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Spaitwärmetauscher mit Stegen
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Die Erfindung richtet sich auf einen Spaltwärmetauscher, bei dem das
Medium durch mindestens einen spaltartigen Strömungskanal fließt, der Kanal querschnitt
durch Spaltweite und Länge der Spaltflanke kennzeichenbar ist, die Spaltflanken
des Kanals parallel zueinander verlaufen und der Wärmeaustausch wenigstens über
eine der Spaltflanken erfolgt.
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Bei vielen chemischen Prozessen muß ein flüssiges Medium erwärmt oder
gekühlt werden Von der Vielzahl dafür entwickelter Wärmetauschapparaturen seien
Rohrbündelwärmetauscher, Plattenwärmetauscher und Spiralwärmetauscher genannt. Um
die Apparatur zu verkleinern, soll der spezifische Wärmeübergang möglichst hoch
sein.
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Statische Einbauten sollen eine turbulente Strömung erzeugen. Insbesondere
bei Medien, die zu Verkrustungen und einer Belagbildung neigen, hat man auch versucht,
auf Einbauten zu verzichten und statt dessen den Strömungsquerschnitt so zu verkleinern,
daß innerhalb des Mediums kein hoher Temperaturgradient senkrecht zur
Strömungsrichtung
auftritt; durch die Geometrie bedingt, wird ein solcher Apparat als Spaltwärmetauscher
bezeichnet.
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Die Erfindung richtet sich auf einen Spaltwärmetauscher.
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Zu dessen Diskussion bedarf es zunächst einiger Begriffe.
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Bei solchen Wärmetauschern fließt das Medium durch einen oder mehrere
spaltartige Strömungskanäle, kurz "Spalte" genannt. Ein Spalt ist beschreibbar durch
seine Spaltweite und seine Spaltflanke, wobei die Abmessungen der Spaltflanke sehr
viel größer als die Spaltweite sind.
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Der Wärmeaustausch erfolgt im wesentlichen über eine oder in der Regel
über die beiden Spaltflanken; es können hohe Wärmeübergangszahlen erreicht werden.
Der Spaltquerschnitt hat gewöhnlich die Form eines langgezogenen Rechtecks. Die
Spaltflanken verlaufen zueinander parallel, im einfachsten Fall werden sie von ebenen
Platten gebildet. Wegen der geringen Spaltweite sind die die Flanken begrenzenden
Seiten des Spalts von untergeordneter Bedeutung. Das zu behandelnde Medium wird
im folgenden häufig als "den Spalt durchströmende Flüssigkeit" bezeichnet; zur besseren
Unterscheidung wird das Wärme- oder Kühlmedium auf der anderen Seite der Spaltflanke
oft vereinfacht als "Dampf" bezeichnet, obwohl es grundsätzlich auch eine Flüssigkeit
sein kann.
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Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der Strömungskanäle weisen
in einer bekannten speziellen Ausbildungsform (DE-OS 23 09 743) die die Kanalflanken
bildenden
Platten Rippen auf. Bei einem anders aufgebauten Spaltwärmetauscher
sind zwei Blechbänder in Form eines zylindrischen Körpers spiralig aufgewickelt;
er wird als "Spiralwärmetauscher" bezeichnet.
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Obwohl durch Die Bezeichnung nSpaltwärmetauscher " zum Ausdruck gebracht
wird, daß eine verhältnismäßig dünne Schicht an einer großen Wärmeaustauschfläche
vorbeiströmt, ist keineswegs eine Gleichbehandlung aller Gutteilchen des Mediums
gewährleistet. Mit höherwerdender Viskosität bildet sich im Strömungskanal in Strömungsrichtung
stets ein parabolförmiges Geschwindigkeitsprofil aus, d.h. Teilchen, die sich in
der Mitte des Spaltes befinden, durchlaufen den Strömungskanal in laminarer Strömung
verhältnismäßig schnell, während die Teilchen, die sich beim Eintritt in den Kanal
in der Nähe der Spaltflanke befunden haben, wegen der laminaren Strömung dort verbleiben
und wegen der viel höheren Verweilzeit als im Mittelbereich thermisch geschädigt
werden können. Ähnliche Probleme treten auf, wenn der Strömungskanal durch zwei
konzentrische Rohre gebildet wird; trotz enger Spalte tritt bei laminarer Strömung
nicht immer eine ausreichende Quervermischung auf.
