DEP0034051DA - Wärmeaustauscher - Google Patents

Description

In gewissen Fällen - z.B. bei der Pasteurisierung oder Sterilisierung flüssiger Substanzen oder in der präparativen Chemie - besteht der Wunsch, eine Flüssigkeit von ihrer Anfangstemperatur in einer sehr kleinen, genau definierten, meßbaren Zeit so auf eine - höhere oder tiefere - Temperatur zu bringen, daß der Verlauf der Temperatur-Zeitkurve für alle Flüssigkeitsteilchen genau oder mindestens möglichst genau derselbe ist. Für diese Aufgabe werden im allgemeinen Durchfluß-Wärmeaustauscher nach Art eines Liebig'schen Kühlers verwendet. Die zu kühlende oder aufzuheizende Flüssigkeit tritt mit gegebener Volumengeschwindigkeit in eine Röhre ein, deren Innenwand durch Aufheizung bzw. Abkühlung von außen auf einer entsprechend höheren oder tieferen konstanten Temperatur gehalten wird. Dann ist der Wärmeaustausch an der Grenzfläche Flüssigkeit-Wand abhängig von der Größe der Grenzfläche bei gegebenem Volumen des Wärmetauschers, und zwar ist er umso besser, je kleiner der Radius der Röhre ist. Dabei wird man, zumal bei Glas als Rohmaterial, den Innenradius aus herstellungstechnischen Gründen nicht beliebig verkleinern können.

Um die austauschende Grenzfläche noch weiter zu vergrössern, werden langgestreckte, z.B. rechteckige Rohrquerschnitte verwendet. Bei Steigerung des Seitenverhältnis- ses geht der Rohraustauscher schließlich in den Plattenaustauscher über. Auch bei diesem sind der technischen Herstellung Grenzen dadurch gesetzt, daß sich ein sehr kleiner Abstand über die ganze Fläche hinweg weder gleichmäßig genug herstellen noch auch halten läßt (Druchbiegung der Platten), dadaß die druch Zonen verschiedenen Plattenabstandes strömenden Flüssigkeitspartikel verschieden stark und verschieden schnell aufgeheizt werden. Dazu kommt als weiterer Nachteil des Plattenaustauschers, daß infolge Wirbelbildung einige Flüssigkeitspartikel länger, einige jedoch kürzer innerhalb der Platten verweilen, also verschiedener thermischer Behandlung unterliegen.

Für die eingangs genannten Zwecke scheiden daher sowohl Rohr- als auch Plattenaustauscher der bisherigen Bauart bei größeren Aufheizgeschwindigkeiten (bzw. Abkühlgeschwindigkeiten) (50 - 500°/sec und höher) aus.

Erfindungsgemäß läßt man nun die Flüssigkeit durch die Zwischenräume einer Anzahl aneinanderstoßender geometrisch geeignet geformter, fester Körper fließen, die die Wärme vom bespülten Teil ihrer Oberfläche auf die Flüssigkeit übertragen bzw. sie von dieser aufnehmen. Die Körper ihrerseits sind zweckmäßig durch ihre Berührungsflächen im gegenseitigen Wärmekontakt, der noch durch eine innige Verbindung (z.B. Löten oder Schweißen) verbessert werden kann. Die festen Körper bilden dann in ihrer Gesamtheit ein zusammenhängendes zellartiges Gerüst, durch dessen zusammenhängende Hohlräume die Flüssigkeit strömt.

Vor ihrer weiteren Erläuterung sei die Erfindung an Hand der Zeichnung an einigen Ausführungsbeispielen erläutert. Nach dem Schnitt der Figur 1 wird als Drucklaufraum der Zwischenraum zwischen 3 kreiszylindrischen Stäben vom Radius r verwendet. Das Volumen eines solchen Zwischenraumes von der Länge l ist: die Oberfläche: <Formel>

wenn r der Radius der Stäbe ist.

Das für den Wärmeaustausch im wesentlichen maßgebende Verhältnis von Gesamtoberfläche (O) zu Gesamtvolumen (V) ist hierbei also:

Im Vergleich dazu ist das Verhältnis <Formel> bei einer durchströmten zylindrischen Kapillare vom Innenradius r:

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung erhält man also einen wesentlich besseren Wärmeaustausch gegenüber einem Kapillaraustauscher bisheriger Form, falls in beiden Fällen derselbe Radius verwendet wird. Da sich Zylinderstäbe mit fast beliebig kleinem Radius bequem herstellen lassen (z.B. als Haardrähte), während bei Kapillaren ein gewisses Minimum aus fertigungstechnischen Gründen nicht unterschritten werden kann, läßt sich der Wärmetausch bei der erfindungsgemäßen Anordnung noch wesentlich steigern.

