DE69413819T2

DE69413819T2 - Gerät, verfahren und anordnung für mit rohren und schlagstangen versehenen wärmeaustauscher

Info

Publication number: DE69413819T2
Application number: DE69413819T
Authority: DE
Inventors: I-Chien Concord Ma 01742 Ho; Hong-Ding Apartment 214 Framingham Ma 01701 Huang; Yao-Tzu Lincoln Ma 01733 Li; Albert Jr. Nashua Nh 03060 Yundt
Original assignee: Yt Li Engineering Inc; YT Li Engineering Inc
Current assignee: Yt Li Engineering Inc; YT Li Engineering Inc
Priority date: 1993-06-22
Filing date: 1994-06-22
Publication date: 1999-05-27
Anticipated expiration: 2014-06-23
Also published as: EP0705414B1; CN1374492A; CN1205447C; JP3691512B2; CN1127547A; AU7211294A; CA2165661A1; DE69413819D1; CN1085827C; EP0705414A1; JPH09501226A; KR100396148B1; WO1995000808A1; EP0705414A4

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft im großen und ganzen eine Wärmeübertragungsvorrichtung und ein Verfahren zum Verdampfen, Destillieren, Gefrieren, Erwärmen oder Kühlen von Flüssigkeiten und insbesondere einen Orbitalantrieb für einen Peitschenstab, der in Verbindung mit einem Rohr-Mantel-Wärmetauscher verwendet wird.
Wenn man mit Fluiden arbeitet, ist es oft erforderlich, Wärme auf die Flüssigkeit zu übertragen oder von der Flüssigkeit abzuziehen, wobei eine Wärmetauschfläche, die typischerweise aus Blech ausgebildet ist, und ein zweites Prozeßfluid auf der gegenüberliegenden Seite des Blechs verwendet wird, das eine andere Temperatur als die Flüssigkeit hat, die verarbeitet wird. Diese Wärmeübertragung zwischen Fluiden kann dazu dienen, das Prozeßfluid aufzuwärmen oder abzukühlen, wie z. B. bei einem Glykolkühler, der gewöhnlich bei Klimaanlagen in Gebäuden verwendet wird. Es kann auch dazu dienen, die Phase des Fluids zu ändern, wie z. B. bei der Produktion von Frischwasser durch Kochen von Seewasser oder bei der Herstellung von Eisbrei bzw. einer pumpfähigen Eismasse durch teilweises Frieren von Wasser oder einer Wasserlösung. Eisbrei ist neben weiteren Anwendungen zur Speicherung von Kälte einsetzbar, um die Anforderungen an die Spitzenlastleistung bei Klimaanlagen in Gebäuden zu reduzieren, und um eine Tiefkühlung von Lebensmitteln zu schaffen, wie z. B. Milch, die auf einer Tagesfarm zum Transport zu einer Verarbeitungsfabrik gelagert wird, und Fischfang, der auf Fischereifahrzeugen gelagert wird.
Die Größe und damit die Kosten eines Wärmetauschers hängen von dem Wärmeübertragungskoeffizienten ab, der den Wärmeflußwiderstand durch eine Schicht eines "heißen" Fluids, einer Wärmetauscherwand, die das heiße und das kalte Fluid voneinander trennt, einer Schicht eines "kalten" Fluids zuzüglich Ablagerungen, die sich auf der heißen oder kalten Fläche der Wand ausbil den, widerspiegelt. Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist ein beträchtlicher Temperaturgradient erforderlich, um die Wärmeübertragung entgegen dieser Widerstände zu bewirken. Dieser hohe Gradient begrenzt die Energieeffizienz von Verdampfern oder Kühlern durch entweder Begrenzen der Anzahl von Stufen oder Nötigwerden einer höheren Leistung von einem Dampfkompressor.
Die US-Patente Nr. 4 230 529 und 4 441 963, von denen eines für die vorliegenden Anmelder erteilt ist, offenbaren einen neuen Ansatz, um diese Probleme zu lösen. Sie betreffen das Verwenden eines vertikalen dünnwandigen Wärmeübertragungsrohrs (oder mehrerer Rohre) mit offenen Enden, das in einer Orbital- oder Wackelbewegung angetrieben wird. Diese Orbitalbewegung des Rohrs erhöht den Wärmeübertragungswirkungsgrad durch Vermindern des Wärmewiderstands an der Innen- und Außenfläche des Rohrs. Die Bewegung wirbelt eine zu verdampfende Flüssigkeit in einen im großen und ganzen dünnen Film über die Innenfläche des Rohrs. Das vergrößert das Oberflächengebiet der Verdampfung und senkt den Wärmewiderstand durch Verkleinern der Dicke der Flüssigkeitsschicht. Die Orbitalbewegung hilft auch bei der Wärmeübertragung in das Rohr an seiner Außenfläche, die durch Kondensation eines erhitzten Dampfstroms erzeugt wird. Die Kondensation vergrößert die Dicke der Flüssigkeitsschicht an der Außenfläche und somit ihren thermischen Widerstand. Durch die Orbitalbewegung werden die Tröpfchen abgeworfen, wodurch die Wärmeübertragung an der Außenwand zunimmt.
Diese beiden Patente offenbaren mehrere derartige Rohre, die in einem gemeinsamen Behälter gehalten werden. Exzenter treiben die Rohre an, damit sie eine Wackelbewegung in einer horizontalen Ebene ausführen. Die Flüssigkeit wird wiederum durch eine dynamische Kopplung angetrieben, um entlang der Innenfläche umzulaufen, wenn sie das Rohr unter dem Einfluß der Schwerkraft hinabströmt. Diese Anordnungen erfordern Kurbeln, Lager und komplizierte Dichtungen in dem Verdampfer, der diesen Antrieb aufnimmt. Die Bauteile sind schwierig und kostenintensiv herzustellen und zusammenzubauen, sie müssen mit niedrigen Toleranzen hergestellt werden, sie sind empfindlich gegenüber Korrosion und Verschmutzung, wenn sie in der chemischen Industrie eingesetzt werden, und sie nutzen ab, was zu einer Störung der Auswuchtung der Wackelrohre und damit verbundenen Vibrationen führt. Das '529-Patent offenbart auch eine Selbstauswuchtungsanordnung mit einem selbsteinstellenden Orbitalradius, die die Auswuchtung gegenüber Änderungen in der Masse anpaßt. Wenn sich jedoch die Basis bewegt, z. B., wenn die Vorrichtung auf einem sich bewegenden Referenzrahmen, wie z. B. einem Schiff auf See, befestigt ist, muß der Kurbelradius fest sein, und selbst diese Maßnahme kann nicht ausreichend sein.
Viele bekannte Wärmeübertragungsvorrichtungen in dem Bereich von Eismaschinen bis hin zu hochentwickelten Verdampfern verwenden eine starre Wischerstange, die zwangsweise angetrieben wird, damit sie sich in dem Rohr dreht, um viskose Flüssigkeiten in einem dünnen gleichmäßig verteilten Film zu verteilen. Zwangsweise angetriebene Wischer können Fluide mit einer Viskosität von 1.000.000 cP oder mehr handhaben (Wasser hat eine Viskosität von 1 cP). Jedoch haben die bekannten Wärmeübertragungsvorrichtungen, die starre zwangsweise angetriebene Wischer oder Schaber verwenden, Nachteile. Zunächst gibt es eine Notwendigkeit, eine Drehantriebswelle in den Verdampfer oder Gefrierer einzuführen und abzudichten. Zweitens werden die Herstellung und der Zusammenbau schwierig und kostenintensiv, weil der Wischer oder Schaber starr ist und über eine feste Fläche in geringem Abstand bewegt wird. Die Oberfläche muß ebenso wie der Wischer/Schaber und seine Haltekonstruktion mit niedrigen Toleranzen hergestellt werden. Des weiteren sind diese bekannten starren Wischeranordnungen Abnutzungen ausgesetzt und dagegen vergleichsweise empfindlich.
Um diese Probleme für Fluide geringerer Viskosität zu lösen, z. B. solchen mit einer Viskosität von 1 bis 1.000 cP, offenbart das US-Patent Nr. 4 618 399 einen in dem Rohr angeordneten Peitschenstab, der die zugeführte Flüssigkeit in einen extrem dünnen und gleichförmigen Film verteilt, um ihren Wärmewiderstand zu verringern und ihre Verdampfung zu verstärken. Der Peitschenstab kon trolliert auch den Aufbau von festen Rückständen der Verdampfung. Das '399-Patent offenbart verschiedene Anordnungen zur Befestigung des Stabs inklusive Kabelstücken, einer flexiblen, aber sich nicht drehenden Verankerung, die zwischen einer Basis und dem unteren Ende des Stabs angebracht ist, und eine doppelte Universalverbindung, die auch zwischen dem unteren Ende des Peitschenstabs und der Basis angebracht ist. Während der Peitschenstab als ein Filmverteiler wirksam ist, haben die Befestigungsanordnungen Nachteile. Sie erhöhen das gesamte Material sowie die Zusammenbau- und Betriebskosten. Auch verschlechtert sich ihr Zustand. Materialermüdung flexibler Kabel, die den Peitschenstab halten, bereitet besondere Schwierigkeiten.
Das US-Patent Nr. 4 762 592 offenbart einen Orbitalantrieb, der die Probleme der früheren Exzenterkurbelantriebe bei der Herstellung, dem Zusammenbau, der Abnutzung und der Auswuchtung überwindet. Dieser verbesserte Antrieb verwendet ein sich drehendes Gegengewicht oder -gewichte, die an dem Verdampfer angebracht sind, und eine federbelastete Stützaufhängung für den Verdampfer. Die Gegengewichte und die Masse des Verdampfers drehen sich umeinander, wenn sich die Gegengewichte drehen.
Obwohl diese Anordnung die mit einem Exzenterkurbelantrieb verbundenen Probleme überwindet, leidet sie auch an bestimmten Nachteilen. Zum Beispiel erfordert es die Orbitalbewegung einer großen Masse, insbesondere, wenn die Einheit bis zu einer kommerziellen Größe mit mehreren großen Rohren vergrößert ist, die jeweils einen Flüssigkeitsstrom führen. Diese Masse vergrößert die Anforderungen an die Leistung (insbesondere beim Anfahren) vergrößert die Anforderungen an die Feder-Stützaufhängung, kann zu einem frühen Ermüdungsbruch der Aufhängung führen und vergrößert im großen und ganzen die Konstruktions- und Betriebskosten des Systems. Sie verstärkt auch den Wunsch nach einer stabilen Betriebsplattform, z. B. einen Betonboden, im Gegensatz zu einem, der sich bewegt, wie z. B. bei einem Schiff auf See oder irgendeinem anderen Transportmittel. Während das '592-Patent eine Lösung für das Problem einer sich bewegenden Plattform vor schlägt, war die Lösung in der Praxis nicht ausreichend, wenn die Vorrichtung bis zu kommerziell einsetzbaren Größen vergrößert wurde. Ein Problem lag darin, daß, wenn die Einheit bis zu einer kommerziell akzeptablen Größe vergrößert wurde, die Bewegung der Basis unakzeptabel hohe Belastungen einer Kurbel oder den Kurbeln auferlegte, die die gesamte Einheit in einer Orbitalbewegung antrieben.
Obwohl der Orbitalrohransatz für Verdampfung und Destillation verwendet wurde, wurde er im Stand der Technik nicht zum Gefrieren eingesetzt. Ein Grund liegt darin, daß die Flüssigkeit an die Wärmeübertragungsfläche friert, was den Widerstand für einen Wärmefluß durch den Tauscher vergrößert und dadurch jegliche Leistungsvorteile des Orbitalrohransatzes vermindert.
Zur Zeit gibt es zwei Haupttypen von Kältespeichersystemen auf dem Markt, die Eis verwenden. Einer ist bekannt als der Eiserntetyp, bei dem eine Gruppe von Eismaschinen über einem offenen Speicherbehälter installiert ist. Eis wächst bis zu einer bestimmten Dicke, bevor es periodisch in den Behälter durch einen Abtauarbeitsgang geerntet wird. Der andere ist als der Eisbanktyp bekannt. Er setzt eine Gruppe billiger Wärmeübertragungseinheiten ein, die üblicherweise aus Kunststoff hergestellt sind, an denen sich das gesamte Eis, das für die Kältespeicherung benötigt wird, fortwährend während jedes Kühlarbeitsgangs ansammelt. Bei diesen beiden Typen ist der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung von dem Wasser auf das Kühlmittel während des Eisbildungsschritts nicht so wirtschaftlich wie erwünscht, weshalb die Anlagenkosten steigen.
Das Konzept, Eis in Breiform bzw. eine pumpfähige Eismasse herzustellen, so daß die Eismaschinen ununterbrochen ohne Unterbrechung und mit etwas verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften betrieben werden können, wurde in der Industrie von Firmen, wie z. B. der Chicago Bridge and Iron, Inc. und erst vor kürzerer Zeit von dem Electric Power Research Institute ("EPRI") mit ihren Schemata versucht, die unter der Bezeichnung "Slippery Ice" (nicht ganz festes Eis) publiziert sind. Derzeit glaubt man, daß die Leistungsfähigkeit von Kältespeichersystemen mit nicht ganz festem Eis in der Beurteilungsphase ist.
Die von EPRI gesponserte Forschung zur Entwicklung eines Systems mit "nicht ganz festem Eis" wurde in einem Artikel mit dem Titel "Cool Storage: Saving Money and Energy" berichtet, der in der Juli/August-Ausgabe von 1992 des EPRI-Journals veröffentlicht ist. Bei dem EPRI-Schema wird Kalzium-Magnesium-Acetat dem Wasser zugesetzt. Gemäß EPRI bewirkt die Verwendung dieses Additivs, daß das Eis in der flüssigen Umgebung fern von der Wärmetauschfläche gebildet wird, und führt zu einer schmierigen Art von Substanz, die nicht an Metall anhaftet. Die Vorteile von "nicht ganz festem Eis" zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit wurden auch in der Ausgabe der New York Times vom 27. September 1992 unter dem Titel "Keeping Buildings Cool With Greater Efficiency" berichtet. In diesem Artikel wurde berichtet, daß die Verwendung von Automobilgefrierschutz in dem zu gefrierenden Wasser nicht zufriedenstellend ist, weil es dazu neigt, den Gefrierpunkt zu weit zu senken.
Das Konzept mit nicht ganz festem Eis ist attraktiv, weil ein Eisbrei nur unter dem Einfluß der Schwerkraft ohne mechanische Hilfe eine Kühlfläche hinab strömt. Obwohl nicht ganz festes Eis funktioniert, ist nicht bekannt, wie es funktioniert. Überdies hat dieser Ansatz verschiedene erhebliche Nachteile. Zunächst läßt nur ein bekanntes Additiv Eis das anfängliche Anhafthindernis gegenüber einer Schwerkraftzufuhr von Kristallen hinab entlang der Kühlfläche überwinden. Das ist von besonderer Bedeutung, wenn die verarbeitete Flüssigkeit ein Lebensmittelprodukt ist; dieses Additiv kann nicht eingesetzt werden. Eine andere Einschränkung ist, daß der Wärmefluß, die Befeuchtungsrate und die Konzentration des Additivs sehr genau eingestellt werden muß, damit sich das nicht ganz feste Eis bildet. Auch muß die Wärmeübertragungsfläche elektrolytisch oder anodisch poliert bzw. glanzpoliert werden.
