DE974583C - Waermeaustauschapparat - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 16. FEBRUAR 1961

A 17885 Ia/17f

Wärmeaustauschapparat

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauschapparat zur Behandlung dickflüssiger Stoffe, insbesondere Fette und Fettemulsionen, welcher flache, zweckmäßig kreisrunde Scheiben aufweist, die mit einem angemessenen Spielraum zwischen wärmeübertragenden Flächen drehbar sind, wobei die Flächen als Wände in flachen, um und zwischen den Scheiben angebrachten, feststehenden, übereinanderliegenden Behältern ausgebildet sind, die, gegebenenfalls gruppenweise, miteinander verbunden sind und von einem Kühl- oder einem Wärmemittel durchströmt werden, während der Stoff unter Druck durch den Apparat im Spielraum zwischen den wärmeübertragenden Wänden des Behälters und den Scheiben geführt wird, die an der einen oder an beiden Seiten schräg nach außen von der Scheibe und nach vorn in deren Umdrehungsrichtung wendende Schabemesser haben, welche mit ihren Schneiden gegen die gegenüberliegende wärmeübertragende Wand anliegen und mit dieser einen spitzen Winkel bilden, so daß sie bei der Umdrehung der Scheibe den an der Wand innerhalb des Bahnengebietes der Scheibe abgelagerten Stoff abschaben.

Bei Wärmeaustauschapparaten der vorerwähnten Art, die zur Behandlung von zu kühlenden Fettstoffen angewendet werden, wird der Stoff in der Regel nach und nach beim Fortschreiten der Küh-

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lung ziemlich dickflüssig und zäh, weshalb er gegen seine Bewegung ,durch die Behälter, in denen die Temperatur des Stoffes niedriger ist, großen Widerstand leistet. Da die Messer einer in solchem Be-'hälter umlaufenden Scheibe während des Umlaufes den in der Umdrehungsrichtung vorn liegenden zähen Stoff anstauen, entsteht in diesem ein Druck, der wesentlich höher ist als an anderen Stellen des die Scheibe umgebenden Stoffes, und welcherDruck ίο quer zur Umlaufebene einseitig verlaufende Einwirkungen verursacht, welche biegend auf die Scheibenkante einwirken. Selbst ein geringes Ausbiegen der Scheibenkante hat den NaohteiL ergeben, daß die der Kante am nächsten angebrachten Schabemesser die gegenüberliegende, wärmeübertragende Wand nicht von dem erstarrten Stoff reinschaben, der erfahrungsgemäß die Wärmeübertragung wesentlich herabsetzt, da selbst eine sehr dünne zurückgebliebene Fettschicht stark wärmeisolierend wirkt.

Man kann natürlich die Scheibe so dickwandig ausführen, daß Beanspruchungen ein Biegen der Kante nicht verursachen, hierdurch aber würden sich das Gewicht und die Abmessungen des Apparates wesentlich erhöhen, und z. B. bei Apparaten, die zur Behandlung von Speisefetten angewendet werden sollen, sind die Scheiben am zweckmäßigsten aus rostfreiem Stahl oder anderem entsprechendem chemisch widerstandsfähigem Blechmaterial ausgeführt, das sowohl aus praktischen als. auch wirtschaftlichen Gründen so dünn wie möglich gehalten wird.

Unter anderem müßten die Scheiben so dünn

sein, daß sie sich mühelos aus der Vorrichtung entfernen und wieder einsetzen lassen, da der Apparat gewöhnlich sehr oft zum Reinigen und Überholen auseinandergenommen wird.

Die Erfindung bezweckt im Hinblick auf die Behandlung dickflüssiger Stoffe die Anwendung verhältnismäßig dünner, drehbarer Scheiben, und das Merkmal besteht erfindungsgemäß darin, daß die eine oder mehrere der drehbaren Scheiben auf der einen oder auf beiden Seiten und vorzugsweise nahe am Umfang Vorsprünge oder Kämme solcher Höhe aufweisen, daß sie während der Scheibenumdrehung dicht oder annähernd dicht mit der wärmeübertragenden Wand an der betreffenden Seite der Scheibe abschließen.

