeordneten Heizelemente 1 in Durchströmrichtung X des Wärmeaustauschers
gesehen einander wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich unter einem Winkel von 90°.
Um eine möglichst einfache, kompakte Konstruktion des Wärmeaustauschers zu ermöglichen. wi:d der für
die zu erwärmende fließfähige Substanz bestimmte geradlinige Durchflußraum 4 durch einen in Längsrichtung
des Wärmeaustauschers sich erstreckenden, einen quadratischen Querschnitt aufweisenden Rohrabschnitt
5 gebildet. Die Längskanten 5a. 56. 5c und Sd liegen an
der Innenseite einer zylindrischen Ummantelung 6 an und sind mit dieser flüssigkeitsdicht verschweißt. Auf
diese Weise werden /wischen den einzelnen AußenflS-chen
7, 8, 9 und 10 des eiiien quadratischen Querschnitt
au.'weisenden Rohrabschnittes 5 und der Innenseite der zylindrischen Ummantelung 6 vier in Längsnchtung des
Wärmeaustauschers sich erstreckende Kanält 11,12,13
und 14 gebildet. Das Heizmedium wird über den Stutzen 15 in den Kanal 14 geleitet. Eine in letzterem eingeschweißte
AbsperTcheibe 16 bewirkt eine Umlenkung
des in den Kanal 14 /ugeführten Heizmediums über die
flachrohrförmigen Heizelemente 1 in den gegenüberliegenden
Kanal 12 und von diesem wieder zurück in den abströmseitigen Teil des Kanals 14 und somit in den
Austrittsstutzen 17.
Bei der in den Fij?. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform
sind zu der in de« Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen, so daß sich eine nochmalige Beschreibung dieser Teile erübrigt.
Bei dieser in den F i g. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform
sind je vier aufeinanderfolgende Heizele-
mentreihen 2,3,2', 3' in einem als eine Einheit 18,19 mit
benachbarten Einheiten 18 und 20 lösbar verbundenen Wärmeaustauscherabschnitt zusammengefaßt, so daß
zum Reinigen der Heizelemente 1 je zwei Heizelementreihen von je einer Stirnseite eines jeden solchen Abschnittes
her gut zugänglich sind.
Zur noch besseren Aufteilung der durch den Wärmeaustauscher strömenden strukturviskosen fließfähigen
Substanz in mehrere Teilströme sind die flachrohrförmigen Heizelemente 1 einer Heizelementreihe gegenüber
den parallel verlaufenden flachrohrförmigen Heizelementen 1" der übernächsten Heizelementreihe in
Durchströmrichtung des Wärmeaustauschers gesehen um den halben seitlichen Abstand zwischen zwei zueinander
benachbarten flachrohrförmigen Heizelementen einer Heizelementreihe zueinander versetzt angeordnet.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen
20
20
30
40
45
50
55
%
65
Claims (7)
1. Wärmeaustauscher zum Kühlen oder Erwärmen von hochviskosen, insbesondere strukturviskosen
fließfähigen Substanzen mit in einen geradlinigen Durchflußraum der zu kühlenden bzw. zu erhitzenden
fließfähigen Substanz eingebauten stab- oder rohrförmigen Kühl- bzw. Heizelementen, d a durch
gekennzeichnet, daß die als Flachrohre ausgebildeten Kühl- bzw. Heizelemente (1)
auf bekannt Weise reihenweise nebeneinander und voneinander distanziert einerseits in quer zur
Duichströmrichtung des Wärmeaustauschers verlaufenden, und anderseits in der Durchströmrichtung
des Wärmeaustauschers voneinander distanzierten, zueinander parallelen Ebenen angeordnet
sind, die in jevmls zwei aufeinanderfolgenden Ebenen angeordrs:en Kühl- bzw. Heizelemente (1) in
Durchströmrichtung des Wärmeaustauschers gesehen einander schneiden, daß der stirnseitige Abstand
(c) zwischen zwei zueinander benachbarten Kühlbzw. Heizelementreihen (2,3) höchstens so groß wie
der kleinste Mittenabstand (m) zwischen zwei zuein- »nder benachbarten Kühl- bzw. Heizelementen (1)
dieser Reihen ist, wobei die Kühl- bzw. Heizelemente
(1) im Querschnitt betrachtet eine Breite von 3 bis 16 mm und eine Höhe von 35 bis 100 mm aufweisen
und mit ihren B-ehseiten mindestens annähernd parallel und mit ihren Schmalseiten annähernd senkrecht
zur Strömungsrichtung der <oi kühlenden bzw.