In vielen Fällen ist es nicht erwünscht, daß es erforderlich ist, daß die Flüssigkeit durch den Wärmetauscher in Form eines Rieselfilms tritt. Wenn die Wärmetauschrohre geflutet wären, würde der Flüssigkeitszufuhrdruck hinreichend sein, um es in die nächste Verarbeitungsstufe zu transferieren. Die Komplikation und Kosten eines zusätzlichen Pump- und Niveauausgleichsystems, das üblicherweise bei Systemen erforderlich ist, die einen Wärmetauscher mit Rieselfilm verwenden, würden nicht notwendig sein. Bisher waren Orbitalwärmetauscher darauf beschränkt, mit einem Rieselfilm zu arbeiten. Ein Grund dafür liegt darin, daß, weil sich die gesamte Vorrichtung dreht, oder weil sich die Rohre in der Außenhülle drehen, das Fluten der Rohre die zu drehende Masse stark vergrößert. Dies wiederum vergrößert die für den Betrieb erforderliche Leistung, verstärkt die Abnutzung und erhöht die Probleme der Vibration und Auswuchtung. Zusätzlich wird die Bewegung von Peitschenstäben in den gefluteten Rohren im großen und ganzen durch die Flüssigkeit behindert, oder der Peitschenstab bewegt sich in Übereinstimmung mit dem sich drehenden Körper aus Flüssigkeit in dem Rohr derart, daß der Stab eine abschwächende Auswirkung auf den Wärmeübertragungsprozeß hat.
Bei bestimmten Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Wärmetauschrohre anders als vertikal auszurichten. Zum Beispiel würde auf einem Schiff das Stampfen und Rollen des Schiffs mit den Wellen teure kardanische Aufhängungsanordnungen erfordern, damit die Rohre in einer Vertikalausrichtung betrieben werden. Sogar bei landgestützten Systemen kann eine nicht vertikale Ausrichtung wünschenswert sein, um Beschränkungen der Ausrüstungshöhe zu genügen, um durch Türen oder unter bestehende Decken zu passen, und um Einheiten in Standardtransportbehältern zu verschicken.
Es ist auch wünschenswert, die durch die unausgewuchtet rotierenden oder sich drehenden Massen (z. B. Peitschenstäbe und Antriebsteile) erzeugte Vibration zu vermindern. Die Vibration ist leicht von dem Nutzer zu sehen und erzeugt Bedenken gegenüber der Haltbarkeit der Ausrüstung und möglichen Ermüdungsbrüchen von Lei tungsverbindungen mit dem Wärmetauscher. Sie erhöht auch die verbrauchte Leistung und bedeutet eine verstärkte Belastung der Befestigungsanordnung. Bis jetzt war es eine Lösung, Rohre in Gruppen mit einer 180º Phasenverschiebung zwischen den Gruppen umlaufen zu lassen. Das '529 und das' 963-Patent zeigen diesen Ansatz. Das '592-Patent offenbart umlaufende Gegengewichte.
Eine kürzliche Entwicklungsarbeit schlägt vor, daß, wenn die Orbitalwärmetauscheinheiten bis zu mehr kommerziell einsetzbaren Größen vergrößert werden und unter Bedingungen betrieben werden, die den Wärmeübertragungsfluß maximieren, eine neue Reihe von Konstruktionsproblemen in den Vordergrund rückt. Unter Verwendung der Orbitaltechnologie ist es ein einfacher Weg, um auf ein gewünschtes Oberflächenvolumenverhältnis zu kommen, mehr Rohre zu verwenden. Zum Beispiel kann ein zwanzig Tonnen Gefrierer/Kühler zweiundvierzig Rohre mit 3,8 cm (1,5 inch) Durchmesser aufweisen. Ein 2,72 · 10&sup4; kg (dreißig Tonnen) Dampfkompressionsverdampfer für Seewasserentsalzung kann zweihundertachtundfünfzig Rohre aufweisen. Bei diesen vielen Rohren treten erhebliche Probleme beim Zur-Verfügung-Stellen des erforderlichen Drehmoments an alle Rohre mit der richtigen Phasenbeziehung auf, wobei das Schaffen einer handhabbaren Abnutzung, das Niedrighalten der Vibration und Teilezahl und das Schaffen eines leichten Zusammenbaus Hindernisse für Vorrichtungen mit vielen Rohren in kommerzieller Größe werden.
Bekannte Orbitalantriebe und herkömmliche Wischeranordnungen erfüllen nicht die Anforderungen an solche Anordnungen mit mehreren Rohren. Die Massen der Rohre oder der Behälter und der Rohre bewirken extreme Beanspruchungen der Drehlager von Exzentern, die zwischen eine Drehleistungsquelle und die Endanwendung der Kraft gekoppelt sind. Große Kräfte erzeugen schnell Abnutzung in den Lagern und an den Antriebsflächen, was ein Spiel in dem Antriebszug und einen Verlust der erwünschten Phasenbeziehung zwischen der Bewegung der Gruppen von Rohren bewirkt. Große Kräfte verstärken auch die Reibung in dem Antriebszug. Stäbe an jedem der vielen Rohre unter Verwendung eines Felds von Rädern oder Rollen zu kurbeln, stellt selbst ohne erhebliche Abnutzung ein entmutigendes mechanisches Konstruktionsproblem dar, insbesondere wenn dieses mechanische Feld einem zugeführtem Fluid ausgesetzt ist oder damit kompatibel sein muß. Die Abnutzungsprobleme erfordern es sogar bei bekannten Wischersystemen, wie z. B. dem von Sunwell verkauften Gefrierer/Kühler, der rotierende Wischblätter verwendet, die auf eine Wärmetauschfläche einwirken, anfänglich genaue Toleranzen einzuhalten, und danach sind jährliche Überholungen der Blattanordnung mit Kosten, die mehrere tausend Dollar pro Überholung übersteigen, empfehlenswert. In der Praxis berührt die Abnutzung nicht nur die Leistungsfähigkeit, sondern kann auch dramatische Auswirkungen auf die laufenden Betriebskosten haben.
Ein spezielles Problem bei Eisbreianwendungen liegt darin, daß bei einer hohen Kühlrate die Eisbildung an dem Wärmeübertragungsrohr nicht nur den Wärmeübertragungswirkungsgrad vermindern kann, sondern Eis kann auch derart anwachsen, daß das Rohr mit Eis gefüllt ist und eventuell der Peitschenstab in der Mitte des Rohrs einfriert. Auch gibt es typischerweise mehr Eis in der Nähe des unteren Teils als am oberen Teil des Rohrs. Es ist daher erwünscht, die Anzahl und die Größe mechanischer Hindernisse gegenüber dem Austritt des Eisbreis aus dem Unterteil der Rohre zu vermindern. Das legt eine obere Befestigung der Stäbe für diese Anwendung nahe. Ein Peitschenstab, der sich in dem Rohr dreht, kann jedoch nichtsdestoweniger eine Veränderung in dem mechanischen Widerstand gegenüber seiner Bewegung in Folge von Veränderungen der Eismenge, die in dem Rohr vorliegt, als eine Funktion seiner Länge erfahren. Dies tritt noch eher auf, wenn der Tauscher bei einem großen Wärmefluß betrieben wird. Demzufolge kann der Peitschenstab nicht "mittig werden", d. h. sich selbst mit der Vertikalachse des Rohrs ausrichten, sondern er kann eher eine schräge oder seitwärts gekippte Ausrichtung einnehmen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sein unteres Ende seinem oberen Ende nachfolgt. Jedes derartige Schrägstellen ist extrem unerwünscht, weil es die gute Wirkung des Stabs stört, wenn er vollkommen mit dem Rohr in Eingriff ist.
Obendrein sind, obwohl verschiedene Anordnungen ausprobiert wurden, um den Flußwiderstand an der Außenseite des Rohrs infolge der Kondensation zu vermindern, diese Techniken nicht einsetzbar, wo Verdampfung oder Sieden an der Außenfläche auftritt. Zweifellos kann der Energiewirkungsgrad von Gefrier- und Kühlanwendungen durch Vermindern des thermischen Widerstands an der äußeren Rohrfläche vergrößert werden. Keine bekannte Vorrichtung und keine Technik erreicht dieses Ziel.
Es ist daher eine Hauptaufgabe dieser Erfindung, einen Orbitalwärmetauscher, ein Wärmespeichersystem, das diesen Tauscher einsetzt, und ein Verfahren, Wärme zu tauschen, anzugeben, der bzw. das entweder in einer gefluteten Betriebsart oder einer Rieselfilmbetriebsart und auf einer festen oder sich bewegenden Basis betrieben werden kann.
Eine weitere Hauptaufgabe ist es, einen Orbitalantrieb für einen Orbitalwärmetauscher des Stab-im-Rohr-Typs anzugeben, der ohne weiteres vergrößert werden kann, um mehrere Rohre mit bestimmten tangentialen und radialen Komponenten der Antriebskraft auf den Stab anzutreiben, um mit Flüssigkeiten hoher Viskosität und festen Ablagerungen auf der Rohrwand fertigzuwerden.
Noch eine Hauptaufgabe ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vergrößerung der Wärmeübertragung an der Außenseite eines Rohrs anzugeben, das zum Gefrieren oder Kühlen eingesetzt wird.
Eine weitere Aufgabe ist es, einen Orbitalwärmetauscher mit einem Orbitalantrieb anzugeben, der eine vergleichsweise niedrige Masse und einen vergleichsweisen niedrigen Leistungsverbrauch aufweist.
Eine weitere Hauptaufgabe ist es, einen Orbitalantrieb für einen Wärmetauscher des Stab-im-Rohr-Typs anzugeben, bei dem der Stab selbsteinstellend ist, um eine parallele Ausrichtung mit dem Rohrs beizubehalten.
Eine weitere Aufgabe ist es, einen Orbitalantrieb mit dem vorangehenden Vorteilen anzugeben, der gleichzeitig sehr unempfindlich gegenüber Abnutzung der Antriebsteile ist und keine kritischen Toleranzen aufweist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher und Orbitalantrieb anzugeben, der als ein Gefrierer/Kühler bei einem hohen Wärmefluß des Tauschers betrieben werden kann.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Menge der Vibration zu vermindern, die von einem Orbitalwärmetauscher erzeugt wird.
Noch eine weitere Aufgabe ist es, einen Orbitalwärmetauscher mit den vorangehenden Vorteilen anzugeben, der vorteilhafte Herstellungskosten sowohl im Sinne einer niedrigen Teilezahl als auch im Sinne eines leichten Zusammenbaus für niedrige Herstellungskosten und einer leichten Zerlegbarkeit für niedrige Wartungskosten aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit mindestens einem Wärmeübertragungsrohr, das Wärme in radialer Richtung durch die Rohrwand zwischen einem heißen und einem kalten Fluid austauscht, wobei eines von ihnen ein Prozeßfluid ist, das durch das Rohr zumindest entlang der Innenfläche des Rohrs strömt, und einem Peitschenstab, der in dem Rohr angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher
eine Antriebseinrichtung zum zwangsweisen Bewegen des Peitschenstabs entlang der Innenwand des Rohrs, die eine Quelle für Antriebsleistung aufweist, eine mechanische Einrichtung, die die Quelle für Antriebsleistung mit dem Stab koppelt, und eine mechanische Einrichtung zum Umwandeln der Ausgangsleistung der Quelle für Antriebsleistung in eine Orbitalbewegung des Stabs entlang der Innenfläche aufweist, wodurch der bewegte Peitschenstab mit dem Prozeßfluid physikalisch wechselwirkt und die Ablagerung von festen Stoffen aus dem ersten Prozeßfluid auf der Innenfläche des Rohrs kontrolliert, wobei das Koppeln und Umwandeln im wesentlichen unempfindlich gegenüber der Orientierung des Rohrs und dem Füllgrad des Rohrs mit dem Prozeßfluid ist, und
wobei das Rohr und der Peitschenstab in einer nicht vertikalen Orientierung angeordnet sind.
Ein Wärmetauscher leitet ein erstes Prozeßfluid in ein Ende von mindestens einem dünnwandigen Wärmeübertragungsrohr mit offenen Enden ein. Ein äußeres Gehäuse oder eine äußere Hülle umgibt das Rohr oder die Rohre, um eine Kammer zu bestimmen, die ein zweites Prozeßfluid zumindest zum Teil veranlaßt, in Kontakt mit der Außenfläche des Rohrs oder der Rohre zu kommen. Es gibt einen Temperaturunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid, wobei das eine "heiß" und das andere "kalt" ist. Die Innenseite des Wärmetauschrohrs kann entweder geflutet oder mit einem Rieselfilm der ersten Prozeßflüssigkeit beschichtet sein. Wenn das Rohr einen Rieselfilm enthält, dann ist der Wärmetauscher derart orientiert, daß die Flüssigkeit im großen und ganzen von einem Zufuhrpunkt an dem Oberteil in Richtung des Unterteils unter dem Einfluß der Schwerkraft fällt.
Bei Verdampfungs-, Destillations- oder Heizanwendungen strömt ein heißes zweites Prozeßfluid (wie z. B. Dampf) über die Außenfläche des Rohrs. Die resultierende, radial nach innen gerichtete Wärmeströmung durch das Wärmeübertragungsrohr bewirkt, daß die erste Prozeßflüssigkeit auf der Innenseite verdampft (bei der Verdampfung oder der Destillation) oder sich erhitzt (beim Heizen). Beim Kühlen von Flüssigkeit ist das zweite Prozeßfluid ein kaltes Fluid (wie z. B. siedendes Kühlmittel), das über die Außenfläche des Rohrs strömt. Die resultierende, radial nach außen gerichtete Wärmeströmung durch das Wärmeübertragungsrohr bewirkt, daß die Flüssigkeit auf der Innenseite in der Temperatur abnimmt. Beim Gefrieren von Flüssigkeit ist die radial nach außen gerichtete Wärmeströmung durch das Wärmeübertragungsrohr hinreichend, um zu bewirken, daß die erste Prozeßflüssigkeit auf der Innenseite zum Teil friert.
Mindestens ein Peitschenstab ist innerhalb von jedem Rohr angeordnet und wird entlang dessen Innenfläche bewegt. Bei einer Ausführungsform, die für eine Rieselfilmbetriebsart mit einem Fluid niedriger Viskosität geeignet ist, ist der Stab aus einem Material gebildet und derart ausgelegt und angebracht, daß er sich biegt, damit er mit der Innenfläche übereinstimmt, wenn er entlang der Innenfläche bewegt wird. Der Stab kann einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und er kann eingesetzt werden, um sich abzurollen, wenn er entlang der Innenfläche des Rohrs bewegt wird. Der Stab kann auch einen nicht-kreisförmigen Aufbau aufweisen und sich nicht abrollen. Die Stabkanten bei rechteckigen oder anders abgewinkelten Querschnitten können als Meißel wirken, um feste Ablagerungen auf der Innenfläche zu entfernen.
