DE840098C

DE840098C - Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung des Waermeaustauschs

Info

Publication number: DE840098C
Application number: DER4394A
Authority: DE
Inventors: Richard Sewall Robinson
Original assignee: Raytheon Manufacturing Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1946-01-24
Filing date: 1950-10-04
Publication date: 1952-05-26
Also published as: US2514797A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung des Wärmeaustauschs Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Einrichtungen zur Erzielung eines guten Wärmeüberganges, insbesondere auf Wärmeaustauscher, Verdampfer und ähnliche Geräte.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Beschreibung eines Verfahrens und einer Einrichtung zur Erhöhung des Gesamtwärmeübergangskoeffizienten hei Wärmeaustauschern.
Beim Betrieb von Geräten, bei welchen der Wärmeübergang von einer Flüssigkeit durch eine metallene Wandung bzw. durch eine Wandung aus irgendeinem anderen :Material hindurch auf eine andere Flüssigkeit erfolgt, hat sich gezeigt, daß der Hauptwiderstand gegen den Wärmeübergang nicht in derWandung als solcher, sondern inOberflächenfilmen auf leiden Seiten der Wandung auftritt. Um den bestmöglichen Wärmeübergang zu erzielen, sind in konstruktiver Richtung schon erhebliche Anstrengungen gemacht worden, die alle das Ziel hatten, einer Filmbildung vorzubeugen und somit deren Wirkungen zu verringern. In Röhren wird z. B. die Strömungsgeschwindigkeit des betreffenden Mediums jeweils so eingestellt, daß immer das günstigste Verhältnis der Wärmeübergangsgröße je Längeneinheit zur Wärmeübergangszahl erreicht wird. Behälter bzw. Mantelwärmeaustauscher sind in dieser Hinsicht noch ungünstiger und werden des öfteren mit Prallblechen ausgestattet, die den laminaren Fluß der Strömung unterbrechen und dadurch einer Filmbildung entgegenwirken sollen. Es hat sich jedoch bisher keine dieser Maßnahmen als völlig zufriedenstellend erwiesen. Die Nichterreichung eines genügend großen Wärmeübergangskoeffizienten hat eine Verkürzung der Lebensdauer der Anlage infolge örtlicher Überhitzungen bzw. eine Schädigung des jeweiligen Erzeugnisses zur Folge. Außerdem ist dadurch eine Verlängerung der Verfahrenszeit und eine Vergrößerung der jeweils erforderlichen Menge an Umlaufmedien bedingt, wodurch sich die Pumpkosten erhöhen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Mittel zur Überwindung dieser Schwierigkeiten dar. Erfindungsgemäß werden entweder dem Umlaufmittel oder dem zu behandelnden Mittel Druckwellen im Schall- bzw. Überschallbereich mitgeteilt. Diese Schwingungen werden zum Teil auf beide Mittel verteilt. Dies geschieht in der Weise, daß die Wellen auf eine Seite der Wandung, durch welche der Wärmeübergang stattfindet, auftreffen, den Oberflächenfilm auf dieser Seite zerstören und sodann teilweise durch die Wandung hindurch übertragen werden, so daß sie den an der anderen Seite der Wandung anhaftenden Film ebenfalls zerstören. In Fällen, wo Wasser eines der beiden Mittel ist, ergibt sich der weitere Vorteil, daß der Kesselsteinbildung entgegengewirkt wird, wodurch ein stetig gleichbleibender Wärmeübergangsl:oeffizient erzielt wird.
Die Erfindung ist an Hand folgender Beschreibung und der Zeichnungen ohne weiteres verständlich, in welchen Fig. i eine perspektivische Ansicht eines Wärmeaustauschers mit spiralförmig verlaufenden Röhren und einer Einrichtung zur Übertragung von Druckwellenschwingungsenergie darstellt, wobei in der Darstellung ein Teil des Wärmeaustauschers weggebrochen ist, Fig.2 eine Abwandlung der Erfindung in Anwendung auf einen einfachen Röhrenwärmeaustauscher zeigt, Fig. 3 eine weitere Abwandlung der Erfindung darstellt, und zwar in Anwendung auf einen Mantelmischer bzw. ein Reaktionsgefäß, Fig.4 ein teilweise geschnittener Aufriß einer weiteren Abwandlung der Erfindung in Anwendung auf einen Vakuumverdampfer bzw. ein Kristallisationsgefäß ist und Fig. 5 eine Abwandlung der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist.
