EP1486749B1

EP1486749B1 - Turbulenzerzeuger

Info

Publication number: EP1486749B1
Application number: EP04013531A
Authority: EP
Inventors: Peter Jähn; Klaus Ochmann
Original assignee: Individual
Current assignee: JAEHN, PETER
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2024-06-08
Also published as: US20050189092A1; CA2470785A1; JP2005003355A; EP1486749A3; DE10326381A1; CN1573274A; EP1486749A2; DE10326381B4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Gehäuse (1), vorzugsweise gem. Fig.1, 1a und 1b, zur Temperierung flüssiger und gasförmiger Stoffströme, die als Wärmeaustauschergehäuse fungieren , und in die mindestens zwei einsteckbare kammförmige Bleche (2, 2') lösbar eingeschoben sind und die beim Durchströmen des Gehäuses mit Fluiden als Turbulenzerzeuger wirken, indem sie den freien Strömungsquerschnitt des Gehäuses durch Bildung eines in Strömungsrichtung ausgedehnten räumlichen Gitters verkleinern, und jede Schicht (kammförmiges Blech), vorzugsweise in ihrer größten Breitenausdehnung und dort vorzugsweise im rechten Winkel zur Anströmungsrichtung, mindestens zwei verschiedene Abschnitte (Bereiche) hat, einen nicht strukturierten Abschnitt (Bereich) (3) und mindestens einen Abschnitt (Bereich) (4) der entlang der Hauptströmungsrichtung (5) durch wechselnde Stege (8) und Lücken (9) strukturiert ist, und dadurch die einsteckbaren Bleche gegenüberliegende durchgehende und/oder unterbrochene Kontaktlinien zur inneren Gehäusewand bilden, um durch Wärmeleitung eine Temperierung in den Strömungsbereich des Fluids zu ermöglichen, und gleichzeitig die kammförmigen Bleche durch die vorzugsweise metallischen Kontaktpunkte und/oder Kontaktlinien im Gehäuse zu verspannen, und die Stege in einem Winkel α von 10 bis 80 Grad zur Hauptströmungsrichtung geneigt sind, und mindestens zwei übereinander geschichtete Bleche im Strömungsquerschnitt des Gehäuses durch den alternierenden Winkel α der Stege eine Gitterstruktur bilden, und die äußere Fläche des Gehäuses mindestens zu 50 % mit einer Temperierzone (6) umgeben ist.
Bekannte Turbulenzelemente bzw. Turbulenzerzeuger werden aus Drähten bzw. dünnen Stäben mit rundem Querschnitt gefertigt und beispielsweise durch die Firma CalGavin auf deren Internet Homepage http://www.calgavin.co.uk/HITRAN/hitran.htm (15. November 2002) unter der Bezeichnung HITRAN® Thermal System vertrieben. Der darin angewandte runde Draht bewirkt nur eine geringe Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung wenn hohe Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen. Die zur Leistungserhöhung benötigte ausgeprägte Mischwirkung wird jedoch aufgrund der runden Drahtquerschnitte nicht ausreichend verbessert. Liegen hohe Strömungsgeschwindigkeiten vor, wie z.B. bei wässrigen oder gasförmigen Systemen, wird normalerweise das turbulente Strömungsverhalten verbessert. Aus der Strömungslehre ist bekannt, dass Einbauten mit runden Querschnitten eine geringe Querströmung erzeugen und schon bei niedrigen Viskositäten eines Stoffes (wenige mPa·s) diese Eigenschaften hinsichtlich der mischenden Querströmung fast vollständig verloren geht.
Daher sind Turbulenz-Elemente oder Turbulenzerreger auch nur in Verbindung mit wässrigen Systemen bekannt. EP 0 624 771 B1 schlägt zur Lösung des Problems das Anlöten kompliziert gewellter Drähte als Turbulenzelemente in Flachrohren, Profilrohren oder Rohrkörpern vor. Bei dieser Ausführung erfolgt eine geringe Wärmeleitung in den primären Strömungsbereich infolge des metallischen Kontakts zwischen Wärmeträgerrohr und gebogenem Draht.
Die CH 627 263 A5 beschreibt einen mit Einbauten versehenen Strömungskanal für ein an einem indirekten Austausch, insbesondere Wärmeaustausch, beteiligtes Medium, wobei die Einbauten aus mindestens zwei Gruppen von Stegen bestehen, die Stege innerhalb einer jeden Gruppe im Wesentlichen parallel gerichtet und gegenüber der Kanalachse geneigt angeordnet sind, die Stege der einen Gruppe sich mit dem Stegen der anderen Gruppe kreuzen und mindestens ein Teil der Stege and den Kreuzungsstellen miteinander verbunden ist.
Die CH 648 404 A5 zeigt eine aus Blechelementen zusammengesteckte, gerippte Vorrichtung zur Verbesserung der Wärmeübertragung zum Einbau in Rohre von Wärmetauschern, wobei jedes Blechelement eine Verzahnung aufweist, die sich in die Verzahnung des benachbarten Blechelementes einfügt, wobei die mittleren Teile der Blechelemente einen Kanal bilden.
Eine spezielle Anordnung eines Gehäuses zur Temperierung flüssiger und gasförmiger Stoffströme, wobei in dieses als Turbulenzerzeuger mindestens zwei einsteckbare, kammförmige Bleche lösbar eingeschoben sind und diese beim Durchströmen des Gehäuses mit Fluiden als Turbulenzerzeuger wirken, ist in diesen Druckschriften nicht offenbart.
Turbulenz-Erreger können auch statische Mischer sein. In der industriellen Anwendung sind jedoch statische Mischer (Fa. Kenics, Sulzer, Koch- Glitsch) häufig zu teurer, so dass derartige Ausführungen nur selten zur Anwendung kommen.
Es sind auch Ausführungen bekannt, bei denen gewellte Bleche in Profilkanäle eingeschoben und nachträglich verlötet werden. Auch bei diesen technischen Lösungen erfolgt wenn auch nur eine geringfügige Vergrößerung der produktseitigen wärmeübertragenden Fläche und damit eine Leistungserhöhung.
Aus EP-A 0 659 500 sind zur Verbesserung von Wärmeaustauschvorgängen Flachrohre bekannt, die durch Plattwalzen von runden Rohren hergestellt werden. In Flachrohren ist der Abstand von temperierter Kanalinnenwand zur Kanalmitte verkleinert. Nachteilig bei dieser Ausführung ist die kleine Temperierfläche und die geringe Druckstabilität der Flachrohre. Werden höher viskose Stoffe in derartigen Flachkanälen temperiert, kommt es zu einer ungleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung, die wiederum eine ungleichmäßige Temperaturverteilung im Produktstrom erzeugt. Höher viskose Stoffe erzeugen zusätzlich hohe Differenzdrücke, so dass diese Flachrohre aufgrund der geringen Druckstabilität zum Ausbeulen neigen und nicht formstabil sind. Hohe auftretende Differenzdrücke in Flachrohren führen zudem dazu, dass der rechteckige Querschnitt der Flachrohre sich zurückbildet und wieder einen runden Querschnitt annimmt. Zur Erhöhung der Druckstabilität eines Flachrohres kann die Rohrwandstärke erhöht werden mit dem Nachteil, dass die Wärmeübertragungsleistung sich ebenfalls verschlechtert.
Aus EP-A 0 302 232 ist ein Flachrohr für einen Wärmetauscher bekannt, welches aus einem gebogenen Blechstreifen herstellbar ist. Dieses Flachrohr kann auch mit Turbulenzeinlagen versehen werden, wobei in einem Lötvorgang alles dicht verlötet wird. Solch gebogene Blech-Flachrohre sind nur für geringe Differenzdrücke einsetzbar. Sobald das Flachrohr sich aufgrund eines hohen Druckes aüfbiegt, verliert es die verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften. Die Druckstabilität des beschriebenen Flachrohres wird erhöht, indem Stege durch Falzung eingearbeitet werden. Die Stege verändern das Flachrohr dahingehend, dass ein mehrkanaliger Flachkanal mit höherer Druckstabilität entsteht. Der entstehende Einzelkanal des Flachrohres ist nahezu quadratisch. Der quadratische Strömungsquerschnitt führt jedoch dazu, dass nur zwei Temperierflächen wirksam sind. Zudem ist der Abstand von Kanalmitte zur inneren Temperierfläche so groß, dass sich ein Temperaturgradient einstellt, der eine gleichmäßige schnelle und produktschonende Temperierung verhindert. Soll ein höher-viskoser Stoff bei niedriger; laminarer Strömungsgeschwindigkeit temperiert werden, sind die Temperaturunterschiede im Strömungsquerschnitt besonders ausgeprägt.
In DE 10 212 799 C1 wird ein Hohlkammerprofil beschrieben, welches innere und äußere Rippen haben kann. Die Rippen sind dabei in Längsausdehnung des metallischen Profils angeordnet. Die Rippen, insbesondere im Innern des Profilkanals, sind sehr kurz und erstrecken sich nicht über die gesamte Kanalbreite. Aus diesem Grund vergrößern die inneren Rippen nur teilweise die wärmeübertragende Fläche, können jedoch keine Mischaufgabe und keine Turbulenzerhöhung übernehmen. Das damit beschriebene Hohlkammerprofil besteht immer aus mehreren parallel angeordneten viereckigen und Kanälen hat zusätzlich äußere Rippen, die ebenfalls in Längsausdehnung angeordnet sind. Alle inneren und äußeren Rippen dienen nur zur Oberflächenvergrößerung und können aufgrund ihrer Ausgestaltung keine Mischfunktionen und Turbulenzerhöhungen vornehmen.
In DE 3 022 270 C2 werden rippenartige Vorrichtungen (Rippeneinsatz) beschrieben, wobei immer drei bzw. vier derartige Bleche benötigt werden und die Rippen der Blecheinsätze zur gegenseitigen Abstützung ineinander greifen, und alle Rippeneinsätze gemeinsam in den Strömungskanal gesteckt werden müssen, und aufgrund des Mittelabschnittes (7) der Rippeneinsätze sich ein Längskanal (3) in der Rohrmittenachse automatisch bildet, und das Gerippe aus ineinander gesteckten Blechen in ein Strömungsrohr einsteckbar ist. Der einzelne Rippeneinsatz ist aus dem Strömungsrohr nicht lösbar. Die Rippeneinsätze sind keine Turbulenzerzeuger, sondern sollen die wärmeübertragende Fläche des Rohres vergrößern und als innere wärmeübertragende Rippen dienen, des weiteren sogar die Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrmitte verringern. Bekanntermaßen verschlechtert sich die Wärmeübertragungsleistung jedoch bei abnehmender Strömungsgeschwindigkeit.
In DE 3 022 270 C2 werden sogenannte statische Mischer beschrieben, die als Rohrleitungseinbauten dienen. Diese statischen Mischer werden aus Blechen bzw. Formteilen aufwändig zusammengesetzt und an mehreren Kontaktstellen der Bleche verschweißt. Die verschweißten Bleche bilden dann räumliche Mischelemente, die ins Rohr geschoben werden, wobei mehrere Mischergruppen hintereinander um 90°C versetzt zueinander positioniert werden. Jedes Mischelement wird aufwändig aus zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Stegblechen zueinander positioniert, verschweißt und dem Strömungskanal angepasst. Das genaue Positionieren der Stege zueinander, damit jeder einzelne Steg unter einem Winkel zur Strömungsrichtung steht, ist besonders kompliziert und aufwändig, so dass aus fertigungstechnischer Sicht, es sich hier jeweils um Einzelanfertigungen handelt. Die verwendeten Bleche besitzen keine strukturierten und nicht-strukturierten Bereiche, werden nicht aufeinander gelegt und erstrecken sich nicht im rechten Winkel zur Hauptströmung über die gesamte Strömungskanalbreite.
In EP 1 067 352 A1 wird ein Wärmeaustauscher beschrieben, der im Hauptströmungskanal innenliegende Heizrohre hat, um im Strömungsbereich eine zusätzliche bzw. erweiterte Heizfläche anzubieten. Die inneren Heizrohre haben zusätzlich, in Analogie zu DE 3 022 270 C2 Blechsegmente, die gebohrt und an den inneren Heizrohren schweißtechnisch befestigt sind. Daher ist EP 1 067 352 A1 quasi wie DE 3 022 270 C2 zu betrachten, mit dem Unterschied der zusätzlichen inneren Temperierrohre. In EP 1 067 352 A1 sind die inneren Heizrohre mit den angeschweißten Umlenkblechen nur als Ganzes aus dem Hauptströmungskanal herauslösbar.
