EP2159527A2 - Selbstreinigender Wärmetauscher - Google Patents

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EP2159527A2
EP2159527A2 EP20090168195 EP09168195A EP2159527A2 EP 2159527 A2 EP2159527 A2 EP 2159527A2 EP 20090168195 EP20090168195 EP 20090168195 EP 09168195 A EP09168195 A EP 09168195A EP 2159527 A2 EP2159527 A2 EP 2159527A2
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EP
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heat exchanger
self
tube
cleaning heat
openings
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EP20090168195
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Steffen Hartmann
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/163—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
    • F28D7/1669—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing the conduit assemblies having an annular shape; the conduits being assembled around a central distribution tube
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F19/00—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F19/00—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers
    • F28F19/008—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers by using scrapers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/007—Auxiliary supports for elements
    • F28F9/013—Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies
    • F28F9/0131—Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies formed by plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28G—CLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
    • F28G1/00—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28G—CLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
    • F28G1/00—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances
    • F28G1/08—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances having scrapers, hammers, or cutters, e.g. rigidly mounted
    • F28G1/10—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances having scrapers, hammers, or cutters, e.g. rigidly mounted resiliently mounted

Definitions

  • the invention relates to a self-cleaning heat exchanger.
  • Heat exchangers are used to utilize residual energy in many areas of technology and, in the present configuration, are essential for the concentration of acids, lyes, saline solutions, electrolytes, alcohols, digestate and other suitable liquids.
  • liquid media which interact with other media to influence technological / process engineering processes and / or are exposed to reactions lose their initial concentration. They are then no longer suitable for a continuous circulation, which is to provide a corresponding final result in a procedure. For this purpose, these liquid media must either be replaced or prepared for reprocessing by reprocessing, which is a known concentration.
  • the concentration usually takes place by means of heat exchangers.
  • the z. B. cylindrical heat exchanger can take a lying or a standing, the latter connected to a socket, position.
  • the flow rate of the liquid medium to be concentrated deteriorates during operation of the heat exchanger by settling on its wall in the interior, on the tubes and / or at its bottom solids, whereby the heat transfer from the tubes of the heat exchanger to the flowing liquid medium, the concentrated should be uneconomical with time decreases.
  • downtime of such systems must be scheduled at regular intervals, so that a basic cleaning of the heat exchanger can be made and possibly existing in him pipes can be replaced.
  • the self-cleaning heat exchanger has a novel design of a plastic or multiple webs made of metal and the inner diameter of the heat exchanger adapted pressure plate which is arranged to be movable continuously movable on the inner wall of the heat exchanger and along the / of the tube bundle / -s.
  • the pressure plate has a defined thickness and an additional larger recess adjacent to the openings for the tubes of one or more tube bundle / -el.
  • the openings for the tubes in the thrust washer also have cylindrical bearings with a defined clearance, so that tilting of the thrust washer, which can also consist of several webs, is practically impossible.
  • a plurality of thrust washers may be present in a heat exchanger several times in succession over several sections thereof, all of these thrust washers are moved synchronously from the outside via a centrally located push rod or spindle.
  • a hydraulic or pneumatic stamp initiates the vg movement.
  • the construction of a thrust washer is provided in such a way that, owing to a plurality of webs and thus a larger bearing sliding surface, a tilting of these thrust washers does not take place.
  • the Lagergleit vom are formed by a game provided sleeves - in particular made of plastic - which are located in the openings for the tubes in the pressure plates formed.
  • the self-cleaning heat exchanger 1 consists of a jacket tube 1 a, one or more tube bundles / n 2, 5, tube plates 10 and from it on both sides closing dished ends (not further positioned) and the inventive device for continuous cleaning, which is located in its interior and to be described in more detail below.