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Gemäß der DE-OS 23 09 743 wird versucht, die die Spaltflanken bildenden
Flächen zu wellen, was die Wärmeaustauschflächen vergrößert und Turbulenzen in den
Medien fördern soll. Eine gegenseitige Stabilisierung
der Platten
wird erreicht, wenn die gewellten Platten fischgrätmusterartig aufeinandergelegt
werden. Der Spaltquerschnitt ändert sich in Hauptströmungsrichtung ständig, wodurch
der Flüssigkeit eine wirbelnde Bewegung aufgeprägt werden soll. Jedoch zeigt es
sich, daß damit oft immer noch nicht eine hinreichende Quervermischung erreicht
werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Spaltwärmetauscher so zu verbessern,
daß auch bei höherviskosen Medien eine ausreichende Quervermischung erzielt wird.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Hauptströmungsrichtung geneigte,
von einer Spaltflanke bis zur anderen reichende Stege im Spalt vorhanden sind.
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Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Mit der Erfindung wird auf einfache Weise zweierlei erreicht: Die
Quervermischung wird auch bei höherviskosen Flüssigkeiten so weit intensiviert,
daß der Temperaturgradient im Medium quer zur Strömungsrichtung auch bei hohen Wärmeübergangswerten
vorgegebene Werte nicht überschreitet; die mechanische Festigkeit der Spaltflanke
ist auch bei höheren Drücken verbessert; Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit
der Apparatur sind gesteigert.
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Wegen der stabilisierenden Wirkung der von Spaltflanke zu Spaltflanke
reichenden Stege kann auch bei höheren
Drücken mit relativ geringen
Wanddicken und ebenen Flächen ein exakter Strömungsspalt gebildet werden.
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Der Spaltquerschnitt muß nicht notwendigerweise rechteckig sein; ebenso
wenig wie die Hauptströmungsrichtung gerade. Bevorzugte Abweichungen von ebenen
Spaltflanken sind senkrecht zur Strömungsrichtung gekrümmte Spaltflanken (Ringspalt)
und in Strömung richtung oder auch quer dazu gekrümmte Spaltflanken (Spiralwärmetauscher).
Dem etwas schwierigeren Zusammenbau steht als Vorteil die größere Kompaktheit gegenüber.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Stege an den Spaltflanken anzubringen.
Sie können entweder einzeln an einer Spaltflanke befestigt sein (z.B. angeschweißt)
oder es wird eine Stegplatte zwischen die die Spaltflanken bildenden, nicht notwendigerweise
ebenen Platten geschoben.
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Die Neigung der Stege zur Strömung soll zwischen 15 und 750 liegen.
Die Ausführungsform des-Steges ist nicht auf ein einfaches zylindrisches oder plättchenförmiges
Element beschränkt. Auch mit einem gekrümmten oder abgewinkelten oder mehrfach geknickten
Steg läßt sich eine Umlenkung erreichen (und auch einem solchen Steg eine mittlere
Neigung zuordnen).
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Wenn die Neigung der Stege außerhalb des angegebenen Bereichs liegt,
ist entweder die Stützwirkung nicht mehr so gut oder die Umlenkung nicht mehr befriedigend.
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Es ist durchaus möglich, daß durch die Stege nicht nur eine Umlenkung
in Richtung der Spaltflanken, sondern auch zu den Spaltbreiten hin erfolgt oder
daß sich beispielsweise bei dem konzentrischen Spalt eine spiralförmige Hauptströmungsrichtung
ausbildet, d.h., daß die Projektion des Steges auf die Spaltflanke mit der Hauptströmungsrichtung
einen Winkel < 900 bildet.
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Zur Erhöhung der Steifigkeit eines Steges ist es günstig, das freie
Ende eines Steges durch einen weiteren, entgegengesetzt geneigten Steg abzustützen.
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Aus fertigungstechnischen Gründen sind Stegplatten bevorzugt. Solche
Stegkörper können in vorteilhafter Weise durch Ausstanzen und Umbiegen des Bleches
gefertigt werden. Statt einer separaten Stegplatte in den Kanal einzuschieben, kann
auch ein Element eingesetzt werden, bei dem der Boden der Stegplatte identisch mit
einer Spaltflanke ist. Durch Obereinanderschichten solcher Elemente, die natürlich
an der Seite abgedichtet sein müssen, ist ein besonders kompakter Wärmetauscher
konstruierbar. Es ist günstig, wenn auch die Kanäle, die von dem Heiz- bzw. Kühlmedium
durchströmt werden, abgestützt sind. Bei solchen Platten sind an den Ecken Bohrungen
zur Zu- und Abführung für Flüssigkeit und den Dampf vorhanden.