Ein direkter zwangsweiser Orbitalantrieb treibt den Peitschenstab oder die Peitschenstäbe an, um sie entlang dem Rohr zu bewegen, wobei der Stab im großen und ganzen mit der Rohrachse ausgerichtet ist. Die Rohre sind stationär. Bei einer Rieselfilmbetriebsart verteilen die Peitschenstäbe die Flüssigkeit über die Innenfläche. Bei Gefrieranwendungen ist es auch wichtig, daß der Stab Turbulenz in dem Flüssigkeitsstrom erzeugt, der von dem Stab geschoben wird, wenn er in dem Rohr umläuft. Die im Vergleich mit der viel größeren Masse der Rohre, des Prozeßfluids und der zugehörigen Rohrhaltestrukturen niedrige Masse der Stäbe vermindert den Leistungsverbrauch, vermindert die Belastung des Antriebszugs und gestattet den Betrieb bei einem gefluteten oder nicht vertikalen Zustand einschließlich einem zuverlässigen Betrieb auf einem sich bewegenden Referenzrahmen, wie z. B. einem Fahrzeug auf See. Wenn das Innere der Wärmetauschrohre geflutet ist, dann wird der Peitschenstab vorzugsweise an beiden Enden angetrieben. Wenn die Rohre nicht geflutet sind, ist der Peitschenstab vorzugsweise an eine Antriebsplatte aufgehängt, die über den Rohren und den Stäben angebracht ist.
Eine Antriebsplatte (oder Platten) verläuft in einer Ebene, die im großen und ganzen senkrecht zu dem Stab oder den Stäben liegt. Sie bewegt die Peitschenstäbe oder Gruppen der Stäbe im Einklang. Bei einer Ausführungsform des Orbitalantriebs bewegt mindestens eine Exzenterkurbel, die von einem Motor angetrieben ist, die Antriebsplatte in einer Orbitalbewegung in dieser Ebene. Insbesondere bei Gefrieranwendungen gibt es eine Antriebsplatte, die über den Stäben angeordnet ist, an der die Stäbe aufgehängt sind.
Für den Betrieb im großen Maßstab mit mehreren Rohren, oder wenn es eine Notwendigkeit für ein hohes Drehmoment gibt, das an den Stäben anliegt, ist der zwangsweise Stabantrieb vorzugweise ein Platten-Kurbelantrieb. Eine Quelle für Drehbewegungsenergie, die über einen Exzenter oder etwas Äquivalentes wirkt, wie z. B. synchronisierten Linearantrieben, die in einem 90º-Winkel angeordnet sind, treibt eine Antriebsplatte an, um eine Orbitalbewegung in einer Ebene auszuführen, die im großen und ganzen orthogonal zu den Stäben liegt. Eine Kurbel ist an oder benachbart zu einem Ende von jedem Rohr angebracht. Die Befestigung ist ein spinnenartiger Rahmen, der in einer Aussparung in dem Rohrende gleitet. Ein Antriebsstift, der an einem Arm befestigt ist, greift in eine zugehörige Öffnung oder ein zugehöriges Lager in der Platte ein. Die Kurbel weist eine Zentrallagerung auf, die von dem Rahmen gehalten wird, der eine Welle drehbar anordnet, die sich in das Rohr erstreckt. Die Orbitalbewegung der Platte wird gleichzeitig auf alle Rohre über die zugehörigen Kurbeln übertragen. Schließlich ist der Stab an der Welle befestigt. Bei einer Ausführungsform sind mehrere Stäbe gleichwinklig um die Welle für einen guten dynamischen Ausgleich angeordnet. Die Befestigung weist eine Anordnung auf, wie z. B. einen radial ausgerichteten Schlitz in dem Ende eines Dreharms, der einen Stab erfaßt, ihn aufhängt und ihm gestattet, sich in radialer Richtung als Reaktion auf die anliegende Zentrifugalkraft, Abnutzung und Änderungen in den Betriebsbindungen zu bewegen. Diese Form des Orbitalantriebs transformiert eine Orbitalbewegung in mehrere Drehbewegungen mehrerer Stäbe in einem Feld von Rohren. Die Plattenlöcher sind vorzugsweise überdimensioniert, um als Öffnungen zur Zufuhr von Flüssigkeit für die zugehörigen Rohre zu dienen und dabei die Stift-zu-Platte-Verbindung zu schmieren. Dieser Kraftzug erzeugt ein großes tangentiales Drehmoment bei jedem Rohr, das die Stangen durch feste Ablagerungen, die an den Rohrwänden wachsen, und durch die Prozeßflüssigkeit in dem Rohr antreibt, unabhängig davon, ob sie in einem Rieselfilm oder in gefluteter Form vorliegt, und unabhängig davon, ob die Flüssigkeit wässrig oder viskos ist.
Radiale Hilfskräfte erzeugende Anordnungen können die auf die Stäbe wirkende Zentrifugalkraft vergrößern, die durch die Rotation erzeugt wird, und den Stäben gestatten, ihre radiale Position zu ändern - eine nicht starre Befestigung. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind diese Vorrichtungen für radiale Hilfskräfte Federbefestigungen für die Stäbe, die an der Zentralwelle befestigt sind, um die Stäbe nach außen zu drängen. Paare von Blattfedern werden bevorzugt, die an einem oberen und unteren Ende von jedem Stab befestigt sind. Die Stärke der erzeugten Hilfskraft ist hinreichend, um einem Wachsen von festen Ablagerungen nach innen, z. B. Eis bei Gefrieranwendungen, und um dem Krümmen des Stabs zu widerstehen, wenn er sich aufgrund niedriger Rotationsgeschwindigkeiten oder Veränderungen in dem Widerstand gegenüber seiner Bewegung entlang des Rohrs dreht, z. B. bei Anwesenheit von mehr Eis in der Nähe des unteren Teils eines vertikal ausgerichteten Rohrs als in der Nähe des Oberteils. Bei Gefrieranwendungen sind Anschläge vorzugsweise in der Gestalt metallischer Drahtklammern zwischen der Welle und den Stäben befestigt, um dem maximalen Weg der Stäbe nach außen zu begrenzen und dadurch einen kleinen Spalt zwischen den Stäben und der inneren Rohrfläche einzustellen. Dieser Spalt vermindert die Abnutzung des Stabs und die Gleitreibung. Wenn sich eine Eisschicht bildet, begrenzen die Stäbe ihr Wachstum nach innen auf die Abmessungen dieses Spalts. Die durch die sich bewegenden Stäbe und bis zu einem gewissen Grad durch die Federn und die Klammern verursachte Turbulenz führt das Anhaften von Eiskristallen an der Rohrwand auf das Mindestmaß zurück. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zum Gefrieren weist das Prozeßfluid ein Additiv auf, das, wie man es zur Zeit versteht, den Gefrierpunkt unter den des reinen Prozeßfluids senkt, um die Bildung von Kristallen in dem Fluid und nicht an der Wand zu fördern. Für Wasser sind geeignete Additive Ethylenglycol, Propylenglycol, Milch, Seewasser, Kalziummagnesiumacetat und anorganische Salze, die wasserfreie Kristalle bilden. Eine 3%ige bis 10%ige Lösung ist dafür typisch.
Im Gegensatz zu einem großen System, wo ein großes Oberflächen- zu-Volumenverhältnis bevorzugt ist und hohe Flußdichten das Flächengebiet weiter verkleinern würden, herrschen bei einem kleinen System ein anderer Satz von Bedingungen vor, wo Einfachheit und Teilezahl oft den Vorrang gegenüber der Wirtschaftlichkeit haben, die auf der Basis pro Flächeneinheit oder pro Volumeneinheit abgeleitet wird. Zum Beispiel kann die Einfachheit verschiedener frei drehender Peitschenstäbe, die angeordnet sind, um sich in einem relativ großen Zylinder zu drehen, wirtschaftlicher sein, als mehrere kleine Rohre, die jeweils einen Stab und Antrieb aufweisen, um durch den Orbitalantrieb umzulaufen.
Bei Verwendung von Kurbeln zum Antrieb der Peitschenstäbe kann man auch die Stäbe in verschiedenen Phasenwinkeln zu den Kurbeln einstellen. Wenn ein einziger Stab in jedem Rohr bevorzugt ist, kann der dynamische Ausgleich auch durch Gruppieren der Stäbe in entgegengesetzten Phasenwinkeln gemäß der zu dem im '963 beschriebenen Ausgleichskonzept gleichen Logik erreicht werden.
Um die Wärmeübertragung an der äußeren Rohrfläche für Gefrier- und Kühlanwendungen zu erhöhen, umgibt ein rohrförmiger Mantel, der an seinem oberen und unteren Ende für eine Strömung des zweiten Prozeßfluid offen ist, das Wärmetauschrohr, um einen ringförmigen Thermosyphon zu bestimmen. Das zweite Prozeßfluid ist ein siedendes Kühlmittel, das eine Zweiphasenströmung entlang der äußeren Rohrfläche während des Betriebs wird. Der Mantel erzeugt einen Konvektionsstrom, wobei eine Mischung niedrigerer Dichte aus siedenden Dampf und Flüssigkeit eine Hochgeschwindigkeitsströmung nach oben entlang der Außenfläche bildet.
Diese und weitere Merkmale und Aufgaben sind besser aus der folgenden detaillierten Beschreibung zu verstehen, die zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden sollte.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht mit freigeschnittenen Bereichen von einem Wärmetauscher mit Orbitalantrieb, offenem Rohr und Peitschenstab gemäß der vorliegenden Erfindung, der in einer gefluteten Betriebsart und in einer nicht vertikalen Orientierung betrieben wird;
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht mit freigeschnittenen Bereichen von einem Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers mit Orbitalantrieb, offenem Rohr und Peitschenstab, der in einer Rieselfilmbetriebsart und in einer vertikalen Orientierung betrieben wird;
Fig. 3 zeigt eine detaillierte perspektivische Ansicht mit freigeschnittenen Bereichen des zwangsweisen, in Fig. 1 gezeigten Orbitalantriebs für den Stab und zeigt auch einen Thermomantel, um die Strömung eines siedenden Kühlmittels über die Außenfläche von jedem Wärmeübertragungsrohr zu verstärken;
Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Ansicht im horizontalen Schnitt von einem Wärmeübertragungsrohr und einem umlaufenden Peitschenstab, die die dynamischen Kräfte darstellt, die auf den Stab und die Flüssigkeit in dem Rohr wirken, wenn es in einer Rieselfilmbetriebsart betrieben wird;
Fig. 4A zeigt ein Kraftvektordiagramm, das die in Fig. 4 wirkenden dynamischen Kräfte darstellt;
Fig. 5 zeigt eine detaillierte perspektivische Ansicht eines Orbitalplattenantriebs für einen Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei eine kreisende obere Antriebsplatte zwangsweise an ein Paar von mehreren Paaren frei drehbarer dynamisch ausgewuchteter Peitschenstäbe gekoppelt ist;
Fig. 5A zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 5, das aber vier Peitsschenstäbe verwendet;
Fig. 5B zeigt eine schematische Aufsicht, die eine Auswuchtungsanordnung darstellt, bei der Gruppen einzelner Stäbe 180º außer Phase zueinander angetrieben werden;
Fig. 6 zeigt eine diagrammartige Aufsicht, die die Unempfindlichkeit gegenüber Abnutzung und Toleranzen von dem Orbitalantrieb der Fig. 5 und 7 beispielhaft durch fünf Rohrmitten a&sub1; ... a&sub5; und fünf dazugehörige Kopplungspunkte b&sub1; ... b&sub5; der Antriebsplatte darstellt;
Fig. 7 zeigt eine detaillierte perspektivische Ansicht entsprechend Fig. 5, die aber ein alternatives Ausführungsbeispiel darstellt, das ein Paar versetzter flacher Peitschenstäbe und Federbefestigungen für die radiale Hilfskraft gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 7A zeigt eine detaillierte perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels mit vier Stäben des in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiels; und
Fig. 8 zeigt eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines Wärmespeichersystems, das einen Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung und einen Eisbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine Wärmeübertragungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen Orbitalantrieb für einen Peitschenstab verwendet. Ein Behälter oder eine äußere Hülle 2 schließt eine Anzahl von Wärmeübertragungsrohren 1 ein. Ein oberes Rohrblech 3 und ein unteres Rohrblech 4 teilen zusammen mit den Rohren 1 das innere Volumen des Behälters 2 in Zwischenräume 5, 6 und 8. Der Zwischenraum 8 stellt den Außenraum oder die Hüllenseite des Wärmeübertragungssystems dar. Das Innere oder die Rohrseite weist sowohl eine obere Kammer 5 als auch eine untere Kammer 6 ebenso wie den Innenraum aller Rohre 1 auf. Jedes Rohr 1 stellt eine innere 7 und eine äußere Wärmeübertragungsfläche zur Verfügung. Es ist dünnwandig und ist aus einem Material mit guten Wärmeübertragungseigenschaften, wie z. B. Kupfer oder Stahl, hergestellt. Das Rohr kann bestimmte Oberflächenbehandlungen, wie z. B. eine Riffelung oder Rillen haben, die eingesetzt werden können, um die Wärmeübertragungseigenschaften für entweder die Innen- oder die Außenfläche des Rohrs zu verbessern.
Ein erstes Prozeßmedium I kann in die Kammer 8 über eine Leitung oder Düsen 9 und 10 eingeführt werden, um Wärme über die Wand der Wärmeübertragungsrohre 1 mit einem zweiten Prozeßmedium II auszutauschen, das in die obere Kammer 5 sowohl über die Leitung 11 als auch über die Leitung 12 bei der unteren Kammer 6 eingeleitet werden kann. Zum Beispiel ist für Entsalzung das Medium II Seewasser und das Medium I geheiztes Gas, wie z. B. Dampf. Zum Herstellen von Eisbrei bzw. pumpfähiger Eismasse ist das Medium II Wasser mit einem Additiv, das die Bildung von großen Eiskristallen in dem Wasser und nicht an der Rohrwand fördert. Das Medium I ist vorzugsweise ein unter Druck gesetzes Kühlmittel, das an der äußeren Fläche siedet, um einen Zweiphasen-Dampf/Schaumstrom zu bilden. Ein geeignetes Additiv für Wasser ist Ethylenglycol (Automobilfrostschutzmittel), Propylenglycol, Milch, Seewasser, Kalziummagnesiumacetat und bestimmte anorganische Salze, wie z. B. Sodiumbicarbonat, das wasserfreie Kristalle bildet. Eine 3%ige bis 10%ige Lösung ist dafür typisch. Erfolgreiche Additive führen zu der Bildung sehr feiner pulverförmiger Eiskristalle. Additive, die nicht funktionieren, bilden Eiskristalle als große flache Flocken. Geeignete Lösungen können, wenn sie über Nacht in einer gewöhnlichen Hausgefriertruhe gelassen werden, matschig und rührfähig sein; ungeeignete Additive und Lösungsstärken werden zu einer gefrorenen Masse führen.