  • FIG. 1 is in the central position of the self-cleaning heat exchanger 1 to recognize a spindle 6, which is mounted or guided in the tube sheets 10. It is offset from the outside by means of a geared motor 20 in motion, wherein a pressure plate 4, 7, 9 - shown here in 3 essential positions - is carried along and thereby along the peripheries of all tubes of the tube bundle 2, 5 slides. This sliding movement is constantly in a forward and backward movement up to the corresponding reversing positions, which is realized by a corresponding control of the geared motor 20. To minimize the expenditure of force in overcoming the internal pressure of the medium during the aforementioned movements, the webs 11 of the pressure disk 4, 7, 9 contain openings 8 through which the medium to be concentrated can pass.
  • the webs 11 are fixed by spacers 12 in their position.
  • the webs 11 further have a plurality of tube openings 13, in which plastic sleeves 14 are integrated, which are in direct sliding contact with the tubes of the tube bundle 2, 5.
  • the Kunststoffülsen 14 are defined angularly movably mounted, so that tilting of the known from 2 or more webs 11 thrust washer 4, 7, 9 is avoided during their translations and the occurrence of thermal stresses in the metallic materials.
  • FIG. 2 It can be seen that the self-cleaning heat exchanger 1 is installed vertically in a Aufstellgerüst 17. With FIG. 3 an open, without jacket tube 1a with a plastic pressure washer 18 equipped self-cleaning heat exchanger 1 is shown.
  • the plastic pressure plate 18 has a defined thickness, which prevents tilting and at least one opening 19 to minimize the media jam. You, the plastic pressure plate 18, fulfills the same function as a pressure plate 4, 7, 9, which consists of successively arranged webs 11.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen selbstreinigenden Wärmetauscher. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher derart weiterzubilden, dass in ihm eine Vorrichtung integriert wird, die das aufzukonzentrierende flüssige Medium in und entgegen seiner Durchsatzrichtung einer ständigen Verwirbelung unterzieht, sodass unter geringem energie- und vorrichtungstechnischem Aufwand ein Verblocken des Wärmetauschers vermieden wird und Abstellzeiten zu seiner Überholung/Reinigung in längeren Zyklen vorgesehen werden können. Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem selbstreinigenden Wärmetauscher (1) bestehend üblicherweise aus einem Mantelrohr (1a), Rohrbündeln (2, 5), Rohrböden (10) und Klöpperböden für den endseitigen Abschluss sowie Öffnungen für den Medienzulauf und -abzug (3, 16), wobei sich in mittiger Lage im Innern eines insbesondere zylindrischen selbstreinigenden Wärmetauschers (1) eine Spindel (6) befindet, auf der in translatorischer Vorwärts- und Rückwärtsbewegung eine Druck- oder Kunststoffdruckscheibe (4, 7, 9 bzw. 18) angeordnet ist, dabei eine Vielzahl von Rohröffnungen (13) für die Rohre der Rohrbündel (2, 5) aufweist sowie zusätzlich eine oder mehrere Öffnungen (8, 19) zur Minimierung des Medienstaus besitzt und die Spindel (6) über einen Getriebemotor (20), der sich außerhalb des selbstreinigenden Wärmetauschers (1) befindet, angetrieben wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen selbstreinigenden Wärmetauscher.
  • Wärmetauscher werden zur Nutzung von Restenergie in vielen Bereichen der Technik verwendet und in vorliegender Konfiguration maßgeblich zur Aufkonzentrierung von Säuren, Laugen, Salzlösungen, Elektrolyten, Alkoholen, Gärresten sowie anderen geeigneten Flüssigkeiten.
  • Es ist bekannt, dass flüssige Medien, die zur Beeinflussung technologischer/verfahrenstechnischer Prozesse mit anderen Medien zusammentreffen und/oder dabei Reaktionen ausgesetzt sind, in ihrer Ausgangskonzentration nachlassen. Sie sind dann für einen fortgesetzten Umlauf, der ein entsprechendes Endergebnis in einem Verfahren erbringen soll, nicht mehr geeignet.
    Zu diesem Zweck müssen diese flüssigen Medien entweder ersetzt oder durch eine Wiederaufbereitung, die in einer an sich bekannten Aufkonzentrierung besteht, zum erneuten Prozessdurchlauf vorbereitet werden.