Die Vorsprünge (Kämme) verhindern ein Ausbiegen der Scheibe gegen die Wand und können derart ausgebildet sein, daß sie dem Umlauf der Scheibe nur geringen Widerstand leisten. In den meisten Fällen leisten sie auch keinen bedeutenden Widerstand gegen die radialen Bewegungen des Stoffes durch den Spielraum zwischen der Scheibe und den wärmeübertragenden Wänden.

Drehbare Saheiben, die in Behältern liegen, wo der zugeführte Stoff so dickflüssig geworden ist, daß die Beeinflussung der Schabemesser der Scheibe besonders starke lokale Drucksteigerungen im Stoff vor den Messern mit sich führen, werden hierdurch größeren quer verlaufenden Einwirkungen ausgesetzt als die übrigen Scheiben, und die Vorsprünge an solchen in ausgeprägt dickflüssigem Stoff arbeitenden Scheiben werden infolge der erwähnten Beeinflussungen ziemlich hart an die betreffende wärmeüberführende Wand gepreßt. Hierdurch kann der Flächendruck je Flächeneinheit zwischenwand und Vorsprung eine ungünstige Höhe erreichen, vor allem, wenn die Vorsprünge verhältnismäßig klein sind. Dies ließe sich allerdings vermeiden durch genügend große Ausbildung der Vorsprünge, da diese aber in der Drehrichtung der Scheibe schmal sein müssen, um das Durchführen durch den Stoff zu erleichtern, würden die großen Vor-Sprünge ziemlich lang werden und dadurch die im voraus träge radiale Bewegung des Stoffes im Zwischenraum zwischen der Scheibe und den diese umgebenden wärmeübertragenden Wänden hemmen.

Um lokale Drucksteigerungen im Stoff vor den Messern zu vermeiden, welche größere und verhältnismäßig viele Vorsprünge erfordern, die hemmend auf die Bewegungen des Stoffes einwirken, können in gewissen Fällen sämtliche oder einige" der Messer auf der Scheibe, vorzugsweise die dem Umfang der Scheibe am nächsten liegenden Messer in an sich bekannter Weise mindestens ein durchgehendes Loch aufweisen. Hierdurch wird erreicht, daß die genannten ausbiegenden Einwirkungen nicht in beträchtlichem Maße steigen, indem steigender Druck im Stoff vor den Messern in der Drehrichtung der Scheibe verursachen wird, daß der Stoff durch das Loch im Messer hinter dasselbe dringt, wo ein wesentlich niedrigerer Druck herrscht, und somit ein gewisser Druckausgleich bewirkt wird.

Eine Ausführungsform eines Wärmeaustausch apparates nach der Erfindung zur Verfestigung von Emulsionen und flüssigen Fettstoffen, und welche vier drehbare Scheiben hat, die in einer derselben entsprechenden Anzahl aufeinanderliegender flacher Behälter angebracht sind, ist in den Zeichnungen dargestellt, in welchen

Fig. ι einen Axialschnitt durch den Apparat, Fig. 2 in größerem Maßstab eine drehbare Scheibe, von der einen Seite gesehen, und

Fig. 3 und 4 ebenfalls in größerem Maßstab einen Querschnitt durch einen Teil der Scheibe bzw. ein am genannten Teil angebrachtes Schabemesser sowie ein Planbild des Messers zeigen.

Der Apparat besteht aus,, einer Anzahl flacher Behälter 1 bis 3, die aufeinander unter sich dichtschließend angebracht sind und z. B. mittels nicht gezeigter Bolzen zusammengehalten werden. Der untere Behälter 1 ist mit einem Gestell 4 in einem Stück ausgeführt, während die Zwischenbehälter, von 'denen drei vorhanden sind, als2bzw2_aund2₆ bezeichnet sind, und jeder derselben ist an der oberen und unteren Seite gleich ausgebildet. Der zu oberst liegende Behälter 3 ist mit einem Deckel 5 ausgeführt. Sämtliche Behälter 1 bis 3 sind vorwiegend kreisrund und haben ebene, dünne, am Umfang kreisrunde Wände 6 aus z. B. nichtrostendem Stahl. Die kreisrunde Außenkante jeder Wand 6 ist' so umgebogen, daß die Wand eine flache Schale bildet, die an einem Ring 7 befestigt ist, der den äußeren Umfang des Behälters bildet.

