EP3489603A1 - Heat exchanger - Google Patents
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- EP3489603A1 EP3489603A1 EP17204212.9A EP17204212A EP3489603A1 EP 3489603 A1 EP3489603 A1 EP 3489603A1 EP 17204212 A EP17204212 A EP 17204212A EP 3489603 A1 EP3489603 A1 EP 3489603A1
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Definitions
- the invention relates to a heat exchanger which can be produced cost-effectively, which can also be used as a static mixer or a static mixer, which can also be designed as a heat exchanger at the same time or can include the function of a heat exchanger.
- the heat exchanger is particularly suitable for cooling or heating flowable media, such as fluids, wherein the fluids may include, for example, viscous or highly viscous fluids, in particular polymers.
- a flowable medium can be moved over at least one stationary insert element.
- the insert element usually contains mounting elements, which cause a deflection of the fluid flow or the flowable medium, which is guided through the interior of the insert element, which is bounded by an insert casing element.
- the installation elements are flowed through by a heat transfer fluid.
- the insert element is flowed through by the flowable medium by generating a pressure gradient.
- the pressure gradient can be generated for example by the use of pumps.
- a variant of such a heat exchanger and static mixer is in the EP 1 384 502 A1 shown.
- the channels for a heat transfer fluid extend substantially transversely to the main flow direction.
- the channels of EP 1 384 502 A1 run inside of ribbed pipes.
- the ribs may, for example, protrude in a star shape into the fluid flow. There is also at these ribs a slight deflection or transverse displacement of the fluid flow, which is also limited locally to the environment of the ribs. Since the ribs are not flowed through by a heat transfer fluid, they are also only a limited effective heat exchange surface and require a relatively large amount of space. Therefore, a denser packing of pipes, which can be flowed through by the heat transfer fluid, can not be realized, and accordingly, the achievable heat exchange area is reduced.
- the mixing effect takes place by layer formation and their rearrangement.
- local mixing is meant a cross-mixing in the immediate vicinity of the finned tube, that is an environment that is limited in its size to twice the tube diameter and maximum to the end of the ribs.
- a plurality of tubes is juxtaposed transversely to the flow direction. In other words, in the case of two tubes, in each case at most half of the fluid flowing in as secondary partial flow is guided along the edges of the ribs and can thereby cause transverse mixing.
- a plurality of tubes are arranged side by side transversely to the main flow direction.
- the cross-mixing taking place only over part of the cross-section can also lead to the formation of locally different heat profiles and concentration profiles, which may have the consequence that no homogenous mixture can be achieved with such a heat exchanger and static mixer.
- a homogeneous mixture can only be ensured if a portion of the fluid is cross-mixed over a large part of the entire cross-section. Adjacent streams, which are shared by adjacent straw pipes are not affected by this mixing, therefore, the mixing takes place only locally.
- An apparatus for static mixing and heat exchange comprises a jacket element and a mixer insert, wherein the mixer insert is arranged in the operating state in the interior of the jacket element.
- the mixer insert comprises a first group of web elements and a second group of web elements, the first group of web elements extending along a common first group plane and the second group of web elements extending along a second common group plane.
- the group plane is thus characterized by containing the center axis of the web elements.
- At least a portion of the web members have channels, the channels extending from a first end of the web member to a second end of the web member.
- the jacket element in each case contains a corresponding channel, which is in fluid-conducting connection with the first and second ends of the rod element, wherein the transition from at least one of the first and second ends of the rod element to the respective corresponding channel in the jacket element is gap-free.
- the static mixers used there typically have to withstand nominal pressures of 50 to 400 bar and temperatures of 50 to 300 degrees Celsius, so that the jacket of the insert element is formed as a thick-walled tube is.
- the object of the invention is therefore to provide a heat exchanger and optionally static mixer, which is suitable for the processing of highly viscous fluids and can withstand a correspondingly high fluid pressure, but is easier to produce.
- the object of the invention is also to provide a modular heat exchanger, which is individually adaptable to different fluid pressures.
- the object of the invention is achieved by a heat exchanger according to claim 1.
- Advantageous variants of the heat exchanger are subject matter of claims 2 to 13.
- a method for operating a heat exchanger is the subject of claim 14.
- a method for producing a heat exchanger is the subject of claim 15.
- the heat exchanger comprises a jacket element and an insert element, wherein the insert element is arranged in the operating state in the interior of the jacket element.
- the insert element has a longitudinal axis that extends substantially in the direction of the flow of the flowable medium. The direction of the flow is hereinafter referred to as the main flow direction.
- the insert element contains an insert casing element and at least one web element, in particular a plurality of web elements.
- the web element has a first end and a second end. The first end and the second end of the bar member are connected to the insert shell member at various locations.
- the web element includes a web element channel, wherein the web element channel extends from the first end of the web element to the second end of the web element.
- the web elements may include web element channels.
- the jacket element may include a jacket channel, which is in fluid communication with the web element channel. Between the insert casing element and the casing element, an intermediate casing element is arranged.
- the insert casing element can thus be accommodated in the intermediate casing element, wherein the insert casing element can be inserted into the intermediate casing element.
- the insert casing element can be inserted into the intermediate casing element after its completion.
- the intermediate jacket element absorbs the fluid pressures that act on the insert jacket element and are transferred from the insert jacket element to the intermediate jacket element. Therefore, it is possible that the insert casing element has an average wall thickness which is smaller than the average wall thickness of the intermediate casing element.
- the insert casing element and the intermediate casing element may be arranged at least partially adjacent to one another.
- the intermediate jacket element can rest on the insert jacket element with a lateral surface portion of 80% to 100%.
- the outer circumferential surface of the insert casing element can rest completely against the casing inner surface of the intermediate casing element.
- the insert element is held in an intermediate jacket element, which is designed for a certain maximum pressure.
- the insert element can be combined with intermediate shell elements of different wall thickness. With increasing wall thickness, a higher pressure resistance of the heat exchanger is achieved with the same nominal diameter. In other words, it is sufficient to use the heat exchanger in the corresponding intermediate jacket element and jacket element. Since the intermediate jacket elements and jacket elements are much easier to manufacture than the insert element, the storage can be optimized by only the insert elements of different nominal diameter and optionally different length must be kept in stock.
- the intermediate jacket elements and jacket elements can only be manufactured after receipt of the order in accordance with the customer's specification for the pressure of the flowable medium required by the customer, since their production can take place as required within a short time.
- any arrangements of web elements can be realized.
- the web elements can have any dimensions.
- the outer side of the insert casing element before installation of the same in the intermediate casing element is easily accessible on all sides, which makes it possible to connect the web element or the web elements at arbitrary locations in any spatial directions with the insert casing element, for example by soldering, welding, clamping or gluing.
- the insert jacket element may include an insert jacket channel which is fluidly connected to a web element channel.
- the insert element jacket channel can be fluid-conductively connected to an intermediate jacket element channel.
- the intermediate jacket element channel is fluid-conductively connected to the jacket channel.
- the jacket channel may extend over 20% to 90% of the shell inner surface facing the intermediate element.
- the jacket element channel can be in fluid-conducting connection with the web element channel or the web element channels.
- the sheath member channel may include a plurality of sheath member chambers.
- the jacket element channel may include a supply line for a heat transfer fluid and a discharge for the heat transfer fluid.
- each of the jacket element chambers can contain either the feed line or the discharge line for the heat transfer fluid.
- each of the supply lines or outlets may be connected to a plurality of intermediate jacket element passages.
- a jacket element chamber may be formed as a heat transfer fluid distributor when the jacket element chamber contains a supply line.
- a jacket member chamber may be formed as a heat transfer fluid collector when the jacket member chamber contains a drain.
- the web elements may be connected to the insert shell element by gluing, soldering, casting, an additive manufacturing process, welding, clamping, shrinking, or combinations thereof.
- Gluing, soldering or welding can be done from inside and / or outside.
- the insert casing element and the web elements can be formed in one piece.
- the insert element and the intermediate shell element may contain different materials.
- the wall thicknesses of the insert element and the intermediate jacket element together may amount to at least 10 mm. In particular, the wall thicknesses of the insert element and the intermediate jacket element together may amount to at least 20 mm.
- the web element channel can run kink-free. According to one embodiment, the web element channel can pass without kinking in the or the intermediate jacket element channels.
- At least a part of the web elements thus extends over the entire width dimension or the diameter of the jacket element.
- the web element channels in the web elements extend from the first end to the second end of the web element, which connects directly to the inner wall of the intermediate shell element.
- the web elements can thus be fed by the jacket element through the intermediate jacket element channels of the intermediate jacket element and the insert jacket channels with a heat transfer fluid, in particular a heat transfer fluid, and flowed through by the heat transfer fluid.
- the length of the web element channel corresponds at least to the mean diameter of the insert shell element when the web element contains the longitudinal axis.
- the mean diameter corresponds to the inner diameter when the insert casing element is designed as a circular tube.
- the mean diameter for a square insert shell element is defined as its perimeter (s) (pi), thus being an equivalent diameter.
- the length of the web element channel may in particular be at least 10% above the mean diameter when the web element channel crosses the center axis.
- the length of this web element channel may in particular be at least 20% above the mean diameter, more preferably at least 30% above the mean diameter.
- a web element is determined in its dimensions by its length, its width and its thickness.
- the length of the bar element is measured from the first end of the bar element to the second end of the bar element.
- the length of the web element channel substantially corresponds to the length of the web element.
- the width of the bar element is measured essentially transversely to the flow direction. That is, the width extends substantially in a plane that is normal to the length of the bar element and shows the cross section of the bar element.
- the cross section of the bar element is characterized by its width and thickness. The length of at least the longest bar element is at least 5 times as large as its width.
- the width of the bar element is 0.5 to 5 times as large as its thickness, advantageously 0.75 to 3 times as large as its thickness. If the width of the bar element is 1 to 2 times as large as its thickness, this results in a particularly preferred range for which particularly good cross-mixing can be achieved.
- the width of the bar element is defined as the normal distance which extends from the first edge and the second edge of the bar element on the upstream side.
- the width of the stem element on the upstream side may differ from the width measured on the downstream side of the stem element.
- edge is understood to mean the edge of the pile element that flows in and flows around the fluid, which extends substantially parallel to the length of the pile element.
- the thickness of the bar element can be variable. The minimum thickness is less than 75% and advantageously less than 50% below the maximum thickness. The variations may, for example, be due to ribs, indentations, nubs, wedge-shaped webs or other unevenness.
- the web element may be characterized in that flat surfaces, convex or concave surfaces present in the flow direction, which provide an attack surface for the flowing fluid. These aligned in the direction of flow surfaces cause an increased flow resistance, especially in comparison with a tubular element, which can cause improved heat transfer.
- the web element channel which runs in the interior of the web element, preferably has an inner diameter which corresponds to a maximum of 75% of the thickness of the web element.
- a plurality of substantially parallel web element channels can be contained in a web.
- the transition from at least one of the first and second ends of the bar element to the insert shell element takes place according to an embodiment gap-free.
- the web elements of the insert element and the insert jacket element accordingly consist according to an embodiment of a single component, which is preferably produced by a casting process.
- Characteristic of the property that the transition is gap-free is a smooth transition from the web element to the insert shell element. In particular, curves may be provided in the transition region from the web element to the insert casing element at the edges, so that the flow of the castable material is not impaired during the production process.
- the web element channels run in the interior of the web elements, so that no connection between the channels in the interior of the web elements and the space surrounding the web elements consists.
- a monolithic structure is produced consisting of first and second groups of web elements arranged at a nonzero angle relative to the main flow direction and a fixed insert element permanently connected to at least a portion of the web elements, which can be formed as a jacket tube.
- an additive manufacturing process can also be used.
- the recesses of the insert casing element coincide with the outer contour of the bar element.
- the web element can be pushed through the recess of the insert casing element according to this embodiment and be positioned in the interior of the insert casing element.
- the web element with the Insert sheath element by gluing, soldering, welding, clamping, press-fitting, or shrinking can be connected.
- the web elements have at least partially web element channels, which can be flowed through by a heat transfer fluid in the operating state.
- the web element channels are not in the operating state in connection with the flowable medium, which flows around the web elements.
- the web element channels extend from a first end of the web element to a second end of the web element.
- the insert casing element in each case contains a corresponding insert casing channel which is in fluid-conducting connection with the first end and second end of the bar element, wherein the transition from at least one of the first and second ends of the bar element to the respectively corresponding insert casing channel in the insert casing element is gap-free.
- the web element channels for the heat transfer fluid in the web elements can be produced by the previously described casting process or an additive manufacturing process, but also by subsequent processing such as eroding or drilling done.
- a casting is made by means of a wax body, applying a ceramic shell to the wax body, then removing the wax and firing the ceramic shell, and firing the ceramic shell with pourable material.
- the pourable material is solidified by cooling and the ceramic shell removed after the solidification of the castable material.
- the device can be made of any materials that can be processed by casting, such as metal, plastic or ceramic.
- the web elements are advantageously designed rectangular, the edges may also be rounded. However, the web elements can also have a different cross-sectional shape from the group of circles, ellipses, rounded squares or polygons.
- the cross-sectional areas may be different in a single web element or between a plurality of web elements, for example, the web element thickness or the web element width may vary.
- the insert casing element may have any closed cross-section and / or any desired geometry, for example as a tube or a rectangular channel.
- a heat transfer fluid may include any liquid such as water or oils but also a gas such as air.
- the web elements may be disposed at an angle of approximately 25 to 75 degrees, in particular at an angle of approximately 30 to 60 degrees to the main flow direction.
- the web elements can form web element groups, wherein the web elements of each web element group can be arranged parallel to one another.
- the web elements of a web element group can be located in a common group level. In one embodiment, the first and second group levels intersect. According to a further embodiment, a web element of the first group adjoins a web element of the second group. Accordingly, adjacent bar elements according to this embodiment have a different orientation, since they belong to different groups.
- adjacent web elements intersect, since such an improved heat exchange can be achieved.
- the angle between two intersecting web elements is advantageously 25 to 75 degrees.
- the group is characterized in that the center axes of all web elements span the same or essentially the same group plane.
- 2 to 20 bar elements, particularly preferably 4 to 12 bar elements are arranged in parallel in a group.
- any number of groups of web elements in the main flow direction can be arranged one behind the other.
- the successively arranged groups are advantageously arranged so that they overlap so as to accommodate as much active heat exchange surface in a small apparatus volume.
- Overlapping means that at least a part of the web elements of a first group and a part of the web elements of a subsequent group and / or a preceding group are arranged in the same pipe section, viewed in the main flow direction.
- the projection of the length of the bar element on the longitudinal axis gives a length L1 and the projection of the overlapping part of the bar elements of the adjacent group on the longitudinal axis results in a length L2, where L2 is smaller than L1 and L2 is greater than 0.
- the considered pipe section is defined so that it has the length L1, that is, extends from a centrally disposed web element from the first end to the second end in the projection on the longitudinal axis.
- the orientation changed so that the groups are advantageously arranged offset from each other.
- two to 20 groups are provided, more preferably 4 to 8 groups included.
- the displacement between the identically aligned groups is advantageously carried out at an angle of 80 to 100 degrees. This means that the second group is aligned about the longitudinal axis by an angle of 80 to 100 degrees with respect to the first group.
- the web elements may form a first and a second group.
- Each of the first and second groups may span a first and second group level, respectively.
- the first group level of the first group may intersect with the second group level of the second group such that a common intersection line is formed which has an intersection with the longitudinal axis or extends substantially transverse to the longitudinal axis and / or in a normal plane to the intersection line contains the longitudinal axis, has a minimum distance from the longitudinal axis.