Dadurch wird die zur Erreichung eines bestimmten Temperaturanstiegs bzw. -abfalles (Delta)T der aufzuheizenden bzw. abzukühlenden Flüssigkeit notwendige Zeit t wesentlich verkürzt und damit die mittlere Aufheizungsgeschwindigkeit stark vergrößert.

Ein derart aus Messingzylindern (r = 1,5 mm) aufgebauter Wärmeaustauscher mit einem Außenquerschnitt von 10 mal 40 mm und der Länge 100 mm heizte eine mit 2 cm(exp)3/sec durchströmende wässrige Lösung mit einer Aufheizgeschwindigkeit von ca. 125°/sec von 20°C auf 50°C auf, wobei die Wärme durch ein äußeres Wasserbad von 100°C geliefert wurde.

Der Gesamtquerschnitt der strömenden Flüssigkeit läßt sich durch Aneinanderlegen einer größeren Stabzahl beliebig vergrößern. Dabei sind gestreckte (Fig. 2) und geschlossene bündelförmige (Fig. 3) Anordnungen verwendbar. Bei größerem Gerüstquerschnitt wird man diesen zweckmäßig langgestreckt, z.B. rechteckig wählen. Das Stabpaket kann dabei an seinem Umfang durch Verbindung der außen liegenden Stäbe flüssigkeitsdicht gemacht werden, um ein Austreten der Flüssigkeit zu verhindern.

Soll die Flüssigkeit (I) durch eine Flüssigkeit oder ein Gas (II) aufgeheizt oder abgekühlt werden, so umspült im einfachsten Falle die Flüssigkeit (bzw. Gas) II das Stabpaket, wobei ein Stabmaterial hoher Wärmeleitzahl (z.B. Silber, Kupfer) den Wärmeaustausch begünstigt. Eine weitere Verbesserung wird dadurch erzielt, daß man auch die Flüssigkeit (bzw. das Gas) II durch eine Stabpaket fließen läßt, das mit dem anderen in inniger Berührung steht (z.B. wie in Fig. 4). Man kann auch durch die eben erwähnte flüssigkeitsdichte Verbindung bestimmter Stäbe oder Stabreihen voneinander flüssigkeitsdicht ge- trennte Zonen schaffen, die der Durchleitung teils der Flüssigkeit (I) und teils des Mediums (II) dienen.

Es zeigt sich also, daß gemäß der Erfindung die für den Wärmeaustausch maßgebende Flüssigkeitsoberfläche im Verhältnis zum Gesamtvolumen sehr groß wird. Dabei ist die Größe und Gestalt der Hohlräume durch Größe und Gestalt der sie bildenden Einzelkörper eindeutig und unveränderlich festgelegt. Endlich wird die Bildung größerer Wirbel im Austauscher verhindert und dadurch die Wärmebehandlung der Flüssigkeit homogenisiert, d.h. jedes Flüssigkeitspartikel wird derselben Temperaturbehandlung unterzogen. Infolge zufällig etwas verschieden langer Wege werden die Durchlaufzeiten zwar nicht für alle Partikel genau die gleichen sein, sondern um einen statistischen Mittelwert schwanken. Diese Schwankung wird aber umso kleiner sein, je feiner der Gesamtströmungsraum unterteilt ist.

Durch Vergrößerung des Gesamtquerschnittes des Festkörpergerüstes kann der Gesamtströmungsquerschnitt und damit die zeitliche Durchflußmenge bei gegebenem Flüssigkeitsdruck beliebig gesteigert werden, so lange für ausreichende Wärmezufuhr bzw. -abfuhr für sämtliche Einzelfestkörper gesorgt ist.

Um eine seitliches Ausfließen zu verhindern, kann das Festkörpergerüst an den parallel zur Strömungsrichtung liegenden Seitenflächen durch Verkitten, Verlöten, oberflächliches Verschweißen (z.B. durch Wirbelstromheizung) der außenliegenden Festkörper (vgl. oben) oder durch Umlegen, Aufziehen oder Aufschrumpfen eines Mantels geschlossen werden.