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Sie werden wechselweise von der zu kühlenden oder aufzuheizenden Flüssigkeit
durchströmt.
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Die mit den erfindungsgemäßen Stegen ausgerüsteten Spaltwärmetauscher
sind in der Regel kleiner als andere Apparate, weil ein höherer Wärmeübergang ohne
die Gefahr der thermischen Produktschädigung erreichbar ist. Die Apparate sind leichter,
da bei höheren Drücken dünnere Bleche als Spaltflanken eingesetzt werden können.
Bei Bedarf kann durch entsprechende Stege der Strömungskanal zickzack- oder spiralförmig
verlängert werden. Sie sind geeignet für höherviskose Medien. Ein zu schnelles Zusetzen
durch die geneigten Stege wird nicht beobachtet. Eine solche Apparatur kann auch
relativ leicht gereinigt und zerlegt werden.
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Neben der erhöhten Betriebssicherheit trägt die relativ einfache und
kleine Apparatur zur Erhöhung der Wirtschaflichkeit bei.
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Der neue Spaltwärmetauscher ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen
rein schematisch dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig.
1 Platte mit aufgeschweißten Stegen; Fig. 2 Seitenansicht der Platte nach Fig. 1;
Fig. 3 Plattenspaltwärmetauscher; Fig. 4 Draufsicht auf einen Spiralwärmetauscher;
Fig. 5 Seitenansicht des Spiralwärmeaustauschers nach Fig. 4;
Fig.
6 Spaltrohrwärmetauscher; Fig. 7 Stegkörper für Rohrspalt; Fig. 8 Stegkörper mit
abwechselnder Orientierung; Fig. 9 Stegkörper mit gleichsinniger Orientierung; Fig.
10 Spaltrohrspiralwärmetauscher; Fig. 11 Draufsicht auf Plattenwärmetauscher; Fig.
12 Seitenansicht eines Plattenwärmetauschers nach Fig. 11; Fig. 13 Draufsicht auf
einen anderen Plattenwärmetauscher; Fig. 14 Seitenansicht eines Plattenwärmetauschers
nach Fig. 13; Fig. 15 bis 20 verschiedene Stegkörper.
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Fig. 1 in Draufsicht und Fig. 2 im Schnitt zeigen eine mit Stegen
1 versehene Platte 2, die eine Spaltflanke in einem Spaltplattenwärmetauscher bildet.
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Der zusammengebaute Apparat ist in Fig. 3 dargestellt.
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Die vier Öffnungen 3, 4, 5, 6 in der Platte 1 dienen als Dampfeintritt
3, Flüssigkeitsaustritt 4,
Kondensataustritt 5 und Flüssigkeitseintritt
6. Auf die Ausbildung der Dichtflächen kommt es im Hinblick auf die Erfindung nicht
an; wichtig ist, daß die Stege die die andere Spaltflanke bildende Fläche so stützen,
daß trotz höheren Drucks in den Außenflächen der Platten der Strömungskanal auch
bei geringer Metalldicke nicht zusammengedrückt wird. Die Stege 1 sind nur einseitig
an der Platte 2 angeschweißt und etwa 450 geneigt.
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Der Wärmetauscher ist hier aus sechs Kanälen zusammengesetzt; ein
Wärmeaustausch findet über beide Spaltflanken statt. Er wird in diesem Beispiel
über den Anschluß 4 mit Dampf beaufschlagt. In den Dampfkanälen sind hier keine
Stege vorhanden. Eine Abstützung wie in den spaltförmigen Kanälen 8, durch die das
zu wärmende Medium gepumpt wird, kann auf geeignete Weise, z.B. ebenso mit Stegen
oder wie in Fig. 4 mit gewellten Lochblechen 16, erfolgen. Die Flüssigkeit wird
von rechts zu- und abgeführt.
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Ein Spiralspaltwärmetauscher mit mit Stegen ausgerüsteten Strömungskanälen
ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt.