Wenn die Vorrichtung 100 bei einem Verdampfungsverfahren eingesetzt wird, wird das Medium I in der Kammer 8 mit einer höheren Temperatur, verwendet werden, um ein zweites Medium II in der Kammer 5 mit einer niedrigeren Temperatur zu verdampfen. Insbesondere kann Dampf in die Kammer 8 über die Leitung 10 eingeleitet werden und auf der Außenfläche der Rohre 1 kondensieren, um Kondensat zu bilden, das aus dem Auslaß 9 herausströmt. Die somit freigewordene Wärme wird verwendet, um das Medium II zu verdampfen, wobei ein Fluid, das in die obere Kammer 5 über die Leitung 11 eingeleitet wird, zu dem Oberteil des Rohrblechs 3 zugeführt wird. Bei einer Ausführungsform der Zuführverteilung wird die Zufuhr über das Rohrblech 3 in der Gestalt eines Flüssigkeitsbeckens 24 verteilt. Diese Flüssigkeit wird dann in die Rohre 1 hinabströmen. Die latente durch die Kondensation des Dampfs innerhalb der Kammer 8 freigewordene Wärme tritt durch die Wand der Rohre 1, um die Flüssigkeit innerhalb des Rohrs zu verdampfen. Der erzeugte Dampf kann entweder durch das obere Ende der Rohre 1 strömen und durch den Auslaß 11a (im Phantom) austreten, oder bei einer anderen Anordnung nach unten in die Rohre 1 gleichzeitig mit der Strömung des Flüssigkeitsstroms hinabströmen, um aus dem Auslaß 12 bei dem unteren Ende der Kammer 6 hinauszuströmen.
Innerhalb von jedem Rohr 1 gibt es einen Peitschenstab 24, der angetrieben wird, um sich auf eine umlaufende Weise in dem Rohr zu drehen. Die Orbitalbewegung wird mit den gebogenen Pfeilen 300 dargestellt. Diese Orbitalbewegung wird eine Zentrifugalkraft erzeugen, damit der Peitschenstab Druck auf die Innenfläche des zugehörigen Rohrs 1 ausübt, wobei der Stab mit der Rohrachse ausgerichtet ist. Bei einer in Fig. 2 gezeigten Rieselfilmbetriebs art wird diese Bewegung einen Flüssigkeitsstrom in einen dünnen und gleichförmigen Flüssigkeitsfilm verteilen, um seine Verdampfung zu erleichtern und dadurch den Wärmeübertragungskoeffizienten zu vergrößern. Bei der in Fig. 1 gezeigten gefluteten Betriebsart erzeugt die Stabbewegung Turbulenz in der zugeführten Flüssigkeit II und sie kann die Ablagerung von Feststoffen auf der inneren Rohrfläche kontrollieren.
Die Masse, der Aufbau und die Umlaufgeschwindigkeit des Stabs wird mit der Anwendung, der Betriebsart, dem Zustand und der Größe des Rohrs und weiteren Faktoren auf eine Weise variieren, die ohne weiteres von dem Fachmann verstanden wird. Zum Beispiel würde es für Seewasserentsalzung ein wünschenswertes Merkmal sein, daß die Orbitalbewegung des Stabes die Tendenz der verschiedenen in dem Seewasser gelösten Bestandteile, die ausfallen können, um Ablagerungen zu bilden, während das Wasser verdampft wird, Ablagerungen zu bilden, auf das Mindestmaß zurückführt. Für den Fall der Konzentration einiger Lebensmittelprodukte sollte der Stab fähig sein, das konzentrierte Fluid entgegen seiner Viskosität zu schieben, während gleichzeitig empfindliches Material in dem Konzentrat nicht beschädigt wird. Zum Herstellen von Eisbrei wird in die Strömungsrichtung der Wärme von der Innenseite des Rohrs zu seiner Außenseite derart sein, daß sich Eiskristalle bilden, wenn die Flüssigkeit gekühlt wird und nach unten strömt. Für diese Anwendung wird es die Funktion des Stabes sein, die beginnende Bildung von Eiskristallen zu stören und Eiskristalle zu entfernen, die an die Innenfläche der Rohre 1 haften und dort wachsen könnten.
Bei dem Aufbau von Fig. 1 sind die Stäbe 24 vorzugsweise innerhalb der Rohre 1 freistehend, wobei ihre unteren Enden auf einer Platte oder der unteren Abschlußwand 23 der Hülle mit einer geeigneten Oberfläche niedriger Reibung aufliegen, damit die Stäbe darauf gleiten, um die Orbitalbewegung 300 auszuführen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel für die geflutete Betriebsart wird die Orbitalbewegung der Stäbe 24 durch ein Paar vertikal beabstandeter, sich horizontal erstreckender Antriebsplatten 22, 22' bewirkt. Diese Platten können sich auf flexiblen Wellen 93 und 93' abstützen, die an einem Ende an den Endabdeckungen 2a, 2b der Hülle 2 und an dem anderen Ende an den Platten 22 und 22' verankert sind. Diese flexiblen Wellen 93 und 93' sind gegenüber Verdrehung starr, aber gegenüber Durchbiegung flexibel. Eine Universalverbindung würde auf die gleiche Weise funktionieren. Auf diese Weise aufgehängt werden die Platten 22 und 22' Freiheit für eine Translationsbewegung, aber nicht für eine Verdrehbewegung haben.
In den Zentren der Platten 22 und 22' gibt es Buchsen 21 und 21', durch die eine Welle 17 verläuft und über die Kurbeln 16 und 18 angetrieben wird, um sich zu drehen, die an einer Mittelwelle 14 befestigt sind, die wiederum von dem Motor 13 über Lager und Dichtungen 15 angetrieben wird, die an dem Behälter 2 befestigt sind. Wenn somit der Motor 13 betätigt wird, erzeugt er eine Orbitalbewegung der Platten 22, 22', die dann alle Stäbe 24, die in den Löchern 23 aufgenommen sind, in einer ähnlichen Orbitalbewegung antreiben. Die Radien der Kurbeln 16 und 16' sind derart eingestellt, daß die Orbitalstäbe 24 frei in den Rohren 1 umlaufen. Der Durchmesser der Löcher 23 ist erheblich größer als der Durchmesser der Stäbe 24, damit jeder Stab seine eigene Einstellung machen kann, wenn er in dem Rohr 1 umläuft.
Fig. 1 zeigt den Orbitalstab-Wärmetauscher 100, der fest an einer flachen Platte 200 befestigt ist, die zu der Horizontalen abgewinkelt ist, um das Deck eines Schiffs zu simmulieren, das sich bei einer hebenden und senkenden Bewegung neigt. Der Tauscher 100 ist entsprechend in einer nicht vertikalen Ausrichtung abgewinkelt. Beim Betrieb mit einer derartig sich bewegenden Basis würde keines der herkömmlichen Verfahren zum Kontrollieren des Flüssigstands und zum Verteilen zugeführter Flüssigkeit im Zusammenhang mit Rieselfilmbetriebsarten wirksam sein. Andererseits ist die Zufuhrverteilung vollkommen unabhängig von der Orientierung, wenn die Rohrseitenkammer 1, 5, 6 vollständig geflutet ist, und die zugeführte Flüssigkeit II kann von jedem Ende der Rohre eingeleitet werden. Die Peitschenstäbe 24 werden von zwei Antriebsplatten 22, 22' angetrieben, um umzulaufen, von denen eine an jedem Ende der Stäbe angeordnet ist. Das ist eine Antriebstechnik, die stärker zwangsweise ist, als das Antreiben von nur einem Ende der Stäbe, aber sie wird bei einer sich bewegenden Basis oder einem nicht vertikalen Betrieb und für einen Betrieb mit einer vollkommen gefluteten Rohrseitenkammer sehr bevorzugt.
Fig. 2 zeigt die freigeschnittene Ansicht einer Wärmeübertragungsvorrichtung 100' mit Orbitalstab (gleiche Teile in den Figuren haben das gleiche Bezugszeichen), die eine einzige Antriebsplatte 22 verwendet, die oberhalb des oberen Rohrblechs 3 befestigt ist. Die Orientierung des Tauschers 100' ist im großen und ganzen vertikal (eine derartige Orientierung ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung) und die Peitschenstäbe 24 hängen durch die Löcher 23 an horizontalen Stiften 25, die an einem Ende von jedem Stab befestigt sind und derart bemessen sind, daß sie nicht durch die Löcher 23 ungeachtet von der Position des Stabs bezüglich des Lochs fallen können. Diese Befestigungsanordnung erlaubt einen einfachen "drop in"-Zusammenbau oder eine einfache Zerlegung zur Reparatur oder Wartung. Die Orbitalbewegung der Stäbe innerhalb der Wärmeübertragungsrohre 1 wird wieder von dem Motor 13 angetrieben und über die Welle 14 durch das Lager 15 übertragen, um die Kurbel 16 und den Kurbelbolzen 17' zu drehen, der die Orbitalbewegung zu dem Lager 21 an der Mitte der Platte 22 überträgt. Die Platte 22 wird der Kreisbewegung der Kurbel 16 in einer echten kreisförmigen Orbitalbewegung folgen, d. h. ohne Drehen, weil alle Peitschenstäbe eingeschränkt sind, damit sie sich in einer Kreisbewegung bewegen, wie wenn die Platte durch mehrere Kurbeln geführt werden würde. Die Nachsichtigkeit dieser Situation des mehrfachen Antriebs gegenüber Abnutzung und Herstellungstoleranzen kommt daher, daß die Löcher 23 erheblich größer als die Stäbe 24 ausgebildet sind. Wenn die Rohre zum Beispiel, aber ohne Beschränkung, 3,8 cm (1,5 inch) im Innendurchmesser und 4 Fuß (1,22 m) lang sind, sind die Stäbe 3/8 inch (0,94 cm) aus rostfreiem Stahl etwas längerer Länge und die Löcher 23 haben einen Durchmesser von ungefähr 5/8 inch (1,59 cm). Der Abstand zwischen den Stäben 24 und den Löchern 23 dient auch als Einlaß für die Zufuhr zu jedem Rohr, wenn der Tauscher in einer Rieselfilmbetriebsart betrieben wird, wie in Fig. 2 gezeigt. Während die Zufuhr die Kopplung zwischen dem Loch 23 und dem Peitschenstab 24 schmiert, hindern die Stäbe wiederum die Löcher am Verstopfen mit Verunreinigungen, wie z. B. Eisstücken.
Mit den Stäben, die an ihren oberen Enden hängen, gibt es kein Hindernis an ihren unteren Enden, wodurch der freie Fluß von Eisbrei 27 in das Abflußloch 28 und der Austritt durch die Leitung 12 in den Einlaß einer geeigneten Pumpe (nicht gezeigt) möglich ist, die ihn zu einem Speichertank oder zumindestens zum Teil in einer Rücklaufschleife zurück zu dem Tauscher 100' treibt. Manchmal ist es wünschenswert, die Stäbe über das untere Rohrblech und dichter zu dem Boden zu verlängern. Dadurch wird die zusätzliche Masse des unteren freien Endes des Stabes den Kontaktdruck des Stabs gegen die untere Innenfläche des Rohrs verstärken, genau dort, wo die Konzentration des Eisbreis in dem Fließstrom ihr Maximum erreicht und die größte Tendenz hat, auszufrieren. Die verlängerten Enden, die in Richtung der Bodenfläche reichen, helfen auch, den Eisbrei umzurühren, um seinen Fluß in das Abflußloch 28 zu verstärken.
Wenn der Tauscher 100' als ein Gefrierer oder Kühler betrieben wird, wird Kühlmittelflüssigkeit in die Kammer 8 durch den Einlaß 9 eingeleitet und bei Kontakt mit der Außenfläche der Wärmeübertragungsrohre 1 verdampft. Der so erzeugte Dampf wird aus dem Auslaß 10 in eine Kondensiereinheit (eine kommerzielle Standardkombination aus Kompressor, Kondensor, Sammelbehälter und Saugakkumulator) austreten, die die Kühlmittelflüssigkeit zurück zu dem Einlaß 9 zurückführt.
Die mit dem Verdampfen des Kühlmittels verbundene Kühlwirkung zieht die Wärme von dem Wasser ab, das die Innenfläche 7 der Rohre 1 hinabfließt. Das Wasser wird dann ein teilweise gefrorener Eisbrei. Die Orbitalbewegung des Peitschenstabs 24 schiebt das Wasser, um entlang der Innenfläche des Rohrs vor dem Stab umzulaufen und hinterläßt einen dünnen Film hinter dem Stab. Die Kom bination des dünnen Films, der vollständigen Befeuchtung des Rohrs und der turbulenten Wellenfront des Fließstroms erzeugen eine verbesserte Wärmeübertragungseigenschaft innerhalb des Rohrs 1.
Bei dieser Gefrieranwendung ist es wünschenswert, die Kristallisation von dem Eis innerhalb des Körpers zugeführten Wassers zu verstärken. Idealerweise wird Kristallwachstum in der turbulenten Fließströmung auftreten, die von der Stabbewegung erzeugt wird, und nicht an der Rohrwand. Bei Tests mit einer 5%igen Kalziumchloridlösung war das Fluid, das eine einzelne Rohrtesteinheit verläßt, anfänglich übersättigt (einige Grad C unter der Gleichgewichtsgefriertemperatur unterkühlt). An einem Punkt wurde die Lösung weiß, als eine Wolke feiner Kristalle spontan Kristallisationskerne bildete, um die Übersättigung abzubauen. Die Blowdown-Temperatur stieg schnell auf den Gleichgewichtswert und blieb dort für die Dauer des Tests. Dieses spontane Phänomen der Kristallisationskernbildung stützt die Hypothese, daß Kristallwachstum in dem Hauptteil der Lösung vor dem Peitschenstab und nicht an der Rohrwand auftritt. Jedoch gibt es kein klares oder allgemein anerkanntes Verständnis des Mechanismus, durch den sich das Eis bildet.
Die Stäbe laufen üblicherweise mit ungefähr 400 bis 700 Umdrehungen pro Minute oder ungefähr 10 mal pro Sekunde um. Dies ist viel schneller als die 1/2 oder 1 Sekunde, die das Wasser für den freien Fall entlang des 4 Fuß (1, 22 m) langen Rohrs benötigt. Daher strömt das Wasser tatsächlich entlang eines langen flachen Spiralweges, wobei es ununterbrochen durch den Stab 24 geschoben wird. Das vermindert die Möglichkeit für Kristalle, an der Wand zu wachsen.
Auf der Kühlmittelseite kann die Übertragungsleistungsfähigkeit durch verschiedene Mittel gesteigert werden, wie z. B. eine gerillte Fläche, um das Flächengebiet zu vergrößern, das dem Kühlmittel ausgesetzt ist. Jedoch haben Anwender herausgefunden, daß es bei einem Wärmeaustauscher mit vertikalem Rohr vorteilhaft ist, einen konzentrischen rohrförmigen Mantel 35 zu verwenden, der für eine Strömung des Kühlmittels an seinem Ober- und Unterteil offen ist, und die Zirkulation des Kühlmittels durch Perkolation zu verstärken, wie in Fig. 3 gezeigt. Der Mantel 35 beschränkt das Sieden des Kühlmittels auf den kreisringförmigen Raum 37 zwischen dem Wärmetauschrohr 1 und dem Mantel 35. Es scheint, daß eine starke Konvektionsströmung mit leichteren Dampfblasen gebildet werden kann, die eine Fluidströmung antreiben, die schnell entlang der Wärmeübertragungsfläche ansteigt. Man glaubt, daß die resultierenden hohe Dampfgeschwindigkeiten Scherkräfte erzeugen, die den Koeffizienten des Films auf der siedenden Seite erheblich verbessern und den Wärmefluß gleichförmiger entlang des Rohres machen. Während man das zunächst nur für Orbitaleismaschinen für vorteilhaft hielt, wird das Thermosyphonrohrkonzept jetzt für Vertikalrohrwärmetauscher mit Sieden an der Hüllenseite im großen und ganzen als vorteilhaft angesehen. Mit einem externen Trennbehälter (um die zwei Phasen zu trennen) und doppeltem Rohrblechaufbau könnte diese Thermosyphonkonstruktion und Betriebstheorie auch auf Wärmetauscher mit horizontalem Rohr ausgedehnt werden.