In dem unteren Behälter bildet die Wand 6 eine nach oben gekehrte Schale, die eine zentrale, in das Gestell 4 abwärtsgehende Büchse 8 mit einer Dich ■ tung 9 für eine durch den Apparat emporgehende Welle 10 hat, deren Durchmesser etwas kleiner als die lichte Weite der Büchse 8 ist.

Der auf dem Behälter 1 ruhende Behälter 2 hat zwei Wände 6, von denen die eine Wand eine umgekehrte Schale bildet, deren Kanten sich an die Kanten der Wand 6 des Behälters 1 schließen, so daß zwischen den beiden letztgenannten Wänden ein flacher, kreisrunder Ringraum 11 entsteht, in dem sich eine an der Welle 10 befestigte, relativ dünne, ebene Scheibe 12 drehen kann. Der Durchmesser der Scheibe 12 ist etwas kleiner als der größte Durchmesser des Ringraumes.

Die zweite Wand 6 des Behälters 2 bildet eine nach oben gekehrte Schale, die zusammen mit der gegenüberliegenden Wand 6 des nächsten, darüberliegenden Behälters 2_a einen Ringraum n_a bildet. In derselben Weise ist ein Ringraum H₆ zwischen den Behältern 2_a und 2j und ein Ringraum 11 _c zwischen den Behältern 2₆ und 3 der Wände 6 der genannten Behälter gebildet. In den Ringräumen u_a, lift, ii_c gibt es ebenfalls an der Welle 10 befestigte Scheiben i2_a bzw. I2_a, i2_c. Die Wände 6 jedes der gleich ausgeführten Behälter 2, 2_a und 2_& sind durch einen zentralen Kragen 13 vereint, der mit einem angemessenen Spielraum die Naben der Scheiben 12 bis i2_c umschließt.

In jedem Behälter 1 bis 3 gibt es eine planparallele zu der Wand oder den Wänden 6 liegende Trennwand 14, die den Behälter in zwei Räume aufteilt, die nahe dem zentralen Teil des Behälters miteinander durch ein oder mehrere Löcher 15 in der Trennwand in Verbindung sind, und welche je an dem Umfang des Ringes 7 eine Zu- und/oder Abflußöffnung für ein Kältemittel durch einen Stutzen 16 haben. Diese Stutzen sind koaxial angebracht, wenn die Behälter übereinander liegend — wie gezeigt — angebracht sind, und sie bilden Durchlässe für das Kältemittel von dem einen Behälter zum anderen. Außer der Stutzen 16 hat jeder Behälter am Umfang des Ringes 7 einen Stutzen 17· mit geradem Durchlaß, der nur in dem Behälter 3 mit dem oberen Teil des Behälterraumes in Verbindung steht. Die Stutzen 17 sind ebenfalls in dem gesamten Apparat koaxial gelegen und bilden Durchlässe für das Kältemittel von dem oberen Behälter, was später erwähnt werden wird. An den Trennwänden 14 der Behälter gibt es senkrechte Wände 18, die teils-der Abstützung der Wände 6, teils dazu dienen, das Kältemittel entlang dieser Wände zu leiten, indem sie z. B. spiralförmige Kanäle an den Wänden bilden.