  • Die Aufkonzentrierung erfolgt üblicherweise mittels Wärmetauschern.
  • Diese bestehen aus einem Behälter, in vorliegendem Fall aus Edelstahl oder aus anderen korrosionsgeschützten Legierungen, wobei in dem Behälter eine definierte Anzahl von Rohrbündeln positioniert ist, welche Heißdampf oder andere flüssige oder gasförmige Medien zum Wärmeaustausch mit dem an ihnen vorbeiströmendem flüssigen Medium, das aufkonzentriert werden soll, bringen.
    Die z. B. zylinderförmigen Wärmetauscher können dabei eine liegende oder eine stehende, letztere mit einem Sockel verbundene, Position einnehmen.
    Der Durchsatz des flüssigen, aufzukonzentrierenden Mediums verschlechtert sich jedoch während des Betriebs des Wärmetauschers, indem sich an seiner Wandung im Inneren, an den Rohren und / oder an seinem Boden Feststoffe absetzen, wodurch der Wärmeübergang von den Rohren des Wärmetauschers zum vorbeiströmenden flüssigen Medium, das aufkonzentriert werden soll, mit der Zeit unökonomisch abnimmt.
    Die Folge ist, dass Stillstandszeiten derartiger Anlagen in regelmäßigen Abständen eingeplant werden müssen, damit eine grundsätzliche Reinigung des Wärmetauschers vorgenommen werden kann und gegebenenfalls die in ihm vorhandenen Rohre ausgetauscht werden können.
  • Aus der Patent- und Fachliteratur sind bisher keine Lösungen bekannt, die zur längeren, als allgemein üblichen, Nutzung eines zur Aufkonzentrierung eingesetzten Wärmetauschers beitragen.
  • Daher muss nach einer Lösung gesucht werden, mit der in vertretbarem Maß einer nicht generell auszuschließenden Stillstandszeit die Nutzungsdauer von Wärmetauschern, die zur Aufkonzentrierung flüssiger Medien genutzt werden, merklich verlängert wird.
  • Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher derart weiterzubilden, dass in ihm eine Vorrichtung integriert wird, die das aufzukonzentrierende flüssige Medium in und entgegen seiner Durchsatzrichtung einer ständigen Verwirbelung unterzieht, sodass unter geringem energie- und vorrichtungstechnischem Aufwand ein Verblocken des Wärmetauschers vermieden wird und Abstellzeiten zu seiner Überholung/Reinigung in längeren Zyklen vorgesehen werden können.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird.
    Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 5.
  • Folgende ergänzende Hinweise zur erfinderischen Lehre sind erforderlich.
  • Der selbstreinigende Wärmetauscher besitzt in neuartiger Bauweise eine aus Kunststoff oder zu mehreren Stegen aus Metall bestehende und dem Innendurchmesser des Wärmetauschers angepasste Druckscheibe, die motorisch kontinuierlich bewegbar an der Innenwandung des Wärmetauschers und entlang der/des Rohrbündel/-s verschieblich angeordnet ist. Zur Überwindung des Strömungsdruckes des in fließender Bewegung und in einer Richtung durchgesetzten flüssigen Mediums und zur Vermeidung mechanischer Verformungen besitzt die Druckscheibe eine definierte Dicke sowie eine zusätzliche größere Ausnehmung neben den Öffnungen für die Rohre eines oder mehrerer Rohrbündels /-el.
    Die Öffnungen für die Rohre in der Druckscheibe besitzen außerdem zylindrische Lagerungen mit definiertem Spiel, sodass ein Verkanten der Druckscheibe, die auch aus mehreren Stegen bestehen kann, praktisch ausgeschlossen ist.
