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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Rohrwärmetauscher jener Art, die
mehrere von einem Mantelrohr umgebene Wärmeübertragungsrohre aufweist und
in dem die Wärmeübertragungsrohre an
ihren beiden Enden in Rohrplatten befestigt sind.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Es
gibt mehrere Arten von Wärmetauschern, die
zum Heizen oder Kühlen
eines flüssigen
Produkts eingesetzt werden. Mit Hilfe von zum Beispiel Dampf oder
Wasser auf unterschiedlichen Temperaturen ist es möglich, das
Produkt mit der gewünschten
Temperatur zu beaufschlagen. Wärmetauscher
kommen in vielen verschiedenen Zweigen der verarbeitenden Industrie
zum Einsatz und werden auch gemeinhin in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben,
wie zum Beispiel Molkereien oder Saftfabriken, eingesetzt.
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Eine
wohlbekannte Wärmetauscherart
ist der so genannte Rohrwärmetauscher.
Diese besteht aus einem oder mehreren Wärmetauscherelementen, die zur
Bildung eines Strömungssystems
miteinander verbunden sind. Die Wärmetauscherelemente umfassen
ein oder mehrere von einem äußeren Mantelrohr
umgebene Wärmeübertragungsrohre.
Die Wärmeübertragungsrohre
sind zur Herstellung von Produkteinsätzen miteinander verbunden,
die wiederum mittels Produktknierohren miteinander verbunden sind,
die das in Abhängigkeit
von dem Prozess, für
den der Wärmetauscher
eingesetzt wird, zu erwärmende
oder zu kühlende
Produkt zirkulieren sollen. Die Wärmeübertragungsrohre sind in einem Mantelrohr
eingeschlossen, das auch das Wärmeübertragungsmedium
einschließt.
Einander benachbarte Mantelrohre sind miteinander verbunden, um das
Wärmeübertragungsmedium
zu zirkulieren. Das Wärmeübertragungsmedium
kann aus Wasser auf unterschiedlichen Temperaturen, Dampf oder anderen
Arten von Flüssigkeiten
oder Gasen bestehen. Ein solcher Wärmetauscher wird in der schwedischen
Patentschrift SE-501 908 beschrieben.
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Um
den Wirkungsgrad des Wärmetauschers zu
erhöhen,
ist es gelegentlich wünschenswert,
ein oder mehrere Wärmetauscherelemente
als regenerative Abschnitte einzusetzen, das heißt es wird bewirkt, dass das
im Wärmetauscher
erwärmte
Produkt das ankommende, kalte Produkt erwärmt. Das ankommende, kalte
Produkt trägt
dann folglich zum Kühlen
des bereits behandelten, erwärmten
Produkts bei. Zum regenerativen Einsatz eines oben beschriebenen
Rohrwärmetauschers
muss das Produkt sowohl in den Wärmetauscherrohren
als auch in dem die Wärmeübertragungsrohre
umgebenden Mantelrohr angeordnet werden. Solch ein Prozess kann
die Kosten eines vollständigen
Rohrwärmetauschers stark
senken und des Weiteren den Energieverbrauch für den im Rohrwärmetauscher
stattfindenden Prozess reduzieren.
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Die
in ihren Mantelrohren eingeschlossenen Wärmeübertragungsrohre weisen normalerweise eine
Länge von
ca. 6 m auf. Damit die Rohre nicht unnötigen Spannungen durch Vibrationen
oder Durchhang ausgesetzt sind, müssen sie an einer oder gemeinhin
mehreren Stellen entlang ihrer Länge
gestützt
werden. Wenn die Wärmeübertragungsrohre durchhängen oder
vibrieren, so dass sie sich berühren,
geht Wärmeübertragungsfläche verloren,
und der Wirkungsgrad des Rohrwärmetauschers
liegt unter den Erwartungen. Auch kürzere Rohrlängen müssen im Allgemeinen abgestützt werden.
Die eingesetzten Stützstellen
können
verschiedene Ausführungen
und Formen aufweisen und werden meistens – unter Verwendung eines geläufigen Namens – als so
genannte Prallflächen
bezeichnet. Wenn nur Wasser oder Dampf als Wärmeübertragungsmedium eingesetzt
wird, werden an die Form und Ausführung dieser Prallflächen nur
wenige oder gar keine Anforderungen gestellt, mit Ausnahme der Tatsache,
dass sie die Wärmeübertragungsrohre
voneinander trennen und verhindern sollen, dass Letztere mit der
Innenwand des Mantelrohrs in Kontakt kommen.