Die Scheiben 12 sind leicht entfernbar auf der Welle 10 befestigt, die durch den zentralen Teil aller Behälter emporgeführt und oben mit einer Mutter versehen ist, wobei die Scheiben zwischen derselben und einem Auflager auf der Welle festgespannt werden. Das untere Ende der Welle ruht in einem kombinierten Trag- und Stützlager 19 des Gestelles 4, und über diesem Lager ist an der Welle ein Schneckenrad 20 befestigt, das mit einer Schnecke 21 im Eingriff ist, mittels deren die Welle 10 und die Scheiben 12 umgedreht werden. Die Scheiben 12 tragen an jeder Seite eine Anzahl Schabemesser 23, z. B. drei (wie in Fig. 2 gezeigt), die auf der Scheibe mittels Schrauben, Bolzen, Nieten oder Sahweißen, z. B. elektrischen Punkt-Schweißens ■— wie angedeutet ■— befestigt sind. Jedes Messer ist aus einem federnden Material, z. B. nichtrostendem Stahl, ausgeführt, und wendet sich, indem es auf der Scheibe an ihrer in deren Drehrichtung hinteren Kante befestigt ist, schräg nach oben und nach vorn in der genannten Richtung und liegt mit der Schneide federnd gegen die gegenüberliegende Wand 6 an (Fig. 3), zu welcher es einen spitzen Winkel bildet, so daß es bei der Rotation der Scheibe gegen die Wand schabt. Die drei Messer 23 sind, wie in Fig. 2 gezeigt, mit gleich großem Winkelabstand voneinander gelegen und sind so ausgeführt und angebracht, daß ihre Schneiden zusammen an der Wand am ganzen Rotationsfeld der Scheibe wirken, so daß sie eine Abschabung der Wand bei jeder Umdrehung der Scheibe ausführen.

Bei der Anwendung des Apparates zur Verfertigung von flüssigen Emulsionen oder Fetten wird die Welle 10 mit den Scheiben 12 in Rotation gebracht, und der Stoff wird unter Druck durch ein Rohr 22 in die Büchse 8 geführt, von welcher er nach dem zentralen Teil des Ringraumes 11 unter der in dem Raum befindlichen Scheibe 12, an derselben entlang zum äußeren Umfang des Raumes, an der Kante der Scheibe vorbei und nach deren Oberseite empor und über die genannte Seite gegen die Nabe der Scheibe und den Kragen 13 der darüberliegenden Wände 6 des Behälters 2 hinein, durch einen ^Spielraum zwischen der Nabe der Scheibe und dem Kragen nach dem nächsten Ringraum n_a und weiter durch die übrigen Ringräume Hb und ii,. in gleicher Weise wie bei dem Durchlaß durch den Ringraum 11 strömt. Von dem Raum ii_c tritt der Stoff durch ein durch den Deckels zentral emporgehendes Rohr 24 aus, das über dem Deckel mit einem zweiten, nicht gezeigten Rohr für die Weiterbeförderung des Stoffes nach anderen Apparaten oder nach einem Sammelbehälter verbunden werden kann.

Zur Abkühlung des Stoffes während seines Durchgangs durch den Apparat wird ein Kältemittel durch die' Behälter 1 bis 3 geleitet, indem das Mittel nach dem unteren Behälter 1 durch den Stutzen 16 desselben geführt wird und von dem oberen Behälter 3 durch dessen Stutzen 17 und weiter durch die Stutzen 17 der übrigen Behälter austritt. Die Trennwand 14 jedes Behälters führt — wie in Fig. 1 gezeigt — nach links hinaus und teilt den Stutzen 16 des Behälters so, daß das Mittel zwangläufig vom Einlaßende des Stutzens durch den unteren Teil des Behälters von außen nach innen strömen wird, indem es dabei — außer in dem Behälter 1 — von den senkrechten Wänden 18 nach dem Loch oder den Löchern 15 der Wand 14 geleitet wird, von welcher es in den oberen. Teil des

Behälters über der genannten Wand empor und — ebenfalls von senkrechten Wänden 18 geleitet — wieder nach außen und zu dem Stutzen 16 strömt, von dessen Abgangsende es in den darüberliegenden Behälter durch dessen Stutzen 16 und auf dieselbe Weise durch die anderen Behälter weiterströmt. Von dem oberen Behälter 3 strömt das Mittel über dessen Trennwand 14 nach dem Stutzen 17 des Behälters und tritt durch die Stutzen 17 der Behälter aus.

Durch die auf diese Weise vom Kältemittel bewirkte wirksame Abkühlung der dünnen Behälterwände 6 erstarrt eine Stoffschicht an der Innenseite dieser Wände in den Ringräumen 11, welche Schicht die Messer 23 der Scheiben 12 während deren Rotation abschaben. Der abgeschabte Stoff wird während der Strömung des Stoffes durch die Ringräume in den übrigen Stoff eingemischt und bewirkt eine Abkühlung der ganzen Stoff menge, so daß aller Stoff bei seinem Abgang von dem oberen Ringraum n_c verfertigt sein und eine zähflüssige, plastische Masse bilden wird.