Mit dem Mantel 35, der an der Außenseite des Rohrs 1 verwendet wird, ist ein typischer Wärmeübertragungskoeffizient eines Orbitalgefrierers ungefähr 800 BTU/h · Fuß² · ºF für ein System mit einem Stahlrohr von 3,8 cm (1,5 inch) Außendurchmesser und einem Peitschenstab aus rostfreiem Stahl mit 0,94 cm (3/8 inch) Außendurchmesser, der mit 700 Umdrehungen pro Minute umläuft. Bei einer Temperaturdifferenz von 8º F würde der Wärmefluß ungefähr 1,9 · 10³ W/m² (6000 BTU/h · Fuß²) betragen. R22 wurde als Kühlmittel verwendet, während 5% Ethylenglycol oder 3,5% Salz typische Additive für die Zuführflüssigkeit waren.
Die Fig. 4 und 4A zeigen die Dynamik der physikalischen Wechselwirkung zwischen dem Peitschenstab 24, der zugeführten Flüssigkeit und dem Rohr 1, wenn der Stab 24 von der Öffnung 23 der Orbitalplatte 22 in eine mit dem Rohr 1 konzentrischen Orbitalbewegung geschoben wird, die durch den kreisförmigen Pfeil 300 dar gestellt wird. Ein sich abwärts bewegender Fluidstrom 43 wird von dem Peitschenstab 24 vor seiner Orbitalbewegung geschoben. Die Kraft 60 ist die Zentrifugalkraft des Stabs 24, der von der Kraft 61 angetrieben wird, um in dem Rohr umzulaufen, die von der Bewegung der Öffnungen 23 der Platten 22 und 22' abgeleitet ist, die den Stab antreiben. Dieser Zentrifugalkraft wirkt die hydrodynamische Kraft 63 entgegen, die auf die Fläche des Stabs 24 wirkt, wenn das Fluid von dem Stab geschoben wird.
Fig. 4A zeigt ein Kräftegleichgewichtsdiagramm, das die physikalische Natur des Gleichgewichts dieser Kraftvektoren deutlicher darstellt. Im wesentlichen ist die Tangentialkomponente vom Vektor 63 durch den Vektor 61 ausgeglichen, der mit der Antriebsleistung direkt in Verbindung steht, die von dem Motor 13 zugeführt wird. Die radiale Komponente von dem Vektor 63 wird von der Zentrifugalkraft ausgeglichen, die eine Funktion der Geschwindigkeit, des Durchmessers und der Dichte des Stabs ist. Weil die Geschwindigkeit und der Durchmesser des Stabs auch die Charakteristik von dem Vektor 63 beeinflußt, ist nur die Dichte des Stabs ein unabhängiger Kontrollfaktor.
Bei einem vollständigen System stellt die Summe der Zentrifugalkraft von allen Peitschenstäben und der von den Antriebsplatten eine umlaufende Störkraft dar, die auf das gesamte System wirkt, um ihm eine Wackelbewegung zu geben.
Es ist auch wichtig zu bemerken, daß Fig. 4A ein hypothetisches Gleichgewichtsdiagramm der drei Kraftvektoren 60, 61 und 63 ist, die in einer Ebene senkrecht zu der Mittellinie des Rohrs 1 an der Mitte des Rohrverlaufs angreifen. Diese Hypothese ist eine gute Beschreibung der Kräfte, die auf den sich bewegenden Stab 24 einwirken, wenn der Stab von zwei Antriebsplatten angetrieben wird, die an den beiden Enden des Stabs angreifen. In dem Fall, wenn der Stab nur an einem Ende angetrieben wird, tritt ein Moment auf, weil die Antriebskraft 61 und das Zentrum der Reaktionskraft 63 nicht länger in der gleichen Ebene wirken.
Die Reaktion auf dieses Kippmoment stammt von der Krümmung des Rohrs und der Steifigkeit des Stabs. Insbesondere drängt die Zentrifugalkraft 60 den starren Stab dazu, sich selbst bündig mit der Rohrwand parallel zu der Mittellinie des Rohrs auszurichten, wo die Krümmung Null ist. Somit neigt der Stab mit der Hilfe der Zentrifugalkraft 60 dazu, sich parallel zu der Mittellinie des Rohrs zu drehen, wie wenn er durch ein Lager geführt werden würde. Wie oben erwähnt, kann bei bestimmten Anwendungen, wie z. B. bei der Produktion eines Eisbreis, Eis sich mehr an dem unteren Ende des Rohrs (unter Annahme einer vertikalen Ausrichtung) als an dem oberen Ende ansammeln und/oder dort stärker wachsen. Wenn der Tauscher mit höheren Wärmeflüssen betrieben wird, kann diese Situation den Stabausrichtungseffekt der Zentrifugalkraft 60 überwinden, und eventuell kann das bewirken, daß die Vorrichtung einfriert. Die Lösung der Anmelder für dieses Problem ist unten mit Bezug auf Fig. 7 beschrieben.
Die Fließströmung 43 ist stark turbulent. Man glaubt derzeit, daß bei Gefrieranwendungen die stärkste Kristallisation von Eis auftritt. Eine gewiße beginnende Bildung kann auch an der Fläche des Rohrs in dem dünnen Film auftreten, der hinter dem Stab zurückbleibt. Man glaubt, daß die Turbulenz in der Fließströmung 43 und die mechanische Wirkung des Stabs 24 in Kombination mit der Wirkung des Additivs, wie oben beschrieben, diese beginnenden Eisbildungen am Wachsen zu einem dicken harten Eisstück oder Eisbeschichtung hindern, das bzw. die so fest an der Rohrwand anhaftet, daß es für den Stab unmöglich ist, es bzw. sie zu entfernen.
Fig. 5 zeigt ein weiteres kennzeichnendes Merkmal dieser Erfindung, einen Orbitalantrieb, der durch eine einzelne Orbitalplatte 22 gebildet wird, die mehrere Kurbeln 40 antreibt, wobei eine jeweils zu einem Wärmeübertragungsrohr 1 gehört (ähnliche Teile bei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen haben wieder das gleiche Bezugszeichen). Ein derartiges Rohr ist im Detail in Fig. 5 dargestellt. Eine Hauptdrehwelle 44 der Kurbel wird von einer Buchse 42 geführt, die mit einer dreibeinigen spinnenartigen Klammer 47 befestigt ist, um die Mittellinie der Welle 44 konzentrisch mit dem Rohr 1 zu halten. Die Klammer ist mit einem starren Arm 47a und zwei biegsamen Armen 47b derart ausgebildet, daß die Anordnung in das Rohr geschnappt werden kann und selbstzentrierend ist. In Fig. 7 gezeigte Arretierungen sind an dem Rohrumfang vorgesehen, um die Klammerarme zwangsweise mit einer Einschnappverbindung in Eingriff zu nehmen. Diese Arretierungen werden während des üblichen Hydrogesenkschmiedeverfahrens ausgebildet, um die Rohre 1 mit dem Rohrblech 3 zu verbinden. Zu bemerken ist, daß die Klammer 47 und die Kurbel 40 von oben in das Rohr 1 eingesetzt werden können, damit der Zusammenbau und das Zerlegen zur Wartung einfach ist.
Das obere Ende der Kurbelwelle 44 ist an einem Kurbelarm 41 befestigt, der wiederum einen Kurbelbolzen 39 trägt, der in der Antriebsplatte 22 aufgenommen und dadurch daran mechanisch gekoppelt ist. Jeder Bolzen 39 ist in einer Öffnung 23 in der Platte aufgenommen, die, wie oben beschrieben, vorzugsweise bezüglich des Durchmessers des Bolzen überdimensioniert ist. Das untere Ende der Welle 44 ist mit einem sich drehenden Glied 46 im Eingriff, das hier als ein flacher Arm mit zwei Schlitzen 48 und 48' an seinen beiden Enden dargestellt ist. Diese beiden Schlitze passen locker über ausgesparte Halsabschnitte 49 und 49', die in den Stäben 24 und 24' an ihren oberen Enden ausgebildet sind, um sie zu halten. Gleichzeitig können die Stäbe durch diese Befestigungsanordnung innerhalb des Rohrs 1 rollen, wenn die Kurbelanordnung angetrieben wird, um sich in einer Orbitalbewegung der Orbitalplatte 22 in einer Ebene zu drehen, die im großen und ganzen senkrecht zu den Stäben 24, 24' und der Achse der Rohre 1 liegt. Zu bemerken ist, daß dieses Ausführungsbeispiel als am geeignetsten für einen Antrieb mit einer einzelnen oberen Platte mit einer vertikalen Ausrichtung angesehen wird, aber es kann bei einem Antrieb mit zwei Platten, ebenso wie in nicht- vertikalen Ausrichtungen eingesetzt werden. Es ist auch wichtig, daß die Befestigung der Stäbe nicht starr ist. Sie können sich frei in einer Radialrichtung innerhalb der Schlitze 48, 48' bewegen, was die Vorteile eines starren aber biegsamen Peitschenstabs schafft und die Probleme der Präzision, der zulässigen Abweichungen und der Abnutzung beseitigt, was herkömmlichen starre Wischer kennzeichnet.
Fig. 6 zeigt, wie sich der Orbitalantrieb der Fig. 2, 5 oder 7 an die Abnutzung und Herstellungstoleranzen bei, für die Einfachheit der Darstellung, einem Wärmetauscher mit fünf Rohren anpaßt, wobei die Rohre in einem einzelnen Kreis gleichwinklig beabstandet um einen Mittelpunkt 5 des Rohrblechs 3 der Fig. 2, 5 oder 7 angeordnet sind. Das sternförmige Muster a&sub1;-a&sub2;-a&sub3;-a&sub4;- a&sub5; stellt das Rohrmuster auf dem Rohrblech 3 dar, wobei die Punkte den Mittellinien des Rohrs 1 und ebenso den Mittellinien der Kurbelwellen 44 bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 5 und
Fig. 7 entsprechen. S stellt die Mittellinie der Kurbelwelle 15 des Hauptantriebs dar. Im Prinzip sollte S in dem geometrischen Zentrum des Rohrmusters a&sub1;-an, wie gezeigt, angeordnet sein. Die dicken Linien 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 und 3-5 zwischen den Punkten a symbolisieren das verbindende Netz des Rohrblechs 3 oder irgendein äquivalentes Strukturglied oder äquivalente Strukturglieder.
Die Punkte b&sub1;-b&sub2;-b&sub3;-b&sub4;-b&sub5; in Fig. 6 und die dünnen Linien 22-1... 22-5, die diese verbinden, symbolisieren die Orbitalantriebsplatte 22, wobei ihr geometrisches Zentrum in T angeordnet ist. Im Prinzip sollten die Muster a und b derart identisch sein, daß, wenn das Muster b der Orbitalantriebsplatte eine Translationsverschiebung von dem Rohrblechmuster a ist, alle Verschiebungsvektoren r identisch sind. Insbesondere wird sich, wenn r durch den Radius der Kurbelarme bestimmt ist, das Muster b in einer echten kreisförmigen Orbitalbewegung bewegen.
Das Problem der Maßtoleranz kann an jeden der Parallelogramme bi- T-S-ai-b&sub1; untersucht werden, um den akkumulierten Maßfehler entlang der Schleife zu prüfen. Der Maßfehler resultiert aus der Kombination der Abnutzung, dem Lagerspiel, der Herstellungstoleranz in dem Rohrmuster und der asymmetrischen Toleranz in der Klammer 47. Bei der Konstruktion der Orbitalantriebsplatte kann man sich auf den akkumulierten Fehler entlang der Schleife bi-T- S-ai-bi leicht durch einen typischen 1/16 inch-Spalt zwischen dem Antriebsloch 23 und dem Kurbelbolzen 39 einstellen. Dieser Spalt wird durch die Kreise Cl symbolisiert, die die Punkte bi umgeben.
Wenn der Orbitalplattenantrieb dieser Erfindung eingesetzt wird, um eine Kurbel (entweder ein Orbitalstab oder ein vollkommen mit Federn bedeckter Stab herkömmlicher Art von Fig. 5) mit einem Radius r von 1,27 cm (1/2 inch) anzutreiben, führt diese Toleranz von 0,16 cm (1/16 inch) zu einer 5º Phasenverschiebung des Kurbelwinkels bei dem Rohr bezüglich der Kurbel 16 des Hauptantriebs. Das wiederum führt zu einer sehr kleinen Verschiebung in dem Belastungsmuster der Reaktionskräfte der Kurbel auf die Antriebsplatte. Ein Betriebsversuch hat jedoch gezeigt, daß die Orbitalantriebsplattenanordnung sehr unempfindlich gegenüber umfassenden Veränderungen in der Größe und der Form der Antriebslöcher 23 ist. Kurz gesagt, überträgt dieser Orbitalantrieb nicht nur effizient eine Orbitalbewegung gleichzeitig auf mehrere Rohre, sondern er macht es auf eine Weise, die im wesentlichen unempfindlich gegenüber Abnutzung irgendwo entlang des Antriebs ist und er hat keine Teile, die eine Herstellung oder einen Zusammenbau gemäß strengen Maßtoleranzen erfordern. Der Antrieb ist haltbar, leicht zu warten und weist vergleichsweise niedrige Herstellungskosten auf. Es sind auch wenige Teile erforderlich. Zum Beispiel gibt es weder einen komplexen Zahnradzug, um Drehleistung auf mehrere Rohre zu übertragen, noch ist für die meisten Anwendungen eine untere Antriebsplatte notwendig.
Fig. 7 zeigt die Verwendung der Kurbelanordnung, um ein Paar diametral gegenüberliegender flacher Peitschenstäbe 50 und 50' mit einem im großen und ganzen rechteckigen Querschnitt anzutreiben, der 1) die Turbulenz in der zugeführten Flüssigkeit in dem Rohr vergrößert, wenn er sich bewegt und 2) eine vordere meißelartige Kante aufweist, die der inneren Rohrwand 7 benachbart ist, um feste Ablagerungen (z. B. Eiskristalle bei der Verwendung als Gefrierer) zu entfernen, die sich an der Rohrwand ansammeln oder daran wachsen.
Ein anderes Hauptmerkmal dieser Erfindung ist eine Anordnung zum Schaffen einer radial ausgerichteten Hilfskraft auf die Stäbe 50, 50', um die Zentrifugalkraft 60 zu unterstützen. Bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform ist es ein Federpaar 51 und 51'. Die angreifende Kraft der Peitschenstäbe gegen die Rohrfläche 7 ist dann eine Kombination der Zentrifugalkraft, der Gravitationskomponente der Feder 51 und der Spannkraft der Federn 51, 51'. Zu bemerken ist, daß diese eine nicht starre Befestigung der Stäbe 50, 50' erzeugt, wie es die Schlitze 48, 48 bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 machen. Diese "lose" radiale Anordnung hilft dabei, die Aufgaben dieser Erfindung ohne genaue Herstellung, Toleranz und genauen Zusammenbau zu erreichen.