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Wenn
ein Wärmetauscherelement
regenerativ eingesetzt werden soll, werden an einer hygienischen
Ausführung
mit voller Waschbarkeit sofort ganz andere Anforderungen gestellt.
In diesen Fällen sind
diese Anforderungen, wenn das Produkt Fasern oder kleine Teilchen
enthält,
wie zum Beispiel Fruchtsäfte,
sogar noch höher.
Es sind Versuche unternommen worden, die Prallflächen so auszuführen, dass ihre
Flächen
so abgerundet wie möglich
sind, um die Gefahr zu vermeiden, dass sich die Fasern oder Teilchen
des Produkts ansammeln. In der Praxis hat es sich jedoch als schwierig
erwiesen, solch eine Ausführung
der Prallflächen
zu erhalten. Das Bewirken, dass die Prallflächen die Wärmeübertragungsrohre ohne Bildung
von Taschen umgibt, hat ebenfalls Probleme bereitet. Bei allen Prallflächen ist
es mehr oder weniger erforderlich, dass etwas im rechten Winkel zur
Strömungsrichtung
des Produkts angeordnet wird und infolgedessen besteht immer die
Gefahr einer Ansammlung von Teilchen oder Fasern, wodurch der Reinigungsvorgang
gefährdet
werden kann und letztendlich Produktionsunterbrechungen verursacht werden
können.
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AUFGABE DER
ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Herstellung einer
Anordnung, die die Wärmeübertragungsrohre
voneinander und von der Innenwand des Mantelrohrs getrennt hält, ohne
ein Hindernis für
den Produktstrom am Mantelrohr dazustellen.
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LÖSUNG
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Diese
und andere Aufgaben sind gemäß der vorliegenden
Erfindung nach Anspruch 1 erreicht worden.
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Des
Weiteren sind bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung die kennzeichnenden Merkmale nach den
abhängigen
Unteransprüchen
verliehen worden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNGEN
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Es
wird nunmehr eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher
beschrieben; darin zeigen:
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1 in
Seitenansicht und teilweise als Schnitt einen Rohrwärmetauscher
mit einer Anordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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2 in
Seitenansicht und teilweise als Schnitt einen Teil der Anordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In 1 wird
ein Rohrwärmetauscher 1 gezeigt,
mit dem die Anordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden kann. Der Rohrwärmetauscher 1 besteht
aus einem oder mehreren Wärmetauscherelementen 2,
von denen in 1 zwei gezeigt werden. Die Wärmetauscherelemente 2 sind
zur Bildung zweier Strömungssysteme
miteinander verbunden. Ein Wärmetauscherelement 2 besteht
im Wesentlichen aus mehreren Wärmeübertragungsrohren 3,
die in einem Mantelrohr 4 eingeschlossen sind.
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Die
Wärmeübertragungsrohre 3 sind
an beiden Enden in Rohrplatten 5 befestigt, so dass die Wärmeübertragungsrohre 3 und
die Rohrplatten 5 einen Strömungseinsatz 6 bilden.
Zwei benachbarte Strömungseinsätze 6 sind
mittels Knierohren 14 zu einem ersten Strömungssystem
miteinander verbunden. Dieses erste Strömungssystem wird in herkömmlichen
Wärmetauschern 1 für ein Produkt
eingesetzt.
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Die
die Wärmeübertragungsrohre 3 umgebenden
Mantelrohre 4 sind wiederum so miteinander verbunden, dass
zwei benachbarte Mantelrohre 4 mittels eines Muffenrohrs 7 an
jedem Mantelrohr 4 oder möglicherweise durch ein Zwischenverbindungsstück radial
miteinander verbunden sind. Die miteinander verbundenen Mantelrohre 4 bilden
ein zweites Strömungssystem,
das bei herkömmlichen Rohrwärmetauschern 1 für ein Wärmeübertragungsmedium
eingesetzt wird.
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Die
meisten Rohrwärmetauscher
auf dem Markt weisen Wärmetauscherelemente 2 auf,
deren Länge
ca. 6 Meter beträgt.