In FR 2 123 185 A1 wird ein Rechteckkanal mit einem Einschubblech beschrieben. Dieses Einschubblech muss geschnitten, gestanzt, äußere Kanten gebogen und innere Blechabschnitte zusätzlich zweimal verformt werden. Des weiteren sind keine Stege vorhanden, die insbesondere zur Breite des Strömungskanals ausgedehnt sind. Es sind keine räumlichen Gitter zu erkennen, keine Kontaktlinien und keine Kontaktpunkte, sondern nur Kontaktflächen. Selbiges Prinzip wird für runde Kanäle in DE A 3008930 beschrieben.
Schließlich werden in der EP-A 1 213 556 Flachrohre mit mehreren nebeneinander angeordneten Strömungsbereichen beschrieben die in einem Sammelrohr münden. Die Flachrohre bestehen aus mehreren parallelen Strömungskanälen, so dass die Wände der Einzelkammern eine druckstabilisierende Wirkung auf die Form des Flachrohres haben. Mehrere parallel angeordnete Flachrohre, die alle in ein Sammelrohr münden bilden einen Wärmeaustauscher. Die Form des beschriebenen Flachrohres wird im Strangpressverfahren mit z.B. Aluminium hergestellt. Die Herstellung dieser Flachrohre ist kompliziert und es bedarf besonderer Werkzeuge. Infolgedessen sind derartige Flachrohre nicht in hoch-korrosionsfesten Werkstoffen herstellbar.
Es bestand daher die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu entwickeln, mit dem Temperiervorgänge einphasiger und/oder zweiphasiger flüssiger oder gasförmiger Stoffströme verbessert werden und betriebliche Probleme, wie z.B. das auftretende Fouling innerhalb der Vorrichtung, minimiert werden. Zusätzlich sollte eine einfache und gute Reinigungsmöglichkeit geschaffen werden. Aus dieser erweiterten Aufgabenstellung resultiert auch eine Veränderung des Strömungskanals, so dass Turbulenzerzeuger bzw. Turbulenzerreger in Verbindung des aufnehmenden Strömungskanals zusammen verbessert werden sollten. Der Strömungskanal und auch die Turbulenzerzeuger müssen einfach herstellbar sein, so dass die Fertigungskosten niedrig sind, so dass eine preiswerte neue Technik entsteht. Die gesamte Vorrichtung sollte eine kleine und kompakte Bauweise erhalten, um weitere Vorteile zum Stand der Technik zu erhalten. Die Temperierleistung von strömungsführenden Kanälen oder Rohren soll durch möglichst einfach zu montierende Elemente erhöht werden, so dass bei verbessertem Verweilzeitspektrum und minimalem Produktvolumen im Temperierkanal die Temperierleistung wesentlich erhöht wird. Des Weiteren sollen die verbesserte Temperierleistung auch für Stoffe mit erhöhter Viskosität von z.B. bis 100000 mPas sichtbar werden. Die Aufgabe ist besonders schwierig, da Stoffe mit hoher Viskosität ein laminares Strömungsverhalten, und die Strömungsgeschwindigkeiten niedrig gehalten werden, um die auftretenden Druckverluste klein zu halten. In Fachkreisen wird bei diesen geringen Strömungsgeschwindigkeiten von kriechenden bzw. schleichenden Strömungen gesprochen. Aufgrund der möglichen hohen Druckverluste, muss eine Druckstabilität von mindestens 300 bar erreicht werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein für flüssige oder gasförmige Stoffströme gleichermaßen geeignetes Gehäuse (1) , vorzugsweise gemäß Fig. 1, 1a und 1b, wobei in dieses Gehäuse mindestens zwei einsteckbare kammförmige Bleche (2, 2') lösbar eingeschoben sind und diese beim Durchströmen des Gehäuses mit Fluiden als Turbulenzerzeuger wirken, indem sie den freien Strömungsquerschnitt des Gehäuses, durch Bildung von einem in Strömungsrichtung ausgedehnten räumlichen Gitters, verkleinern und jede Schicht (kammförmiges Blech), vorzugsweise in ihrer größten Breitenausdehnung und dort vorzugsweise im rechten Winkel zur Anströmungsrichtung mindestens zwei verschiedene Abschnitte (Bereiche) hat, einen nicht strukturierten Abschnitt (Bereich) (3) und mindestens einen Abschnitt (Bereich) (4) der entlang der Hauptströmungsrichtung (5) durch wechselnde Stege (8) und Lücken (9) strukturiert ist, und dadurch die einsteckbaren Bleche gegenüberliegende durchgehende und/oder unterbrochene Kontaktlinien zur inneren Gehäusewand bilden, um durch Wärmeleitung eine Temperierung in den Strömungsbereich des Fluids zu ermöglichen und gleichzeitig die kammförmigen Bleche durch die vorzugsweise metallischen Kontaktpunkte und/oder Kontaktlinien im Gehäuse zu verspannen, und die Stege der Kammschichten in einem Winkel α von 10 bis 80 Grad zur Hauptströmungsrichtung geneigt sind, und mindestens zwei übereinander geschichtete Bleche im Strömungsquerschnitt des Gehäuses durch den alternierenden Winkel α der Stege eine Gitterstruktur bilden, und die äußere Fläche des Gehäuses mindestens zu 50 % mit einer Temperierzone (6) umgeben ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen die Bleche aufeinander und berühren sich.
Die Kämme können dabei gerade oder auch gewinkelt sein.
Mehrere Kammschichten werden daher vorzugsweise so übereinandergeschichtet, dass zu einer ersten Schicht die jeweils benachbarte Schicht, um ihre Längsachse um 180° gewendet wird, so dass sich bei der gewendeten Schicht der Winkel α' bildet (Fig. 1a). Im Schichtenpaket wechselt der Stegwinkel zur benachbarten Schicht, gemessen zur Hauptströmrichtung, zwischen α und α' (Fig. 1b).
Das Gehäuse zur Aufnahme der kammförmigen Bleche die als Turbulenzerzeuger dienen kann ein Rohr, ein Profilrohr, aber insbesondere ein Rechteckkanal oder Flachkanal sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an einem nicht strukturierten Abschnitt (3) beidseitig ein durch Stege und Lücken strukturierter Abschnitt (4) angesetzt und die Stege reichen bis zur inneren Gehäusewand.
Das erfindungsgemäße Gehäuse erlaubt die effiziente Durchführung von Temperiervorgängen bei geringen Investitionskosten.
Die vorliegende Erfindung betrifft deshalb auch ein Verfahren zur effizienten Durchführung von Temperiervorgängen einphasiger und/oder zweiphasiger flüssiger oder gasförmiger Stoffströme, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (1), wie beispielsweise in Fig. 1, 1a und 1b dargestellt, eingesetzt wird, in das mindestens zwei einsteckbare kammförmig strukturierte Bleche (2, 2') lösbar eingeschoben sind und diese beim Durchströmen des Gehäuses mit Fluiden als Turbulenzerzeuger mit vollständiger vertikaler und horizontaler Mischwirkung wirken, indem sie den freien Strömungsquerschnitt des Gehäuses verkleinern, und jede Schicht (kammförmiges Blech), vorzugsweise in ihrer größten Breitenausdehnung im rechten Winkel zur Anströmungsrichtung mindestens zwei verschiedene Abschnitte (Bereiche) hat, einen ersten nicht strukturierten Bereich (3) und mindestens einen Abschnitt (Bereich) (4) der entlang der Hauptströmungsrichtung (5) durch wechselnde Stege (8) und Lücken (9) strukturiert ist, und dadurch die einsteckbaren Bleche gegenüberliegende durchgehende und/oder unterbrochene Kontaktlinien zur inneren Gehäusewand bilden, um durch Wärmeleitung eine Temperierung in den Strömungsbereich des Fluids zu ermöglichen und gleichzeitig die kammförmigen Bleche durch die vorzugsweise metallischen Kontaktpunkte und/oder Kontaktlinien im Gehäuse zu verspannen und die Stege in einem Winkel α von 10 bis 80 Grad zur Hauptströmungsrichtung geneigt sind, und mindestens zwei übereinander geschichtete Bleche im Strömungsquerschnitt des Gehäuses durch den alternierenden Winkel α der Stege eine Gitterstruktur bilden, und die äußere Fläche des Gehäuses mindestens zu 50 % mit einer Temperierzone (6) umgeben ist.
Um eine vollständige Vermischung über den gesamten Strömungsquerschnitt des Gehäuses zu erreichen, ist vorzugsweise eine vollständige Bestückung mit vorgesehen, so dass mindestens zwei kammförmige Bleche den freien Gehäusequerschnitt füllen.
Die mit dem erfindungsgemäßen Gehäuse mit Turbulenzerzeuger durchgeführten Temperiervorgänge einphasiger und/oder zweiphasiger flüssiger oder gasförmiger Stoffströme können in einem Temperaturbereich von -100°C bis 800°C angewandt werden und haben deshalb gegenüber dem bekannten Stand der Technik wesentliche Vorteile. Des Weiteren eignen sie sich für Stoffe mit Viskositäten von 0,1 mPas bis zu 100000 mPas. Aufgrund großer Volumenströme und einem großen Viskositätsbereich können hohe Differenzdrücke entstehen, die von wenigen mbar bis zu mehreren hundert bar reichen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist deshalb auch für den turbulenten und den laminaren Strömungsbereich aber auch für kriechende bzw. schleichende Strömungen einsetzbar.
Die in der industriellen Anwendung häufig auftretenden Verschmutzungen bzw. Fouling-Probleme werden wesentlich reduziert. Das erfindungsgemäße Gehäuse ist gut und besonders einfach zu reinigen, da die Turbulenzerzeuger einsteckbar ausgeführt sind.
Erfindungsgemäße Gehäuse mit Turbulenzerzeuger eignen sich zudem besonders gut für korrosive zu temperierende Substanzen und Substanzgemische, weil sie aus hochwertigen und korrosionsbeständigen Materialien preiswert hergestellt werden können.
Die Erfindung betrifft deshalb auch Wärmeaustauscher, dessen Rohre bzw. Gehäuse, den erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugern angepasst sind.
Die erfindungsgemäßen Turbulenzerzeuger oder Turbulenzerhöher in Form von strukturierten Schichten und daraus gebildeten Schichtpaketen dienen insbesondere der Verbesserung der Temperierleistung von Wärmeaustauscherkanälen mit Rechteckprofil. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Turbulenzerzeuger in Kombination mit Füllstücken, erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids bei konstantem Durchfluss, so dass auch der wirtschaftliche Einsatz bei runden Kanalquerschnitten bzw. Rohren ermöglicht wird. Die strukturierten Schichten haben das Aussehen eines Kammes, jedoch stehen die Kammzähne zur Strömungsrichtung unter einem Winkel.
Des Weiteren ist auch erfinderisch, dass ein Turbulenzerzeuger so gestaltet ist, dass an einem nicht strukturierten Abschnitt (3) beidseitig ein durch Stege und Lücken strukturierter Abschnitt (34, 3) angesetzt ist (Fig. 3, Fig. 3a) und die Stege bis zur inneren Gehäusewand reichen.
In der speziellen Ausführung baut sich der Turbulenzerzeuger mit drei Abschnitten auf, und zeigt die Form eines Doppelkammes mit zur Strömungsrichtung geneigten Stegen. Die durch Stege und Lücken strukturierten Abschnitte eines erfindungsgemäßen Doppelkammes können unterschiedlich sein, so dass je nach technischer Aufgabe der Winkel α, die Länge der Stege und der Stegabstand variiert werden kann, um optimale strömungstechnische Bedingungen für einen Temperierprozess zu ermöglichen. Dabei können in speziellen Fällen die Turbulenzerzeuger mit beidseitigen strukturierten Abschnitten so gestaltet werden, dass eine Schicht (kammförmiges Blech) in Hauptströmungsrichtung unterschiedliche strukturierte Abschnitte (Fig. 5) hat.