- at least one group of web elements may be provided which extend substantially to the intersection line.
- the web elements in a first and second group may touch each other or have gaps between them. Also, a connection of the intermediate spaces with transverse to the fluid flow direction arranged connecting webs is possible.
- the heat transfer fluid is advantageously supplied to the jacket element and flows through a jacket channel located in the jacket element.
- the jacket channel adjoins the intermediate jacket element.
- the intermediate jacket member has openings leading to the insert jacket channels. From there, the heat transfer fluid enters at least part of the web element channels of the web elements.
- the jacket channel may be formed on the inside by the intermediate jacket element and on the outside by the jacket element.
- In the jacket element can be provided an inlet and a drain for the heat transfer fluid.
- the jacket element may contain connections for the supply and removal of the heat carrier fluid.
- the jacket channel may contain a plurality of jacket element chambers, wherein in at least one jacket element chamber the heat transfer fluid can be distributed to a part of the intermediate jacket element channels. In at least one second jacket element chamber, the heat transfer fluid can be collected by the intermediate jacket element channels, so that the heat exchanger flows through as uniformly as possible. It is also possible for different sections or segments of the heat exchanger to be flowed through by separate jacket channels with heat transfer fluid, so that the heat exchanger contains different sections or segments, which can be flowed through by differently heated heat transfer fluid. This allows a different temperature control in the individual segments. It has been shown that, for a high heat transfer in a small apparatus volume with jacket element diameters of 60 mm and more, at least half of all web elements should be flowed through by the heat transfer fluid.
- both a casting method, an additive manufacturing method, a soldering method, an adhesive method, a shrinking method, a clamping method and a welding method can be cost-effective manufacturing methods for web elements and a gap-free monolithically connected to the web elements insert shell element, when the insert shell element of a Surrounding intermediate element is surrounded, which can withstand a high pressure load in the operating state. It can be made in one piece, the insert element, comprising the insert casing element with the corresponding web elements. Alternatively, the insert element consist of individual segments, which are subsequently connected, for example, by welding or bolted flange connections or by bracing.
- the outer geometry of the web elements and the web element geometry as well as the geometry of the web element channels for the heat transfer fluid can be easily decoupled both for a welding process and for a casting process.
- advantageously rectangular profiles can be used and the web element channel geometry can advantageously be selected as a round cross-section, that is, in particular a circular or oval cross-section. Therefore, web elements with an ideal profile for cross-mixing and / or high inherent strength for large maximum fluid pressures can be produced.
- the web element channels for the heat transfer fluid in the web elements are advantageously produced after the casting process by erosion and even more advantageously by drilling, so that also web element channels with small diameters can be produced.
- the heat transfer and / or the mixing performance in the vicinity of the inner wall of the insert casing element is substantially improved by the direct transition of the web elements in the insert shell element, as are also involved in the inner wall boundary layers of the flowable medium to achieve optimal heat transfer or a homogeneous mixture ,
- an optimal boundary layer renewal therefore leads to an optimal use of the heat exchange surface.
- the optimal use of the heat exchange surface also means that the heat exchanger can be built for a given cooling or heating task with very small apparatus volume and with very little pressure loss.
- the heat exchanger according to the invention exhibits a very narrow residence time spectrum of the flowable medium to be heated or cooled.
- deposits or decomposition of flowable medium can be prevented as best as possible.
- a very low melt temperature close to the point of freezing can be achieved thanks to the optimal renewal of the boundary layers.
- solidified polymer deposits on the heat exchange surfaces.
- the inventive heat exchanger can be built very compact especially for operation with viscous fluids.
- the device is basically suitable for mixing and cooling respectively heating of any flowable media such as liquids and gases, but especially for viscous and very viscous fluids such as polymers.
- the jacket element, the intermediate jacket element and the insert element may contain castable or weldable materials, for example metals, ceramics, plastics or combinations of these materials may be used.
- a method for operating a heat exchanger comprises the following method steps, wherein the heat exchanger comprises an insert element and a jacket element, wherein the insert element comprises at least one web element arranged at a non-zero angle relative to the main flow direction and an insert jacket element fixedly connected to the web element, wherein the web element has a Includes web element channel, which is flowed through in the operating state of a heat transfer fluid, which is not in communication with the flowable medium, which flows around the web element.
- the web element channel extends from a first end of the web element to a second end of the web element.
- the jacket element may include a jacket channel which is in fluid communication with the bridge element channel.
- an intermediate jacket element which contains a first intermediate jacket element channel and a second intermediate jacket element channel through which the heat transfer fluid flows, so that the heat transfer fluid flows from the jacket channel through the first intermediate jacket element channel into the bridge element channel, flows through the bridge element channel and through the second element impmantelelementkanal flows into the jacket channel.
- the ridge member and the insert shell member are produced by an adhesive method, a soldering method, a casting method, an additive manufacturing method, a welding method, a clamping method or a shrink-in method, or combinations thereof.
- the web element includes a web element channel which is produced by the casting process together with the insert shell element or in one further work step by means of a drilling process or an erosion process is produced.
- a web element channel extends from a first end of the web element to a second end of the web element, wherein the insert element is positioned in the shell element.
- the jacket element may include a jacket channel, which in the assembled state is in fluid-conducting connection with the web element channel.
- an intermediate shell element is arranged, which contains a first intermediate shell element channel and a second intermediate shell element channel, wherein the intermediate shell element is positioned in the shell element and the insert element is positioned in the intermediate shell element such that the heat transfer fluid from the shell channel through the first Eisenmantelelementkanal in the web element channel can flow through the web element channel and can flow from the web element channel through the second intermediate shell element channel into the shell channel.
- the insert element can be made much thinner and lighter. Therefore, for the insert element, a different material, for example, a higher quality material can be used, as for the intermediate shell element.
- the insert element can contain a material which has a high thermal conductivity or a high resistance to chemicals, for example corrosion resistance.
- the insert member may be integrally formed with the web members by an additive manufacturing process or casting process. Since the production of the insert element is very expensive, it can be placed as a semi-finished stock and the intermediate casing element can be adjusted depending on the application and nominal pressure to the required wall thickness.
- the jacket element which surrounds the intermediate jacket element, can be designed as a further double jacket, through which the heat transfer fluid flows in the operating state. The heat transfer fluid passes through the openings in the jacket element and in the intermediate jacket element and in the insert jacket element to at least one of the web elements, so that it can flow through the web element or elements.
- Fig. 1a shows a longitudinal section through a heat exchanger according to a first embodiment.
- the heat exchanger 1 for static mixing and heat exchange according to Fig. 1a includes a jacket element 2 and an insert element 3, wherein the insert element 3 is arranged in the operating state in the interior of the jacket element 2.
- the jacket element 2 is designed as a hollow body.
- the insert element is received in the hollow body.
- the insert element 3 has a longitudinal axis 4, which extends substantially in the main flow direction of the flowable medium, which flows through the jacket element 2 in the operating state.
- the insert element 3 contains an insert casing element 31 and at least one web element 9, 10.
- the web element 9, 10 has a first end 13 and a second end 14, the first end 13 and the second end 14 of the web element 9, 10 with the insert casing element 31 is connected at various points.
- the web element 9, 10 includes a web element channel 11, 12.
- the web element channel 11, 12 extends from the first end 13 of the web element 9, 10 to the second end 14 of the web element 9, 10.
- the shell element 2 includes a jacket channel 21 which is connected to the web element channel 11, 12 is in fluid communication. Between the Insert casing element 31 and the casing element 2, an intermediate casing element 5 is arranged.
- Fig. 1a shows a first web element 9, through which the longitudinal section is laid, so that the web element channel 11 is visible and a second web element 12, which is shown cut open, so that the projection of its cross-sectional area in the sectional plane is visible.
- This arrangement is to be regarded as exemplary only, that is, the heat exchanger could also contain only a single web element 9 or even more web elements.
- the length of a web element 9 is understood to mean the dimension from the first end 13 to the second end 14 of the web element 9 along its center axis.
- the thickness of the bar means the dimension normal to the center axis from one edge to the opposite edge.
- the thickness of tubular web elements may correspond to the diameter of the web element 9.
- the web element channel 11 can open at the first end 13 of the web element 9 in a first insert jacket channel 32.
- the first insert casing channel 32 extends through the insert casing element 31 from its inner wall to its outer wall.
- the insert jacket channel 32 may extend in the radial direction according to the present embodiment.
- the web element channel 11 can open at the second end 14 of the web element 9 in a second insert casing channel 33.
- the second insert casing channel 33 extends through the insert casing element 31 from its inner wall to its outer wall.
- Fig. 1b shows a radial section through the heat exchanger 1 according Fig. 1a , The radial section is laid through the web element channel 11 to illustrate its course.
- the intermediate sheath element 5 is shown hatched, the hatching of the insert element 3 and the sheath element 2 are omitted in order to keep the representation clear.
- the space enclosed by the insert element 3 contains the flowable medium, for example a polymer melt.
- the web elements 9, 10 are flowed around in the operating state of the flowable medium.
- the flowable medium impinges on the web element 9, whereby the flow of the same is divided and deflected.
- the divided and deflected flow of the flowable medium impinges on the downstream web element 10, through which the divided and deflected stream of the flowable medium again divided and deflected.
- a progressive division and Deflection of the flow of the flowable medium leads to its heat exchange and / or mixing.
- the web element channels 11, 12 can flow a heat transfer fluid, which serves for heating or cooling of the flowable medium.
- the intermediate casing element 5 includes an intermediate casing element channel 51, which forms a connection between the casing element chamber 23 and the insert casing channel 32.
- the insert jacket channel 32 of the web element channel 11 connects.
- the insert casing channel 33 is connected to the casing element chamber 22 via the intermediate casing element channel 52.
- the supply of the heat transfer fluid to the jacket element chamber 23 and the derivative of the heat transfer fluid from the jacket element chamber 22 is not shown here in the drawing.
- the jacket element chamber 22 is separated from the jacket element chamber 23 by a first separator 26 and a second separator 27 so that a heat transfer fluid supplied to the heat exchanger at a temperature T1 can not be mixed with a heat transfer fluid having a temperature T2 derived from the heat exchanger and efficient cooling or heating the flowable medium can take place.
- Fig. 2a shows a longitudinal section through a heat exchanger 1 according to a second embodiment.
- the insert 1 comprises an insert element 3, an intermediate jacket element 5 and a jacket element 2.
- the insert element 3 comprises a first and second group 6, 7 of web elements 9, 10 fixed relative to the main flow direction at a nonzero angle and fixedly connected to at least a part of Web elements 9, 10 connected insert shell element 31.
- the web elements 9, 10 include web element channels 11, 12. These web element channels 11, 12 are flowed through in the operating state of a heat transfer fluid. The heat transfer fluid is not in communication with the flowable medium, which flows around the web elements 9, 10.
- Fig. 2a shows a first insert element 3 and a second insert element 3, which have the same structure.
- each of the first and second insert elements 3 an intermediate jacket element 5 and a jacket element 2 can each be provided.
- each of the first and second insert elements 3 or the intermediate jacket elements 5 or the jacket elements can each form a single component, which is not shown in the drawing.
- Each of the first or second insert elements 3 comprises a first group 6 of web elements 9, 10 and a second group 7 of web elements 9, 10 Fig. 2a are another one first group 16, a second group 17 of web elements belonging to the second insert element 3 are shown. Since the two shown insert elements 3, the intermediate jacket elements 5 and the jacket elements 2 are of identical construction, the reference numerals of the right-side insert element 3, the associated intermediate jacket element 5 and the jacket element 2 have been omitted for the sake of clarity.
- first and second groups 6, 7, 16, 17 can connect further groups of web elements, which is also not shown in the drawing. According to the present exemplary embodiment, all group pairs have the same structure. Therefore, the following description applies to the first groups 6, 16 and the second groups 7, 17.
- Each group may comprise a plurality of web elements. Depending on the size of the space and / or the width of the web elements 2 to 20, preferably 4 to 12 web elements of a group may be arranged parallel to each other.
- the first group 6 of web elements 9 extends along a common first group level.
- the group plane contains the longitudinal axis of a web element channel 11 extending in the interior of the web element 9 when the web element channel 11 is arranged such that its longitudinal axis coincides with the center axis of the web element 9. In the present illustration, the group plane is normal to the plane of the drawing.
- the second group 7 of web elements extends along a second common group level.
- the second group level is defined in the same way as the first group level.
- the first and second group levels intersect. In the present representation, they intersect exactly on the longitudinal axis 4 of the insert element 3.
- a web element 9 of the first group adjoins a web element 10 of the second group.
- the web element 9 is thus arranged crosswise to the web element 10.
- the web elements of the first group 6 thus alternate with the web elements of the second group 7.
- the web element 9 is cut along its longitudinal axis, so that one half of the web element channel 11 is visible.
- the web element 10 is located behind the web element 9 with respect to the plane of the drawing.
- the web element channel 11 of the web element 9 of the first group extends from a first end 13 to a second end 14 of the web element.
- the web element channel 11, 12 may have a cross-sectional area in the form of a round element.
- the round element may comprise an element from the group of circles, ellipses, rounded squares or polygons.
- the group level of the first group 6 intersects with the group level of the second group 7 in such a way that a common intersection line is formed which has an intersection with the longitudinal axis 4 or extends substantially transversely to the longitudinal axis and / or in a normal plane to the intersection line , which contains the longitudinal axis, has a minimum distance from the longitudinal axis.
- the web elements 9, 10 have a configuration which is symmetrical with respect to the sectional plane, so that the heat exchange in the subarea of the space located above the longitudinal axis is essentially as good as in the subarea of the space located below the longitudinal axis.
- the first and second group planes are arranged at an angle of 25 to 75 degrees to the longitudinal axis 4.
- the angle is 30 to 60 degrees to the longitudinal axis 4, in many cases substantially 45 degrees to the longitudinal axis. 4
- the jacket element 2 contains a jacket channel 21, which may contain a plurality of jacket element chambers 22, 23.
- the jacket channel 21 contains a supply line 24 and a discharge line 25 for a heat transfer fluid.
- the supply line 24 may include an inlet connection.
- the drain 25 may include a drain port.
- the jacket channel 21 includes a distribution channel for the distribution of the heat transfer fluid to a plurality of intermediate element channels 51 and a collecting channel for the merger of the heat transfer fluid from a plurality of intermediate element channels 52.
- the insert casing channel 32 forms a feed channel, which feeds the heat transfer fluid to the corresponding web element channel 11, 12 in the web element 9, 10 and the insert casing channel 33 forms a discharge channel, which the Heat transfer fluid from the web element channel 11, 12 in the corresponding web element 9, 10 in the intermediate jacket element channel 52 and the jacket element chamber 23 passes.
- the web element 9 of the group 6 or 16 is shown cut each, the web elements 10 of the group 7 or 17 are in the drawing plane behind it.
- the web element channels 12 in these web elements 10 are not visible, they are indicated by dashed lines.
- the transition of the web element channel 11, 12 of at least one of the first and second ends 13, 14 of the rod member 9, 10 to the respective corresponding insert jacket channel 32, 33 in the insert shell element 31 of the insert element 3 is gap-free.
- the web elements 9, 10 of the insert element 3 can therefore be formed as a single component, which can be produced for example by a welding process, a shrinking process or by a casting process or additive manufacturing process.
- the transitions from the insert jacket element 31 to the web element channel 11, 12 may be provided with curves, which is not shown in the drawing.
- each of the curves may have a radius of at least 0.5 mm to 10 mm.