    Eine Vielzahl von Druckscheiben können in einem Wärmetauscher auch mehrfach hintereinander über mehrere Sektionen desselben vorhanden sein, wobei all diese Druckscheiben über eine mittig gelegene Schubstange bzw. Spindel von außen motorisch synchron bewegt werden. An Stelle der motorisch angetriebenen Schubstange oder Spindel zur translatorischen Bewegung der Druckscheibe/-n ist auch denkbar, dass ein Hydraulik- oder Pneumatikstempel die v.g. Bewegung initiiert. Entsprechend der im Innern des Wärmetauschers enthaltenen Rohre wird der Aufbau einer Druckscheibe derart vorgesehen, dass in Hintereinandertegung mehrerer Stege und damit einer größeren Lagergleitfläche geschuldet, ein Verkanten dieser Druckscheiben nicht stattfindet.
    Die Lagergleitflächen werden durch mit einem Spiel versehene Hülsen - insbesondere aus Kunststoff bestehend - die sich in den Öffnungen für die Rohre in den Druckscheiben befinden, gebildet.
  • Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
  • Die einzelnen Figuren zeigen:
    • Figur 1:
    Darstellung des selbstreinigenden Wärmetauschers im Längsschnitt A-A
    Figur 2:
    Draufsicht von oben
    Figur 3:
    geöffneter selbstreinigender Wärmetauscher - ohne Mantelrohr - mit Darstellung der Druckscheibe
    Figur 4:
    Darstellung einer Druckscheibe, bestehend aus 2 Stegen, am geöffneten Wärmetauscher - perspektivische Darstellung
  • Die in den Figuren 1 bis 4 verwendeten Bezugszeichen sind in ihrer Bedeutung der Bezugszeichenliste zu entnehmen.
  • Der selbstreinigende Wärmetauscher 1 besteht aus einem Mantelrohr 1a, einem oder mehreren Rohrbündel/-n 2, 5, Rohrböden 10 und aus den ihn beidseitig verschließenden Klöpperböden (nicht näher positioniert) sowie der erfindungsgemäßen Einrichtung zur kontinuierlichen Reinigung, die sich in seinem Innern befindet und nachfolgend näher zu beschreiben ist.
  • Gemäß Figur 1 ist in mittiger Lage des selbstreinigenden Wärmetauschers 1 eine Spindel 6 zu erkennen, die in den Rohrböden 10 gelagert bzw. geführt ist. Sie wird von außen mittels eines Getriebemotors 20 in Bewegung versetzt, wobei eine Druckscheibe 4, 7, 9 - hier dargestellt in 3 wesentlichen Stellungen - mitgeführt wird und dabei entlang der Umfänge aller Rohre der Rohrbündel 2, 5 gleitet. Diese Gleitbewegung erfolgt ständig in einer Vorwärts- und Rückwärtsbewegung bis zu den entsprechenden Umkehrpositionen, was durch eine dementsprechende Steuerung des Getriebemotors 20 realisiert wird. Zur Minimierung des Kraftaufwands bei der Überwindung des Mediuminnendruckes während der vorgenannten Bewegungen enthalten die Stege 11 der Druckscheibe 4, 7, 9 Öffnungen 8, durch welche das aufzukonzentrierende Medium hindurchtreten kann. Die Stege 11 werden durch Abstandhalter 12 in ihrer Lage fixiert. Die Stege 11 besitzen ferner eine Vielzahl von Rohröffnungen 13, in welche Kunststoffhülsen 14 integriert sind, die in unmittelbarem Gleitkontakt zu den Rohren der Rohrbündel 2, 5 stehen. Die Kunststoffülsen 14 sind definiert winkelbeweglich gelagert, sodass ein Verkanten der aus 2 oder mehreren Stegen 11 bekannten Druckscheibe 4, 7, 9 während ihrer Translationen und bei Auftreten von Wärmespannungen in den metallischen Materialien vermieden wird.
    Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass der selbstreinigende Wärmetauscher 1 senkrecht in einem Aufstellgerüst 17 eingebaut ist.
    Mit Figur 3 wird ein geöffneter, ohne Mantelrohr 1a mit einer Kunststoffdruckscheibe 18 ausgestatteter selbstreinigender Wärmetauscher 1 gezeigt. Die Kunststoffdruckscheibe 18 besitzt eine definierte Dicke, die ein Verkanten verhindert und mindestens eine Öffnung 19 zur Minimierung des Medienstaus. Sie, die Kunststoffdruckscheibe 18, erfüllt die gleiche Funktion wie eine Druckscheibe 4, 7, 9, welche aus hintereinander angeordneten Stegen 11 besteht.