Die einfache fertigungstechnische Gestaltung durch Variation der strukturierten Abschnitte, durch Veränderung der Steglage, des Stegwinkels, der Stegbreite in Hauptströmungsrichtung, durch Veränderung des Stegabstandes und auch der Stegform, ermöglicht alle Freiheitsgrade zur optimalen verfahrenstechnischen Auslegung der Turbulenzerzeuger auf die jeweilige Temperieraufgabe.
Kammschichtpakete sind auslegungstechnisch einfach zu gestalten, da die Blechdicke, Stegabstände, Länge der Kammschichten, Breitenverhältnis der strukturierten und nicht strukturierten Abschnitte leicht variierbar sind. Es können alle verfahrenstechnischen Parameter die für einen Temperiervorgang notwendig sind in ausreichendem Umfang berücksichtigt werden. Weil die Turbulenzerzeuger lösbar in Wärmeübertragungskanäle eingebracht werden können und immer eine Vielzahl von Schichten benötigt wird ist nahezu immer eine Serienfertigung möglich, so dass Stückkosten reduziert werden.
Das Fertigen der erfindungsgemäßen Turbulenzerzeuger aus Blechen bzw. Blechtafeln erzeugt immer Stegformen mit einem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt. Die quadratischen unter einem Winkel stehenden Stege sind strömungstechnisch besonders wirkungsvoll und erhöhen die Turbulenz besonders wirksam. Insbesondere bei viskosen Fluiden erfolgt zwangsweise eine gute Quervermischung, so dass eine ständige Verlagerung des zu temperierenden Stoffes, von der inneren Heizfläche zur Strömungskanalmitte erfolgt. Die zwangsweise Verlagerung bewirkt eine ständige Quervermischung und verhindert Temperierspitzen im Fluid. Ein weiterer Vorteil der intensiven Quervermischung wirkt sich auf die Temperierleistung der erfindungsgemäßen Gehäuse mit Turbulenzerzeuger aus, da in jedem durchströmten Abschnitt des Temperierkanals mit maximaler mittlerer Temperaturdifferenz der Temperaturausgleich zwischen Temperiermittel und Produkt erfolgt. Das führt dazu, dass die eingesetzten Wärmeaustauscher, insbesondere wenn ein Rechteckkanal-Bündelwärmeaustauscher eingesetzt wird, kürzere Bauformen hat, als vergleichsweise bekannte Wärmeaustauscher.
Soll die Temperierleistung von sehr großen Strömungskanälen bzw. -querschnitten, wie z.B. bei Gehäusen größer 200 mm verbessert werden, so können die erfindungsgemäßen kammförmigen Turbulenzerzeuger in hohler Ausführung, gefertigt aus Hohlprofilen, eingesetzt werden, so dass eine erhebliche Gewichtsreduzierung der benötigten Kammschichten erfolgt.
Wärmeaustauscherkanäle mit rechteckigem Querschnitt haben ein großes Potential zur Standardisierung und zur preiswerten Serienfertigung von Wärmeaustauschern, da die aufgabenspezifische Auslegung sich auf die Struktur der Kammschichten bzw. der Kammschichtpakete konzentriert. Dieses Konzept ist besonders vorteilhaft bei der Verwendung für Autokühler, Kühler für Ölhydraulikanlagen, Abgaskühlern und Kurzzeit-Erhitzern für die pharmazeutische oder biotechnische Industrie.
Insbesondere die Verwendung von Werkstoffen mit hohen materialspezifischen Wärmeleitzahlen bei gleichzeitig hoher produktseitiger Wärmeübertragungsfläche und geringem Hold-up des Temperierkanals fördert das produktschonende Temperieren. Selbst Fluidgemische deren einzelne Komponenten unterschiedliche Dichten haben, lassen sich gut temperieren, weil ein ständiges vollständiges Mischen des Fluidstroms im mit Kammschichten bestückten Kanal gewährleistet ist und selbst ein Entmischen eines zweiphasigen Stoffgemisches verhindert wird.
Bei besonders sensiblen biotechnischen Verfahren mit erforderlicher hoher Keimfreiheit ist die Reinigung besonders einfach durchzuführen. Aufgrund der niedrigen Fertigungskosten besteht die Möglichkeit, je nach Anwendung die Kammschichtpakete als Einweg-Einsätze zu verwenden und bei Produktwechsel bzw. bei jeder Produktionskampagne auszutauschen.
Deshalb sind gerade in der pharmazeutischen Industrie Apparatekombinationen wie z.B. metallischer Rechteckkanal-Bündelwärmeaustauscher mit Kammschichtpaketen, die aus z.B. Kunststoffen gefertigt sind, besonders vorteilhaft. Die aus Kunststoff bestehenden Kammschichten sind sehr preiswert auf Spritzgussmaschinen herstellbar, so dass die Turbulenzerzeuger bzw. Turbulenzerhöher ohne großen finanziellen Verlust als Einweg-Einbausätze eingesetzt werden können.
Deshalb sind auch Anwendungen wirtschaftlich, wo die Korrosionsanforderungen besonders hoch sind und metallische Werkstoffe nicht zum Einsatz kommen können. Rechteckkanal- Bündelwärmeaustauscher aus Graphit bzw. aus Glas können technisch einfach gefertigt werden. Insbesondere bei dem Werkstoff Glas mit geringer Wärmeleitung ist es vorteilhaft mit den erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugern zu arbeiten, um an jeder Stelle des Temperierkanals mit maximal möglicher mittlerer Temperaturdifferenz arbeiten zu können. Sind die Temperierrohre bzw. -kanäle aus einem Werkstoff mit niedriger Wärmeleitzahl können z.B. Kammschichten aus Kunststoffen wie z.B. Polytetrafluorethylen, Polypropylen oder andere Thermoplaste vorteilhaft zum Einsatz kommen. Bei diesen Anwendungen erfolgt eine Turbulenzerzeugung mit nur zwei Schichten und das Gehäuse ist ein extrem flacher Rechteckkanal.
Erfindungsgemäß haben die strukturierten Bleche oder Schichten (2,2') ein kammförmiges Aussehen, jedoch mit zur Hauptströmungsrichtung schräg gestellten Kammzähnen, so dass auch von Kammblechen oder von Kammschichten gesprochen werden kann.
Die Schichten sind bevorzugt Bleche, deren größte Breitenausdehnung dem parallelen Abstand der direkt gegenüberliegenden inneren Gehäusekontaktpunkte im Strömungsquerschnitt des Gehäuses entspricht. Die Kammschichten sind immer mit der inneren Gehäusewand in Kontakt. Es bildet sich immer eine geschlossene Kontaktlinie am nicht strukturierten Kammbereich und oder mindestens eine unterbrochene Kontaktlinie am strukturierten Kammbereich entlang der Gehäuselängenausdehnung. Die Gehäuselängenausdehnung entspricht der Ausdehnung parallel zur Hauptströmungsrichtung.
Mindestens zwei übereinander gelegte und montierte bzw. eingesetzte Kammschichten bilden im Innern des Gehäuses im Strömungsbereich, ein schichtenweise aufgebautes dreidimensionales Gitter, welches sich insbesondere in der Kanallänge ausdehnt.
Im erfindungsgemäß bevorzugten Fall sind die strukturierten Bleche in der Breite etwas größer dimensioniert als die äquivalente Breite des Gehäuses, um den metallischen Kontakt und damit die Energieübertragung zu verbessern. Werden zwei gleichstrukturierte Bleche mit geringfügigem Breitenüberschuss übereinander gelegt und in das Temperiergehäuse eingezogen, verändert sich der Winkel β durch die federnde Eigenschaft der schrägen Kammzähne zum Winkel α. Die strukturierten Bleche stehen nach der Montage in ein Gehäuse unter Spannung; sie sind quasi zwischen den parallelen Kontaktpunkten im Innern des Gehäuses eingespannt, so dass aufgrund der Fluiddurchleitung und des entstehenden Druckverlustes ein Herausrutschen der montierten Kammschichten verhindert wird.
Die Länge der strukturierten Bleche bzw. Kammschichten, die als Turbulenzerzeuger wirken, entspricht einem Vielfachen der Blechbreite.
Die strukturierten Kammbleche können aus allen metallischen Werkstoffen und Legierungen, nicht-metallischen Materialien, Kunststoffen, gegebenenfalls auch aus Glas oder Keramik gefertigt werden, so dass hinsichtlich unterschiedlicher chemischer Korrosionsanforderungen es keine Beschränkungen gibt. Die strukturierten Kammbleche werden bevorzugt aus Blechen bzw. Blechtafeln gefertigt. So können wirtschaftliche Laser- und Ätzverfahren zur Fertigung eingesetzt werden. Weitere wirtschaftliche Fertigungsverfahren sind das Stanzen, Drahterodieren, bzw. bei Blechdicken größer 5 mm können auch Gussverfahren in Betracht kommen.
In einer bevorzugten Variante betrifft die Erfindung Turbulenzerzeuger und diese beinhaltende Gehäuse gemäß Fig. 1, 1a bzw. 1b,, worin das strukturierte Blech (2) in seiner Breitenausdehnung quer zur Anströmungsrichtung so gestaltet ist, dass der strukturierte Abschnitt (4) größer ist als der nicht-strukturierte Abschnitt (3), so dass der Anteil des strukturierten Abschnitts (4) größer 50 %, bevorzugt größer 75 % und besonders bevorzugt bis 95 % beträgt.
Der größere Anteil des strukturierten Abschnittes eines Turbulenzerzeugers ist für die jeweilige Anwendung vorteilhaft, es können stoffspezifische und physikalische Eigenschaften wie z.B. Viskosität oder unterschiedliche Dichte und entstehender Druckverlust optimal berücksichtigt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung Gehäuse (Wärmeaustauscherkanal), worin die durchströmbare Querschnittsfläche eines Gehäuses, Rohres, Profilrohres oder Rechteckrohr mit Kammschichten zu 20 % bis 100 %, bevorzugt zu 30 % bis 100 % und besonders bevorzugt zu 50 % bis 100 % des freien Strömungsquerschnittes gefüllt sind. Im Fall des Rohres beträgt der Füllgrad besonders bevorzugt 70- 90 %, ganz besonders bevorzugt 80%. Im Fall des Profilrohres beträgt der Füllgrad besonders bevorzugt 80- 95 %, ganz besonders bevorzugt 90% und im Fall des Rechteckrohres beträgt der Füllgrad besonders bevorzugt 90-100 %, ganz besonders bevorzugt 100%.
Zur Ermittlung der Gehäusefüllung oder des Ausfüllgrades einer angeströmten Kanalquerschnittsfläche mit Kammschichten, wird die Schicht-Querschnittsfläche zur angeströmten Querschnittsfläche des Kanals ins Verhältnis gesetzt. Dabei ist der Füllflächenanteil einer einzelnen Schicht, das Produkt aus Schichtdicke multipliziert mit der Schichtbreite.
Die Ausfüllung des Strömungskanals bzw. des Strömungsquerschnitts mit erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugern beschreibt den Füllgrad. Deshalb ist es vorteilhaft die inneren Abmessungen des Strömungskanals auf die Turbulenzerzeuger abzustimmen, um möglichst einen Füllgrad von 100 % zu erreichen.
Ist beispielsweise ein runder Strömungskanal bzw. ein Rohr mit Kammschichten zu füllen, so dass aufgrund einer höheren Strömungsgeschwindigkeit die Turbulenz erhöht und dadurch ein verbesserter Temperaturaustausch von der Temperierkammer bzw. Temperierzone zum Fluid erfolgt, so kann der Strömungsquerschnitt schichtenweise gefüllt werden. Für die Ausfüllung eines Rohrkanals werden eine Vielzahl von Kammschichten gestapelt. Dabei kann es für den Anwender vorteilhaft sein, mehrere Schichten zu einem Schichtenpaket zu fixieren und das Paket als Ganzes zu montieren. Das Bilden von Schichtenpaketen vereinfacht die Montage und die Demontage.
Daher gehört auch zur Erfindung, dass mehr als zwei Schichten für eine Montage untereinander fixiert sind, so dass ein gebildetes Schichtenpaket im Strömungskanal einsteckbar und lösbar montiert werden kann.
Das Fixieren mehrerer übereinander gestapelter Kammschichten kann durch punktuelles Schweißen, durch Verstiften, durch Verschrauben oder durch Verlöten erfolgen. Das Fixieren ist vorzugsweise im nicht strukturierten Abschnitt der Schichten vorzunehmen, so dass für die Montage die Stege unter geringem Kraftaufwand biegbar sind.
Das Füllen von runden Strömungskanälen mit erfindungsgemäßen Kammschichten erfordert eine lageabhängige Breitenanpassung der Turbulenzerzeuger zur Gehäuseinnenkontur. Besonders einfach sind Anpassungen wenn ein Schichtenpaket gebildet ist und dieses Paket, z.B. durch einen Schleifvorgang, auf die Gehäusekontur angepasst wird.