Zunächst wird auf Fig. i Bezug genommen. Der Wärmeaustauscher ist mit einer Anzahl spiralförmig verlaufender Röhren i ausgestattet, die alle zueinander parallel geschaltet sind. Das zu erhitzende bzw. zu kühlende Mittel strömt durch diese Röhren. Die Röhren sind in einem Behälter untergebracht, der aus zwei Stirnwandungen 2 und 3 besteht, die vermittels eines Zylinderflanschgliedes 4 miteinander verbunden sind. Ein Heiz- bzw. Kühlmittel zirkuliert innerhalb des Behälters um die Röhren i. Das zu behandelnde Mittel kann in die Schlange i durch eine Öffnung 5 eintreten und durch eine Öffnung 6 aus derselben austreten, während das Heiz- bzw. Kühlmittel durch eine öffnung 7 in den Behälter gelangt und durch eine Off nung 8 in der Wandung 2 des Behälters aus diesein lierausgelarigt. Wärmeaustauscher dieser Ausführungsart sind in der Fachwelt allgemein bekannt.
Erfindungsgemäß werden jedoch auf geeignete Weise dem die Röhren i umgebenden Heiz- bzw. Kühlmittel Druckschwingungen überlagert. Zu diesem Zweck ist vorzugsweise eine der Stirnwandungen des Wärmeaustauschers, beispielsweise die Wandung 3, als Schwingmembran ausgebildet, wie dies in Fig. i zu ersehen ist. An der Außenseite der Membranwandung 3 kann irgendein geeigneter schwingungserzeugender Mechanismus angebracht sein. Bei ,der dargestellten Anordnung kann dieser in einem Lamellenmagnetanker 9' bestehen, der mit der Membran 3 fest verbunden ist. Durch einen entsprechenden Luftspalt vom Anker getrennt ist auf einem mit einem Flansch i i' versehenen Bauteil i i ein, Elektromagnet 9 mit Wicklung io fest angebracht; das Teil ii ist so ausgebildet, daß es ein Gehäuse für den Elektromagnet darstellt. Der Flansch i i' kann beispielsweise vermittels von Stiftschrauben 12 an dem Membranteil 3 angeschraubt sein. Um eine Kühlung des Elektromagnets zu ermöglichen, kann an der Rückseite des Teils i i in der dargestellten Weise vermittels eines Teils 14 eine weitere Kammer 13 gebildet werden. Durch diese Kammer 13 kann ein Kühlmittel hindurchgeführt werden. Der Magnet 9 kann vermittels seiner Wicklung io mit Wechselstrom der jeweils erforderlichen Frequenz erregt werden und bewirkt somit ein Schwingen des Ankers g und der Membranwandung 3. Die letztere ist vorzugsweise so abgestimmt, daß ihre Eigenschwingungszahl zur Frequenz des Erregerstromes in Resonanz liegt.
Dadurch werden dem die Schlangen i umgebenden Mittel Druckschwingungen überlagert, die ein Abbrechen des Oberflächenfilms bzw. eine Verhinderung der Bildung von Oberflächenfilmen auf der Außenseite der Röhre i verhindern. Ein Teil der Schwingungsenergie wird durch die Wandungen der Röhren i hindurch in die innerhalb der Röhren zirkulierende Flüssigkeit übertragen. Hier bewirkt die Schwingungsenergie gleichfalls ein Abbrechen bzw. die Verhinderung der Bildung von Filmen an der Röhreninnenwandung. Dadurch wird ein bei weitem besserer Wärmeübergang erzielt.
Die vorliegende Erfindung kann ebenso auf andere Ausführungsformen von Wärmeaustauschern angewandt werden, beispielsweise auf Verdampfer, Kristallisatoren u. dgl. Es werden nunmehr beispielsweise einige andere Anordnungen beschrieben.