Es leuchtet unmittelbar ein, daß die Viskosität des Stoffes allmählich bei dessen Durchgang durch den Apparat zunimmt.

In dem unteren Ringraum 11, wo die Viskosität am kleinsten ist, wird es — wie später noch näher erläutert — meistens genügen, nur die in dem genannten Raum rotierende Scheibe 12 auf jeder Seite mit drei Schabemessern 23 zu versehen, die wie vorn erwähnt und in Fig. 2 gezeigt angebracht sind. Während der Rotation der Scheibe schabt jedes Messer seinen Teil der Wand 6 ab und wirkt übrigens auf den in der Rotationsrichtung vorn liegenden Stoff, der sich unter die schräg stehende Klinge des Messers einschiebt, von welcher er seitlich des" Messers abgleitet.

Die Messer sind zweckmäßig schräg derart im Verhältnis zu durch das Messer gehenden Radien angebracht, daß der von den Messern aufgefangene Stoff während der Rotation der Scheibe den Messern entlang und in der Hauptsache in derselben Richtung verschoben wird, wie derjenigen, in welcher der entlang der betreffenden Seite der Scheibe befindliche übrige Stoff strömt, wodurch die Messer zur Heranführung des Stoffes durch den Apparat beitragen werden. Demgemäß sind die Messer der Fig. 2 so auf der Scheibe angebracht dargestellt, daß sie an der Oberseite der Scheibe während der Rotation zur Bewegung· des Stoffes einwärts gegen die Achse der Scheibe mitwirken, während die Messer an der Unterseite der Scheibe zur Bewegung des Stoffes nach außen zu beitragen. Während der. Rotation der Scheibe staut sich der Stoff vor den Messern, was eine lokale Druckerhöhung in dem Stoff und eine sich daraus ergebende Differenz an der betreffenden Stelle zwischen dem Druck an der Oberseite und dem Druck an der Unterseite der. Scheibe bewirkt, die dadurch einer quer zu ihrer Rotationsebene gehenden einseitigen Beanspruchung ausgesetzt wird. Diese Beanspruchung läßt sich durch die vorgenannte Anordnung der Messer auf der Scheibe innerhalb solcher Grenzen halten, daß sie in bezug auf die untere Scheibe 12 keine Ausbiegung der Scheibe von der Rotationsebene bewirkt, weil der Stoff in dem unteren Ringraum 11, worin die Scheibe rotiert, am wenigsten abgekühlt und daher noch so flüssig ist, daß er den Messern ausweicht, ohne einen Widerstand zu leisten, der eine lokale Druckerhöhung in dem Stoff vor den Messern bewirken kann, die so groß ist, daß sie die Gefahr einer Ausbiegung der Scheibe darstellt.