Werden Kammschichten in Profilrohre, insbesondere in Rechteckrohre (Fig. 2) eingesetzt, sind mehrere gleichbreite Schichten übereinander gestapelt, bis die rechteckige Strömungsfläche des Profilgehäuses vollständig gefüllt und ein hoher Ausfüllgrad erreicht wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft Gehäuse, worin zur ständigen Erniedrigung des lokalen Temperaturgradienten die Stege der Kammschichten über die Länge eines Temperierkanals unter einem Winkel α zur Strömungsrichtung stehen.
Die Stege der Kammschichten stehen vorzugsweise in einem Winkelbereich α von 20 bis 80 Grad, bevorzugt von 30 bis 60 Grad und besonders bevorzugt von 40 bis 50 Grad zur Strömungsrichtung des Fluids, um dreidimensionale Gitter über die gesamte durchströmbare Kanallänge aufzubauen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung Turbulenzerzeuger und diese enthaltende Gehäuse, worin die strukturierten Schichten dadurch gekennzeichnet sind, dass die Breite der Kammschichten größer ist als der geradlinige innere Abstand zwischen den parallelen inneren Gehäusekontaktpunkten, so dass sich der Stegwinkel β im nicht montierten Zustand um weniger als 5 Grad während der Montage verändert und den Stegwinkel α annimmt, wodurch die strukturierten Schichten nach der Montage immer Kontakt zur Innenwand des Gehäuses haben.
Die maximale Breitenausdehnung der Kammschichten im nicht-montierten Zustand ist größer als die Breite im montierten Zustand. Daraus resultiert, dass der gewählte Stegwinkel β sich während der Montage auf den Winkel α reduziert. Die größere Breitenausdehnung einer Kammschicht führt während der Montage dazu, dass sich die Stege elastisch verbiegen und der metallische Kontakt zur inneren temperierten Gehäusewand immer gewährleistet wird.
Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, z.B. die Stege im Übergangsbereich zum nicht-strukturierten Abschnitt mit einer Querschnittsverjüngung (Fig. 4) zu gestalten, um den Biegewiderstand herab zu setzen und dadurch den Kraftaufwand für die Monatage klein zu halten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung Gehäuse, worin die Stege der Kammschicht eine bevorzugte Querschnittsform haben um eine Turbulenzerhöhung zu bewirken und gleichzeitig die radiale und die horizontale Mischwirkung der Stege zu verstärken. Die Stege der Schichten weisen dann Querschnittformen wie quadratisch, rechteckig oder sechseckig auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung Turbulenzerzeuger und diese beinhaltende Gehäuse, worin der Quotient aus Blechdicke bzw. Steghöhe zur parallel zur Strömungsrichtung liegenden Stegbreite vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 5 liegt. Besonders bevorzugt liegt der Quotient im Bereich 0,1 bis 3.
Der Quotient gebildet aus Stegdicke zur Stegbreite sichert während der Durchströmung des mit Kammschichten gefüllten Kanals eine gute Mischwirkung und Turbulenzerhöhung, selbst dann, wenn Substanzen mit hohen Viskositäten, beispielsweise von 1 Pas bis 10 Pas (Pascal Sekunde), strömen und es zu einem laminaren Strömungsverhalten kommt. Gleichzeitig werden Temperaturspitzen auf der gesamten Kanallänge vermieden, so dass auch temperaturempfindliche Stoffe schonend temperiert werden können.
Der Stegmittenabstand der Kammschichten ist deshalb bevorzugt größer als die zweifache Stegbreite, besonders bevorzugt größer als die vierfache Stegbreite und insbesondere bevorzugt größer als die fünffache Stegbreite der Kammschicht.
Der Stegmittenabstand beeinflusst den auftretenden Druckverlust eines Kanals, insbesondere wenn Substanzen mit höheren Viskositäten temperiert werden müssen, bietet es sich an einen größeren Stegmittenabstand zu realisieren um den Druckverlust zu minimieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung Turbulenzerzeuger und diese beinhaltende Gehäuse, worin die Kammschichten bzw. die Kammschichtpakete in ihrer Länge zur Strömungsrichtung durch eine Montagelasche einseitig oder beidseitig verlängert sind, wobei die Gesamtlänge der Schichten oder Pakete zuzüglich der Montagelasche länger ist, als der für die Montage zugeordnete Kanal, so dass nach der Montage der Turbulenzerzeuger die Montagelaschen aus dem Kanal herausragen und eine zusätzliche Fixierung der Schichten bzw. der Schichtpakte außerhalb des Kanals möglich ist.
Die Kammschichten können eine zusätzliche Montagelasche haben, die vorzugsweise mittig zur Schichtbreite angeordnet ist und eine Öffnung oder Bohrung hat. Die Öffnung kann zur Aufnahme eines Montagewerkzeuges dienen, so dass ein vollständiges unfixiertes Kammschicht-Paket in einen Kanal eingezogen werden kann. Nach der Montage können die übereinander stehenden Öffnungen der Montagelaschen genützt werden um einen zusätzlichen Querriegel, beispielsweise eine Schraube, zu setzen. Ein Verschieben der Schichten ist dann während des Betriebes aufgrund möglicher auftretender hoher Druckverluste nicht möglich, da neben der Verspannung der Schichtstege im Innern des Gehäuses eine weitere Sicherung außerhalb des Kanals durch z.B. eine überstehende Schraube oder einen Querbolzen ermöglich wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung Gehäuse als Turbulenzerzeuger, worin ein Strömungskanal mit einem Schichtenpaket gefüllt ist und wobei das Schichtenpaket durch unterschiedlich dicke Kammschichten aufgebaut ist, um neben einer Turbulenzerhöhung und einer verbesserten Mischwirkung verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten im Strömungsquerschnitt zu produzieren und aufgrund unterschiedlicher Schichtdicken gleichzeitig den Druckverlust zu minimieren. Strukturierte Bleche in Form von Turbulenzerzeugern mit verschiedenen Blechdicken können zu Bleckpaketen vereint werden, so dass die Turbulenzerhöher lösbar im Gehäuse montiert sind und so leicht wechselbar sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung Turbulenzerzeuger und diese beinhaltende Gehäuse, worin die Länge einer Kammschicht mindestens so lang ist wie der zur Montage zugeordnete Kanal.
In diesem Fall haben die strukturierten Bleche oder Kammschichten eine Länge von 0,05 m bis 5 m, bevorzugt eine Länge von 0,05 m bis 2 m und besonders bevorzugt eine Länge von 0,05 m bis 1 m, um möglichst einstückig gefertigt und montiert zu werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung Turbulenzerzeuger mit Doppelkammschicht und diese enthaltende Gehäuse, worin eine Kammschicht drei Abschnitte hat und von einem inneren nicht strukturierten Abschnitt beidseitig strukturierte Stegabschnitte ausgehen.
Mit Stegabschnitten sind die durch Stege und Lücken strukturierten Abschnitte eines erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugers bzw. einer Kammschicht bezeichnet.
Beidseitig gebildete Stegabschnitte einer Kammschicht, auch bezeichnet als Fischgrätenschicht oder Doppelkammschicht, bieten strömungstechnische Vorteile, indem an den temperierten Kanalinnenwänden alle Stegkontaktstellen gut umströmt werden und keine Totzonen und somit keine Produktablagerungen auftreten. Produktablagerungen an temperierten Wänden führen zu einer Schädigung und Alterung des Produkts.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung Turbulenzerzeuger mit Doppelkammschicht ( Fig. 3) und diese enthaltende Gehäuse, worin die Kammschicht aus drei Abschnitten besteht und sich bezogen auf die Schichtbreite von einem außer Mitte liegenden nicht-strukturierten Abschnitt zwei unterschiedlich ausgedehnte strukturierte Stegabschnitte bis zur jeweiligen inneren Gehäusewand erstrecken.
Die unterschiedliche Ausdehnung der strukturierten Abschnitte bedeutet insbesondere, dass unter gleichem Winkel α stehende Kammstege unterschiedlich lang sind. Dadurch werden beim Durchströmen des mit Doppelkammstrukturen bestückten Kanals, beispielsweise einem Rechteckkanal, aufgrund der entstehenden Druckdifferenzen unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeitsprofile erzeugt, welche die Mischwirkung erhöhen und lokale Temperierdifferenzen schnell ausgleichen. Es treten keine schlecht durchströmten Kanalbereiche auf, so dass keine Toträume vorhanden sind und Produktablagerungen vermieden werden.
Strukturierte Doppelkammschichten bestehend aus drei Abschnitten können so ausgebildet werden, dass vom nicht strukturierten Kammabschnitt unterschiedlich lange Kammstege ausgehen. Dabei kann es beispielsweise vorteilhaft sein, dass der Abschnitt der langen Stege unter einem anderen Winkel zur Hauptströmungsrichtung steht als der Abschnitt der kurzen Stege.
Des Weiteren können die langen Stege verschiedene Verläufe (Fig. 3a) annehmen, z.B. einen Zick-Zack-Verlauf. So können strukturierte Bleche oder Doppelkammelemente in sehr breiten Profilkanälen sehr feine dreidimensionale Strömungsgitter erzeugen und besonders gut als Turbulenzerhöher bzw. Turbulenzerzeuger wirken.
Strukturierte Schichten mit drei Abschnitten, einem nicht strukturierten Abschnitt und zwei strukturierte Abschnitte zur Bildung der Stege und Lücken können auch als Doppelkammelemente oder als Fischgrätenstrukturen bezeichnet werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft aber auch Turbulenzerzeuger mit Doppelkammschichtstruktur oder einfacher Kammstege und diese beinhaltende Gehäuse, die bei nicht vollständiger Füllung eines z.B. runden Strömungskanalquerschnittes den nicht ausgefüllten Strömungsquerschnitts mit querschnittsangepassten Füllstücken (11) ausfüllt, und die Füllstücke dann gleichzeitig als Umlenkkonturen zur Strömungsführung dienen, siehe beispielsweise Fig. 2a oder Fig. 2aa.
Die Füllstücke oder Füllelemente können beidseitig oder alternierend auf einem Kammschichtpaket positioniert sein. Innenliegende Füllstücke bzw. Umlenkvorrichtungen in Form von versetzt angeordneten Füllstücken parallel zu einem montierten Kammschichtpaket verringern den Druckverlust bei guter Strömungsturbulenz. Gleichzeit wird eine Querströmung durch das Kammschicht-Paket erzwungen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung Turbulenzerzeuger mit einfacher Kammschicht oder mit Doppelkammschicht und Gehäuse, die diese Turbulenzerzeuger enthalten, worin die Anström- und Abströmflächen der zu einer Strömungsumlenkung eingesetzten Füllstücke (11) auf einem Schichtenpaket einen zur mittleren Gehäuseachse stehenden Winkel γ (siehe beispielsweise Fig. 2b) haben und alternierend und/oder versetzt in Strömungs- bzw. in Längsrichtung auf dem Schichtenpaket positioniert sind.
Der Winkelbereich γ der Anström- und Abströmflächen der Füllstücke beträgt vorzugsweise 20 bis 70 Grad, besonders bevorzugt 30 bis 60 Grad und ganz besonders bevorzugt 40 bis 50 Grad.
In einer weiteren bevorzugten Variante betrifft die vorliegende Erfindung Turbulenzerzeuger mit einfacher Kammschicht oder Doppelkammschicht und diese enthaltende Gehäuse, worin die Umlenkelemente gegenüberliegend, also oberhalb und unterhalb der Kammschichten angeordnet sind, oder überlappend oder versetzt in Strömungsrichtung angeordnet sind.