Wenn die Wärmeübertragungsrohre 3 und
das Mantelrohr 4 nicht entlang dieser Länge abgestützt werden, hängen die
Rohre 3 und 4 aufgrund von Schwerkraft durch.
Die Wärmeübertragungsrohre 3 berühren einander
und die Innenwand des Mantelrohrs 4. Um dies zu vermeiden,
erfordern herkömmliche
Rohrwärmetauscher 1 das
Abstützen
der Wärmeübertragungsrohre 3 mittels
so genannter Prallflächen
verschiedener Ausführungen. Das
Funktionieren der Prallflächen
hat sich als zufrieden stellend erwiesen, wenn das erste Strömungssystem
für ein
Produkt und das zweite für
ein Wärmeübertragungsmedium
eingesetzt wird.
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Wenn
der Rohrwärmetauscher 1 regenerativ eingesetzt
werden soll, enthält
sowohl das erste als auch das zweite Strömungssystem Produkt. Das eine
Strömungssystem
enthält
in den Rohrwärmetauscher 1 eintretendes
kaltes Produkt und das andere System enthält bereits behandeltes, erwärmtes Produkt
oder umgekehrt. Dies bedeutet gleichzeitig, dass an die Abstützung der
Wärmeübertragungsrohre 3 vollkommen
verschiedene Anforderungen gestellt werden.
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Moderne
Rohrwärmetauscher 1 weisen
normalerweise so genannte schwimmend gelagerte Enden auf, das heißt, die
Rohrplatten 5 sind zu einem gewissen Grad bezüglich der
Mantelrohre 4 beweglich, um die im Rohrwärmetauscher 1 auftretende Wärmedehnung
auszugleichen. Bei der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist das eine Ende der Wärmeübertragungsrohre 3 insofern
festgelegt, als die Rohrplatte 5' fest gegen ein Ende 8 des
Mantelrohrs 4 gehalten wird. Am anderen Ende der Wärmeübertragungsrohre 3 ist
die Rohrplatte 5'' beweglich,
und zwischen der Rohrplatte 5'' und
dem Mantelrohr 4 ist ein Federsatz 9 angeordnet.
Die Anordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung kann somit bei sehr geringen Modifikationen an bestehenden Rohrwärmetauschern 1 mit
schwimmend gelagerten Enden rückwirkend
eingesetzt werden. Des Weiteren ist die Anordnung bei anderen Arten
von Rohrenden einsetzbar, für
die jedoch eine geringfügige
Nachrüstung
erforderlich sein kann.
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Der
Federsatz 9 besteht bei der bevorzugten Ausführungsform
der Anordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung aus mehreren Tellerfedern 10, die zwischen zwei
Platten 11, 12 angeordnet sind. Die Platten 11, 12 sind
mittels (nicht gezeigter) Durchgangsschrauben miteinander verbunden,
um eine Montage und Demontage des Federsatzes 9 zu erleichtern.
Die Schrauben haben keine Aufgabe, während der Federsatz 9 an
dem Rohrwärmetauscher 1 befestigt
ist. Des Weiteren kann der Federsatz 9 auch aus anderen
Federarten, wie zum Beispiel Schraubenfedern, bestehen. Weiterhin
bietet der Federsatz 9 mit seinen Tellerfedern 10 die
Möglichkeit, die
Wärmedehnung
des Wärmetauscherelements 2 auszugleichen.
Als Alternative kann die Kraft F ausschließlich mittels Schrauben realisiert
werden, die auf den gewünschten
Grad festgezogen werden. Diese Alternative bietet jedoch keine Möglichkeit
des Ausgleichs der Wärmebewegungen
des Wärmetauscherelements 2.
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Der
Federsatz 9 erzeugt eine gewisse vorbestimmte Kraft F.
Die Kraft wird durch mehrere Tellerfedern 10 und ihre Abmessung über eine
gegebene Strecke L bestimmt. Somit wird die Kraft F axial an einen
Strömungseinsatz 6 angelegt.