Bei Verwendung in einem Gefrierer/Kühler kann ein einfacher federbelasteter Peitschenstab, wie in Fig. 7 gezeigt, der bei einer niedrigen Geschwindigkeit, aber mit einem hohen Drehmoment betrieben wird, zulassen, daß sich Eis als eine dünne Beschichtung auf der inneren Rohrfläche 7 bis zu einem Grad bildet, der nicht akzeptabel sein würde, wenn die einzige radial ausgerichtete Komponente der Kraft die Zentrifugalkraft wäre, egal, ob der Stab oder die Stäbe passiv oder zwangsweise angetrieben wären. Wenn die Eisschicht bis zu einer nicht akzeptablen Dicke anwächst, wird sie einfach durch die brutale Kraft dieses Antriebs abgekratzt. Die resultierende Kristallform des von der Wand abgeschabten Eises kann für bestimmte Anwendungen vorzuziehen sein. Es ist auch zu bemerken, daß niedrige Geschwindigkeiten, z. B. weniger als 100 Umdrehungen pro Minute, normalerweise eine unzureichende Zentrifugalkraft entwickeln, um die Ausrichtung der Stäbe beizubehalten und um feste Ablagerungen an der Wand zu kontrollieren. Die Federanordnung macht einen Betrieb bei niedrigeren Geschwindigkeiten möglich, wobei die Vibration und weitere damit verbundene Probleme vermindert werden.
Wenn man einen Eisbrei zur Wärmespeicherung herstellt, ist es wünschenswert, die Kristallisation anzuregen, damit sie in der turbulenten abwärtsgerichteten Durchflußströmung 41 vor dem Peitschenstab und nicht an der Oberfläche 7 geschieht. Wenn das Eis einmal an der Fläche anhaftet, ist es schwieriger, es abzukratzen. Diese Eisschicht regt weiteres Wachstum an der Wand an. Die Gefahr besteht darin, daß eine dicke Eisschicht wachsen wird, die zu einer Störungsbedingung führen kann, wenn die Stäbe an das Rohr frieren. Eine lange Abschmelzzeit kann nötig werden, um sich von einer derartigen Störung zu erholen. In dieser Situation muß sorgfältig den Betriebsbedingungen Beachtung geschenkt werden, um sicher zu sein, daß das Additiv und der Peitschenstab den Eiswachstum an den Wänden kontrollieren kann.
Um den Betrieb als Gefrierer, insbesondere bei der Eisbrei-Betriebsart zu erleichtern, sind Haken 52 und 52', in Fig. 7 als Phantom gezeigt, an einem Ende der Peitschenstäbe 50 und 50' befestigt und an dem anderen Ende über die Mittelwelle 44 gehakt. Die Haken wirken als starre Anschläge, die den maximalen Weg der Stäbe 50, 50' weg von der Welle 44 als Reaktion auf die elastische Kraft der Federn und der Zentrifugalkraft 60 einstellen. Die Haken lassen eine enge genau bestimmte Lücke zwischen den Peitschenstäben 50 und 50' und der Innenfläche 7 des Rohrs 1, die typischerweise ein Paar Mikrometer (0,004 inch, 0,010 mm) beträgt.
Es ist wichtig zu bemerken, daß die Verwendung von zwei Stäben in jedem Rohr, die in einem Winkel von 180º zueinander beabstandet sind, eine gute Selbstauswuchtung der Stäbe erzeugt, wenn sie sich entlang der Rohrfläche 7 bewegen. Natürlich können mehr als zwei Stäbe verwendet werden. Vier Stäbe, die in einem Winkel von 90º, wie in Fig. 7A gezeigt, beabstandet sind, bieten die gleichen Vorteile der Auswuchtung mit einer stärkeren Stabwirkung bei einer gegebenen Orbitalgeschwindigkeit.
Für ein kleines System können einige lose schwingende Peitschenstäbe in einem Zylinder, wie in Fig. 5A gezeigt, wirtschaftlicher als die Verwendung verschiedener Rohre sein, die jeweils mit einem Stab versehen und von mehreren Antriebsmechanismen, wie z. B. einem Orbitalantrieb oder einem Zahnradzug, angetrieben werden. Bei der Experimentierphase zum Testen der Eigenschaft von den Peitschenstäben hat man herausgefunden, daß ein Rohr in einem konzentrischen Wärmeübertragungsmantel mit Peitschenstäben, die auf die gleiche Weise wie in Fig. 5A angetrieben werden, äußerst zweckmäßig und wirtschaftlich ist.
Die Verwendung einer Kurbel, um Paare von Peitschenstäben in jedem Rohr anzutreiben, damit die dynamische Auswuchtung beibehalten wird, wie oben diskutiert, ist leicht zu sehen. Wenn nur ein Stab in jedem Rohr verwendet wird, kann die dynamische Auswuchtung durch Paarbildung von Gruppen von Stäben mit diametral entgegengesetzten Phasenwinkeln erreicht werden, wie in Fig. 5B gezeigt. In Fig. 5B sind die 19 Stäbe in 19 Rohren in zwei Gruppen aufgeteilt, wobei eine Gruppe aus 10 Stäben durch kleine Kreise 24 symbolisiert und die andere Gruppen von 9 Stäben durch die kleinen Punkte 24' symbolisiert ist. Im großen und ganzen muß die dynamische Auswuchtung sowohl in der Translationsbetriebsart als auch in der Torsionsbetriebsart berücksichtigt werden. Das Ziel ist es, daß sich die kombinierten Schwerpunkte der entgegengesetzten Gruppen von Stäben sich um eine gemeinsame Achse (vorzugsweise bei der Mittellinie des Gesamtsystems) mit einem Phasenwinkel von 180º zueinander drehen und daß annähernd die gleiche Anzahl von Stäben in jeder Gruppe ist.
Der typische Wärmefluß von 1,9 · 10³ W/m² (6000 BTU/Fuß² · h) der oben erwähnt wurde, stellt eine praktische obere Grenze für den Orbitalstabaufbau von Fig. 2 bei den beispielhaften Betriebsbedingungen dar, wie sie oben angegeben wurden. Man hat herausgefunden, daß dieser Orbitalstabaufbau nur eine vernünftige Fähigkeit hat, die beginnende Eisbildung zu entfernen und eine Störung zu vermeiden, wenn der Wärmetauscher bei kommerziell wünschenswerten Werten in der Nähe des Flußwertes von 1,9 · 10³ W/m² (6000 BTU/Fuß² · h) betrieben wird. Das ist der Fall, weil die Angriffskraft des rollenden Peitschenstabs nur von der Zentrifugalkraft 60 abhängt, die unter den besten Umständen in der Größe beschränkt ist und mit abnehmenden Drehradius kleiner wird, wenn sich das Eis innerhalb der Rohre 1 aufbaut. In dieser Situation ist es nützlich, einen Alarm zu haben, um den Betrieb anzuhalten, sobald eine beginnende Störung wahrgenommen wird, um die notwendige Erholungszeit zu reduzieren.
Im Vergleich zu dem Aufbau von Fig. 7 schafft für den Fall, daß die beginnende Eisbildung (man glaubt, daß es ein dendritischer Kristallwachstum ist) an der Fläche 7 auftritt, der federkontrollierte Spalt eine leichte Schabwirkung, um ein weiteres Wachstum über diesen Spalt hinaus zu verhindern. Das ist wichtig, um einen Störfall zu vermeiden. Aus diesem Zweck bietet ein federkontrollierter Spalt eine höhere Flexibilität als ein starr angebrachter Stab.
Kurz zusammengefaßt vermindert das "direkte" Antreiben des Peitschenstabs mit der Orbitalplatte im Gegensatz zu dem Kreisenlassen des gesamten Wärmetauschers oder der Rohre im großen Maße die angetriebene Masse und vermindert die Anforderungen an die Belastung und Konstruktion des Antriebsmechanismus. Das "direkte" Antreiben ist jedoch auf das Zuführen der Tangentialkraft beschränkt, die benötigt wird, um den Stab vorwärts zu schieben; die Kraft des Peitschenstabs gegen das Rohr resultiert indirekt aus der Zentrifugalkraft, die eine Kraft relativ kleiner Größe ist und nicht vollkommen die Drehmomentmöglichkeiten des Orbitalantriebs nutzen kann. Durch Antreiben des Peitschenstabs mit einer Orbitalplatte über Kurbeln, insbesondere mit der zusätzlichen Option der Belastung der Peitschenstäbe mit Federn, kann der Orbitalwärmetauscher die Einsatzfähigkeit der Wärmeübertragungsvorrichtung mit Orbitalantrieb für Prozeßfluide mit einer höheren Viskosität, insbesondere für die Herstellung von Eisbrei vollkommen entwickeln.
Fig. 8 zeigt ein komplettes Wärmetauschsystem, wobei in diesem Fall ein Wärmespeichersystem eine Eisbreimaschine 100, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und betrieben wird, einen Eisbreispeichertank 111 und ein Gebäude 112 oder weitere Einrichtungen aufweist, wobei die in dem Tank 111 gespeicherte "Kälte" über ein Verteilersystem 118 (schematisch als eine Spule dargestellt) durch Schmelzen des Eis zugeführt wird. Das Vertei lersystem bildet einen geschlossenen Kreis. Es ist wichtig, daß, wenn die Maschine 100 in einer gefluteten Betriebsart betrieben wird, das System Kälte zu einem Hochhaus nur unter Verwendung der normalen Zirkulation oder Zufuhrpumpe für das System und ohne Niveauregelungen zuführen kann.
Wenn gekühltes Wasser verteilt wird, muß das gespeicherte Eis geschmolzen oder "gebrannt" werden. In Abhängigkeit von der Anordnung der Maschine 100 können Gravitation und Konvektion die Zirkulation antreiben oder unterstützen. Wenn der Eisbrei transportiert und verteilt wird, muß er aus dem Tank zu dem Verteilersystem gepumpt werden. In derartigen Kältespeichersystemen sind die Zeitperioden zum Machen und Brennen des Eises gestaffelt und haben üblicherweise unterschiedliche Zeitdauern. Bei einigen Anwendungen (wie z. B. Kirchen) kann der Eisbrei während einer längeren Zeitdauer produziert und in dem Tank gespeichert werden aber in einem relativ kurzen Zeitraum verbrannt werden.
Ein spezielles Problem bei der Eisspeicherung besteht darin, daß das Eis in dem gespeicherten Eisbrei, der in dem Tank 111 gespeichert ist, dazu neigt, in eine Eismasse zu koagulieren, die auf dem Wasser schwimmt. Einmal verwendet, wird warmes Rückflußwasser zurück in den Tank gepumpt, um das Eis zu brennen. Das warme Wasser neigt dazu, durch die schwimmende Eismasse 112 Kanäle zu bilden. Das vermindert die maximal mögliche Brennrate und gestattet es dem warmen Wasser, den Kreislauf zu dem Boden des Tanks "abzukürzen", obwohl der Tank noch viel von seiner Eisladung enthält. Um mit diesem Problem fertig zu werden, wird eine bewegliche Düse 120, die an dem Oberteil des Speichertanks befestigt ist, in einem Muster bewegt, um das rückgeführte warme Wasser über die Eismasse im großen und ganzen gleichförmig zu leiten.
Es wurde ein Wärmetauscher und ein Wärmespeichersystem mit einem neuen Orbitalantrieb beschrieben, der eine hocheffiziente wirksame Wärmeübertragung schafft, die in einer gefluteten Betriebsart oder in einer Rieselfilmbetriebsart in vertikaler oder nichtvertikaler Orientierung auf einem festen oder sich bewegenden Referenzkörper betrieben werden kann. Es wurde auch ein zwangsweiser mechanischer Orbitalantrieb zum gleichzeitigen Betrieb mehrerer Wärmetauscher des Peitschenstab-in-Rohr-Typs mit einem großen, an jedem Rohr anliegenden Drehmoment und einer optionalen radialen Hilfskraft und einer Kontrolle eines Stab-zu-Rohr-Spalts beschrieben. Dieser Antrieb ist im hohen Maße zuverlässig und haltbar; er ist im wesentlichen unempfindlich gegenüber der normalen Abnutzung und der Toleranzen der Teile und dem Zusammenbau. Das schafft auch eine automatische Selbsteinstellung für die Stäbe, selbst wenn er mit einem Antrieb an einem einzigen Ende und mit einem nicht-gleichförmigen Widerstand entlang des Rohrs gegenüber der Bewegung der Stäbe betrieben wird. Der Antrieb ist auch durch vergleichsweise niedrige Kosten gekennzeichnet, die von einer niedrigen Teilezahl, niedrigen Toleranzanforderungen, einem leichten Zusammenbau und einer leichten Zerlegbarkeit zur Reparatur oder Routinewartung herrühren. Es wurde auch ein Wärmemantel beschrieben, der eine verstärkte Wärmeübertragung bei der Außenfläche des Wärmeübertragungsrohrs erzeugt. Der Wärmetauscher und das Wärmesystem arbeiten mit einem hohen Energiewirkungsgrad, sind kompakt, skallierbar und können in Systemen mit geschlossenem Kreislauf ohne spezielle Pumpen oder Flüssigkeitsniveaukontrollen insbesondere bei Kälteverteilungssystemen in Hochhäusern betrieben werden.
Während die Erfindung mit Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist es klar, daß verschiedene Modifikationen und Änderungen von den Fachleuten bei der vorangehenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen mitgelesen werden. Während z. B. die Peitschenstäbe und Kurbelbolzen so beschrieben wurden, daß sie in Öffnungen in einer Antriebsplatte lose gehalten werden, könnten sie in Lagern befestigt sein, wenn auch bei steigenden Kosten und einer Einschränkung der Fluidzuführmöglichkeiten. Während die Peitschenstäbe als von der oberen Antriebsplatte an Bolzen hängend beschrieben wurden, könnten sie auch durch aufwendigere Mittel zum Freistehen auf ihren unteren Enden angeordnet werden, flexibel an beiden Enden verankert werden oder durch eine Drehgelenkanord nung gehalten werden, die die Kontaktkraft an dem unteren Ende verstärkt. Diese Alternativen werden jedoch für weniger wünschenswert gehalten, weil sie die Betriebsmöglichkeiten einschränken, erhöhte Kosten haben und empfindlicher gegenüber Ansammlungen von Feststoffen sind, insbesondere bei dem Einsatz zum Herstellen von Eisbrei. Die Antriebsplatten können eine Vielzahl von Formen einnehmen, die mit den allgemeinen hier beschriebenen Konstruktionsaufgaben und -strukturen vereinbar sind, wie es die Quelle für Antriebsleistung und ihre Kopplung an die Antriebsplatte kann. Zum Beispiel kann die Antriebsplatte aus einem starren geschlossenen Rahmen ausgebildet sein, der eine Gruppe von Ringen hält, die ein Netzwerk von Drähten oder Armen verwenden, die sich über die Rahmen erstrecken. Jeder Ring kann ein Ende eines Stabs oder eines Kurbelbolzens aufnehmen. Während die Antriebskraft als von einem Motor über eine Hauptantriebswelle und ein Exzenter zugeführt beschrieben wurde, kann der Antrieb auch mehrere Leistungsquellen mit einer Anordnung zum Synchronisieren ihrer Betätigung, ein Drehgegengewicht, das an die Antriebsplatte gekoppelt ist und aufgehängt ist, um sich ohne Verdrehung in einer Ebene zu bewegen, oder die senkrecht zueinander angeordneten Linearantriebe verwenden, die oben erwähnt wurden, deren Betrieb koordiniert ist, um eine Orbitalbewegung der Antriebsplatte hervorzubringen. Diese Modifikationen und Veränderungen sollen in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