Die Zu- oder Abführung der Wärme zu oder von den Einzelfestkörpern kann durch Wärmeleitung von oder nach außen, die Zufuhr auch durch Strahlung von außen erfolgen.

In jedem Falle wird man für das Körpergerüst ein Material mit möglichst großer Wärmeleitfähigkeit wählen, z.B. Metall, möglichst Silber oder Kupfer.

Sollte die Berührung der zu behandelnden Flüssigkeit mit den zur Verfügung stehenden Metallen guter Wärmeleitfähigkeit, z.B. Kupfer, aus bestimmten Gründen nicht zulässig sein, so kann man die Einzelkörper mit einer dünnen Schicht eines anderen Stoffes überziehen, der zwar eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit besitzt, aber mit der Flüssigkeit in direkte Berührung kommen darf. Die Zu- bzw. Ableitung der Wärme wird dann im wesentlichen durch das gutleitende Metall besorgt, während der Überzug infolge seiner gering zu haltenden Wandstärke keinen wesentlichen Wärmedurchgangswiderstand besitzt.

Soll z.B. eine Bakterienaufschwemmung in extrem kurzer Zeit auf eine bestimmte -höhere oder tiefere - Temperatur gebracht werden, so wird ein unmittelbarer Kontakt derselben mit Kupfer als Gerüstmaterial nicht zulässig sein, da Kupfer auf Mikroorganismen im allgemeinen schädigend wirkt. Man überzieht also die Kupfereinzelkörper von ihrer Zusammenfügung zum Gerüst mit einem bakteriologisch neutralen Material, z.B. Platin, Nickel oder einem geeigneten Lack.

Umgekehrt kann man aber auch durch Wahl eines geeigneten Überzugsmaterials gerade eine bestimmte Wirkung, vorzugsweise chemischer oder katalytischer Art, auf die durchströmende Flüssigkeit ausüben. Z.B. könnte daran gedacht werden, gleichzeitig mit einer durch die reine Temperaturbehandlung erfolgenden Bakterientötung durch die Einwirkung eines geeigneten Überzugsmaterials auch gewisse andere Stoffe zu zerstören, die in der Flüssigkeit vorhanden sind oder bei der Abtötung gebildet werden.

Ferner könnte man gewisse Prozesse, die bei einer bestimmten Temperatur bei Anwesenheit eines geeigneten Katalysators stattfinden, nur bis zur Bildung eines gewünschten Zwischenproduktes verlaufen lassen, indem man die erste, gewünschte Reaktion in einem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher oder in einer Vorrichtung, die eine gleichwertige Arbeitsweise ermöglicht, durchführt, dessen innere Oberfläche mit dem katalytisch wirksamen Material überzogen ist, und indem man anschließend schnell mithilfe eines zweiten erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers auf eine solche andere Temperatur übergeht, bei der eine weitere Umbildung des Zwischenproduktes nicht mehr oder wenigstens nicht wesentlich erfolgen kann. Diese Arbeitsweise kann bei mehrstufig verlaufenden Prozessen auch mehrfach wiederholt werden. Außen durch Wärmeleitung oder -strahlung ist eine Wärmezufuhr auf elektrischem Wege möglich.

Die elektrische Heizung kann einmal dadurch erfolgen, daß man das Gerüst aus einem Material geeigneter elektrischer Leitfähigkeit herstellt und direkt in Quer- oder Längsrichtung elektrischen Strom durch das Gerüst fließen läßt, sodaß die an dem Ohm'schen Widerstand des Gerüstes auftretende Verlustleistung in Wärme umgesetzt wird.

Man kann aber auch das Gerüst durch Wirbelstromheizung im nieder-, mittel- oder hochfrequenten elektromagnetischen Spulenfeld erwärmen, sofern das Gerüstmaterial eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit bzw. elektrischen oder magnetischen Verlustfaktor besitzt. Durch Wahl der Frequenz kann man dabei eine Anpassung an Gesamtgröße, Struktur und Materialeigenschaften (Leitfähigkeit, Verlustfaktor, Permeabilität) des Gerüstes vornehmen.