In einer weiteren bevorzugten Variante betrifft die vorliegende Erfindung Turbulenzerzeuger mit Doppelkammschicht oder mehr als zwei Kammschichten und diese enthaltende Gehäuse, worin mindestens zwei Kammschichten ein Kammschichtenpaket bilden, und die Kammschichten bzw. einzelne Kammschichten unterschiedlich lange strukturierte Zonen oder nicht strukturierte Zonen in Strömungsrichtung haben und dadurch in Strömungsrichtung über die gesamte Kanallänge Bereiche gebildet werden, die zum einen eine Turbulenzerhöhung bewirken und zum anderen wieder eine beruhigte Strömung haben, siehe beispielsweise Fig.5.
Kammschichten mit unterschiedlich strukturierten Zonen bedeutet auch, dass Kammzähne in den verschiedenen Zonen unterschiedliche Winkel zur Hauptströmungsrichtung haben können und oder unterschiedlichen Steg-Mittenabstände haben.
Dadurch können je nach Prozessanforderungen unterschiedliche Strömungszustände mit differenzierten Temperierleistungen geschaffen werden. Unterschiedliche Zonen der Kammschichten in Strömungsrichtung bedeutet auch, dass ein Kammschichtpaket variiert werden kann, wobei Schichten mit einseitig und oder beidseitigen Kammzahnabschnitten verwendet werden können, die Mittenabstände der eingebrachten Kammzähne über die Länge der Schichten variiert werden können, und die nicht strukturierten Kammabschnitte der Schichten mittig oder außermittig positioniert sind, so dass bei der Durchströmung von z. B. einem niedrigviskosen Produkt, keine geordneten vorliegen, sondern nahezu erzwungene chaotische Strömungszustände vorliegen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Turbulenzerzeuger und Gehäuse, die diese enthalten, worin die Kammschichten untereinander an den Kontaktstellen verlötet sind und dadurch auch Spalte in einem Kammschichtpaket, insbesondere im Überlappungsbereich der Stege vermieden werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft aber auch Turbulenzerzeuger und diese enthaltende Gehäuse, deren Kammschichten bis zu einer Schichtdicke von kleiner 10 mm bevorzugt aus Blechtafeln durch vorzugsweise Laser-, Ätz-, Drahterodier- oder Wasserstrahltechnik hergestellt werden.
Kammschichten mit einer Schichtdicke von größer 10 mm werden bevorzugt in Gusstechnik hergestellt. Gusstechnisch hergestellte Kammschichten können einstückig massiv oder einstückig hohl gefertigt werden, so dass Materialeinsparungen und Gewichtsreduzierungen erfolgen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Turbulenzerzeuger und diese enthaltende Gehäuse, worin die Kammschichtelemente und -pakete zur Turbulenzerhöhung in katalytischen Verfahren eingesetzt werden und aus strukturierten Schichten mit drei Abschnitten bestehen, wobei die Oberflächen der Schichten vollständig mit einem Katalysatorwerkstoff beschichtet sind. Als Katalysatorwerkstoff sind dabei alle gängigen Katalysatoren, wie z.B. heterogene oder homogene Katalysatoren einsetzbar.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Turbulenzerzeuger und diese enthaltende Gehäuse, worin die Kammschichtelemente und -pakete zur Turbulenzerhöhung in katalytischen Verfahren eingesetzt werden und aus strukturierten Abschnitten bestehen, wobei die Lücken mit Katalysator-Granulat oder mit beschichteten keramischen Katalysatorträgern gefüllt sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft aber auch Turbulenzerzeuger und Gehäuse die diese enthalten, worin eine Anordnung von Kammschicht-Paketen mit beidseitig angeordneten Montagelaschen so angeordnet ist, dass mindestens zwei Kammschichtpakete hintereinander mit einer Kupplung verbunden sind und die gesamte Länge eines Temperierkanals ausfüllen.
Die Anordnung von mindestens zwei Kammschichtpaketen in Reihenfolge in einem Strömungskanal bildet eine Kette von Kammschichtpaketen.
Ketten von Kammschichtpaketen, sogenannte Kammschichtketten können auch in nicht gerade verlaufenden temperierten Kanälen, Rohren oder Profilrohren eingesetzt werden, wenn die Verbindungselemente bzw. Kupplungen Drehgelenke besitzen.
Die vorliegende Erfindung betrifft aber auch Turbulenzerzeuger und diese enthaltende Gehäuse, worin die kettenförmig aneinander gereihten Kammschicht-Pakete eine bevorzugte Länge von 50 mm bis 200 mm und besonders bevorzugt eine Länge von 50 mm bis 100 mm aufweisen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Turbulenzerzeuger und diese enthaltende Gehäuse, worin die kettenförmig aneinander gereihten Kammschichtpakete kombiniert mit Füllstücken für den Einsatz in Kanäle um 70 bis 100 Grad und vorzugsweise 75 bis 95 Grad zueinander verdreht angeordnet und an Montagelaschen beweglich miteinander verbunden sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft aber auch Wärmeaustauscher, wie beispielsweise in Fig. 6 dargestellt, enthaltend mindestens zwei Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass in den Gehäusen das Zusammenwirken mehrerer parallel durchströmter Rechteckkanäle (Rechteckgehäuse) die mit lösbaren Kammschichtpaketen, insbesondere mit mindestens zwei Kammschichten pro Rechteckgehäuse(kanal), vollständig bestückt sind, und die Rechteckgehäuse (kanäle) mit einer gemeinsamen größeren Anström- und Abströmplatte verschweißt sind, so dass eine gleichmäßige Anströmung aller Rechteckgehäuse(kanäle) erfolgt und alle Rechteckgehäuse(kanäle) einen gemeinsamen Temperierraum haben und dadurch einen Rechteckkanal- bzw. Bündelwärmeaustauscher bilden, der im Bereich von -50°C bis 500°C produktschonende und insbesondere schnelle Temperierungen von Fluiden ermöglicht und in einem Druckbereich von 1 mbar bis 200 000 mbar betreibbar ist, wobei das produktseitige Hold-up der Gehäuse bzw. der Wärmeaustauscherkanäle maximal 10 % bis 95%, vorzugsweise 10 bis 79 % , in einer Ausführungsform bevorzugt 10 bis 70%, in einer anderen Aussführunsform ganz besonders bevorzugt 80 bis 95 %, aufgrund der einsteckbaren Kammschichtpakete des Brutto-Strömungskanalvolumens beträgt
Das Brutto-Strömungskanalvolumen ermittelt sich aus dem Volumen aller durchströmten Produktkanäle des Bündelwärmeaustauscher ohne Turbulenzerzeuger. Mit Hold-up ist das aufgenommene Produktvolumen eines mit Turbulenzerzeugern bestückten Kanals gemeint.
Der Rechteckkanal-Bündelwärmeaustauscher besteht aus mindestens zwei parallel durchströmten Rechteck- oder Schlitzkanälen die gleiche oder verschiedene Kanalquerschnitte haben und mit erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugern bestückt sind. Die Kanäle besitzen eine gemeinsame größere Anström- und Abströmplatte und einen gemeinsamen Temperierraum. Durch die Bestückung der Schlitzkanäle mit Turbulenzerzeugern kann das Hold-up und das Verweilzeitverhalten des zu temperierenden Fluids in den Kanälen optimiert werden. Durch entsprechende Wahl der Kammschichtstrukturen ist zusätzlich der auftretende Druckverlust veränderbar, so dass mit niedrigen Investitionskosten ein Hochleistungswärmeaustauscher hergestellt werden kann.
Aufgrund einer geometrisch veränderbaren Kammschicht- oder Doppelkammschichtstruktur kann der Druckverlust in weiten Bereichen variiert werden, so dass auch Wärmeaustauscher für viskose Fluide mit einem Druckverlust von kleiner 100 bar, bevorzugt kleiner 50 bar und besonders bevorzugt kleiner 10 bar hergestellt werden können.
Für eine produktschonende Temperierung ist die Verweilzeit und das Verweilzeitverhalten im Temperierkanal entscheidend, so dass mit nahezu unverändertem Verweilzeitverhalten aller parallel angeordneter Strömungskanäle gleichzeitig die Temperierzeit durch entsprechende Wahl der Kammschichtstrukturen reduziert werden kann. Die gleichmäßige kurze Temperierzeit wird vom Hold-up und der zur Verfügung stehenden Wärmeaustauschfläche mitbestimmt, so dass die Rechteckkanäle mit Kammschichtpaketen ein bevorzugtes reduziertes Brutto-Kanalvolumen aufweisen. Wie bereits beschrieben betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur effizienten Durchführung von Temperiervorgängen einphasiger und/oder zweiphasiger flüssiger oder gasförmiger Stoffströme, dadurch gekennzeichnet, dass ein Turbulenzerzeuger gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
Die Erfindung betrifft bevorzugt ein Temperiererfahren mit den erfindungsgemäßen Kammschichtstrukturen und dem erfindungsgemäßen Rechteckkanal-Wärmeaustauscher für die Kurzzeit-Temperierung eines Fluids oder eines Fluid-Gemisches dadurch gekennzeichnet, dass die zu temperierenden Stoffe einen Viskositätsbereich von 0,001 bis 1 Pas haben, bevorzugt eine Viskosität von 0,1 mPas bis 5000 mPas und besonders bevorzugt eine stoffspezifische Viskosität von 0,1 mPas bis kleiner 10000 mPas haben, so dass bei kleiner Verweilzeit aufgrund des geringen Volumens des zu temperierenden Stoffes im Wärmeaustauscherkanal (Hold-Up) und aufgrund des engen Verweilzeitspektrums sowie aufgrund der guten Quervermischung im Strömungskanal im Austrittsbereich der Schlitzkanäle eine Temperaturdifferenz zwischen Temperiermittel und der Produktaustrittstemperatur sich einstellt, die im Bereich 2 - 20°C, bevorzugt im Bereich 2 - 10°C und besonders bevorzugt im Bereich 2 - 5°C ist.
Insbesondere bevorzugt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur effizienten Temperierung einphasiger und/oder zweiphasiger flüssiger oder gasförmiger Stoffströme, wobei zur Durchführung von endothermen oder exothermen Reaktionen mit Fluiden im einphasigen oder mehrphasigen Zustand und Verwendung als Rohrreaktor, sowie einem vorgeschalteten Mischer zur ersten Homogenisierung der Reaktionspartner vor einem oder mehreren in Reihe hintereinander oder parallel zueinander installierten Schlitzwärmeaustauschern, so dass die nach dem Passieren des Mischers einsetzende chemische Reaktion einer unmittelbar intensiven Temperierung in den Schlitzkanälen mit Turbulenzerzeugern zugeführt werden kann und die im Vormischer erzeugte hohe Mischgüte während des Reaktionsverlaufes im Schlitzkanal aufrecht erhalten wird.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Turbulenzerzeuger bevorzugt mit zugeordneten Rechteckkanälen als Kurzzeiterhitzer oder als Kreuzstrom-Wärmeaustauscher für die Lebensmittelindustrie, als Sterilisator für pharmazeutische oder biologische Prozesse, als Abgaskühler für eine vollständige Kondensation von Dämpfen und für die Rückhaltung von Wertstoffen in einem Abgasstrom zur Vermeidung von umweltbelastenden Emissionen. Des weiteren als Wärmeaustauscher für Autokühler oder als Ölkühler, jedoch ohne gemeinsamen Temperierraum und die Abführung der Wärmemenge über die Außenfläche der Rechteckkanäle an die Umgebungsluft, wodurch die Leistung des Kühlers erhöht wird indem die Rechteckkanalaußenflächen durch Anbringen bzw. Anlöten von Blech-Lamellen vergrößert werden und eine gute Wärmeableitung an die Umgebungsluft erfolgt, sowie in einer bevorzugten Form die Verwendung als Auto- bzw. Ölkühler, dadurch gekennzeichnet dass die Kühler aus einem Werkstoff mit einer spezifischen Wärmefähigkeit von 15W/mK bis 400 W/mK hergestellt sind.