1. Wärmetauscher (100) mit mindestens einem Wärmeübertragungsrohr (1), das Wärme in radialer Richtung durch die Rohrwand zwischen einem heißen und einem kalten Fluid austauscht, wobei eines von ihnen ein Prozeßfluid ist, das durch das Rohr (1) zumindest entlang der Innenfläche (7) des Rohrs (1) strömt, und einem Peitschenstab (24), der in dem Rohr (1) angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher

eine Antriebseinrichtung zum zwangsweisen Bewegen des Peitschenstabs (24) entlang der Innenwand (7) des Rohrs (1), die eine Quelle für Antriebsleistung aufweist, eine mechanische Einrichtung, die die Quelle für Antriebsleistung mit dem Stab (24) koppelt, und eine mechanische Einrichtung zum Umwandeln der Ausgangsleistung der Quelle für Antriebsleistung in eine Orbitalbewegung (300) des Stabs (24) entlang der Innenfläche (7) aufweist, wodurch der bewegte Peitschenstab (24) mit dem Prozeßfluid physikalisch wechselwirkt und die Ablagerung von festen Stoffen aus dem ersten Prozeßfluid auf der Innenfläche (7) des Rohrs kontrolliert, wobei das Koppeln und Umwandeln im wesentlichen unempfindlich gegenüber der Orientierung des Rohrs (1) und dem Füllgrad des Rohrs (1) mit dem Prozeßfluid ist; und