In Fig. 2 ist eine übliche Ausführungsart eines Röhrenw ärmeaustauschers dargestellt, die erfindungsgemäß geändert ist. Dieses Gerät besteht aus einer äußeren zylindrischen. Hülle 15 mit Eintritts-und Austrittsöffnungen 16 und 17, durch welche normalerweise das Heiz- bzw. Kühlmittel strömt. Durch das Innere der Hülle 15 verläuft eine Röhre 18, die normalerweise die Form einer Anzahl von in Längsrichtung liegenden Röhrenstücken hat, die an ihren Enden durch U-förmige Röhrenkrümmer miteinander verbunden sind. Das zu behandelnde Mittel wird normalerweise durch dieses Rohr 18 gelumpt. Die Hülle 15 ist an ihren Stirnseiten durch Deckelteile i9 und 20 verschlossen, deren einer die Form einer Schwingmembran hat. Eine schwinguligsiilxrtragetide Konstruktion i9' ähnlich der in 1# ig. i gezeigten Konstruktion ist an der linken Stirnseite der Hülle in Fig. 2 dargestellt. Die rechte Stirnseite der Hülle kann, falls erforderlich, in gleicher Weise ausgebildet sein. Durch Schwingen der Membranen 19 bzw. 20 werden Druckwellen in das die Röhre i8 umgebende, innerhalb des Behälters befindliche Mittel übertragen, wodurch der Oberflächenfilm an den Röhrenaußenseiten gebrochen wird. Ein Teil der Schwingungsenergie wird durch die Röhre 18 hindurch an die Innenseite der Röhre gelangen und dort in gleicher Weise den Oberflächenfilm brechen.
Eine weitere Abwandlung der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt, die einen Mäntelmischer bzw. ein Reaktionsgefäß zeigt. Dasselbe besteht aus einem Innenbehälter 2i, der von einem Außenbehälter bzw. einem Mantel 22 umgeben ist. Das zu behandelnde Gut befindet sich innerhalb des Behälters 21, 'der durch einen Deckel 23 verschlossen sein kann. Falls erforderlich, kann, wie dies in der Abbildung ersichtlich ist, durch den Deckel ein Rührpropeller 24 in den Behälter 2 1 eingeführt werden.
In den Mantelraum wird Heiz- bzw. Kühlmittel eingeführt, so daß es den Behälter 21 umgibt. Um den Oberfläcbenfilm innerhalb und außerhalb des Behälters 21 zu brechen bzw. dessen Bildung zu verhindern, kann eine Schwingmembran 25 in gleicher Weise wie die Membranen 3 und i9 von einem nicht dargestellten Vibrator betätigt werden, der innerhalb des Gehäuses 26 an der Unterseite des Mantels 22 liegt, so ((aß sich die Schwingungen dem Heiz- bzw. Kühlmittel direkt übertragen und von <1a teilweise durch die BehälterNvandung 21 auf das innerhalb des Behälters zu behandelnde :Mittel übertragen werden.