- the insert element 3 may also consist only of a first group 6 and a second group 7 of web elements. Therefore, in the description, the first group 6 and the second group 7 are considered representative of a plurality of other similar first or second groups. How many pairs of groups are provided in an individual case depends on the actual heat exchange and / or mixing task. That is, if in the following documents only the first and the second group are described, it can not be deduced that only this particular embodiment is disclosed, but rather embodiments with a plurality of pairs of groups, each of these groups of pairs of first and second a second group is to be covered by this description. For the sake of simplicity, the description will be limited to one of the group pairs.
- Each of the groups may have the same structure as the previous group, the structure of adjacent groups may also differ from each other.
- Each of the in Fig. 1a to Fig. 4c shown embodiments can be combined with any other embodiment arbitrarily.
- web elements may be provided which form subgroups.
- a web element of such a subgroup can extend, for example, only from the insert casing element 31 to the longitudinal axis 4, which is not shown in the drawing.
- Such subgroups may be formed in particular at the beginning or end of the insert element 3.
- Subgroups can be used in particular to avoid gaps that occur when several heat exchangers are arranged in series. If such a gap persists, the flowable medium will be given less diversion and, consequently, the heat exchange may deteriorate or diminish.
- the subgroups forming the end of the insert element may also include web element channels.
- the web element channels 11, 12 run in the interior of the web elements 9, 10, so that no connection between the web element channels in the interior of the web elements and the space surrounding the web elements consists.
- the room contains the flowable medium in the operating state.
- the successively arranged groups may be arranged to overlap so as to provide as much active heat exchange surface as possible in the volume formed by the shell element 2.
- Overlapping means that at least a part of the web elements of a first group and a part of the web elements of a subsequent group and / or a part of the web elements of a preceding group are arranged in the same pipe section seen in the main flow direction.
- the projection of the length of the bar element on the longitudinal axis gives a length L1 and the projection of the overlapping part of the bar elements of the adjacent group on the longitudinal axis results in a length L2, where L2 is smaller than L1 and L2 is greater than 0.
- the considered pipe section is defined so that it has the length L1, that is, the envelope volume of the centrally arranged web element 9 represents.
- the envelope volume is an enveloping cylinder in the case of a cylindrical jacket element with a circular cross section, and an envelope cuboid in the case of a jacket element with a rectangular or polygonal cross section.
- Fig. 2b shows a radial section through the static mixer 1 according Fig. 2a , The radial section is not placed by the web element channel 11 according to this embodiment, since its course in the Fig. 1b would correspond to the course shown.
- the intermediate jacket element 5 is hatched, the hatching of the insert element 3rd and the jacket element 2 are omitted in order to keep the representation clear. Same parts will be in this Fig. 2b same name and no longer described, as far as the description already in connection with Fig. 1a, 1b or Fig. 2a has been made.
- Fig. 2b shows a belonging to the group 6 web element 9 and two belonging to the group 7 web elements 10.
- the group 6 contains according to the present illustration, two further web elements with web element channels.
- the insert jacket channels 32, 33 in the direction of the longitudinal axis of the bar element, which is illustrated by dashed lines.
- the intermediate jacket element channels 51, 52 extend in a direction substantially parallel to the longitudinal axis of the bar element.
- Fig. 3a shows a longitudinal section through a heat exchanger 1 according to a third embodiment, wherein Fig. 3a two variants of the heat exchanger 1 shows.
- the heat exchanger 1 for static mixing and heat exchange according to Fig. 3a includes a jacket element 2 and an insert element 3, wherein the insert element 3 is arranged in the operating state in the interior of the jacket element 2.
- the insert element 3 differs from the previous embodiments in that the web element channel 11 of the web element 9 is formed kink-free.
- the longitudinal axis of the web element channel 11 coincides with the longitudinal axis of the insert jacket channels 32, 33.
- the heat transfer fluid can thus flow through the insert element 3 without deflection.
- the longitudinal axis of the intermediate jacket element channel 51 also coincides with the longitudinal axis of the stake element 9.
- the intermediate jacket element channel 51 thus forms the continuation of the insert jacket channel 32.
- the longitudinal axis of the intermediate jacket element channel 52 extends in a substantially radial direction. Therefore, a kink is formed between the insert jacket channel 32 and the intermediate jacket member channel 52, which is on the lower side of the Fig. 3a is shown.
- the web element 9 and the web element 10 are arranged according to this variant at an angle of not equal to 90 degrees to each other, which in Fig. 3b is visible.
- Fig. 4a shows a longitudinal section through a heat exchanger 1 according to a fourth embodiment.
- the web elements 9, 10 of the insert element 3 are arranged substantially in the radial direction, that is, the longitudinal axis of the web elements 9, 10 extends at an angle of 90 degrees to the longitudinal axis 4.
- the web elements 9, 10 may have a circular or oval cross-section.
- Fig. 4b shows a longitudinal section through a heat exchanger 1 according to a fifth embodiment, which extends from the heat exchanger 1 according to the in Fig. 4a shown embodiment differs in that at least one of the web elements 9, 10 has a rectangular cross-sectional area.
- a first insert element 3 according to Fig. 4a or each of the previous embodiments can with a second insert element according to Fig. 4b or any of the previous embodiments.
- the one or more shell elements 2 and the one or more intermediate shell elements 5 may be the same. They are arranged one behind the other along the longitudinal axis 4, to provide a heat exchanger of greater length and with improved efficiency.
- the first sheath element 2 and / or the first insert element 3 may be rotated with respect to the second sheath element 2 and the second insert element 3 by an angle of 20 degrees to 90 degrees.
- Fig. 4c shows a radial section through the heat exchanger according to Fig. 4a or Fig. 4b , wherein the radial section is not from the illustration according to Fig. 1b different, so to the description too Fig. 1b can be referenced.
- each web element 9 of a group 6 may differ from the other web elements of the same group.
- each web element 10 of a group 7 may be the other web elements of the same group differ.
- the web elements of group 6 may also differ from the web elements of group 7.
- a plurality of similar or different web elements 9 can be arranged along the first group plane.
- a plurality of similar or different web elements 10 may be arranged along the second group level.
- the angle which the illustrated section line of the first group plane in the plane of the drawing according to one of Fig. 1a . 2a . 3a . 4a with the longitudinal axis 4, may differ from the angle, which includes the illustrated section line of the second group plane in the plane of the drawing with the longitudinal axis 4.
- the web widths of the web elements of the first group 6 may differ from one another and / or from the web widths of the web elements of the second group 7.
- Adjacent groups may optionally have parallel group planes or may include different angles to the longitudinal axis 4.
- more than two groups may intersect and also be interconnected via common connecting elements.
- the connecting elements may for example comprise transverse webs.
- a web element can also consist of a plurality of web element sections. For example, adjacent web element sections can enclose an angle to one another. It would also be possible for the first web element section and the second web element section to be connected to one another via a curved section, wherein this variant is also not illustrated in the drawing.
- the invention is not limited to the present embodiments.
- the web elements can differ in their number and in their dimensions. Furthermore, the number of web element channels in the web elements can differ depending on the required heat requirement for the heat transfer. Also, the angles of inclination which the groups include to the longitudinal axis may vary depending on the application. It can also be arranged in succession more than two insert elements.
Abstract
Ein Wärmetauscher (1) enthält ein Mantelelement (2) und ein Einsatzelement (3), wobei das Einsatzelement (3) im Betriebszustand im Inneren des Mantelelements (2) angeordnet ist. Das Einsatzelement hat eine Längsachse (4). Das Einsatzelement (3) enthält ein Einsatzmantelelement (31) und eine Mehrzahl von Stegelementen (9, 10), wobei die Stegelemente (9, 10) ein erstes Ende (13) und ein zweites Ende (14) aufweisen. Das erste Ende (13) und das zweite Ende (14) jedes Stegelements (9, 10) sind mit dem Einsatzmantelelement (31) an verschiedenen Stellen verbunden. Mindestens ein Teil der Stegelemente (9, 10) enthält Stegelementkanäle (11,12), wobei die Stegelementkanäle (11, 12) sich vom ersten Ende (13) des Stegelements (11) zum zweiten Ende (14) des Stegelements (11) erstrecken. Zwischen dem Einsatzmantelelement (31) und dem Mantelelement (2) ist ein Zwischenmantelelement (5) angeordnet.A heat exchanger (1) contains a jacket element (2) and an insert element (3), wherein the insert element (3) is arranged in the operating state inside the jacket element (2). The insert element has a longitudinal axis (4). The insert element (3) contains an insert casing element (31) and a plurality of web elements (9, 10), the web elements (9, 10) having a first end (13) and a second end (14). The first end (13) and the second end (14) of each bar member (9, 10) are connected to the insert shell member (31) at different locations. At least a portion of the web elements (9, 10) includes web element channels (11, 12), the web element channels (11, 12) extending from the first end (13) of the web element (11) to the second end (14) of the web element (11) , Between the insert casing element (31) and the casing element (2) an intermediate casing element (5) is arranged.
Description
Die Erfindung betrifft einen kostengünstig herstellbaren Wärmetauscher, der auch als statischer Mischer eingesetzt werden kann oder einen statischen Mischer, der gleichzeitig auch als Wärmetauscher ausgebildet sein kann oder die Funktion eines Wärmetauschers einschliessen kann. Der Wärmetauscher eignet sich insbesondere zum Kühlen oder Wärmen fliessfähigen Medien, beispielsweise von Fluiden, wobei die Fluide beispielsweise viskose oder hochviskose Fluide, insbesondere Polymere umfassen können.The invention relates to a heat exchanger which can be produced cost-effectively, which can also be used as a static mixer or a static mixer, which can also be designed as a heat exchanger at the same time or can include the function of a heat exchanger. The heat exchanger is particularly suitable for cooling or heating flowable media, such as fluids, wherein the fluids may include, for example, viscous or highly viscous fluids, in particular polymers.
Wärmetauscher werden in vielen Bereichen der verarbeitenden Industrie eingesetzt. Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann ein fliessfähiges Medium über zumindest ein ortsfestes Einsatzelement bewegt werden. Das Einsatzelement enthält üblicherweise Einbauelemente, welche eine Umlenkung des Fluidstroms respektive des fliessfähigen Mediums bewirken, der durch den Innenraum des Einsatzelements geführt wird, der von einem Einsatzmantelelement begrenzt wird. Die Einbauelemente werden von einem Wärmeträgerfluid durchströmt. Das Einsatzelement wird vom fliessfähigen Medium durch Erzeugen eines Druckgradienten durchströmt. Der Druckgradient kann beispielsweise durch den Einsatz von Pumpen erzeugt werden.Heat exchangers are used in many areas of the processing industry. According to one embodiment, a flowable medium can be moved over at least one stationary insert element. The insert element usually contains mounting elements, which cause a deflection of the fluid flow or the flowable medium, which is guided through the interior of the insert element, which is bounded by an insert casing element. The installation elements are flowed through by a heat transfer fluid. The insert element is flowed through by the flowable medium by generating a pressure gradient. The pressure gradient can be generated for example by the use of pumps.
In dem Dokument
Eine Variante eines derartigen Wärmetauschers und statischen Mischers wird in der
Bei laminar fliessenden Medien erfolgt der Mischeffekt durch Schichtenbildung und deren Umlagerung. Unter lokaler Durchmischung soll eine Quervermischung in unmittelbarer Umgebung des berippten Rohrs verstanden werden, das heisst einer Umgebung, die in ihrer Grösse auf das Doppelte des Rohrdurchmessers beschränkt ist und maximal bis zum Ende der Rippen erfolgt. Eine Mehrzahl von Rohren ist quer zur Strömungsrichtung nebeneinander angeordnet. Das heisst, bei zwei Rohren wird jeweils maximal die Hälfte des die Rohre als Nebenteilstrom anströmenden Fluids entlang der Kanten der Rippen entlanggeführt und kann hierdurch eine Quervermischung bewirken. Auch hier ist eine Mehrzahl von Rohren quer zur Hauptströmungsrichtung nebeneinander angeordnet. Die nur über einen Teil des Querschnitts erfolgende Quervermischung kann auch zur Ausbildung lokal unterschiedlicher Wärmeprofile und Konzentrationsprofile führen, was zur Folge haben kann, dass mit einem derartigen Wärmetauscher und statischen Mischer keine homogene Mischung erzielbar ist. Eine homogene Mischung kann nur dann gewährleistet werden, wenn ein Teil des Fluids über einen Grossteil des ganzen Querschnittes quervermischt wird. Benachbarte Teilströme, welche durch benachbarte Stegrohre geteilt werden, werden von dieser Durchmischung nicht beeinflusst, daher erfolgt die Durchmischung nur lokal.In the case of laminar flowing media, the mixing effect takes place by layer formation and their rearrangement. By local mixing is meant a cross-mixing in the immediate vicinity of the finned tube, that is an environment that is limited in its size to twice the tube diameter and maximum to the end of the ribs. A plurality of tubes is juxtaposed transversely to the flow direction. In other words, in the case of two tubes, in each case at most half of the fluid flowing in as secondary partial flow is guided along the edges of the ribs and can thereby cause transverse mixing. Again, a plurality of tubes are arranged side by side transversely to the main flow direction. The cross-mixing taking place only over part of the cross-section can also lead to the formation of locally different heat profiles and concentration profiles, which may have the consequence that no homogenous mixture can be achieved with such a heat exchanger and static mixer. A homogeneous mixture can only be ensured if a portion of the fluid is cross-mixed over a large part of the entire cross-section. Adjacent streams, which are shared by adjacent straw pipes are not affected by this mixing, therefore, the mixing takes place only locally.
Eine Vorrichtung zum statischen Mischen und Wärmeaustausch gemäss
Wenn eine derartige Vorrichtung zur Verarbeitung von hochviskosen Fluiden, beispielsweise Polymerschmelzen eingesetzt wird, müssen die dort eingesetzten statischen Mischer typischerweise Nenndrücke von 50 bis zu 400 bar und Temperaturen von 50 bis zu 300 Grad Celsius standhalten, sodass der Mantel des Einsatzelementes als ein dickwandiges Rohr ausgebildet ist.When such a device is used to process high viscosity fluids, such as polymer melts, the static mixers used there typically have to withstand nominal pressures of 50 to 400 bar and temperatures of 50 to 300 degrees Celsius, so that the jacket of the insert element is formed as a thick-walled tube is.