Diese angelegte Kraft F muss dazu ausreichend sein, die Wärmeübertragungsrohre 3 so
straff zu halten, dass sie sich nicht berühren oder gegen die Innenwand
des Mantelrohrs 4 streichen. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird
die Kraft F mittels eines Federsatzes 9 in dem einen Ende
der Wärmeübertragungsrohre 3 angelegt. Als
Alternative dazu kann die Kraft F so verteilt werden, dass der Federsatz 9 in
beiden Enden der Wärmeübertragungsrohre 3 angebracht
ist.
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Eine übermäßig große Kraft
F würde
zu unnötigen
Spannungen in den Verankerungen der Wärmeübertragungsrohre 3 in
den Rohrplatten 5 führen, und
eine zu geringe Kraft F würde
dazu führen,
dass die Wärmeübertragungsrohre 3 nicht
wie gewünscht voneinander
beabstandet gehalten werden. Eine übermäßig große Kraft könnte des Weiteren zu unerwünschten „Katapult-Wirkungen" bei der Montage und
Demontage führen
und somit die Gefahr eines Personenschadens mit sich bringen. Die
erforderliche Kraft F hängt
von dem Eigengewicht der Wärmeübertragungsrohre 3,
das heißt
den Abmessungen und der Materialdicke, ab. Berechnungen haben gezeigt,
dass viele Rohrwärmetauscher 1 auf
dem Markt Wärmeübertragungsrohre 3 aufweisen,
die eine Kraft von ca. 1 000 N pro Wärmeübertragungsrohr 3 erfordern,
so dass diese bei einer normalen Rohrlänge von 6 Metern in dem gestrafften
Zustand gehalten werden.
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Bei
einem herkömmlichen
Rohrwärmetauscher 1 führen die
großen
Rohrlängen
des Weiteren zu einem gewissen Durchhängen des Mantelrohrs 4. Dies
wird normalerweise durch Einsetzen einer mittigen Abstützung 13 ausgeglichen.
Die bevorzugte Ausführungsform
gestattet jedoch ein gewisses Durchhängen des Mantelrohrs 4,
und die pro Wärmeübertragungsrohr 3 angelegte
Kraft F kann somit bis zu dem Zustand reduziert werden, in dem zwischen den
Wärmeübertragungsrohren 3 und
dem Mantelrohr 4 kein Kontakt besteht. Jegliche mittige
Abstützung 13 am
Rohrwärmetauscherelement 2 wird
dem Durchhängen,
falls vorhanden, angepasst.
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Durch
eine oben beschriebene Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
wird somit ein Rohrwärmetauscher 1 realisiert,
bei dem keine so genannten Prallflächen erforderlich sind, um
die Wärmeübertragungsrohre 3 voneinander
und von der Innenwand des Mantelrohrs 4 beabstandet zu
halten. Dies bietet einen freien Flüssigkeitsdurchgang im Mantelrohr 4,
und in jenen Fällen,
in denen der Rohrwärmetauscher 1 regenerativ
eingesetzt werden soll, kann sich das Produkt ungehindert zwischen
den Wärmeübertragungsrohren 3 umher
bewegen. Insbesondere bei Teilchen oder Fasern enthaltenden Produkten,
wie zum Beispiel Fruchtsäfte
oder dergleichen, bietet die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
die Möglichkeit
eines regenerativen Einsatzes des Rohrwärmetauschers 1 ohne
die Gefahr, dass sich die Fasern an den Hindernisflächen, die
durch die Prallflächen
gebildet werden, ansammeln. Des Weiteren bietet die Anordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung eine volle Waschbarkeit in beiden Strömungssystemen des Rohrwärmetauschers 1.
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Wie
aus der vorangehenden Beschreibung hervorgegangen ist, wird durch
die vorliegende Erfindung eine Anordnung realisiert, die die regenerative Verwendung
eines Rohrwärmetauschers
ohne Hindernisse in Produktströmungsrichtung
bildende Prallflächen
gestattet. Durch das Fehlen der Prallflächen können des Weiteren auch so genannte
,schwierige Produkte',
das heißt
Produkte, die Fasern oder Teilchen enthalten, den Rohrwärmetauscher
regenerativ verwenden.
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Die
vorliegende Erfindung sollte nicht als auf das oben Beschriebene
und in den Zeichnungen Gezeigte eingeschränkt betrachtet werden, sondern
es kommen viele Modifikationen in Betracht, ohne vom Schutzbereich
der angehängten
Ansprüche
abzuweichen.