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Er besteht aus zwei dünnen Blechen, die zu einer zweigängigen Spirale
aufgewickelt sind. In dem Spiralgang, der vom Produkt durchströmt werden soll, befindet
sich ein Stegkörper, der ebenso spiralig mitgewickelt wird.
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Der Stegkörper hat die Aufgabe, die Randschichten mit den Zentral
schichten laufend zu vermischen und gleichzeitig die Bleche gegen das Zusammendrücken
abzustützen.
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Die Flüssigkeit (das zu erwärmende Produkt) tritt über die Stutzen
10 ein und 11 aus; der Dampf über die Stutzen 12 ein und 13 aus. Hier sind nur für
den Flüssig-
keitskanal erfindungsgemäße Stege in Form von gezackten
Stegkörpern 15 vorgesehen (ähnlich wie in den Fig. 17 bis 20). Im Dampfraum befindet
sich ein gewelltes Lochblech 16. In diesem Fall kommt es vor allem auf die Stützwirkung
des Einsatzes an, da die zähere Flüssigkeit mit höherem Druck durch den Wärmetauscher
gepumpt werden muß. Zur Abstützung des Einsatzes am zylindrischen Mantel sind außen
gelochte Stützbleche 17 vorhanden. Das Produkt tritt über einen Produktverteiler
18 ein und über den Sammler 19 aus. An den unteren Stutzen 13 wird das Kondensat
geführt.
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Der Spaltrohrwärmetauscher in Fig. 6 besteht aus drei konzentrischen
Rohren 20, 21, 22. Der Produktspalt 23 wird von den Rohren 20 und 21 gebildet. Das
innerste Rohr 20 und der Spalt zwischen dem äußeren Hüllrohr 22 und dem mittleren
Rohr 21 dienen als Kanäle für den Wärmeträger. Der Stegkörper 24 hat hier beispielsweise
die Form eines Ringes und ist in Fig. 7 dargestellt. Je nachdem in welche Orientierung
die Ringe 24 über das Rohr 20 geschoben werden, ergeben sich verschiedene Anordnungen.
Die Ringe soll.en so ausgerichtet sein, daß auf einen Steg des in Strömungsrichtung
folgenden Stegkörpers eine Lücke folgt und umgekehrt. Die Stützwirkung der Stege
wird im Falle von Rohren nicht benötigt, da sie im allgemeinen genügende Druckfestigkeiten
aufweisen.
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Die Fig. 8 und 9 zeigen bevorzugte Anordnungen der ringförmigen Stegkörper
24.
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In Fig. 10 ist eine andere Form eines erfindungsgemäßen Spaltrohrwärmetauschers
dargestellt. Auch hier durchströmt die zu behandelnde Flüssigkeit den von den Rohren
30 und 31 gebildeten Spalt 32; außen durch das Hüllrohr 33 und innen durch das Rohr
30 strömt der Wärmeträger (Dampf). Zur Verlängerung des Weges ist der Strömungskanal
für die Flüssigkeit durch einen spiralartig, den gesamten Querschnitt ausfüllenden,
durchlaufenden Steg 34 selbst spiralförmig verlängert. Die Stege 35 sind an dem
innersten Rohr 30 angeschweißt und ca. 450 geneigt.
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Bei Plattenwärmetauschern gemäß Fig. 11 bis 14 ist bei größeren Spaltflanken
die Stützwirkung der Stege sehr wichtig. In den rechteckigen Kanal ist jeweils ein
Stegkörper 40 eingeschoben; der Kanal ist von einem dampfbeheizten Mantel 41 umgeben.
Der Stegkörper in Fig. 12 ist aus zwei gestanzten Stegkörpern gemäß Fig. 15 zusammengesetzt,
die Rücken an Rücken in das Gehäuse geschoben werden. Eine andere Möglichkeit eines
Stegkörpers besteht in einer Form, bei der die hergestellten Stege in einer Mittelebene,
z.B. durch Anschweißen, an Drähte fixiert sind oder ebenso aus einem Blech gebogen
werden. Dort, wo es auf die Stützwirkung der Stege besonders ankommt (in Platten
ab 50 mm Breite), sind zickzackförmige Stegkörper (Fig. 17 bis 20) bevorzugt.
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Verschiedene Stegkörper mit Wärmetauscherplatten 2 sind in den Fig.