zu erhitzenden fließfähigen Substanz verlaufen, und daß der Abstand (a) zwischen zwe>
seitlich zueinander benachbarten Kühl- bzw Heizelementen (1) im
Bereich von 3 bis 15 mm liegt.
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die als Flachrohre ausgebildeten
Kühl- bzw. Heizelemente (1) im Querschnitt betrachtet eine Breite (b) von 5 bis 12mrn und eine
Höhe (h) von 50 bis 80 mm aufweisen, und mit ihren m>
Breitseiten mindestens annähernd parallel und mit ihren Schmalseiten annähernd senkrecht zur Strömungsrichtung
der zu kühlenden bzw. zu erhitzenden fließfähigen Substanz verlaufen.
3. Wärmeaustauscher nach Ansprüchen 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) zwischen
zwei seitlich zueinander benachbarten Kühlbzw. Heizelementen (1) im Bereich von 7 bis 10 mm
liegt.
4. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die in zwei aufeinanderfolgenden Ebenen angeordneten Kühl- bzw. Heizelemente (1) in Durchströmrichvung
des Wärmeaustauschers gesehen einander mindestens annähernd unter einem Winkel von 90°
schneiden.
5. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß
die Kühl- bzw. Heizelemente (1) einer Kühl- bzw. Heizelementreihe (2, 3) mindestens annähernd parallel
zu den Kühl- bzw. Heizelementen (1) der übernächsten Kühl- bzw. Heizelementreihe (2', 3') verlaufen.
6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl- bzw. Heizelemente
(1) einer Kühl- bzw. Heizelementreihe (2) gegenüber den mindestens annähernd parallel verlaufenden
Kühl- bzw. Heizelementen (1) der übernächsten Kühl- bzw. Heizelementreihe (2') in Durchströmrichtung
(X) des Wärmeaustauschers gesehen, vorzugsweise um den halben seitlichen Mittenabstand
(m) zwischen zwei zueinander benachbarten Kühlbzw. Heizelementen (1) einer Kühl- bzw. Heizelementreihe
(2), zueinander versetzt angeordnet sind.
7. Wärmeaustauscher nach einem oder meh eren
der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der für die zu kühlende oder zu erwärmende hochviskose fließfähige Substanz bestimmte geradlinige
Durchflußraum (4) durch einen in Längsrichtung des Wärmeaustauschers sicii erstreckenden, einen rechteckförmigen,
vorzugsweise quadratischen, oder sechseckförmigen Querschnitt aufweisenden Rohrabschnitt
(5) gebildet wird, und der letztere derart einer zylindrischen Ummantelung (6) angeordnet ist,
daß zwischen den einzelnen Außenflächen (7, 8, 9, 10) des rechteck- bzw. sechseckförmigen Rohrabschnittes
(5) und der Innenseite der zylindrischen Ummantelung (6) vier bzw. sechs in Längsrichtung
des Wärmeaustauschers getrennt voneinander verlaufende Zu- bzw. Abführkanäie (11, 12, 13,14) zur
Zu- bzw. Abführung des durch die einzelnen rohrförmigen Kühl- bzw. Heizelemente (1) zu leitenden
Kühl- bzw. Heizmtdium gebildet werden, und die offenen Stirnseiten dieser Kühl- b;:w. Heizelemente
(1) in je zwei der derart gebildeten, einander gegenüberliegenden Zu- bzw. Abführkan.ile (10,12; 11,13)
münden.
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