Figuren:

Fig. 1: zeigt einen Abschnitt eines Temperierkanals mit einseitigem Temperierraum und eingesetzter strukturierter Kammschicht,
Fig. 1b: zeigt zwei übereinander gelegte schichtenförmige Kammstrukturen im Gehäuse, ähnlich wie Fig. 1,
Fig. 1a: stellt einen Blechabschnitt in Kammstruktur dar,
Fig. 2: zeigt den Strömungsquerschnitt eines gefüllten Rechteck- oder Profilrohres,
Fig. 2a: runder Strömungsquerschnitt eines Rohres mit Schichtenpaket und Füllstücken,
Fig. 2aa: zeigt die strukturierten und nicht strukturierten Abschnitte in Fig. 2a,
Fig. 2b: zeigt ein Strömungsrohr mit in Strömungsrichtung versetzt zueinander positionierten Füllstücken,
Fig. 3: in der Fig. 3 wird ein Kammblech gezeigt mit beidseitig verlaufenden Stegen,
Fig. 3a: zeigt ein Doppel-Kammblech mit kurzen Stegen und langen Stegen mit Zick-Zack-Verlauf,
Fig. 4: ist schematisch die Winkelveränderung des Kammsteges nach der Gehäusemontage gezeigt,
Fig. 5: zeigt schematisch ein über die gesamte Länge des Gehäuses montiertes Kammschichtpaket mit unterschiedlich intensiv wirkenden Strukturen zur Turbulenzerzeugung,
Fig. 6: zeigt die Anströmseite eines Rechteckkanal-Bündelwärmeaustauschers mit gemeinsamem Temperierraum,
Fig. 7: zeigt einen Autokühler mit großer wärmeabführender Fläche zur Umgebungsluft.
Fig. 7a: zeigt den Querschnitt eines einzelnen Autokühlerrohres mit außen angebrachten Lamellen für die effiziente Wärmeabgabe an die Luft.