Es hat sich gezeigt, dass die Herstellung von Wärmetauschern mit dickwandigen Rohren sehr aufwendig und teuer ist und je nach Herstellverfahren auch qualitative Probleme auftreten können. Bei der Herstellung mit Giessverfahren oder im additiven Herstellungsverfahren fallen hohe Kosten an, die üblicherweise linear mit dem Gewicht ansteigen. Das einteilige Giessen von dickwandigen Rohren mit einem komplexen Innenleben von Stegen ist technisch sehr anspruchsvoll und führt oft zu Qualitätsproblemen. Wenn die meist sehr komplexe Stegstruktur im Innenraum zum Beispiel durch Löten oder Schweissen mit dem Aussenrohr verbunden werden soll, so ist dies bei einem dickwandigen Aussenrohr bedingt durch das Gewicht und das dadurch erschwerte Handling sehr aufwendig. Da die Wanddicke solcher Wärmetauscher vom Druck und Temperatur des Einsatzfalles abhängen und entsprechend auch stark variieren kann, müssen sie individuell nach Spezifikation hergestellt werden was die Herstellung deutlich verteuert und die Lieferzeiten sehr stark erhöht, da eine Vorfertigung nicht möglich ist. Daher besteht Bedarf einen Wärmetauscher insbesondere für hochviskose Fluide zu entwickeln, der kostengünstiger herstellbar ist.It has been shown that the production of heat exchangers with thick-walled pipes is very complicated and expensive and, depending on the manufacturing process, qualitative problems can also occur. In the production by casting or in the additive manufacturing process to incur high costs, which usually increase linearly with the weight. The one-piece casting of thick-walled pipes with a complex interior of webs is technically very demanding and often leads to quality problems. If the usually very complex web structure is to be connected in the interior, for example by soldering or welding with the outer tube, so this is very expensive in a thick-walled outer tube due to the weight and the resulting difficult handling. Since the wall thickness of such heat exchangers depend on the pressure and temperature of the application and can vary accordingly, they must be manufactured individually according to specification which significantly increases the cost of production and greatly increases the delivery times since prefabrication is not possible. Therefore, there is a need to develop a heat exchanger, especially for highly viscous fluids, which is less expensive to produce.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Wärmetauscher und gegebenenfalls statischen Mischer zu schaffen, der zur Verarbeitung von hochviskosen Fluiden geeignet ist und einem entsprechend hohen Fluiddruck standhalten kann, aber einfacher herstellbar ist. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, einen Wärmetauscher in Modularbauweise bereitzustellen, welcher an unterschiedliche Fluiddrücke individuell anpassbar ist.The object of the invention is therefore to provide a heat exchanger and optionally static mixer, which is suitable for the processing of highly viscous fluids and can withstand a correspondingly high fluid pressure, but is easier to produce. The object of the invention is also to provide a modular heat exchanger, which is individually adaptable to different fluid pressures.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen Wärmetauscher gemäss Anspruch 1. Vorteilhafte Varianten des Wärmetauschers sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 13. Ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers ist Gegenstand von Anspruch 14. Ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers ist Gegenstand von Anspruch 15.The object of the invention is achieved by a heat exchanger according to
Wenn der Begriff "beispielsweise" in der nachfolgenden Beschreibung verwendet wird, bezieht sich dieser Begriff auf Ausführungsbeispiele und/oder Ausführungsformen, was nicht notwendigerweise als eine bevorzugtere Anwendung der Lehre der Erfindung zu verstehen ist. In ähnlicher Weise sind die Begriffe "vorzugsweise", "bevorzugt" zu verstehen, indem sie sich auf ein Beispiel aus einer Menge von Ausführungsbeispielen und/oder Ausführungsformen beziehen, was nicht notwendigerweise als eine bevorzugte Anwendung der Lehre der Erfindung zu verstehen ist. Dementsprechend können sich die Begriffe "beispielsweise", "vorzugsweise" oder "bevorzugt" auf eine Mehrzahl von Ausführungsbeispielen und/oder Ausführungsformen beziehen.When the term "for example" is used in the following description, this term refers to embodiments and / or embodiments, which is not necessarily to be understood as a more preferred application of the teachings of the invention. Similarly, the terms "preferred,""preferred," are understood to refer to an example of a variety of embodiments and / or embodiments, which is not necessarily to be understood as a preferred application of the teachings of the invention. Accordingly, the terms "for example,""preferred," or "preferred," may refer to a plurality of embodiments and / or embodiments.
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung enthält verschiedene Ausführungsbeispiele für einen Wärmetauscher. Die Beschreibung eines bestimmten Wärmetauschers ist nur als beispielhaft anzusehen. In der Beschreibung und den Ansprüchen werden die Begriffe "enthalten", "umfassen", "aufweisen" als "enthalten, aber nicht beschränkt auf" interpretiert.The following detailed description includes various embodiments of a heat exchanger. The description of a particular heat exchanger is to be considered as exemplary only. In the specification and claims, the terms "including," "comprising," "having" are interpreted as "including, but not limited to."
Der Wärmetauscher gemäss der Erfindung enthält ein Mantelelement und ein Einsatzelement, wobei das Einsatzelement im Betriebszustand im Inneren des Mantelelements angeordnet ist. Das Einsatzelement hat eine Längsachse, die sich im Wesentlichen in Richtung der Strömung des fliessfähigen Mediums erstreckt. Die Richtung der Strömung wird nachfolgend als Hauptströmungsrichtung bezeichnet. Das Einsatzelement enthält ein Einsatzmantelelement und mindestens ein Stegelement, insbesondere eine Mehrzahl von Stegelementen. Das Stegelement weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Das erste Ende und das zweite Ende des Stegelements sind mit dem Einsatzmantelelement an verschiedenen Stellen verbunden. Das Stegelement enthält einen Stegelementkanal, wobei der Stegelementkanal sich vom ersten Ende des Stegelements zum zweiten Ende des Stegelements erstreckt. Wenn eine Mehrzahl von Stegelementen vorgesehen ist, kann zumindest ein Teil der Stegelemente Stegelementkanäle enthalten. Das Mantelelement kann einen Mantelkanal enthalten, der mit dem Stegelementkanal in fluidleitender Verbindung steht. Zwischen dem Einsatzmantelelement und dem Mantelelement ist ein Zwischenmantelelement angeordnet.The heat exchanger according to the invention comprises a jacket element and an insert element, wherein the insert element is arranged in the operating state in the interior of the jacket element. The insert element has a longitudinal axis that extends substantially in the direction of the flow of the flowable medium. The direction of the flow is hereinafter referred to as the main flow direction. The insert element contains an insert casing element and at least one web element, in particular a plurality of web elements. The web element has a first end and a second end. The first end and the second end of the bar member are connected to the insert shell member at various locations. The web element includes a web element channel, wherein the web element channel extends from the first end of the web element to the second end of the web element. If a plurality of web elements is provided, at least a portion of the web elements may include web element channels. The jacket element may include a jacket channel, which is in fluid communication with the web element channel. Between the insert casing element and the casing element, an intermediate casing element is arranged.
Das Einsatzmantelelement kann somit im Zwischenmantelelement aufgenommen sein, wobei das Einsatzmantelelement in das Zwischenmantelelement einsteckbar ist. Das Einsatzmantelelement kann nach dessen Fertigstellung in das Zwischenmantelelement eingeschoben werden. Das Zwischenmantelelement nimmt im Betriebszustand die Fluiddrücke auf, die auf das Einsatzmantelelement wirken und vom Einsatzmantelelement auf das Zwischenmantelelement übertragen werden. Daher ist es möglich, dass das Einsatzmantelelement eine mittlere Wandstärke aufweist, die kleiner als die mittlere Wandstärke des Zwischenmantelelements ist. Das Einsatzmantelelement und das Zwischenmantelelement können zumindest teilweise aneinander anliegend angeordnet sein. Insbesondere kann das Zwischenmantelelement mit einem Mantelflächenanteil von 80% bis 100% auf dem Einsatzmantelelement aufliegen. Insbesondere kann die äussere Mantelfläche des Einsatzmantelelements vollständig an der Mantelinnenfläche des Zwischenmantelelements anliegen.The insert casing element can thus be accommodated in the intermediate casing element, wherein the insert casing element can be inserted into the intermediate casing element. The insert casing element can be inserted into the intermediate casing element after its completion. In the operating state, the intermediate jacket element absorbs the fluid pressures that act on the insert jacket element and are transferred from the insert jacket element to the intermediate jacket element. Therefore, it is possible that the insert casing element has an average wall thickness which is smaller than the average wall thickness of the intermediate casing element. The insert casing element and the intermediate casing element may be arranged at least partially adjacent to one another. In particular, the intermediate jacket element can rest on the insert jacket element with a lateral surface portion of 80% to 100%. In particular, the outer circumferential surface of the insert casing element can rest completely against the casing inner surface of the intermediate casing element.
Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass ein einziges Einsatzelement benötigt wird, aber der Wärmetauscher dennoch in einem grossen Druckbereich des fliessfähigen Mediums, welches das oder die Stegelemente umströmt, einsetzbar ist. Der Druckbereich kann von Umgebungsdruck bis zu einem Druck von über 600 bar reichen. Das Einsatzelement wird in einem Zwischenmantelelement gehalten, welches für einen bestimmten Maximaldruck ausgelegt ist. Insbesondere kann das Einsatzelement mit Zwischenmantelelementen unterschiedlicher Wandstärke kombiniert werden. Mit zunehmender Wandstärke wird bei gleichem Nenndurchmesser eine höhere Druckbeständigkeit des Wärmetauschers erzielt. Mit anderen Worten genügt es, den Wärmetauscher in das entsprechende Zwischenmantelelement und Mantelelement einzusetzen. Da die Zwischenmantelelemente und Mantelelemente wesentlich einfacher zu fertigen sind als das Einsatzelement, kann die Lagerhaltung optimiert werden, indem nur die Einsatzelemente verschiedener Nenndurchmesser und gegebenenfalls unterschiedlicher Baulänge an Lager gehalten werden müssen. Die Zwischenmantelelemente und Mantelelemente können erst nach Eingang der Bestellung gemäss Spezifikation des Kunden für den vom Kunden benötigten Druck des fliessfähigen Mediums gefertigt werden, da deren Fertigung bedarfsgerecht innerhalb einer kurzen Zeit erfolgen kann.
Zudem können beliebige Anordnungen von Stegelementen realisiert werden. Die Stegelemente können beliebige Abmessungen aufweisen. Zudem ist die Aussenseite des Einsatzmantelelements vor Einbau desselben in das Zwischenmantelelement allseitig gut zugänglich, was es ermöglicht, das Stegelement oder die Stegelemente an beliebigen Stellen in beliebigen Raumrichtungen mit dem Einsatzmantelelement zum Beispiel durch Löten, Schweissen, Klemmen oder Kleben zu verbinden.Another advantage lies in the fact that a single insert element is needed, but the heat exchanger can still be used in a large pressure range of the flowable medium, which flows around the or the web elements. The pressure range can range from ambient pressure to over 600 bar pressure. The insert element is held in an intermediate jacket element, which is designed for a certain maximum pressure. In particular, the insert element can be combined with intermediate shell elements of different wall thickness. With increasing wall thickness, a higher pressure resistance of the heat exchanger is achieved with the same nominal diameter. In other words, it is sufficient to use the heat exchanger in the corresponding intermediate jacket element and jacket element. Since the intermediate jacket elements and jacket elements are much easier to manufacture than the insert element, the storage can be optimized by only the insert elements of different nominal diameter and optionally different length must be kept in stock. The intermediate jacket elements and jacket elements can only be manufactured after receipt of the order in accordance with the customer's specification for the pressure of the flowable medium required by the customer, since their production can take place as required within a short time.
In addition, any arrangements of web elements can be realized. The web elements can have any dimensions. In addition, the outer side of the insert casing element before installation of the same in the intermediate casing element is easily accessible on all sides, which makes it possible to connect the web element or the web elements at arbitrary locations in any spatial directions with the insert casing element, for example by soldering, welding, clamping or gluing.
Das Einsatzmantelelement kann einen Einsatzmantelkanal enthalten, der mit einem Stegelementkanal fluidleitend verbunden ist. Insbesondere kann der Einsatzelementmantelkanal mit einem Zwischenmantelelementkanal fluidleitend verbunden sein. Nach einem Ausführungsbeispiel ist der Zwischenmantelelementkanal mit dem Mantelkanal fluidleitend verbunden. Der Mantelkanal kann sich über 20% bis 90% der dem Zwischenelement zugewendeten Mantelinnenfläche erstrecken. Der Mantelelementkanal kann mit dem Stegelementkanal oder den Stegelementkanälen in fluidleitender Verbindung stehen. Der Mantelelementkanal kann eine Mehrzahl von Mantelelementkammern enthalten. Der Mantelelementkanal kann eine Zuleitung für ein Wärmeträgerfluid und eine Ableitung für das Wärmeträgerfluid enthalten.The insert jacket element may include an insert jacket channel which is fluidly connected to a web element channel. In particular, the insert element jacket channel can be fluid-conductively connected to an intermediate jacket element channel. According to one embodiment, the intermediate jacket element channel is fluid-conductively connected to the jacket channel. The jacket channel may extend over 20% to 90% of the shell inner surface facing the intermediate element. The jacket element channel can be in fluid-conducting connection with the web element channel or the web element channels. The sheath member channel may include a plurality of sheath member chambers. The jacket element channel may include a supply line for a heat transfer fluid and a discharge for the heat transfer fluid.
Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann jede der Mantelelementkammern entweder die Zuleitung oder die Ableitung für das Wärmeträgerfluid enthalten. Insbesondere kann jede der Zuleitungen oder Ableitungen mit einer Mehrzahl von Zwischenmantelelementkanälen verbunden sein. Eine Mantelelementkammer kann als ein Wärmeträgerfluidverteiler ausgebildet sein, wenn die Mantelelementkammer eine Zuleitung enthält. Eine Mantelelementkammer kann als ein Wärmeträgerfluidsammler ausgebildet sein, wenn die Mantelelementkammer eine Ableitung enthält.According to one embodiment, each of the jacket element chambers can contain either the feed line or the discharge line for the heat transfer fluid. In particular, each of the supply lines or outlets may be connected to a plurality of intermediate jacket element passages. A jacket element chamber may be formed as a heat transfer fluid distributor when the jacket element chamber contains a supply line. A jacket member chamber may be formed as a heat transfer fluid collector when the jacket member chamber contains a drain.
Nach jedem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele können die Stegelemente mit dem Einsatzmantelelement durch Kleben, Löten, Giessen, ein additives Herstellungsverfahren, Schweissen, Klemmen, Einschrumpfen oder Kombinationen davon verbunden sein. Das Kleben, Löten oder Schweissen kann von innen und/oder von aussen erfolgen. Insbesondere können das Einsatzmantelelement und die Stegelemente einteilig ausgebildet sein.According to any of the preceding embodiments, the web elements may be connected to the insert shell element by gluing, soldering, casting, an additive manufacturing process, welding, clamping, shrinking, or combinations thereof. Gluing, soldering or welding can be done from inside and / or outside. In particular, the insert casing element and the web elements can be formed in one piece.
Nach einem Ausführungsbeispiel können das Einsatzelement und das Zwischenmantelelement unterschiedliche Werkstoffe enthalten.According to one embodiment, the insert element and the intermediate shell element may contain different materials.
Nach einem Ausführungsbeispiel können die Wandstärken des Einsatzelements und des Zwischenmantelelements zusammen mindestens 10 mm betragen. Insbesondere können die Wandstärken des Einsatzelements und des Zwischenmantelelements zusammen mindestens 20 mm betragen.According to one embodiment, the wall thicknesses of the insert element and the intermediate jacket element together may amount to at least 10 mm. In particular, the wall thicknesses of the insert element and the intermediate jacket element together may amount to at least 20 mm.
Nach einem Ausführungsbeispiel kann der Stegelementkanal knickfrei verlaufen. Nach einem Ausführungsbeispiel kann der Stegelementkanal knickfrei in den oder die Zwischenmantelelementkanäle übergehen.According to one embodiment, the web element channel can run kink-free. According to one embodiment, the web element channel can pass without kinking in the or the intermediate jacket element channels.