wobei das Rohr (1) und der Peitschenstab (24) in einer nicht vertikalen Orientierung angeordnet sind.

2. Wärmetauscher (100) nach Anspruch 1, wobei das Prozeßfluid das Innere des Rohrs (1) vollständig füllt.

3. Wärmetauscher (100) nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher an einem Referenzglied angebracht ist, das beweglich ist.

4. Wärmetauscher (100) nach Anspruch 1, wobei die mechanische Kopplungseinrichtung mindestens eine Antriebsplatte (22) aufweist, die sich im wesentlichen senkrecht zu dem Peitschenstab (24) erstreckt.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei die mechanische Kopplungseinrichtung eine Kurbel (16) aufweist, die betriebsfähig zwischen die Antriebsplatte (22) und den Peitschenstab (24) gekoppelt ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, wobei eine Vielzahl der Rohre (1) und der Peitschenstäbe (24) in einer parallel beabstandeten Anordnung vorgesehen sind, und die mechanische Kopplungseinrichtung eine gleiche Vielzahl von Kurbeln (16) aufweist, wobei jede angeordnet ist, um betriebsfähig zwischen die Antriebsplatte (22) und mindestens einen der Peitschenstäbe (24) gekoppelt zu sein.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Peitschenstab (24) mindestens zwei Peitschenstäbe (24) aufweist, die in jedem der Rohre (1) angeordnet und gleichwinklig mit dem Rohr (1) angeordnet sind, um einen dynamischen Ausgleich während der Bewegung zu schaffen, und die mechanische Kopplungseinrichtung eine Einrichtung aufweist, um die mindestens zwei Peitschenstäbe (24) in Übereinstimmung und mit einer im wesentlichen konstanten Winkelbeziehung zu bewegen.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, des weiteren mit einer Einrichtung zum Entwickeln einer radialen Hilfskraft entlang der Peitschenstäbe (24).

9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, wobei die Hilfskrafteinrichtung eine Federeinrichtung aufweist, die zwischen jeder Kurbel (16) und dem jeweils zugeordneten Peitschenstab (24) angeschlossen ist.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 6, wobei das kalte Fluid ein Kühlmittel ist, das über die Außenseite des Wärmeübertragungsrohrs (1) strömt, um eine Schmiere zu erzeugen, die in das erste Prozeßfluid getrieben wird, und des weiteren ein Additiv zu dem ersten Prozeßfluid aufweist, das die Bildung einer Schmiere in dem Prozeßfluid anstatt auf der Innenfläche (7) fördert, wenn die radiale Wärmeübertragung ausreicht, um das erste Prozeßfluid zu gefrieren.

11. Wärmetauscher nach Anspruch 8, wobei das Kühlmittel siedet, und der Wärmetauscher des weiteren einen Mantel (35) aufweist, der das Rohr (1) umgibt, um einen ringförmigen Strömungsweg (37) für das Kühlmittel über die Außenseite des Rohrs zu bestimmen.

12. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei das Wärmeübertragungsrohr (1) aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist, und angepaßt ist, um eine zu gefrierende oder abzukühlende Flüssigkeit in dem Wärmeübertragungsrohr (1) mit der Flüssigkeit an seiner Innenfläche (7) aufzunehmen,

und wobei eine Kühleinrichtung vorgesehen ist, um Wärme von der Flüssigkeit durch das Wärmeübertragungsrohr (1) abzuziehen.

13. Wärmetauscher nach Anspruch 12, des weiteren mit einem chemischen Wirkstoff, der in der zu gefrierenden Flüssigkeit gelöst ist, der das Kontrollieren der Ablagerung von festen Stoffen erleichtert.

14. Wärmetauscher nach Anspruch 13, wobei der chemische Wirkstoff aus der Gruppe aus Ethylenglycol, Propylenglycol, Milch, Seewasser, Kalziummagnesiumacetat und anorganischen Salzen, die wasserfreie Kristalle bilden, ausgewählt ist.

15. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Kühleinrichtung ein Gehäuse (2) aufweist, das das Wärmeübertragungsrohr (1) umgibt, um dazwischen eine geschlossene Verdampfungskammer (8) an der Außenfläche des Wärmeübertragungsrohrs (1) zu bestimmen, die ein siedendes Fluid aufnimmt, das durch die Kammer (8) über der Außenfläche des Wärmeübertragungsrohrs (1) zirkuliert, wo das siedende Fluid aufgrund der auf die Flüssigkeit übertragenen Wärme verdampft, und des weiteren ein rohrförmiges Glied (35) mit offenen Enden aufweist, das in der Kammer (8) um das Wärmeübertragungsrohr (1) herum mit offenen Stellen an beiden Enden angeordnet ist, um einen ringförmigen Konvektionsströmungsweg (37) für das siedende Fluid in der Kammer (8) zu bestimmen.

16. Wärmetauscher nach Anspruch 15, wobei das siedende Fluid ein Kühlmittel ist, und wobei das ringförmige Glied (35) mit offenen Enden bezüglich des Übertragungsrohrs (1) fixiert ist, um einen ringförmigen Strom hoher Geschwindigkeit von dem Kühlmittel in einem Dampf-/Schaumzustand über die Außenfläche des Wärmeübertragungsrohrs (1) zu erzeugen.

17. Wärmespeichersystem, das eine Flüssigkeit verwendet, die gefrierbar ist, mit:

A. einem Wärmetauscher nach Anspruch 12 zum Gefrieren oder zum Abkühlen einer Flüssigkeit (100),

B. einem Tank (111) zum Speichern des von dem Wärmetauscher erzeugten Breis,

C. einer Einrichtung zum Erhitzen gefrorener Flüssigkeit in dem Tank,

D. und einer Einrichtung zum Verwenden der gespeicherten Kälte durch Zirkulieren von Flüssigkeit von dem Tankboden durch einen Wärmetauscher, um ein anderes Fluid zu kühlen.

18. Wärmespeichersystem nach Anspruch 17, wobei die Einrichtung zum Erhitzen eine bewegliche Düse (120) aufweist, die über der gefrorenen Flüssigkeit, die in dem Tank (111) enthalten ist, angeordnet ist, um gleichmäßig verwendetes Wasser in die gefrorene Flüssigkeit zu lenken.

19. Verfahren zum Gefrieren oder Abkühlen einer Flüssigkeit mit:

zur Verfügungstellen eines Wärmetauschrohrs aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit,

Einführen der Flüssigkeit zu der Innenseite des Wärmeübertragungsrohrs, derart, daß sie durch das Rohr strömt und in thermischer Verbindung mit der Innenfläche des Wärmetauschrohrs ist,

andauerndes Kühlen der Außenfläche des Wärmetauschrohrs mit dem Flüssigkeitsstrom, wodurch Wärme von der Flüssigkeit durch das Wärmetauschrohr strömt,

Anordnen mindestens eines Peitschenstabs in dem Wärmetauschrohr,

Bewegen des Peitschenstabs entlang der Innenfläche des Wärmetauschrohrs, um die Ablagerung der gefrorenen Flüssigkeit auf der Innenfläche zu kontrollieren,

wobei das Wärmetauschrohr und der Peitschenstab in einer nicht vertikalen Orientierung angeordnet sind.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Flüssigkeit Wasser ist, und das Verfahren des weiteren den Schritt des Zusetzens eines chemischen Wirkstoffs zu dem Wasser aufweist, der das Kontrollieren erleichtert.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei das Kühlen das Sieden eines Kühlmittels aufweist, um eine dünne Strömung hoher Geschwindigkeit von dem Kühlmittel in einer Dampf- /Schaumphase benachbart der Außenfläche des Wärmeübertragungsrohrs zu erzeugen.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei das Bewegen das zwangsweise mechanische Antreiben des Peitschenstabs in einer Orbitalbewegung umfaßt, wobei das Wärmeübertragungsrohr stationär gehalten wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei das zwangsweise mechanische Antreiben das zur Verfügungstellen einer bestimmten radial ausgerichteten Kraft auf den Peitschenstab umfaßt, um die von ihrer Bewegung erzeugte Zentrifugalkraft zu ergänzen.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei das zur Verfügungstellen mindestens eines Peitschenstabs das zur Verfügungstellen einer Vielzahl von Peitschenstäben und das gleichwinklige Anordnen von ihnen in dem Rohr umfaßt, um eine dynamische Auswuchtung zu erzeugen.