Beispiele

Beispiel 1

In Fig. 1 ist ein Gehäuseabschnitt (1) oder Rohr bzw. Profilrohr, mit einem Turbulenzerzeuger, in einer Schnittdarstellung gezeigt. Im unteren Bereich ist das Gehäuse mit einem Temperierraum (6), beispielsweise zum Heizen oder zum Kühlen versehen. Der Temperierraum ist durch ein Temperiergehäuse (6') begrenzt. Im Innern des Gehäuses ist beispielhaft ein kurzes strukturiertes Blech (2) mit Kammstruktur eingesetzt. Es ist zu erkennen, dass das kammförmige Blech zur inneren Gehäusewand metallischen Kontakt hat. Das strukturierte Blech hat zwei Abschnitte, einen nicht strukturierten Abschnitt (3) der gleichbedeutend mit dem Blechrücken (7) ist, und einen strukturierten Abschnitt (4), bei dem die Struktur aus Stegen (8) und zwischen den Stegen sich zwangsläufig während der Fertigung ausbildende Lücken (9)besteht . Die Stege stehen immer unter einem Winkel α zur Anströmrichtung (5) bzw. zur Hauptströmungsrichtung durch das Gehäuse.
In Fig. 1a ist das strukturierte Blech (2) aus Fig.1 um 180 Grad um seine Längsachse, gleichbedeutend mit der Strömungsrichtung, gewendet, so dass ein Blech (2') mit dem Winkel α' vorliegt. In der Figur sind weiter der Kammrücken (7'), die Stege (8') und die Lücken (9') sowie die Strömungsrichtung des Fluids (5') gekennzeichnet. Die Kammschichten sind in beiden Fig. 1 u. 1a gleich strukturiert.
In Fig. 1b ist das Gehäuse (1) mit eingesetztem strukturierten Blech (2) aus Fig. 1 gezeigt und das gewendete Blech (2') aus Fig. 1a ist als zweites strukturiertes Kammblech zur Bildung eines Kammschichtpaketes eingesetzt. Es ist zu erkennen, dass die Enden der Stege mit Wandkontakt leicht gerundet sind, damit das Einziehen der strukturierten Bleche bzw. Blechpakete mit geringerem Kraftaufwand erfolgen kann und gleichzeitig die Stege sich mit geringer Kraft sich federartig zur inneren Gehäusewand verspannen. Das Wenden der jeweils benachbarten Schicht erzeugt im Innern des Gehäuses ein durchströmbares dreidimensionales Gitter. Ein durchströmendes Fluid muss zwangsweise durch das Gitter im Innern des Kanals strömen und die Stege umfließen, so dass ein ständiges vermischen bzw. eine Turbulenzerregung durch radiale und horizontale Umlenkung erfolgt. Dadurch erfolgt eine schneller Abbau von lokalen Temperaturspitzen.
Die strukturierten Bleche können auch so übereinander positioniert werden, dass die nicht strukturierten Kammabschnitte zur benachbarten Schicht alternierend liegen, d.h. sich auf der entgegengesetzten Seite befinden.

Beispiel 2

In Fig. 2 wird ein Gehäuse dargestellt, das ein Profil- bzw. Rechteckkanal ist, welches mit strukturierten Kammblechen vollständig gefüllt ist. Zu erkennen ist die nahezu vollständige Ausfüllung des Strömungsbereichs mit Kammprofilen. Selbst ein Kammprofil-Paket benötigt kaum abtragende Anpassarbeiten, um den inneren Profilquerschnitt hochgradig zu füllen. Die Anpassarbeiten eines Blechpaketes begrenzen sich auf ein Anpassen der obersten und untersten Schicht im Eckbereich des Kanals.
Vergleichsweise ist in Fig. 2a und Fig. 2aa ein rundes Gehäuse bzw. ein Rohr dargestellt, welches auch mit einem Kammschichtpaket (12) gefüllt ist, das sich aus einzelnen Kammschichten wie in Fig. 1 bildet und die Kammschichten strukturierte Abschnitte (4) und nicht struktuierte Abschnitte. (3) haben (siehe Fig. 2aa). Hier ist das Kammschichtpaket (12) mit einem unteren (11') und oberen (11) Füllstück versehen, so dass erforderliche Anpassarbeiten des Kammschichtpaketes zum kreisförmigen Strömungsquerschnitt des Gehäuses reduziert werden. Insbesondere für das Nachrüsten von Turbulenzerzeugern in Rohrbündelwärmeaustauschern bietet sich die Kombination aus Kammschichtpaketen mit Füllstücken an. Die Füllstücke können mit dem Schichtenpaket zusammen vor der Montage fixiert werden.
In Fig. 2b ist ein rundes Rohr bzw. Gehäuse (1) gezeigt, dass mit erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugern als Turbulenzerzeugerpaket (12) bestückt ist und Füllstücke (11, 11') oberhalb und unterhalb in Strömungsrichtung (5) versetzt angeordnet sind.

Beispiel 3

Fig. 3 zeigt einen Gehäuseabschnitt (1) mit einem speziell strukturierten Kammblech als sogenanntes Doppelkammblech mit Fischgrätenstruktur, welches als lösbares Element bzw. Turbulenzerhöher eingesetzt ist.
Das strukturierte Doppel-Kammelement ist mit einem außermittigen nicht strukturierten Abschnitt (30) versehen, von dem beidseitig die Kammzähne bzw. Stege (31, 32) sich unter einem Winkel zur Hauptströmungsrichtung (5) des Fluids bis zur Innenwandung des Gehäuses erstrecken. Dabei sind die Kammzähne (31) kürzer als die gegenüber liegenden Kammzähne (32). Die Montage zu einem Kammschichtpaket mit beidseitig unterschiedlichen langen Stegen, auch bezeichnet als Doppelkamm-Schicht, führt dazu, dass die nicht strukturierten Schichtbereiche nach der Montage nicht mehr übereinander liegen. Vorteilhaft ist, dass der Strömungsbereich keine Totstellen hat, wo sich Stoffe absetzen können.
Dadurch können sich unterschiedliche Geschwindigkeitsprofile im Strömungsquerschnitt des Kanals einstellen.
Des Weiteren können in sehr breiten Profilkanälen oder -gehäusen (Rechteckkanälen) unterschiedliche dreidimensionale Gitterstrukturen schichtenweise aufgebaut werden. In Fig. 3a ist ebenfalls eine Doppelkammstruktur gezeigt, wobei der Abschnitt der langen Stege zick-zack-förmig (34, 34') ausgebildet ist. Werden derartige Doppelkammschichten übereinander gelegt und montiert, entstehen keine Toträume, sehr feine Gitterstrukturen und alle Bereiche im Gehäusequerschnitt sind gut durchströmt. Eine gute Durchströmung verhindert die Alterung und Ablagerung von sensiblen Stoffen und beugt einem Fouling vor. Die Winkelbereiche der Stege von Doppelkammelementen können unterschiedlich sein. Die zwei Turbulenzerzeuger (34, 34') sind in der Darstellung als Linie bzw. als punktierte Linie gezeigt.

Beispiel 4

In Fig. 4 wird beispielhaft verdeutlicht, dass jeder Einzelsteg (8) der Kammbleche etwas länger ausgebildet ist, um bei der Montage in einem Temperierkanal zur inneren Temperierfläche einen sicheren Kontakt zu erzeugen. Wird das strukturierte Blech in das Gehäuse (1) eingezogen, verändert der Steg (8) seine ursprüngliche Lage geringfügig, so dass der gefertigte Winkel β sich geringfügig um wenige Winkelminuten verändert und in montierter Position den Winkel α annimmt. Deshalb ist es günstig während der Fertigung im Übergang des Steges (8) zum nichtstrukturierten Kammabschnitt (7) eine Querschnittsverjüngung (10) vorzusehen, die als bevorzugte Biegestelle dient, so dass sich während der Montage der Kammschichtpakete der Kraftaufwand nicht wesentlich erhöht. Aufgrund der Elastizität eines jeden Werkstoffes herrscht im Steg, insbesondere an der Biegestelle, dann eine Biegespannung, die ein verkeilen der Kammelemente zwischen der inneren Gehäusefläche ermöglicht und einen metallischen Kontakt sicherstellt.

Beispiel 5

Fig. 5 zeigt ein temperierbares Gehäuse (50) mit einer Doppelkammschicht, wobei entlang der Gehäuseachse (51) bzw. der Durchströmrichtung die Struktur der Doppelkammschicht variiert ist. Es sind vier strukturierte Zonen (53, 53',54, 54') entlang der Hauptströmungsrichtung zu erkennen. Die Zonen (53, 53') und (54, 54') sind jeweils wechselnd angeordnet. Die Variation der Zonen ist in diesem Beispiel derart, dass einzelne Abschnitte verschiedene Stegwinkel α haben, verschiedene Stegabstände und die strukturierten Zonen unterschiedlich lang sind. Dadurch entsteht ein wechselndes dreidimensionales Gitter mit unterschiedlicher Feinheit im Strömungskanal.
Zur einfacheren Montage sind die Doppelkammschichten ungefähr so lang wie der Strömungskanal selbst und beidseitig mit einer Montagelasche (52, 52') versehen. Mit der Montagelasche kann ein vollständiges Doppelkammschichtpaket, bestehend aus mindestens zwei strukturierten Schichten, einfach montiert und gegebenenfalls durch eine, hier nicht dargestellte Schraube oder Bolzen zusätzlich gegen verrutschen gesichert werden. In der Fig. 5 ist der Temperierraum nicht dargestellt.