Zumindest ein Teil der Stegelemente erstreckt sich somit über die gesamte Breitenabmessung oder den Durchmesser des Mantelelements. Die Stegelementkanäle in den Stegelementen erstrecken sich vom ersten Ende zum zweiten Ende des Stegelements, welches unmittelbar an die Innenwand des Zwischenmantelelements anschliesst. Im Zwischenmantelelement befindet sich gemäss einem Ausführungsbeispiel ein Zwischenmantelelementkanal, der an den Einsatzmantelkanal anschliesst. Die Stegelemente können somit vom Mantelelement durch die Zwischenmantelelementkanäle des Zwischenmantelelements und die Einsatzmantelkanäle mit einem Wärmeträgerfluid, insbesondere einer Wärmeträgerflüssigkeit, gespeist werden und vom Wärmeträgerfluid durchströmt werden. Die Länge des Stegelementkanals entspricht mindestens dem mittleren Durchmesser des Einsatzmantelelements, wenn das Stegelement die Längsachse enthält.At least a part of the web elements thus extends over the entire width dimension or the diameter of the jacket element. The web element channels in the web elements extend from the first end to the second end of the web element, which connects directly to the inner wall of the intermediate shell element. In the intermediate jacket element, according to one exemplary embodiment, there is an intermediate jacket element channel which adjoins the insert jacket channel. The web elements can thus be fed by the jacket element through the intermediate jacket element channels of the intermediate jacket element and the insert jacket channels with a heat transfer fluid, in particular a heat transfer fluid, and flowed through by the heat transfer fluid. The length of the web element channel corresponds at least to the mean diameter of the insert shell element when the web element contains the longitudinal axis.
Der mittlere Durchmesser entspricht dem Innendurchmesser, wenn das Einsatzmantelelement als ein Kreisrohr ausgeführt ist. Der mittlere Durchmesser für ein eckiges Einsatzmantelelement wird als dessen Umfang / n (pi) definiert, es handelt sich somit um einen äquivalenten Durchmesser. Die Länge des Stegelementkanals kann insbesondere mindestens 10% über dem mittleren Durchmesser liegen, wenn der Stegelementkanal die Mittenachse kreuzt. Die Länge dieses Stegelementkanals kann insbesondere mindestens 20% über dem mittleren Durchmesser, besonders bevorzugt mindestens 30% über dem mittleren Durchmesser liegen.The mean diameter corresponds to the inner diameter when the insert casing element is designed as a circular tube. The mean diameter for a square insert shell element is defined as its perimeter (s) (pi), thus being an equivalent diameter. The length of the web element channel may in particular be at least 10% above the mean diameter when the web element channel crosses the center axis. The length of this web element channel may in particular be at least 20% above the mean diameter, more preferably at least 30% above the mean diameter.
Ein Stegelement ist in seinen Abmessungen durch seine Länge, seine Breite und seine Dicke bestimmt. Die Länge des Stegelements wird vom ersten Ende des Stegelements zum zweiten Ende des Stegelements gemessen. Die Länge des Stegelementkanals entspricht im Wesentlichen der Länge des Stegelements.A web element is determined in its dimensions by its length, its width and its thickness. The length of the bar element is measured from the first end of the bar element to the second end of the bar element. The length of the web element channel substantially corresponds to the length of the web element.
Die Breite des Stegelements wird im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung gemessen. Das heisst, die Breite erstreckt sich im Wesentlichen in einer Ebene, die normal zur Länge des Stegelements verläuft und den Querschnitt des Stegelements zeigt. Der Querschnitt des Stegelements wird durch dessen Breite und dessen Dicke charakterisiert. Die Länge zumindest des längsten Stegelements ist mindestens 5-mal so gross wie dessen Breite.The width of the bar element is measured essentially transversely to the flow direction. That is, the width extends substantially in a plane that is normal to the length of the bar element and shows the cross section of the bar element. The cross section of the bar element is characterized by its width and thickness. The length of at least the longest bar element is at least 5 times as large as its width.
Die Breite des Stegelements ist 0.5 bis 5-mal so gross wie dessen Dicke, vorteilhafterweise 0.75 bis 3-mal so gross wie dessen Dicke. Wenn die Breite des Stegelements 1- bis 2-mal so gross wie dessen Dicke ist, ergibt sich ein besonders bevorzugter Bereich, für welchen eine besonders gute Quervermischung erzielbar ist. Die Breite des Stegelements wird als Normalabstand definiert, welcher sich von der ersten Kante und der zweiten Kante des Stegelements auf der Anströmseite erstreckt. Die Breite des Stegelements auf der Anströmseite kann sich von der Breite gemessen auf der Abströmseite des Stegelements unterscheiden.The width of the bar element is 0.5 to 5 times as large as its thickness, advantageously 0.75 to 3 times as large as its thickness. If the width of the bar element is 1 to 2 times as large as its thickness, this results in a particularly preferred range for which particularly good cross-mixing can be achieved. The width of the bar element is defined as the normal distance which extends from the first edge and the second edge of the bar element on the upstream side. The width of the stem element on the upstream side may differ from the width measured on the downstream side of the stem element.
Unter Kante wird die vom Fluid angeströmte und umströmte Kante des Stegelements verstanden, welche sich im Wesentlichen parallel zur Länge des Stegelements erstreckt. Die Dicke des Stegelements kann variabel sein. Dabei liegt die minimale Dicke, um weniger als 75% und vorteilhafterweise um weniger als 50% unter der maximalen Dicke. Die Variationen können beispielsweise durch Rippen, durch Einbuchtungen, durch Noppen, durch keilförmige Stege oder einer anderen Unebenheit bedingt sein.The term "edge" is understood to mean the edge of the pile element that flows in and flows around the fluid, which extends substantially parallel to the length of the pile element. The thickness of the bar element can be variable. The minimum thickness is less than 75% and advantageously less than 50% below the maximum thickness. The variations may, for example, be due to ribs, indentations, nubs, wedge-shaped webs or other unevenness.
Das Stegelement kann dadurch charakterisiert sein, dass in der Strömungsrichtung ebene Flächen, konvexe oder konkave Flächen vorliegen, die eine Angriffsfläche für das strömende Fluid bieten. Diese in Strömungsrichtung ausgerichteten Flächen bewirken einen erhöhten Abströmwiderstand, insbesondere im Vergleich mit einem Rohrelement, was einen verbesserten Wärmeübergang bewirken kann.The web element may be characterized in that flat surfaces, convex or concave surfaces present in the flow direction, which provide an attack surface for the flowing fluid. These aligned in the direction of flow surfaces cause an increased flow resistance, especially in comparison with a tubular element, which can cause improved heat transfer.
Der Stegelementkanal, der im Inneren des Stegelements verläuft, hat vorzugsweise einen Innendurchmesser, der maximal 75% der Dicke des Stegelements entspricht. Grundsätzlich können auch mehrere im Wesentlichen parallel verlaufende Stegelementkanäle in einem Steg enthalten sein.The web element channel, which runs in the interior of the web element, preferably has an inner diameter which corresponds to a maximum of 75% of the thickness of the web element. In principle, a plurality of substantially parallel web element channels can be contained in a web.
Der Übergang von zumindest einem der ersten und zweiten Enden des Stegelements zum Einsatzmantelelement erfolgt nach einem Ausführungsbeispiel spaltfrei. Die Stegelemente des Einsatzelementes sowie das Einsatzmantelelement bestehen demnach gemäss einem Ausführungsbeispiel aus einem einzigen Bauteil, welches vorzugsweise durch ein Gussverfahren hergestellt ist. Charakteristisch für die Eigenschaft, dass der Übergang spaltfrei ist, ist ein fliessender Übergang vom Stegelement zum Einsatzmantelelement. Insbesondere können im Übergangsbereich vom Stegelement zum Einsatzmantelelement an den Kanten Rundungen vorgesehen sein, sodass der Fluss des giessfähigen Materials während des Herstellungsverfahrens nicht beeinträchtigt wird.The transition from at least one of the first and second ends of the bar element to the insert shell element takes place according to an embodiment gap-free. The web elements of the insert element and the insert jacket element accordingly consist according to an embodiment of a single component, which is preferably produced by a casting process. Characteristic of the property that the transition is gap-free, is a smooth transition from the web element to the insert shell element. In particular, curves may be provided in the transition region from the web element to the insert casing element at the edges, so that the flow of the castable material is not impaired during the production process.
Die Stegelementkanäle verlaufen im Inneren der Stegelemente, sodass keine Verbindung zwischen den Kanälen im Inneren der Stegelemente und dem Raum, welcher die Stegelemente umgibt, besteht.The web element channels run in the interior of the web elements, so that no connection between the channels in the interior of the web elements and the space surrounding the web elements consists.
In einem Gussverfahren wird mindestens segmentweise eine monolithische Struktur bestehend aus gegenüber der Hauptströmungsrichtung in einem Winkel ungleich null angeordneten ersten und zweiten Gruppen von Stegelementen und einem fest mit zumindest einem Teil der Stegelemente verbundenen Einsatzmantelelement, welches als Ummantelungsrohr ausgebildet sein kann, hergestellt. Anstelle eines Gussverfahrens kann auch ein additives Herstellungsverfahren zum Einsatz kommen.In a casting process, at least in segments, a monolithic structure is produced consisting of first and second groups of web elements arranged at a nonzero angle relative to the main flow direction and a fixed insert element permanently connected to at least a portion of the web elements, which can be formed as a jacket tube. Instead of a casting process, an additive manufacturing process can also be used.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die Ausnehmungen des Einsatzmantelelements mit der Aussenkontur des Stegelements übereinstimmen. Das Stegelement kann gemäss diesem Ausführungsbeispiel durch die Ausnehmung des Einsatzmantelelements hindurchgeschoben werden und derart im Innenraum des Einsatzmantelelements positioniert werden. Gemäss diesem Ausführungsbeispiel kann das Stegelement mit dem Einsatzmantelelement durch Kleben, Löten, Schweissen, Klemmen, Einpressen, oder Einschrumpfen verbunden werden.Alternatively, there is also the possibility that the recesses of the insert casing element coincide with the outer contour of the bar element. The web element can be pushed through the recess of the insert casing element according to this embodiment and be positioned in the interior of the insert casing element. According to this embodiment, the web element with the Insert sheath element by gluing, soldering, welding, clamping, press-fitting, or shrinking can be connected.
Die Stegelemente weisen mindestens teilweise Stegelementkanäle auf, die im Betriebszustand von einem Wärmeträgerfluid durchströmbar sind. Die Stegelementkanäle stehen im Betriebszustand nicht in Verbindung mit dem fliessfähigen Medium, welches die Stegelemente umströmt. Die Stegelementkanäle erstrecken sich von einem ersten Ende des Stegelements zu einem zweiten Ende des Stegelements. Das Einsatzmantelelement enthält je einen korrespondierenden Einsatzmantelkanal, der mit dem ersten Ende und zweiten Ende des Stegelements in fluidleitender Verbindung steht, wobei der Übergang von zumindest einem der ersten und zweiten Enden des Stegelements zu dem jeweils korrespondierenden Einsatzmantelkanal im Einsatzmantelelement spaltfrei erfolgt.The web elements have at least partially web element channels, which can be flowed through by a heat transfer fluid in the operating state. The web element channels are not in the operating state in connection with the flowable medium, which flows around the web elements. The web element channels extend from a first end of the web element to a second end of the web element. The insert casing element in each case contains a corresponding insert casing channel which is in fluid-conducting connection with the first end and second end of the bar element, wherein the transition from at least one of the first and second ends of the bar element to the respectively corresponding insert casing channel in the insert casing element is gap-free.
Die Stegelementkanäle für das Wärmeträgerfluid in den Stegelementen können durch den früher beschriebenen Gussprozess oder ein additives Herstellungsverfahren hergestellt werden, aber auch durch nachträgliches Bearbeiten wie Erodieren oder Bohren erfolgen.The web element channels for the heat transfer fluid in the web elements can be produced by the previously described casting process or an additive manufacturing process, but also by subsequent processing such as eroding or drilling done.
Beim Gussverfahren wird zum Beispiel eine Gussform mittels eines Wachskörpers, Aufbringen einer keramischen Hülle auf den Wachskörper, anschliessendem Entfernen des Wachses und Brennen der keramischen Hülle hergestellt und gebrannte die keramische Hülle mit giessfähigem Material befüllt. Das giessfähige Material wird durch Abkühlen verfestigt und die keramische Hülle nach der Verfestigung des giessfähigen Materials entfernt. Die Vorrichtung kann aus beliebigen Materialien, die im Gussverfahren verarbeitet werden können, wie zum Beispiel Metall, Kunststoff oder Keramik hergestellt werden. Die Stegelemente sind vorteilhafterweise rechteckig ausgeführt, wobei die Kanten auch abgerundet sein können. Die Stegelemente können aber auch eine andere Querschnittsform aus der Gruppe der Kreise, Ellipsen, abgerundeten Vierecke oder Vielecke aufweisen. Die Querschnittflächen können in einem einzelnen Stegelement oder zwischen mehreren Stegelementen unterschiedlich sein, so können zum Beispiel die Stegelementdicke oder die Stegelementbreite variieren. Das Einsatzmantelelement kann einen beliebigen geschlossenen Querschnitt und/oder eine beliebige Geometrie aufweisen, beispielsweise als ein Rohr oder ein rechteckiger Kanal ausgebildet sein.In the casting process, for example, a casting is made by means of a wax body, applying a ceramic shell to the wax body, then removing the wax and firing the ceramic shell, and firing the ceramic shell with pourable material. The pourable material is solidified by cooling and the ceramic shell removed after the solidification of the castable material. The device can be made of any materials that can be processed by casting, such as metal, plastic or ceramic. The web elements are advantageously designed rectangular, the edges may also be rounded. However, the web elements can also have a different cross-sectional shape from the group of circles, ellipses, rounded squares or polygons. The cross-sectional areas may be different in a single web element or between a plurality of web elements, for example, the web element thickness or the web element width may vary. The insert casing element may have any closed cross-section and / or any desired geometry, for example as a tube or a rectangular channel.
Ein Wärmeträgerfluid kann eine beliebige Flüssigkeit wie zum Beispiel Wasser oder Öle aber auch ein Gas, wie Luft, umfassen.A heat transfer fluid may include any liquid such as water or oils but also a gas such as air.
Die Stegelemente können in einem Winkel von ungefähr 25 bis 75 Grad, insbesondere in einem Winkel von ungefähr 30 bis 60 Grad zur Hauptströmungsrichtung angeordnet sein. Die Stegelemente können Stegelementgruppen ausbilden, wobei die Stegelemente jeder Stegelementgruppe zueinander parallel angeordnet sein können. Die Stegelemente einer Stegelementgruppe können sich in einer gemeinsamen Gruppenebene befinden. Nach einem Ausführungsbeispiel kreuzen sich die ersten und zweiten Gruppenebenen. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel schliesst sich ein Stegelement der ersten Gruppe an ein Stegelement der zweiten Gruppe an. Benachbarte Stegelemente haben demzufolge gemäss diesem Ausführungsbeispiel eine unterschiedliche Ausrichtung, da sie zu verschiedenen Gruppen gehören.The web elements may be disposed at an angle of approximately 25 to 75 degrees, in particular at an angle of approximately 30 to 60 degrees to the main flow direction. The web elements can form web element groups, wherein the web elements of each web element group can be arranged parallel to one another. The web elements of a web element group can be located in a common group level. In one embodiment, the first and second group levels intersect. According to a further embodiment, a web element of the first group adjoins a web element of the second group. Accordingly, adjacent bar elements according to this embodiment have a different orientation, since they belong to different groups.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kreuzen sich benachbarte Stegelemente, da derart ein verbesserter Wärmeaustausch erzielbar ist. Der Winkel zwischen zwei sich kreuzenden Stegelementen beträgt vorteilhafterweise 25 bis 75 Grad. In einer Gruppe können beliebig viele Stegelemente nebeneinander angeordnet werden. Die Gruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittenachsen sämtlicher Stegelemente dieselbe oder im wesentlichen dieselbe Gruppenebene aufspannen. Insbesondere werden 2 bis 20 Stegelemente besonders bevorzugt 4 bis 12 Stegelemente parallel in einer Gruppe angeordnet.According to a preferred embodiment, adjacent web elements intersect, since such an improved heat exchange can be achieved. The angle between two intersecting web elements is advantageously 25 to 75 degrees. In a group as many web elements can be arranged side by side. The group is characterized in that the center axes of all web elements span the same or essentially the same group plane. In particular, 2 to 20 bar elements, particularly preferably 4 to 12 bar elements, are arranged in parallel in a group.