  • Die Vorteile und Anwendungsgebiete der Erfindung können zusammenfassend darin gesehen werden:
    • höhere Einsatzbereitschaft, d. h. verlängerte Standzeit von Verdampfern/ Wärmetauschern,
    • verringerter Einsatz von Reparaturmaterialien,
    • nur geringe Leistungsaufnahme des verwendeten Getriebemotors erforderlich,
    • vielfältige Anwendung in Biogasanlagen gegeben. Hier sollen Gärreste weiter entwässert und später als Dünger verwendet werden; dabei werden schnell einsetzende Verkrustungen unterbunden,
    • Vermeidung der Verwendung von Reinigungschemikalien,
    • Vermeidung von manuellen Reinigungsarbeiten.
    Bezugszeichenliste
    • 1 -
    selbstreinigender Wärmetauscher
    1a -
    Mantelrohr
    2 -
    Rohrbündel
    3 -
    Medienzulauf
    4 -
    Druckscheibe (Ausgangsstellung)
    5 -
    Rohrbündel
    6 -
    Spindel
    7 -
    Druckscheibe (Mittelstellung)
    8 -
    Öffnung zur Minimierung des Medienstaus
    9 -
    Druckscheibe (Endstellung)
    10 -
    Rohrboden
    11 -
    Steg
    12 -
    Abstandhalter
    13 -
    Rohröffnung
    14 -
    Kunststoffhülse
    15 -
    Stege
    16 -
    Mediumabzug
    17 -
    Aufstellgerüst
    18 -
    Kunststoffdruckscheibe
    19 -
    Öffnung zur Minimierung des Medienstaus
    20 -
    Getriebemotor (nicht näher dargestellt)

Claims (5)

  1. Selbstreinigender Wärmetauscher (1) bestehend üblicherweise aus einem Mantelrohr (1a), Rohrbündeln (2, 5), Rohrböden (10) und Klöpperböden für den endseitigen Abschluss sowie Öffnungen für den Medienzulauf und -abzug (3, 16), wobei sich in mittiger Lage im Innern eines insbesondere zylindrischen selbstreinigenden Wärmetauschers (1) eine Spindel (6) befindet, auf der in translatorischer Vorwärts- und Rückwärtsbewegung eine Druck- oder Kunststoffdruckscheibe (4, 7, 9 bzw. 18) angeordnet ist, dabei eine Vielzahl von Rahröffnungen (13) für die Rohre der Rohrbündel (2, 5) aufweist sowie zusätzlich eine oder mehrere Öffnungen (8, 19) zur Minimierung des Medienstaus besitzt und die Spindel (6) über einen Getriebemotor (20), der sich außerhalb des selbstreinigenden Wärmetauschers (1) befindet, angetrieben wird.
  2. Selbstreinigender Wärmetauscher (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Druckscheibe (4, 7, 9) aus mindestens 2 metallischen Stegen (11,15) besteht.
  3. Selbstreinigender Wärmetauscher (1) nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass zwischen den Rohröffnungen (13) in den Stegen (11,15) der Druckscheibe (4, 7, 9) Kunststoffhülsen (14) eingesetzt sind, die mit ihrem Innendurchmesser den Oberflächenkontakt zu den Rohren der Rohrbündel (2, 5) herstellen.
  4. Selbstreinigender Wärmetauscher (1) nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Kunststoffhülsen (14) mit definiertem Spiel in den Rohröffnungen (13) gelagert sind.
  5. Selbstreinigender Wärmetauscher (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Kunststoffdruckscheibe (18) in ihrer Dicke derart dimensioniert ist, dass ein Verkanten während ihrer translatorischen Bewegung auf den Rohren der Rohrbündel (2, 5) unterbleibt.
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