15 bis 20 dargestellt. In der Fig. 15 wurde eine ebene Platte aufgestanzt, die Stege
aufgebogen; die Hauptströmungsrichtung (Pfeilrichtung) verläuft dazu senkrecht.
Die Stege sollen immer versetzt angeordnet sein. Durch die Mehrfachfaltung kann
eine besonders hohe Stützwirkung erreicht werden.
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Anwendungsbeispiele Spiralwärmetauscher Ein Spiralwärmetauscher, wie
in den Fig. 4 und 5 dargestellt wurde aus Blech einer Dicke von 1,5 mm gebildet.
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Auch der Stegkörper wurde aus 1,5 mm Schlitzlochblech durch zickzackförmiges
Biegen gebildet. Die Schlitzbreite betrug 12, die Stegbreite ebenfalls 12 mm. Die
Neigung der Stege zur Hauptströmungsrichtung beträgt 45°, die Spaltweite 20 mm,
die Höhe der Spiralwicklung 800 mm, der Durchmesser des Apparates 1000 mm. Abgewickelt
ist der Strömungskanal 13,5 m lang. Der Durchmesser des Sammlers in der Wärmetauschermitte
beträgt ca. 150 mm mit Teilung in der Mitte. Der Wärmetauscher 2 hat eine Wärmeübertragungsfläche
vom 27 m2. Beim Aufheizen eines viskosen organischen Produktes mit einer mittleren
Zähigkeit von /r) = 5 Pa s tritt bei einem Durchsatz von 4,5 t/h ein Druckverlust
von 9,2 bar auf. Das Produkt wird von 200C auf 1420C bei einer Dampf temperatur
von 1500C aufgeheizt.
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Spaltrohrwärmetauscher Bei einem Spaltrohrwärmetauscher (Spaltweite
2 mm, Außendurchmesser des inneren Rohrs 80 mm, Länge der Rohre 600 mm, Eintrittstemperatur
600C, Austrittstemperatur 1350C, aufgeheizte Menge pro Stunde 50 kg, Dampftemperatur
im Zentralrohr und Außenmantel 1400C)
traten wiederholt Verkrustungen
der Heizflächen auf.
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Außerdem sollte der Durchsatz vergrößert und die Heizleistung auf
möglichst einfache Weise verbessert werden. Eine Erhöhung der Dampftemperatur kam
wegen der Zersetzungsgefahr des Produktes nicht in Frage. Der Einsatz eines Rohrwärmetauschers
mit statischen Mischern hätte Rohrlängen zwischen 1,8 und 2,5 m erfordert. Das konnte
aus Platzgründen nicht realisiert werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Spaltrohrwärmetauscher, wie er in den Fig.
6 bis 9 dargestellt ist, konnte das Problem gelöst werden. Durch Verkleinerung des
Innenrohrs wurde die Spaltweite auf 4 mm vergrößert. Auf dieses Rohr wurden die
konzentrischen Leitbleche aus 1 mm starken Blech aufgeschoben und mit Distanzringen
als Abstandshalter auf das Innenrohr geklemmt. Die Stegbreite betrug ebenso wie
die Lückenbreite 4 mm, der Abstand der Leitbleche 12 mm. Die Stege weisen immer
in die Lücken des nächsten Stegkörpers und umgekehrt. Durch die verbesserte Quervermischung
können mit diesem umgerüsteten Wärmetauscher 65 kg/h Lösung problemlos auf 1350C
aufgeheizt werden. Es traten bis jetzt noch keine Verkrustungen auf.
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Plattenwärmetauscher Zum Aufheizen von 20 kg Polymerlösung pro Stunde
von 600C auf 1200C wird ein Spaltwärmetauscher mit 8 mm
Spaltweite,
30 mm Breite und 200 Länge verwendet (ähnlich wie in den Fig. 11 bis 14). Bei diesen
kleinen Abmessungen ist die Stützwirkung der Stege noch nicht so entscheidend. Bei
Flankenbreiten über 50 mm wird die Stabilisierung immer wichtiger, und es werden
Stegkörper, wie in den Fig. 17 bis 20 gezeigt, bevorzugt. Zum Beispiel können in
einem Wärmeaustauscher mit 60 übereinander geschichteten Platten bei Flankengrößen
von 2000 x 400 mm und Spaltbreiten von 10 mm 20 t/h eines hochviskosen, organischen
Produktes um 800C bei einer mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz von 600C
abgekühlt werden.
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