Es können beliebig viele Gruppen von Stegelementen in Hauptströmungsrichtung gesehen hintereinander angeordnet werden. Die hintereinander angeordneten Gruppen werden vorteilhafterweise derart angeordnet, dass sie überlappen, um so viel aktive Wärmeaustauschfläche in einem kleinen Apparatevolumen unterzubringen. Als Überlappen wird verstanden, dass mindestens ein Teil der Stegelemente einer ersten Gruppe und ein Teil der Stegelemente einer nachfolgenden Gruppe und/oder einer vorhergehenden Gruppe im gleichen Rohrabschnitt angeordnet sind, in Hauptströmungsrichtung gesehen. Die Projektion der Länge des Stegelements auf die Längsachse ergibt eine Länge L1 und die Projektion des überlappenden Teils der Stegelemente der benachbarten Gruppe auf die Längsachse ergibt eine Länge L2, wobei L2 kleiner als L1 ist und L2 grösser 0 ist. Der betrachtete Rohrabschnitt wird dabei so definiert, dass er die Länge L1 aufweist, das heisst sich von einem zentral angeordneten Stegelement von dessen ersten Ende zu dessen zweiten Ende in der Projektion auf die Längsachse erstreckt.Any number of groups of web elements in the main flow direction can be arranged one behind the other. The successively arranged groups are advantageously arranged so that they overlap so as to accommodate as much active heat exchange surface in a small apparatus volume. Overlapping means that at least a part of the web elements of a first group and a part of the web elements of a subsequent group and / or a preceding group are arranged in the same pipe section, viewed in the main flow direction. The projection of the length of the bar element on the longitudinal axis gives a length L1 and the projection of the overlapping part of the bar elements of the adjacent group on the longitudinal axis results in a length L2, where L2 is smaller than L1 and L2 is greater than 0. The considered pipe section is defined so that it has the length L1, that is, extends from a centrally disposed web element from the first end to the second end in the projection on the longitudinal axis.
Da die Mischwirkung in gleich ausgerichteten hintereinander angeordneten Gruppen von Stegelementen nur in einer Ebene stattfindet, wird nach einer gewissen Anzahl von Gruppen die Ausrichtung derart geändert, dass die Gruppen vorteilhafterweise zueinander versetzt angeordnet sind. Insbesondere werden zwei bis einschliesslich 20 Gruppen vorgesehen, besonders bevorzugt 4 bis einschliesslich 8 Gruppen. Die Versetzung zwischen den gleich ausgerichteten Gruppen erfolgt vorteilhafterweise um einen Winkel von 80 bis 100 Grad. Das heisst, dass die zweite Gruppe um die Längsachse um einen Winkel von 80 bis 100 Grad bezogen auf die erste Gruppe ausgerichtet ist.Since the mixing effect takes place in identically aligned groups of web elements arranged only in one plane, after a certain number of groups the orientation changed so that the groups are advantageously arranged offset from each other. In particular, two to 20 groups are provided, more preferably 4 to 8 groups included. The displacement between the identically aligned groups is advantageously carried out at an angle of 80 to 100 degrees. This means that the second group is aligned about the longitudinal axis by an angle of 80 to 100 degrees with respect to the first group.
Zusätzlich zu den vorgehend beschriebenen Gruppen von sich kreuzenden Stegelementen können speziell im Abschlussbereich von gleich ausgerichteten parallelen Gruppen von Stegelementen auch Gruppen angeordnet sein, die Stegelemente enthalten, die sich nur von der Innenwand des Mantelelements bis zur Kreuzungslinie mit der jeweils anderen Gruppe erstrecken. Nachfolgend werden diese Gruppen als halbe sich kreuzende Steggruppen bezeichnet. Diese Gruppen führen zu einer zusätzlichen Steigerung der Mischleistung. Durch die bessere Mischwirkung und die zusätzlichen Wärmeleitungseffekte des Stegmaterials wird auch der Wärmeaustausch zusätzlich erhöht.In addition to the previously described groups of intersecting web elements, it is also possible, particularly in the terminal area of equally aligned parallel groups of web elements, to arrange groups which comprise web elements which extend only from the inner wall of the jacket element to the intersection with the respective other group. Hereinafter, these groups will be referred to as half intersecting land groups. These groups lead to an additional increase in mixing performance. Due to the better mixing effect and the additional heat conduction effects of the web material, the heat exchange is additionally increased.
Nach einem Ausführungsbeispiel können die Stegelemente eine erste und eine zweite Gruppe ausbilden. Jede der ersten und zweiten Gruppen kann eine erste bzw. zweite Gruppenebene aufspannen. Insbesondere kann sich die erste Gruppenebene der ersten Gruppe mit der zweiten Gruppenebene der zweiten Gruppe derart kreuzen, dass eine gemeinsame Kreuzungslinie ausgebildet wird, welche einen Schnittpunkt mit der Längsachse hat oder im Wesentlichen quer zur Längsachse verläuft und/oder in einer Normalebene zur Kreuzungslinie, welche die Längsachse enthält, einen minimalen Abstand zur Längsachse aufweist. Nach einem Ausführungsbeispiel kann mindestens eine Gruppe von Stegelementen vorgesehen sein, die sich im Wesentlichen bis zur Kreuzungslinie erstrecken.
Die Stegelemente in einer ersten und zweiten Gruppe können sich gegenseitig berühren oder Zwischenräume aufweisen. Auch eine Verbindung der Zwischenräume mit quer zur Fluidströmungsrichtung angeordneten Verbindungsstegen ist möglich.According to one embodiment, the web elements may form a first and a second group. Each of the first and second groups may span a first and second group level, respectively. In particular, the first group level of the first group may intersect with the second group level of the second group such that a common intersection line is formed which has an intersection with the longitudinal axis or extends substantially transverse to the longitudinal axis and / or in a normal plane to the intersection line contains the longitudinal axis, has a minimum distance from the longitudinal axis. According to one embodiment, at least one group of web elements may be provided which extend substantially to the intersection line.
The web elements in a first and second group may touch each other or have gaps between them. Also, a connection of the intermediate spaces with transverse to the fluid flow direction arranged connecting webs is possible.
Das Wärmeträgerfluid wird vorteilhafterweise dem Mantelelement zugeführt und durchströmt einen im Mantelelement befindlichen Mantelkanal. Der Mantelkanal grenzt an das Zwischenmantelelement an. Das Zwischenmantelelement weist Öffnungen auf, die zu den Einsatzmantelkanälen führen. Von dort gelangt das Wärmeträgerfluid in mindestens einen Teil der Stegelementkanäle der Stegelemente. Dadurch kann nicht nur die Oberfläche der Innenwandung des Einsatzmantelelements, sondern auch die Oberfläche der gewärmten oder gekühlten Stegelemente als Wärmeaustauschfläche genutzt werden. Der Mantelkanal kann auf der Innenseite durch das Zwischenmantelelement und aussenseitig durch das Mantelelement gebildet sein. Im Mantelelement kann ein Zulauf sowie ein Ablauf für das Wärmeträgerfluid vorgesehen sein. Insbesondere kann das Mantelelement Anschlüsse für die Zuführung und Abführung des Wärmeträgerfluids enthalten. Der Mantelkanal kann mehrere Mantelelementkammern enthalten, wobei in zumindest einer Mantelelementkammer das Wärmeträgerfluid auf einen Teil der Zwischenmantelelementkanäle verteilt werden kann. In zumindest einer zweiten Mantelelementkammer kann das Wärmeträgerfluid von den Zwischenmantelelementkanälen gesammelt werden, sodass der Wärmetauscher möglichst gleichmässig durchströmt wird. Es können auch verschiedene Abschnitte oder Segmente des Wärmetauschers durch getrennte Mantelkanäle mit Wärmeträgerfluid durchströmt werden, sodass der Wärmetauscher unterschiedliche Abschnitte oder Segmente enthält, die von unterschiedlich temperierten Wärmeträgerfluid durchströmt werden können. Dies erlaubt eine unterschiedliche Temperaturführung in den einzelnen Segmenten. Es hat sich gezeigt, dass für eine hohe Wärmeübertragung in einem kleinen Apparatevolumen bei Mantelelementdurchmessern von 60 mm und mehr mindestens die Hälfte aller Stegelemente mit dem Wärmeträgerfluid durchströmt werden sollten.The heat transfer fluid is advantageously supplied to the jacket element and flows through a jacket channel located in the jacket element. The jacket channel adjoins the intermediate jacket element. The intermediate jacket member has openings leading to the insert jacket channels. From there, the heat transfer fluid enters at least part of the web element channels of the web elements. As a result, not only the surface of the inner wall of the insert casing element, but also the surface of the warmed or cooled web elements can be used as a heat exchange surface. The jacket channel may be formed on the inside by the intermediate jacket element and on the outside by the jacket element. In the jacket element can be provided an inlet and a drain for the heat transfer fluid. In particular, the jacket element may contain connections for the supply and removal of the heat carrier fluid. The jacket channel may contain a plurality of jacket element chambers, wherein in at least one jacket element chamber the heat transfer fluid can be distributed to a part of the intermediate jacket element channels. In at least one second jacket element chamber, the heat transfer fluid can be collected by the intermediate jacket element channels, so that the heat exchanger flows through as uniformly as possible. It is also possible for different sections or segments of the heat exchanger to be flowed through by separate jacket channels with heat transfer fluid, so that the heat exchanger contains different sections or segments, which can be flowed through by differently heated heat transfer fluid. This allows a different temperature control in the individual segments. It has been shown that, for a high heat transfer in a small apparatus volume with jacket element diameters of 60 mm and more, at least half of all web elements should be flowed through by the heat transfer fluid.
Es hat sich gezeigt, dass sowohl ein Gussverfahren, ein additives Herstellungsverfahren, ein Lötverfahren, ein Klebeverfahren, ein Einschrumpfverfahren, ein Klemmverfahren als auch ein Schweissverfahren kostengünstige Herstellungsverfahren für Stegelemente und einem spaltfrei monolithisch mit den Stegelementen verbundenen Einsatzmantelelement sein können, wenn das Einsatzmantelelement von einem Zwischenmantelelement umgeben ist, welches im Betriebszustand auch einer hohen Druckbelastung standhalten kann. Es kann dabei das Einsatzelement, umfassend das Einsatzmantelelement mit den entsprechenden Stegelementen in einem Stück hergestellt werden. Alternativ kann das Einsatzelement aus einzelnen Segmenten bestehen, die nachträglich zum Beispiel durch Schweissen oder geschraubte Flanschverbindungen oder durch Verspannen verbunden werden. Des Weiteren lassen sich sowohl für ein Schweissverfahren als auch für ein Gussverfahren die Aussengeometrie der Stegelemente und die Stegelementgeometrie sowie die Geometrie der Stegelementkanäle für das Wärmeträgerfluid leicht entkoppeln. So können für die Aussengeometrie der Stegelemente vorteilhafterweise rechteckige Profile verwendet werden und die Stegelementkanalgeometrie kann vorteilhafterweise als ein runder Querschnitt, das heisst insbesondere ein kreisförmiger oder ovaler Querschnitt gewählt werden. Daher können Stegelemente mit idealem Profil für die Quervermischung und/oder hoher Eigenfestigkeit für grosse maximale Fluiddrücke hergestellt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Stegelementkanäle für das Wärmeträgerfluid in den Stegelementen vorteilhaft nach dem Giessprozess durch Erodieren und noch vorteilhafter durch Bohren hergestellt werden, sodass auch Stegelementkanäle mit kleinen Durchmessern hergestellt werden können.It has been found that both a casting method, an additive manufacturing method, a soldering method, an adhesive method, a shrinking method, a clamping method and a welding method can be cost-effective manufacturing methods for web elements and a gap-free monolithically connected to the web elements insert shell element, when the insert shell element of a Surrounding intermediate element is surrounded, which can withstand a high pressure load in the operating state. It can be made in one piece, the insert element, comprising the insert casing element with the corresponding web elements. Alternatively, the insert element consist of individual segments, which are subsequently connected, for example, by welding or bolted flange connections or by bracing. Furthermore, the outer geometry of the web elements and the web element geometry as well as the geometry of the web element channels for the heat transfer fluid can be easily decoupled both for a welding process and for a casting process. Thus, for the outer geometry of the web elements advantageously rectangular profiles can be used and the web element channel geometry can advantageously be selected as a round cross-section, that is, in particular a circular or oval cross-section. Therefore, web elements with an ideal profile for cross-mixing and / or high inherent strength for large maximum fluid pressures can be produced. It has been shown that the web element channels for the heat transfer fluid in the web elements are advantageously produced after the casting process by erosion and even more advantageously by drilling, so that also web element channels with small diameters can be produced.
Es hat sich des Weiteren gezeigt, dass mit den erfindungsgemässen Gruppen von Stegelementen und speziell mit Gruppen, in denen sich benachbarte Stegelemente kreuzen, und/oder speziell mit überlappenden Gruppen von Stegelementen eine sehr gute Wärmeübertragung und/oder Mischleistung erzeugt werden kann. Insbesondere kann die Anordnung einer zweiten Gruppe, die um 80 bis 100 Grad zur ersten Gruppe versetzt ist, für einen guten Wärmeübergang förderlich sein. Überraschenderweise hat sich auch gezeigt, dass speziell das Anbringen von zusätzlichen Teilgruppen und speziell bei viskosen Fluiden eine weitere Verbesserung des Wärmeübergangs und/oder der Mischleistung erzielbar ist.It has further been shown that with the inventive groups of web elements and especially with groups in which adjacent web elements intersect, and / or especially with overlapping groups of web elements, a very good heat transfer and / or mixing performance can be produced. In particular, the arrangement of a second group, which is offset by 80 to 100 degrees to the first group, be conducive to a good heat transfer. Surprisingly, it has also been found that especially the attachment of additional subgroups and, especially with viscous fluids, a further improvement of the heat transfer and / or the mixing performance can be achieved.
Auch der Wärmeübergang und/oder die Mischleistung in der Nähe der Innenwand des Einsatzmantelelements ist durch den direkten Übergang der Stegelemente in das Einsatzmantelelement wesentlich verbessert, da auch an der Innenwand befindliche Grenzschichten des fliessfähigen Mediums an der Erzielung eines optimalen Wärmeübergangs oder einer homogenen Mischung beteiligt sind. Insbesondere kann nicht nur eine optimale Erneuerung der Grenzschichten zwischen fliessfähigem Medium und Einsatzmantelelement, sondern auch zwischen fliessfähigem Medium und Stegelementoberfläche erzeugt werden. Eine optimale Grenzschichterneuerung führt daher zu einer optimalen Nutzung der Wärmeaustauschfläche. Die optimale Nutzung der Wärmeaustauschfläche führt auch dazu, dass der Wärmetauscher für eine gegebene Kühl- oder Heizaufgabe mit sehr kleinem Apparatevolumen und mit sehr kleinem Druckverlust gebaut werden kann.Also, the heat transfer and / or the mixing performance in the vicinity of the inner wall of the insert casing element is substantially improved by the direct transition of the web elements in the insert shell element, as are also involved in the inner wall boundary layers of the flowable medium to achieve optimal heat transfer or a homogeneous mixture , In particular, not only an optimal renewal of the boundary layers between flowable medium and insert shell element, but also between flowable medium and web element surface can be generated. An optimal boundary layer renewal therefore leads to an optimal use of the heat exchange surface. The optimal use of the heat exchange surface also means that the heat exchanger can be built for a given cooling or heating task with very small apparatus volume and with very little pressure loss.