Beispiel 6

In Fig. 6 ist das Anströmprofil eines Rechteckkanal- bzw. Schlitzkanal-Bündelwämeaustauscher mit gemeinsamem Temperierraum dargestellt. Zu erkennen ist die gemeinsame Anströmplatte (63) zur Aufnahme aller Schlitzkanäle (1). Die Schlitzkanäle sind in diesem Beispiel an den Durchmesser des gemeinsamen Temperiergehäuses (60) angepasst, so dass die Schlitzkanäle unterschiedliche Strömungsquerschnitte (64) besitzen und daher erfindungsgemäße Turbulenzerzeuger mit unterschiedlich großer Breitenausdehnung aufnehmen können. Die Schlitzkanäle sind beispielhaft mit einer geringen Höhe gewählt, so dass z.B. zwei bis drei Turbulenzerzeuger-Schichten eingesetzt werden können. Dadurch wird die Wärmeaustauschfläche vollständig genutzt und die zur Strömungsrichtung geneigten Stege der eingeschobenen strukturierten Schichten ermöglichen eine vollständige schnelle Vermischung über den jeweiligen Strömungsquerschnitt eines jeden Schlitzkanals. Die Turbulenzerzeuger sind in ihren strukturierten und nicht strukturierten Abschnitten in der Fig. 6 nur schematisch durch Linien gezeigt. Des Weiteren hat das gemeinsame Temperiergehäuse einen Anschluss für die Zuführung und Ableitung (61, 62) des Temperiermittels. Die Anströmplatte des Temperiergehäuses kann je nach Aufgabenstellung durch Variation der Schlitzkanalabstände unterschiedlich viele Schlitzkanäle aufnehmen. Die Schlitzkanäle können auch beispielhaft durch eine Vielzahl von gleichartigen Rechteckkanälen oder Profilrohren ersetzt werden.
Der Schlitzkanal-Bündelwärmeaustauscher ist in seine Länge nicht gezeigt, wobei auf der Temperierseite entsprechende Umlenkbleche vorgesehen werden können.

Beispiel 7

In Fig. 7 wird beispielhaft der Aufbau eines Autokühlers (70) dargestellt. Dabei sind mehrere erfindungsgemäße Flachkanäle (71) vollständig mit drei erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugern (72) bestückt. Zusätzlich weisen die Flachkanäle äußere aufgelötete Lamellen (73) auf, um die anfallende Wärme schnell über die vergrößerte Außenfläche des Flachkanals an die Umgebungsluft ableiten zu können. Die Flachkanäle sind an beiden Enden in Sammelkanäle (74, 75) eingesetzt und verschweißt bzw. verlötet. Bei der Verwendung von Werkstoffen mit einer hohen Wärmeleitzahl, wie z.B. Aluminium oder Kupfer können so aufgebaute Autokühler zusammengesteckt, die Verbindungsstellen mit Lot versehen und der Kühler im Ganzen verlötet werden.
In Fig. 7a ist ein einzelnes Autokühlerrohr in einer Schnittdarstellung gezeigt. Es ist zu sehen, dass der Flachkanal (71) mit z.B. drei erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugern bestückt ist und den Strömungsquerschnitt des Flachkanals vollständig ausfüllt. Die eingesetzten Kammschichten sind deutlich zu erkennen, insbesondere der nicht strukturierte Abschnitt (72') und der durch Stege und Lücke strukturierte Abschnitt (72). Um den Flachkanal ist beispielhaft eine Lamelle (73) dargestellt, die eine Vergrößerung der äußeren Temperierfläche des Flachkanals bewirkt. In der Fig. Ist ebenfalls ein Teil des Sammelkanals (75) zu erkennen.

Claims

Wärmeaustauscher mit einem Gehäuse zur Temperierung flüssiger und gasförmiger Stoffströme, wobei in dieses mindestens zwei einsteckbare kammförmige Bleche (2, 2') lösbar eingeschoben sind und diese beim Durchströmen des Gehäuses mit Fluiden als Turbulenzerzeuger wirken, indem sie den freien Strömungsquerschnitt des Gehäuses durch Bildung eines in Strömungsrichtung ausgedehnten räumlichen Gitters verkleinern, und jedes kammförmige Blech mindestens zwei verschiedene Abschnitte hat, einen nicht strukturierten Abschnitt (3) und mindestens einen Abschnitt (4) der entlang der Hauptströmungsrichtung (5) durch wechselnde Stege (8) und Lücken (9) strukturiert ist, und die einsteckbaren Bleche gegenüberliegende durchgehende und/oder unterbrochene Kontaktlinien zur inneren Gehäusewand bilden, um durch Wärmeleitung eine Temperierung in den Strömungsbereich des Fluids zu ermöglichen, und gleichzeitig die kammförmigen Bleche durch die Kontaktpunkte und/oder Kontaktlinien im Gehäuse zu verspannen, und die Stege in einem Winkel α von 10 bis 80 Grad zur Hauptströmungsrichtung geneigt sind, und mindestens zwei übereinander geschichtete Bleche im Strömungsquerschnitt des Gehäuses durch den alternierenden Winkel α der Stege eine Gitterstruktur bilden, und die äußere Fläche des Gehäuses mindestens zu 50 % mit einer Temperierzone (6) umgeben ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dieses als Turbulenzerzeuger mindestens zwei einsteckbare kammförmige Bleche (2, 2') lösbar eingeschoben sind und diese beim Durchströmen des Gehäuses mit Fluiden als Turbulenzerzeuger wirken indem sie den freien Strömungsquerschnitt des Gehäuses durch Bildung eines in Strömungsrichtung ausgedehnten räumlichen Gitters verkleinern und jede Schicht des Bleches in ihrer größten Breitenausdehnung im rechten Winkel zur Anströmungsrichtung mindestens zwei verschiedene Abschnitte hat, einen nicht strukturierten Abschnitt (3) und mindestens einen Abschnitt (4) der entlang der Hauptströmungsrichtung (5) durch wechselnde Stege (8) und Lücken (9) strukturiert ist, und die einsteckbaren Bleche gegenüberliegende durchgehende und/oder unterbrochene Kontaktlinien zur inneren Gehäusewand bilden um durch Wärmeleitung eine Temperierung in den Strömungsbereich des Fluids zu ermöglichen und gleichzeitig die kammförmigen Bleche durch die metallischen Kontaktpunkte und/oder Kontaktlinien im Gehäuse zu verspannen, und die Stege in einem Winkel α von 10 bis 80 Grad zur Hauptströmungsrichtung geneigt sind, und mindestens zwei übereinander geschichtete Bleche im Strömungsquerschnitt des Gehäuses durch den alternierenden Winkel α der Stege eine Gitterstruktur bilden, und die äußere Fläche des Gehäuses mindestens zu 50 % mit einer Temperierzone (6) umgeben ist.
Wärmeaustauscher gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (8) der Kammschicht eine quadratische, rechteckige oder sechseckige Querschnittsform haben.
Wärmeaustauscher gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kammschicht aus drei Abschnitten besteht, wobei bezogen auf die Schichtbreite von einem außer Mitte liegenden nicht strukturierten Abschnitt, zwei unterschiedlich ausgedehnte strukturierte Stegabschnitte bis zur jeweiligen inneren Gehäusewand sich erstrecken.
Wärmeaustauscher gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei nicht vollständiger Füllung eines Strömungskanalquerschnittes mit Kammschichten der nicht ausgefüllte Strömungsquerschnitt durch querschnittsangepasste Füllstücke (11), die gleichzeitig als Umlenkkonturen zur Strömungsführung dienen, ausgefüllt ist
Wärmeaustauscher gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1-5 enthaltend mindestens zwei Gehäuse dadurch gekennzeichnet, dass das Zusammenwirken mehrerer parallel durchströmter Rechteckgehäuse die mit lösbaren Kammschichtpaketen, insbesondere mit mindestens zwei Kammschichten pro Rechteckgehäuse, vollständig bestückt sind, und die Rechteckgehäuse mit einer gemeinsamen größeren Anström- und Abströmplatte verschweißt sind so dass eine gleichmäßige Anströmung aller Rechteckgehäuse erfolgt und alle Rechteckgehäuse einen gemeinsamen Temperierraum haben und dadurch einen Rechteckkanal-Bündelwärmeaustauscher bilden der im Bereich von -50°C. bis 500°C produktschonende und insbesondere schnelle Temperierungen von Fluiden ermöglicht und in einem Druckbereich von 1 mbar bis 200000 mbar betreibbar ist, und dass das produktseitige Hold-up des Gehäuses bzw. Wärmeaustauschers maximal 10 % bis 95% des Brutto-Strömungskanalvolumens beträgt.
Verwendung eines Wärmeaustauschers gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 für die Kurzzeit-Temperierung eines Fluids oder eines Fluid-Gemisches dadurch gekennzeichnet, dass die zu temperierenden Stoffe einen Viskositätsbereich von 0,001 bis 1 Pas haben, bevorzugt eine Viskosität von 0,1 mPas bis 5000 mPas und besonders bevorzugt eine stoffspezifische Viskosität von 0,1 mPas bis kleiner 10000 mPas haben, so dass bei kurzer Verweilzeit aufgrund des geringen Volumens des zu temperierenden Stoffes im Wärmeaustauscherkanal und engen Verweilzeitspektrums sowie der guten Quervermischung im Strömungskanal im Austrittsbereich der Schlitzkanäle, eine Temperaturdifferenz zwischen Temperiermittel und der Produktaustrittstemperatur die kleiner 15°C, bevorzugt kleiner 10°C und besonders bevorzugt kleiner 5°C ist, sich einstellt.
Verwendung eines Wärmeaustauschers gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 zur Durchführung von endothermen oder exothermen Reaktionen mit Fluiden im einphasigem oder mehrphasigen Zustand, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mischer zur ersten Homogenisierung der Reaktionspartner vor einem oder mehreren in Reihe hinter einander oder parallel zueinander installierten Gehäusen geschaltet ist.
Verwendung eines Wärmeaustauschers gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1-6 als Kurzzeiterhltzer oder als Kreuzstrom-Wärmeaustauscher für die Lebensmittelindustrie, als Sterilisator für pharmazeutische oder biologische Prozesse, als Abgaskühler für eine vollständige Kondensation von Dämpfen und für die Rückhaltung von Wertstoffen in einem Abgasstrom zur Vermeidung von umweltbelastenden Emissionen, als Wärmeaustauscher für Autokühler oder als Ölkühler jedoch ohne gemeinsamen Temperierraum, wobei die Abführung der Wärmemenge über die Außenfläche der Rechteckkanäle an die Umgebungsluft erfolgt und die Leistung des Kühlers erhöht wird in dem die Rechteckkanalaußenflächen durch Anbringen bzw. Anlöten von Blech-Lamellen vergrößert werden und eine gute Wärmeableitung an die Umgebungsluft erfolgt.
Auto- bzw. Ölkühler, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus einem Wärmeaustauscher gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 und aus mindestens einem Werkstoff mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von 15 W/mK bis 400 W/mK gefertigt sind.