Schließlich kann man in gewissen Fällen das Gerüst auch im hochfrequenten Kondensatorfeld (durch Dielektrikheizung) erwärmen, sofern das Gerüstmaterial einen ausreichenden elektrischen Verlustfaktor besitzt. Auch hier kann man durch Wahl der Frequenz eine Anpassung an Gesamtgröße, Struktur und Materialeigenschaften (Verlustfaktor und Dielektrizitätskonstante) des Gerüstes vornehmen.

Das Gerüst kann auch aus Kugeln (vom Radius r) aufgebaut werden, die in hexagonal dichtester Packung den Gesamtraum erfüllen. Das Gesamtvolumen aller Zwischenräume beträgt dann - unabhängig vom Kugelradius - etwa 26% des Gesamtvolumens des Austauschers, während die Gesamtoberfläche der Zwischenräume bei gegebenen Gesamtvolumen dem Radius umgekehrt proportional ist. Das für den Wärmeaustausch im wesentlichen maßgebende Verhältnis von Gesamtoberfläche (O) zu Gesamtvolumen (V) der Flüssigkeit ist dann:

Wie man aus einem Vergleich der Verhältnisse <Formel> bei zylindrischen Stabpaketen und bei Kugelpaketen sieht, ist das Kugelpaket wärmeaustauschmäßig nicht so günstig wie das

Stabpaket, aber noch wesentlich günstiger als eine innen durchströmte zylindrische Kapillare.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur gleichmäßigen, schnellen Erwärmung oder Abkühlung aller Teile einer strömenden Flüssigkeit durch Wärmeaustausch mit der Wandung durchströmter Querschnitte, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschflächen, d.h. die Wandungsteile der Strömungswege, durch Teile der Oberfläche einer Anzahl aneinanderstoßender fester Körper geeigneter Gestalt (z.B. prismatischer Stäbe und Kugeln) gebildet werden, deren räumliche Ausdehnung in zwei (Stäbe) oder drei (z.B. Kugeln) Dimensionen klein gegenüber der Länge des Strömungsweges sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein, mehrere oder alle Querschnitte der die Strömungswege bildenden Körper kreisförmig sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strömungsquerschnitt durch drei stabförmige Körper gebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Bündelung mehrerer stabförmiger Körper ein Teil oder alle derselben gleichzeitig an der Bildung mehrerer Strömungswege beteiligt sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stabförmige Körper im mindestens zwei Parallelreihen nebeneinander angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper z.B. durch Verlötung oder Verschweißung an ihren Berührungslinien bzw. -punkten miteinander verbunden werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bündelung der Körper nur die außenliegenden, bzw. die bestimmte Bereiche gegeneinander abgrenzenden miteinander flüssigkeitsdicht verbunden werden.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auszutauschende Wärme den Körpern ebenfalls durch ein strömendes Medium zu- oder abgeführt wird, wobei das Wärmeaustauschmedium ebenfalls durch einen Teil der erfindungsgemäß gebildeten Strömungsquerschnitte geleitet werden kann.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß den vorzugsweise aus Metall bestehenden Körpern die erforderliche Wärme für den Austauschprozeß elektrisch zugeführt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper selbst von einem elektrischen Strom (Gleich- oder Wechselstrom) durchflossen werden, sodaß die erforderliche Wärme in ihnen durch ohm'sche Verluste gebildet wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper in einem elektromagnetischen Wechselfeld induktiv, d.h. durch Wirbelstrombildung, beheizt werden, wobei die Körper bei Anwendung hoher Frequenzen nicht unbedingt aus Metall bestehen müssen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Körpern die erforderliche Wärme für den Austauschprozeß durch Ausnutzung der dielektrischen Verluste der Körper im hochfrequenten Kondensatorfeld, d.h. durch sogenannte Dielektrikheizung, zugeführt wird.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wärmetauscher bildenden Körper auf einem Material bestehen, das sowohl eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt als auch gegebenenfalls zur Wärmeerzeugung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12 geeignet ist, und daß diese Körper mit einer dünnen Schutzschicht (z.B. aus Edelmetall oder Lack) überzogen sind, die eine Beeinflussung der durchströmenden Flüssigkeit durch das Material der Körper verhindert oder selber eine solche Beeinflussung hervorruft.

14. Anwendung einer Kombination von wenigstens zwei Vorrichtungen im wesentlichen nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Abbruch einer stufenweise verlaufenden vorzugsweise katalytischen Reaktion nach einer bestimmten Stufe.