Dank des optimierten Wärmeübergangs zeigt der Wärmetauscher gemäss der Erfindung ein sehr enges Verweilzeitspektrum des zu heizenden oder kühlenden fliessfähigen Mediums. Dadurch können Ablagerungen oder Zersetzung von fliessfähigem Medium bestmöglich verhindert werden. Bei Kühlaufgaben, welche die Kühlung eines viskosen Fluids betreffen, wie zum Beispiel eines Polymers, kann dank der optimalen Erneuerung der Grenzschichten eine sehr niedrige Schmelzetemperatur nahe am Einfrierpunkt erreicht werden. Hierdurch wird insbesondere vermieden, dass sich verfestigtes Polymer an den Wärmeaustauschflächen ablagert. Der direkte Übergang der einzelnen Stegelemente in das Einsatzmantelelement und die Einhausung des Einsatzelementes in das Zwischenmantelelement führt zu einer sehr stabilen Konstruktion, die sich auch für die Betriebsweise mit hohen Fluidbetriebsdrücken eignet. Dadurch kann der erfindungsgemässe Wärmetauscher speziell zum Betrieb mit viskosen Fluiden sehr kompakt gebaut werden. Die Vorrichtung eignet sich grundsätzlich zum Mischen und Kühlen respektive Heizen von beliebigen fliessfähigen Medien wie Flüssigkeiten und Gasen, speziell aber für viskose und sehr viskose Fluide wie beispielsweise Polymere.Thanks to the optimized heat transfer, the heat exchanger according to the invention exhibits a very narrow residence time spectrum of the flowable medium to be heated or cooled. As a result, deposits or decomposition of flowable medium can be prevented as best as possible. In cooling tasks involving the cooling of a viscous fluid, such as a polymer, a very low melt temperature close to the point of freezing can be achieved thanks to the optimal renewal of the boundary layers. In this way, in particular, it is avoided that solidified polymer deposits on the heat exchange surfaces. The direct transition of the individual web elements in the insert casing element and the housing of the insert element in the intermediate casing element leads to a very stable construction, which is also suitable for the operation with high fluid operating pressures suitable. As a result, the inventive heat exchanger can be built very compact especially for operation with viscous fluids. The device is basically suitable for mixing and cooling respectively heating of any flowable media such as liquids and gases, but especially for viscous and very viscous fluids such as polymers.
Das Mantelelement, das Zwischenmantelelement sowie das Einsatzelement können giessfähige oder schweissbare Materialien enthalten, beispielsweise können Metalle, Keramik, Kunststoffe oder Kombinationen dieser Materialien zum Einsatz kommen.The jacket element, the intermediate jacket element and the insert element may contain castable or weldable materials, for example metals, ceramics, plastics or combinations of these materials may be used.
Ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers enthält die nachfolgenden Verfahrensschritte, wobei der Wärmetauscher ein Einsatzelement und ein Mantelelement enthält, wobei das Einsatzelement zumindest ein gegenüber der Hauptströmungsrichtung in einem Winkel ungleich null angeordnetes Stegelement und ein fest mit dem Stegelement verbundenes Einsatzmantelelement umfasst, wobei das Stegelement einen Stegelementkanal enthält, der im Betriebszustand von einem Wärmeträgerfluid durchströmt wird, welches nicht in Verbindung mit dem fliessfähigen Medium steht, welches das Stegelement umströmt. Der Stegelementkanal erstreckt sich von einem ersten Ende des Stegelements zu einem zweiten Ende des Stegelements. Das Mantelelement kann einen Mantelkanal enthalten, welcher mit dem Stegelementkanal in fluidleitender Verbindung steht. Zwischen dem Einsatzelement und dem Mantelelement ist ein Zwischenmantelelement angeordnet, welches einen ersten Zwischenmantelelementkanal und einen zweiten Zwischenmantelelementkanal enthält, der vom Wärmeträgerfluid durchströmt wird, sodass das Wärmeträgerfluid vom Mantelkanal durch den ersten Zwischenmantelelementkanal in den Stegelementkanal strömt, den Stegelementkanal durchströmt und vom Stegelementkanal durch den zweiten Zwischenmantelelementkanal in den Mantelkanal strömt.A method for operating a heat exchanger comprises the following method steps, wherein the heat exchanger comprises an insert element and a jacket element, wherein the insert element comprises at least one web element arranged at a non-zero angle relative to the main flow direction and an insert jacket element fixedly connected to the web element, wherein the web element has a Includes web element channel, which is flowed through in the operating state of a heat transfer fluid, which is not in communication with the flowable medium, which flows around the web element. The web element channel extends from a first end of the web element to a second end of the web element. The jacket element may include a jacket channel which is in fluid communication with the bridge element channel. Between the insert element and the jacket element, an intermediate jacket element is arranged which contains a first intermediate jacket element channel and a second intermediate jacket element channel through which the heat transfer fluid flows, so that the heat transfer fluid flows from the jacket channel through the first intermediate jacket element channel into the bridge element channel, flows through the bridge element channel and through the second element Zwischenmantelelementkanal flows into the jacket channel.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, welcher einen Einsatzelement und ein Mantelelement enthält, wobei das Einsatzelement zumindest ein gegenüber der Hauptströmungsrichtung in einem Winkel ungleich null angeordnetes Stegelement und ein fest mit dem Stegelement verbundenes Einsatzmantelelement umfasst die nachfolgenden Verfahrensschritte. Das Stegelement und das Einsatzmantelelement werden durch ein Klebeverfahren, Lötverfahren, Gussverfahren, additives Herstellungsverfahren, ein Schweissverfahren, Klemmverfahren oder ein Einschrumpfverfahren oder Kombinationen davon hergestellt. Das Stegelement enthält einen Stegelementkanal, der durch das Gussverfahren gemeinsam mit dem Einsatzmantelelement hergestellt wird oder in einem weiteren Arbeitsschritt mittels eines Bohrverfahrens oder eines Erosionsverfahrens hergestellt wird. Ein Stegelementkanal erstreckt sich von einem ersten Ende des Stegelements zu einem zweiten Ende des Stegelements, wobei der Einsatzelement im Mantelelement positioniert wird. Das Mantelelement kann einen Mantelkanal enthalten, welcher im zusammengebauten Zustand mit dem Stegelementkanal in fluidleitender Verbindung steht. Zwischen dem Einsatzelement und dem Mantelelement wird ein Zwischenmantelelement angeordnet, welches einen ersten Zwischenmantelelementkanal und einen zweiten Zwischenmantelelementkanal enthält, wobei das Zwischenmantelelement derart im Mantelelement positioniert wird und der Einsatzelement derart im Zwischenmantelelement positioniert wird, dass das Wärmeträgerfluid vom Mantelkanal durch den ersten Zwischenmantelelementkanal in den Stegelementkanal strömen kann, den Stegelementkanal durchströmen und vom Stegelementkanal durch den zweiten Zwischenmantelelementkanal in den Mantelkanal strömen kann.A method for producing a heat exchanger, which includes an insert element and a jacket element, wherein the insert element has at least one web element arranged at a non-zero angle relative to the main flow direction and an insert jacket element fixedly connected to the web element comprises the following method steps. The ridge member and the insert shell member are produced by an adhesive method, a soldering method, a casting method, an additive manufacturing method, a welding method, a clamping method or a shrink-in method, or combinations thereof. The web element includes a web element channel which is produced by the casting process together with the insert shell element or in one further work step by means of a drilling process or an erosion process is produced. A web element channel extends from a first end of the web element to a second end of the web element, wherein the insert element is positioned in the shell element. The jacket element may include a jacket channel, which in the assembled state is in fluid-conducting connection with the web element channel. Between the insert element and the jacket element, an intermediate shell element is arranged, which contains a first intermediate shell element channel and a second intermediate shell element channel, wherein the intermediate shell element is positioned in the shell element and the insert element is positioned in the intermediate shell element such that the heat transfer fluid from the shell channel through the first Zwischenmantelelementkanal in the web element channel can flow through the web element channel and can flow from the web element channel through the second intermediate shell element channel into the shell channel.
Die Verwendung eines Zwischenmantelelements hat verschiedene Vorteile. So kann das Einsatzelement wesentlich dünner und leichter hergestellt werden. Daher kann für das Einsatzelement ein anderer Werkstoff, zum Beispiel ein höherwertiger Werkstoff, verwendet werden als für den das Zwischenmantelelement. Insbesondere kann das Einsatzelement einen Werkstoff enthalten, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit oder eine hohe Beständigkeit gegen Chemikalien, beispielsweise Korrosionsbeständigkeit, aufweist. Das Einsatzelement kann einteilig zusammen mit den Stegelementen durch ein additives Herstellungsverfahren oder Gussverfahren hergestellt werden. Da die Herstellung des Einsatzelements sehr aufwendig ist, kann es als Halbfabrikat an Lager gelegt werden und das Zwischenmantelelement kann je nach Anwendungsfall und Nominaldruck auf die erforderliche Wandstärke angepasst werden. Das Mantelelement, welches das Zwischenmantelelement umgibt, kann als ein weiterer Doppelmantel ausgebildet sein, durch den das Wärmeträgerfluid im Betriebszustand strömt. Das Wärmeträgerfluid gelangt durch die Öffnungen im Mantelelement und im Zwischenmantelelement sowie im Einsatzmantelelement zu mindestens einem der Stegelemente, sodass es das oder die Stegelemente durchströmen kann.The use of an intermediate shell element has several advantages. Thus, the insert element can be made much thinner and lighter. Therefore, for the insert element, a different material, for example, a higher quality material can be used, as for the intermediate shell element. In particular, the insert element can contain a material which has a high thermal conductivity or a high resistance to chemicals, for example corrosion resistance. The insert member may be integrally formed with the web members by an additive manufacturing process or casting process. Since the production of the insert element is very expensive, it can be placed as a semi-finished stock and the intermediate casing element can be adjusted depending on the application and nominal pressure to the required wall thickness. The jacket element, which surrounds the intermediate jacket element, can be designed as a further double jacket, through which the heat transfer fluid flows in the operating state. The heat transfer fluid passes through the openings in the jacket element and in the intermediate jacket element and in the insert jacket element to at least one of the web elements, so that it can flow through the web element or elements.
Nachfolgend wird der erfindungsgemässe Wärmetauscher anhand einiger Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen
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Fig. 1a : einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher nach einem ersten Ausführungsbeispiel, -
Fig. 1b : einen Radialschnitt durch den Wärmetauscher gemässFig. 1a , -
Fig. 2a : einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, -
Fig. 2b : einen Radialschnitt durch den Wärmetauscher gemässFig. 2a , -
Fig. 3a : einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher nach einem dritten Ausführungsbeispiel, -
Fig. 3b : einen Radialschnitt durch den Wärmetauscher gemässFig. 3a , -
Fig. 4a : einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher nach einem vierten Ausführungsbeispiel, -
Fig. 4b einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher nach einem fünften Ausführungsbeispiel, -
Fig. 4c : einen Radialschnitt durch den Wärmetauscher gemässFig. 4a oder Fig. 4b .