In dem Ringraum ii_ß wird die Viskosität des Stoffes größer als in dem Raum iij, sein, aber vielfach jedoch nicht mehr, als daß die Scheibe I2_a in diesem Raum nur mit Messern 23, wie vorn beschrieben, versehen sein kann, wenn· auch die lokale Druckerhöhung in' dem Stoff vor den Messern größer als an der Scheibe in dem unteren Raum 11 wird. Die Druckerhöhung an der genannten Stelle bewirkt aber auch einen höheren Druck in dem Stoff vor dem Messer als hinter demselben, und eine wesentliche Druckdifferenz an den genannten Stellen wird zur Folge haben, daß die Schneiden des schräg stehenden Messers unnötig hart zum Anschlag gegen die gegenüberliegende Wand 6 gepreßt werden. Der harte Anschlag der Schneide gegen die Wand bewirkt teils eine starke Abnutzung der Schneide, teils einen größeren Kraftbedarf zur Umdrehung der Scheibe. Zum Ausgleich einer zu großen, unliebsamen Druckdifferenz — wie angeführt — können im Messer 23 eine oder mehrere Durchbohrungen, z. B. zwei Durchbohrungen 25, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, ausgeführt sein. Hierdurch wird Stoff von der Vorderseite des Messers durch dasselbe dringen können und teilweise die Druckdifferenz vor und hinter dem Messer ausgleichen. Beispielsweise kann an dem beschriebenen Apparat die Scheibe 12 in dem unteren Raum 11 mit Messern ohne Durchbohrungen 25 ausgeführt werden, während die Messer der Scheiben i2_a, i2₆ und I2_C solche Durchbohrungen aufweisen. Ferner kann die letztgenannte Scheibe, die in dem Ringraum 11 _c arbeitet, wo die Viskosität des Stoffes am größten ist, zweckmäßig an beiden Seiten mit Vor-Sprüngen oder Kämmen 26, Fig. 2, versehen sein, deren Höhe so dem Spielraum zwischen den Seiten der Scheibe und den gegenüberstehenden Wänden 6 entspricht, daß sie während der Rotation der Scheibe eng oder nahezu eng an die Wand anliegen, wodurch sie in wirksamer Weise eine Ausbiegung der Scheibe bei einer momentweise vorkommenden starken Erhöhung der Viskosität des Stoffes im Raum n_c verhindern. Die Vorsprünge werden vorwiegend, wie dargestellt, in der Nähe der Kante der Scheibe angebracht, und zwar längs einer gemeinsamen Kreislinie liegend, wobei sie gleichzeitig eine relativ geringe Breite haben, so daß sie während der Drehung der Scheibe nur wenig Widerstand leisten.

Die drehbaren Scheiben 12 können übrigens teils nach der Art des zu behandelnden Stoffes, teils nach der Ausführung des Apparates mit z. B. mehreren oder wenigeren Ringräumen 11 in beliebiger Weise mit Messern 23 mit oder ohne Durchbohrungen 25 und mit oder ohne Vorsprüngen 26 an der

einen oder an beiden Seiten des Messers versehen werden.

Bei derartigen Apparaten, wo der Stoff in einigen Ringräumen durch Zuleitung eines Kältemittels zu den betreffenden Behältern abgekühlt wird, während der Stoff in anderen Ringräumen durch Zuleitung eines Wärmemittels zu den diese Räume umgebenden Behältern erwärmt wird, kann die Ausstattung der drehbaren Scheiben unter Rücksichtnahme darauf variiert werden.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   i. Wärmeaustauschapparat zur Behandlung dickflüssiger Stoffe, insbesondere für Fette und Fettemulsianen, wobei flache, zweckmäßig kreisrunde Scheiben vorhanden sind, die mit einem angemessenen Spielraum zwischen wärmeübertragenden Flächen drehbar sind, welche als Wände in flachen, um und zwischen den Scheiben angebrachten, feststehenden, übereinanderliegenden Behältern ausgebildet sind, die gegebenenfalls gruppenweise miteinander, verbunden sind und von einem Kühl- oder einem Wärmemittel durchströmt werden, während der Stoff unter Druck durch den Apparat im Spielraum zwischen den wärmeübertragenden Wänden des Behälters und den Scheiben geführt wird, die an der einen oder an beiden Seiten schräg nach außen von der Scheibe und nach vorn in. deren Umdrehungs richtung wendende Schabemesser haben, welche mit ihren Schneiden gegen die gegenüberliegende wärmeübertragende Wand anliegen und mit dieser einen spitzen Winkel bilden, so daß sie bei der Umdrehung der Scheibe den an der Wand innerhalb des Bahnengebietes der Scheibe abgelagerten Stoff abschaben, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der drehbaren Scheiben auf der einen oder auf beiden Seiten, vorzugsweise nahe am Umkreise Vorsprünge oder Kämme solcher Höhe aufweisen, daß sie während der Scheibenumdrehung dicht oder annähernd dicht an die wärmeübertragende Wand an der betreffenden Seite der Scheibe herangehen.
2. 2. Wärmeaustauschapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche oder einige der Schabemesser, vorzugsweise die dem Umkreis der Scheibe am nächsten liegenden, auf einer oder mehreren der umlaufenden Scheiben mindestens ein durchgehendes Loch haben.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 820 146;
   USA.-Patentschrift Nr. 2 306 602.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 609 738/239 12.56 (109 511/3 2.61)