Eine weitere Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt, die einen mit Rührwerk versehenen Vakuumverdampfer oder Kristallisator zeigt. In diesem Fall befindet sich das zu behandelnde Gut innerhalb einer Kammer 3o, die von einem Mantel 31 umgeben ist, durch welchen an verschiedenen Stellen der Mantelwandung Dampf oder Kühlwasser ein-bzw, austreten kann. Ofl:nungen 3 i', die an einer oder mehreren Stellen in die Mantelwandung geschnitten sind, können mit Schwingmembranen ausgestattet sein, wie dies in der Abbildung beispielsweise bei 32 und 33 angedeutet ist. Diese Membranen können durch nicht gezeigte Vibratoren in Gehäusen 34 und 35 erregt werden. Die Schwingungen werden so direkt auf das innerhalb des Mantels befindliche Heiz- oder Kühlmittel übertragen. Ein Teil der Schwingungsenergie wandert durch die Wandung 30 der Innenkammer in das zu behandelnde Gut. Oberflächenfilme auf beiden Seiten der Kammerwandung 30 werden dadurch gebrochen bzw. an der Bildung verhindert, so daß ein verbesserter Wärmeübergang erzielt wird. Bei Anordnungen solcher Art sind normalerweise sow,()lil ein Rilllrwerk 36 alsauch hGegenbleche 37und38 vorgesehen, die in die Kammer 3o hineinragen. Bei solchen Anlagen ist es im allgemeinen vorzuziehen, insbesondere dann, wenn das in dem Mantel strömende Mittel Dampf ist, die Schwingungen direkt in das zu behandelnde Gut anstatt in das innerhalb des Mantels befindliche Mittel einzuleiten. Zu diesem Zweck kann ein Teil der Kammer 30 ausgeschnitten sein, wobei die Kanten sorgfältig abgedichtet sind und die Schwingmembran direkt in die Wandung der inneren Kammer eingesetzt ist. Diese Abwandlung ist in Fig. 5 gezeigt. In diesem Fall ist die innere Wandung 30 der inneren Kammer mit einer Ausnehmung 47 versehen, deren Kanten beispielsweise bei 38 verdickt sein können. Eine mittels eines Vibrators 40 in Schwingung versetzte Membran 39 kann auf den verdickten Teil 38 aufgeschraubt sein. Die Außenwandung des Mantels 3 i muß bei dieser Konstruktion natürlich über einen genügend großem Flächenbereich ausgeschnitten sein, um den'Einbau der Vibratorausrüstung möglich zu machen. In diesem Fall wandern die Schwingungen .durch das zu behandelnde Material und von da über die Kammerwandung 3o nach außen und in die Mantelkammer. Der Oberflächenfilm wird auch hier, wie bei den anderen Ausführungen, sowohl innhalb als auch außerhalb der Kammer 30 gebrochen, wodurch ein besserer Wärmeübergang erzielt wird.
Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung kann jede Schwingungsfrequenz benutzt werden, wobei die Wahl der betreffenden Frequenz in geringem Maße von der Art des zu behandelnden Gutes abhängig ist. Es wird jedoch im vorliegenden Fall vorgezogen, niederfrequente Schallwellen zu verwenden, beispielsweise in der Größenordnung von 12o Hertz, wodurch in einfacher Weise eine beträchtliche Druckschwingungsenergie mit großer Amplitude erzielt wird.
Die Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens hat in der Praxis bei allen hier erwähnten Ausführungen der zur Durchführung des Verfahrens benutzten Anlagen gezeigt, daß außer der Erzielung eines besseren Wärmeüberganges auch eine wesentlich bessere Entgasung des behandelten Gutes sowie gegebenenfalls des Umlaufmittels eintritt, was in den meisten Fällen als Vorteil zu werten ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zum Wärmeaustausch, insbesondere für Vorwärmer, Verdampfer u. dgl. Apparate, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragung unter Einwirkung von Schallwellen vor sich geht.
2. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauschapparat mit einem Schallerzeuger so verbunden ist, daß die von dem Schallerzeuger ausgehenden mechanischen Schwingungen an den wärmeübertragenden @@'andungen zur Einwirkung kommen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Wärmeaustauscher zwischen gas- oder dampfförmigem und flüssigem Mittel die, Schallerzeuger mit dem flüssigen Mittel oder mit der wärmeübertragenden Wandung selbst gekoppelt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch a und 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Rohrsystems für die Aufnahme des einen Mittels und eines das Rohrsystem umschließenden Behälters zur Aufnahme des anderen Mittels in den das Rohrsystem umschließenden Behälter ein Schallerzeuger eingebaut ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines zylindrischen, das Rohrsystem umschließenden Behälters dessen eine oder beide Stirnseiten als Membranen von Schallerzeugern ausgebildet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch a bis 5, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen ebenes Rohrsystem, das parallel zur Strahlfläche des Schallerzeugets angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrsystem durch spiralförmig gewundene Rohre gebildet wird. B. Vorrichtung nach Anspruch a, bestehend aus einem Reaktionsbehälter mit Kühl- oder Heizmantel, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Schallerzeuger mit dem Kühl- oder Heizmantel des Reaktionsbehälters verbunden sind.