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Fig. 1a FIG. 3: a longitudinal section through a heat exchanger according to a first exemplary embodiment, FIG. -
Fig. 1b : a radial section through the heat exchanger accordingFig. 1a . -
Fig. 2a FIG. 3: a longitudinal section through a heat exchanger according to a second embodiment, FIG. -
Fig. 2b : a radial section through the heat exchanger accordingFig. 2a . -
Fig. 3a FIG. 3: a longitudinal section through a heat exchanger according to a third exemplary embodiment, FIG. -
Fig. 3b : a radial section through the heat exchanger accordingFig. 3a . -
Fig. 4a FIG. 3: a longitudinal section through a heat exchanger according to a fourth exemplary embodiment, FIG. -
Fig. 4b a longitudinal section through a heat exchanger according to a fifth embodiment, -
Fig. 4c : a radial section through the heat exchanger accordingFig. 4a or Fig. 4b ,
Unter der Länge eines Stegelements 9 wird die Abmessung vom ersten Ende 13 bis zum zweiten Ende 14 des Stegelements 9 entlang seiner Mittenachse verstanden. Unter der Dicke des Stegelements wird die Abmessung normal zur Mittenachse von einer Kante zur gegenüberliegenden Kante verstanden. Insbesondere kann die Dicke bei rohrförmigen Stegelementen dem Durchmesser des Stegelements 9 entsprechen.The length of a
Der Stegelementkanal 11 kann am ersten Ende 13 des Stegelements 9 in einen ersten Einsatzmantelkanal 32 münden. Der erste Einsatzmantelkanal 32 verläuft durch das Einsatzmantelelement 31 von dessen Innenwand zu dessen Aussenwand. Der Einsatzmantelkanal 32 kann sich gemäss dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in radialer Richtung erstrecken.The
Der Stegelementkanal 11 kann am zweiten Ende 14 des Stegelements 9 in einen zweiten Einsatzmantelkanal 33 münden. Der zweite Einsatzmantelkanal 33 verläuft durch das Einsatzmantelelement 31 von dessen Innenwand zu dessen Aussenwand.The
Die erste Gruppe 6 von Stegelementen 9 erstreckt sich entlang einer gemeinsamen ersten Gruppenebene. Die Gruppenebene enthält die Längsachse eines im Inneren des Stegelements 9 verlaufenden Stegelementkanals 11, wenn der Stegelementkanal 11 derart angeordnet ist, dass seine Längsachse mit der Mittenachse des Stegelements 9 zusammenfällt. In der vorliegenden Darstellung verläuft die Gruppenebene normal zur Zeichnungsebene.The
Die zweite Gruppe 7 von Stegelementen erstreckt sich entlang einer zweiten gemeinsamen Gruppenebene. Die zweite Gruppenebene ist in gleicher Weise definiert wie die erste Gruppenebene. Die ersten und zweiten Gruppenebenen kreuzen sich. In der vorliegenden Darstellung kreuzen sie sich genau auf der Längsachse 4 des Einsatzelementes 3. Ein Stegelement 9 der ersten Gruppe schliesst an ein Stegelement 10 der zweiten Gruppe an. Das Stegelement 9 ist somit kreuzweise zum Stegelement 10 angeordnet. Die Stegelemente der ersten Gruppe 6 wechseln somit mit den Stegelementen der zweiten Gruppe 7 ab. Das Stegelement 9 ist entlang seiner Längsachse geschnitten, sodass eine Hälfte des Stegelementkanals 11 sichtbar ist. Das Stegelement 10 befindet sich in Bezug auf die Zeichnungsebene hinter dem Stegelement 9. Es ist daher nicht geschnitten und der durch das Stegelement 10 verlaufende Stegelementkanal 12 ist nur mittels einer strichlierten Linie dargestellt. Der Stegelementkanal 11 des Stegelements 9 der ersten Gruppe verläuft von einem ersten Ende 13 zu einem zweiten Ende 14 des Stegelements. Der Stegelementkanal 11, 12 kann eine Querschnittsfläche in der Form eines Rundelements aufweisen. Das Rundelement kann ein Element aus der Gruppe der Kreise, Ellipsen, abgerundeten Vierecke oder Vielecke umfassen.The
Gemäss einem Ausführungsbeispiel kreuzt sich die Gruppenebene der ersten Gruppe 6 mit der Gruppenebene der zweiten Gruppe 7 derart, dass eine gemeinsame Kreuzungslinie ausgebildet wird, welche einen Schnittpunkt mit der Längsachse 4 hat oder im Wesentlichen quer zur Längsachse verläuft und/oder in einer Normalebene zur Kreuzungslinie, welche die Längsachse enthält, einen minimalen Abstand zur Längsachse aufweist. Durch diese Anordnung haben die Stegelemente 9, 10 eine in Bezug auf die Schnittebene symmetrische Konfiguration, sodass der Wärmeaustausch in dem oberhalb der Längsachse gelegenen Teilbereich des Raums im Wesentlichen gleich gut erfolgt wie im unterhalb der Längsachse gelegenen Teilbereich des Raums.According to one exemplary embodiment, the group level of the
Die erste und zweite Gruppenebene ist in einem Winkel von 25 bis 75 Grad zur Längsachse 4 angeordnet. In der vorliegenden Darstellung beträgt der Winkel 30 bis 60 Grad zur Längsachse 4, in vielen Fällen im Wesentlichen 45 Grad zur Längsachse 4.The first and second group planes are arranged at an angle of 25 to 75 degrees to the
Das Mantelelement 2 enthält einen Mantelkanal 21, der mehrere Mantelelementkammern 22, 23 enthalten kann. Der Mantelkanal 21 enthält eine Zuleitung 24 und eine Ableitung 25 für ein Wärmeträgerfluid. Die Zuleitung 24 kann einen Zulaufstutzen umfassen. Die Ableitung 25 kann einen Ablassstutzen umfassen. Der Mantelkanal 21 enthält einen Verteilerkanal für die Verteilung des Wärmeträgerfluids auf eine Mehrzahl von Zwischenelementkanälen 51 und einen Sammelkanal für die Zusammenführung des Wärmeträgerfluids von einer Mehrzahl an Zwischenelementkanälen 52. Beispielsweise steht je ein Zwischenmantelelementkanal 51 und je ein Zwischenmantelelementkanal 52 mit je einem Einsatzelementmantelkanal 32 bzw. einem Einsatzelementmantelkanal 33 mit dem ersten und zweiten Ende 13, 14 des Stegelements in fluidleitender Verbindung. Für jedes der Stegelemente 9, 10, das einen Stegelementkanal 11, 12 enthält, bildet der Einsatzmantelkanal 32 einen Zuleitungskanal aus, welcher das Wärmeträgerfluid dem entsprechenden Stegelementkanal 11, 12 im Stegelement 9, 10 zuführt und der Einsatzmantelkanal 33 bildet einen Ableitungskanal aus, welcher das Wärmeträgerfluid vom Stegelementkanal 11, 12 im entsprechenden Stegelement 9, 10 in den Zwischenmantelelementkanal 52 und die Mantelelementkammer 23 leitet. In
Der Übergang des Stegelementkanals 11, 12 von zumindest einem der ersten und zweiten Enden 13, 14 des Stegelements 9, 10 zu dem jeweils korrespondierenden Einsatzmantelkanal 32, 33 im Einsatzmantelelement 31 des Einsatzelementes 3 erfolgt spaltfrei. Die Stegelemente 9, 10 des Einsatzelementes 3 können demnach als ein einziges Bauteil ausgebildet sein, welches beispielsweise durch ein Schweissverfahren, ein Schrumpfverfahren oder durch ein Gussverfahren oder additives Herstellungsverfahren herstellbar ist.The transition of the
Damit die Stegelemente 9, 10 und die entsprechenden Stegelementkanäle 11, 12 insbesondere im Gussverfahren fehlerfrei, insbesondere lunkerfrei, hergestellt werden können, und zur Optimierung der Strömung des fliessfähigen Mediums ausserhalb der Stegelemente oder auch zur Optimierung der Strömung des Wärmeträgerfluids in den Stegelementkanälen 11, 12 sowie den Einsatzmantelkanälen 32, 33 können die Übergänge vom Einsatzmantelelement 31 zum Stegelementkanal 11, 12 mit Rundungen versehen sein, was zeichnerisch nicht dargestellt ist. Jede der Rundungen kann insbesondere einen Radius von mindestens 0.5 mm bis 10 mm aufweisen.So that the
Es können beliebig viele Gruppen 6, 7, 16, 17 von Stegelementen in Hauptströmungsrichtung gesehen hintereinander angeordnet werden. Das Einsatzelement 3 kann auch nur aus einer ersten Gruppe 6 und einer zweiten Gruppe 7 von Stegelementen bestehen. Daher werden in der Beschreibung die erste Gruppe 6 und die zweite Gruppe 7 stellvertretend für eine Mehrzahl weiterer gleichartiger erster oder zweiter Gruppen angesehen. Wie viele Gruppenpaare im Einzelfall vorgesehen sind, hängt von der konkreten Wärmeaustausch- und/oder Mischaufgabe ab. Das heisst, wenn in den folgenden Unterlagen nur die erste und die zweite Gruppe beschrieben sind, kann daraus nicht abgeleitet werden, dass nur dieses besondere Ausführungsbeispiel offenbart ist, vielmehr sollen Ausführungsbeispiele mit einer Mehrzahl von Gruppenpaaren, wobei jedes dieser Gruppenpaare aus je einer ersten und einer zweiten Gruppe besteht, von dieser Beschreibung mit erfasst sein. Der Einfachheit halber wird die Beschreibung auf eines der Gruppenpaare beschränkt.Any number of
Jede der Gruppen kann den gleichen Aufbau wie die vorhergehende Gruppe aufweisen, der Aufbau benachbarter Gruppen kann sich auch voneinander unterscheiden. Jedes der in
Es können auch zumindest teilweise Gruppen verwendet werden, deren Stegelemente keinen Stegelementkanal enthalten. Des Weiteren können Stegelemente vorgesehen sein, die Teilgruppen ausbilden. Ein Stegelement einer derartigen Teilgruppe kann sich beispielsweise nur vom Einsatzmantelelement 31 bis zur Längsachse 4 erstrecken, was zeichnerisch nicht dargestellt ist. Derartige Teilgruppen können insbesondere am Anfang oder Ende des Einsatzelementes 3 ausgebildet sein. Teilgruppen können insbesondere zur Vermeidung von Lücken, dienen, die auftreten, wenn mehrere Wärmetauscher in Serie angeordnet werden. Wenn eine derartige Lücke bestehen bleibt, werden dem fliessfähigen Medium weniger Umlenkungsmöglichkeiten geboten und demzufolge kann sich der Wärmetausch verschlechtern oder verringern.It is also possible, at least in part, to use groups whose web elements do not contain a web element channel. Furthermore, web elements may be provided which form subgroups. A web element of such a subgroup can extend, for example, only from the
Nach einer Variante können die das Ende des Einsatzelementes ausbildenden Teilgruppen auch Stegelementkanäle enthalten.According to a variant, the subgroups forming the end of the insert element may also include web element channels.
Die Stegelementkanäle 11, 12 verlaufen im Inneren der Stegelemente 9, 10, sodass keine Verbindung zwischen den Stegelementkanälen im Inneren der Stegelemente und dem Raum, welcher die Stegelemente umgibt, besteht. Der Raum enthält im Betriebszustand das fliessfähige Medium.The
Die hintereinander angeordneten Gruppen können derart angeordnet sein, dass sie überlappen, um so viel aktive Wärmeaustauschfläche wie möglich in dem vom Mantelelement 2 gebildeten Volumen bereitzustellen. Unter Überlappen ist zu verstehen, dass mindestens ein Teil der Stegelemente einer ersten Gruppe und ein Teil der Stegelemente einer nachfolgenden Gruppe und/oder ein Teil der Stegelemente einer vorhergehenden Gruppe im gleichen in Hauptströmungsrichtung gesehenen Rohrabschnitt angeordnet sind. Die Projektion der Länge des Stegelements auf die Längsachse ergibt eine Länge L1 und die Projektion des überlappenden Teils der Stegelemente der benachbarten Gruppe auf die Längsachse ergibt eine Länge L2, wobei L2 kleiner als L1 ist und L2 grösser 0 ist. Der betrachtete Rohrabschnitt wird dabei so definiert, dass er die Länge L1 aufweist, das heisst das Hüllvolumen des zentral angeordneten Stegelements 9 darstellt. Das Hüllvolumen ist bei einem zylinderförmigen Mantelelement mit kreisförmigem Querschnitt ein Hüllzylinder, bei einem Mantelelement mit rechteckigem oder vieleckigem Querschnitt ein Hüllquader.The successively arranged groups may be arranged to overlap so as to provide as much active heat exchange surface as possible in the volume formed by the
Im linksseitigen Teil der
Im rechtsseitigen Teil der
Gemäss einer zweiten Variante erstreckt sich die Längsachse des Zwischenmantelelementkanals 52 in im Wesentlichen radialer Richtung. Daher wird zwischen dem Einsatzmantelkanal 32 und dem Zwischenmantelelementkanal 52 ein Knick ausgebildet, was auf der unteren Seite der
Das Stegelement 9 und das Stegelement 10 sind gemäss dieser Variante in einem Winkel von ungleich 90 Grad zueinander angeordnet, was in
Ein erstes Einsatzelement 3 gemäss
Das erste Mantelelement 2 und/oder der erste Einsatzelement 3 können in Bezug auf das zweite Mantelelement 2 und das zweite Einsatzelement 3 um einen Winkel von 20 Grad bis 90 Grad gedreht sein. Die Zufuhr von Wärmeträgerfluid zum Mischraum erfolgt über eine nicht dargestellte erste Zuleitung und dessen Abfuhr über eine nicht dargestellte erste Ableitung. Weil das zweite Mantelelement 2 und/oder der zweite Einsatzelement 3 in seiner Gesamtheit um einen Winkel von 20 Grad bis 90 Grad zum ersten Mantelelement 2 verdreht ist, können auch der zweite Zulauf und der zweite Ablauf um einen Winkel von 20 Grad bis 90 Grad verdreht sein.The
Die Anordnung der Stegelemente zueinander kann in beliebigen Winkeln erfolgen. Stegelemente beliebiger Querschnittsfläche können miteinander in einem Einsatzelement 3 kombiniert werden. Insbesondere kann sich auch jedes Stegelement 9 einer Gruppe 6 von den anderen Stegelementen derselben Gruppe unterscheiden. Insbesondere kann sich jedes Stegelement 10 einer Gruppe 7 den anderen Stegelementen derselben Gruppe unterscheiden. Auch die Stegelemente der Gruppe 6 können sich von den Stegelementen der Gruppe 7 unterscheiden.The arrangement of the web elements to each other can be done at any angle. Web elements of any cross-sectional area can be combined with each other in an
Eine Mehrzahl gleichartiger oder unterschiedlicher Stegelemente 9 kann entlang der ersten Gruppenebene angeordnet sein. Eine Mehrzahl gleichartiger oder unterschiedlicher Stegelemente 10 kann entlang der zweiten Gruppenebene angeordnet sein. Der Winkel, welchen die dargestellte Schnittlinie der ersten Gruppenebene in der Zeichnungsebene gemäss einer der
Benachbarte Gruppen können wahlweise parallele Gruppenebenen aufweisen oder auch unterschiedliche Winkel zur Längsachse 4 einschliessen.Adjacent groups may optionally have parallel group planes or may include different angles to the
Gemäss einer weiteren nicht dargestellten Variante können sich mehr als zwei Gruppen kreuzen und auch über gemeinsame Verbindungselemente untereinander verbunden sein. Die Verbindungselemente können beispielsweise Querstege umfassen. Ein Stegelement kann auch aus einer Mehrzahl von Stegelementabschnitten bestehen. Beispielsweise können benachbarte Stegelementabschnitte einen Winkel zueinander einschliessen. Es wäre auch möglich, dass der erste Stegelementabschnitt und der zweite Stegelementabschnitt über einen gekrümmten Abschnitt miteinander verbunden sind, wobei auch diese Variante zeichnerisch nicht dargestellt ist.According to another variant, not shown, more than two groups may intersect and also be interconnected via common connecting elements. The connecting elements may for example comprise transverse webs. A web element can also consist of a plurality of web element sections. For example, adjacent web element sections can enclose an angle to one another. It would also be possible for the first web element section and the second web element section to be connected to one another via a curved section, wherein this variant is also not illustrated in the drawing.
Die Erfindung ist nicht auf die vorliegenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Stegelemente können sich in ihrer Anzahl und in ihren Abmessungen unterscheiden. Des Weiteren kann sich die Anzahl der Stegelementkanäle in den Stegelementen je nach dem geforderten Wärmebedarf für die Wärmeübertragung unterscheiden. Auch können die Neigungswinkel, den die Gruppen zur Längsachse einschliessen, je nach Anwendung variieren. Es können auch mehr als zwei Einsatzelemente hintereinander angeordnet werden.The invention is not limited to the present embodiments. The web elements can differ in their number and in their dimensions. Furthermore, the number of web element channels in the web elements can differ depending on the required heat requirement for the heat transfer. Also, the angles of inclination which the groups include to the longitudinal axis may vary depending on the application. It can also be arranged in succession more than two insert elements.
Für den Fachmann ist offensichtlich, dass viele weitere Modifikationen zusätzlich zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich sind, ohne vom erfinderischen Konzept abzuweichen. Der Gegenstand der Erfindung wird somit durch die vorangehende Beschreibung nicht eingeschränkt und ist durch den Schutzbereich bestimmt, der durch die Ansprüche festgelegt ist. Für die Interpretation der Ansprüche oder der Beschreibung ist die breitest mögliche Lesart der Ansprüche massgeblich. Insbesondere sollen die Begriffe "enthalten" oder "beinhalten" derart interpretiert werden, dass sie sich auf Elemente, Komponenten oder Schritte in einer nicht-ausschliesslichen Bedeutung beziehen, wodurch angedeutet werden soll, dass die Elemente, Komponenten oder Schritte vorhanden sein können oder genutzt werden können, dass sie mit anderen Elementen, Komponenten oder Schritten kombiniert werden können, die nicht explizit erwähnt sind. Wenn die Ansprüche sich auf ein Element oder eine Komponente aus einer Gruppe beziehen, die aus A, B, C... N Elementen oder Komponenten bestehen kann, soll diese Formulierung derart interpretiert werden, dass nur ein einziges Element dieser Gruppe erforderlich ist, und nicht eine Kombination von A und N, B und N oder irgendeiner anderen Kombination von zwei oder mehr Elementen oder Komponenten dieser Gruppe.It will be apparent to those skilled in the art that many other modifications are possible in addition to the described embodiments without departing from the inventive concept. The object of the invention is thus not limited by the foregoing description and is determined by the scope of protection defined by the claims. For the interpretation of the claims or the description is the widest possible reading of the claims. In particular, the terms "contain" or "include" are to be interpreted as referring to elements, components or steps in a non-exclusive sense, which is intended to indicate that the elements, components or steps may be present or used can be combined with other elements, components, or steps that are not explicitly mentioned. If the claims refer to an element or component from a group which may consist of A, B, C ... N elements or components, that formulation should be interpreted as requiring only a single element of that group, and not a combination of A and N, B and N, or any other combination of two or more elements or components of this group.
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