EP4089357B1

EP4089357B1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: EP4089357B1
Application number: EP21172934.8A
Authority: EP
Inventors: Rolf Heusser
Original assignee: Promix Solutions AG
Current assignee: Promix Solutions AG
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2021-05-10
Publication date: 2025-09-03
Anticipated expiration: 2041-05-10
Also published as: EP4089357A1; CN115325858A; EP4089357C0; US20220357108A1; US12209812B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Temperierung eines Fluids. Der Wärmetauscher enthält ein Mantelelement und ein Einsatzelement. Das Mantelelement des Wärmetauschers ist zur Aufnahme eines Wärmeträgerfluids bestimmt. Das Mantelelement bildet einen umfangsseitig geschlossenen Fluidkanal für ein Fluid aus, welches im Gebrauchszustand durch den Wärmetauscher strömt und durch den Wärmeaustausch mit dem Mantelelement erwärmt oder abgekühlt wird. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs ist ein derartiges Mantelelement oftmals als Doppelmantel ausgeführt. Der Doppelmantel stellt eine Kammer dar, die von einem Wärmeträgerfluid durchströmt werden kann.

Stand der Technik

Beispielsweise ist im Dokument EP3444097 A2 ein Kühlelement und ein Mischelement für eine Kunststoffschmelze gezeigt. Mittels des vorbekannten Mischelements erfolgt eine Mischung der Kunststoffschmelze und mittels des Kühlelements eine Kühlung der Kunststoffschmelze. Das Kühlelement weist einen Doppelmantel auf, um die Wandströmung, d.h. die nahe der Innenwand des Mantelelements fliessende Kunststoffschmelze, zu kühlen. Wenn die Kunststoffschmelze auf das Mischelement trifft, welches in die Kernströmung ragt und hierzu über ein entsprechendes Leitelement verfügt, kann die Wandströmung und die Kernströmung miteinander vermischt werden. Die an der Wand entlang strömende Kunststoffschmelze wird durch das Leitelement derart umgelenkt, dass sie in die Kernströmung eingeführt wird, wodurch ein Wärmetausch zwischen der gekühlten Wandströmung und der Kernströmung ermöglicht ist.
EP 2851118 A1 offenbart einen Wärmetauscher gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Wenn der Wärmeübergang über den Doppelmantel nicht für die Temperierung des Fluids ausreicht, können, wie in der EP 2851118 A1 gezeigt ist, Stege vorgesehen sein, durch welche das im Doppelmantel befindliche Wärmeträgerfluid hindurchströmen kann. Die Stege sind derart angeordnet, dass sie den Fluidkanal durchqueren. Die Stege enthalten Kanäle für das Wärmeträgerfluid, die mit der durch den Doppelmantel gebildeten Kammer in fluidleitender Verbindung stehen. Es hat sich herausgestellt, dass mit diesen Stegen der Wärmeübergang zwischen dem Fluid und dem Wärmeträgerfluid verbessert werden kann. Zusätzlich kann mittels der Stege ein Mischeffekt erzielt werden, das heisst, dass beispielsweise ein aus mehreren Komponenten bestehendes Fluid zusätzlich durch die als Mischereinsatz ausgebildeten Stege durchmischt werden kann, was den Mischeffekt im Vergleich zu herkömmlichen Rohrbündelwärmetauschern, siehe beispielsweise DE 199 53 612 A1 , verbessert. Derartige Stegelemente werden auch in der EP3 489 603 A1 verwendet. Für die Kühlung von Schüttgütern können auch Kühlkanäle in Form von Rohren mit kreisförmigem Querschnitt gemäss WO2018/023101 A1 oder EP 1 123730 A2 oder in Form von Rohren mit quadratischem Querschnitt gemäss DE 296 18 460 U1 oder in Form von Kühlkanälen mit zick-zack-artiger Querschnittsform gemäss EP 0 004 081 A2 vorgesehen werden. Es ist aus EP 3 431 911 A1 auch bekannt, mehrfach verzweigte, aus Rohrstücken bestehende Hohlstrukturen in einem Rohr anzuordnen. Die Hohlstrukturen werden von einem Wärmeträgerfluid durchströmt, beispielsweise Öl, und die Hohlstrukturen werden von einem kompressiblen Fluid umströmt, beispielsweise Luft.
In sämtlichen vorbekannten Lösungen, die fluiddurchströmte Stegelemente oder Rohre zeigen, wird das Wärmeträgerfluid über einen Verteilerkanal auf die Stegelemente oder Rohre verteilt und gelangt von den Stegelementen oder Rohren in einen Sammelkanal. Der Verteilerkanal enthält somit nur einen einzigen Zulauf und die Eintrittsöffnungen für die Stegelemente, der Sammlerkanal enthält sämtliche Austrittsöffnungen der Stegelemente und einen einzigen Ablauf. Es hat sich jedoch gezeigt, dass das durch die Stegelemente oder Rohre strömende Wärmeträgerfluid die Stege mit stark unterschiedlichen Geschwindigkeiten durchströmt. Die Eintrittsöffnungen der Stegelemente sind im Verteilerkanal konstruktionsbedingt in unterschiedlichen Abständen zum Zulauf angeordnet. Die Austrittsöffnungen der Stegelemente sind im Sammlerkanal konstruktionsbedingt in unterschiedlichen Abständen zum Ablauf angeordnet. Bedingt durch die konstruktive Anordnung der Eintrittsöffnungen im Verteilerkanal bzw. der Austrittsöffnungen im Sammlerkanal ergeben sich somit unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten für das Wärmeträgerfluid. Daher lässt sich mit einer Zunahme der Anzahl der Stegelemente, wie beispielsweise in der EP 1 123 730 A2 gezeigt, oder einer Vergrösserung des fluiddurchströmten Querschnitts der Stegelemente, wie in der EP 0 004 081 A2 offenbart, nicht unbedingt eine weitere Verbesserung des Wärmeübergangs erzielen, weil die konstruktionsbedingten unterschiedlichen Abstände und damit die unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten selbst bei einer Zunahme der Stegelemente oder einer Vergrösserung des fluiddurchströmten Querschnitts der Stegelemente erhalten bleiben.

Aufgabe der Erfindung

Daher ist es Aufgabe, der Erfindung, sicherzustellen, dass möglichst alle Kammern sowie die Stegelementkanäle vom Wärmeträgerfluid gleichmässig durchströmt werden. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, den Druckverlust des durch die Stegelemente strömenden Wärmeträgerfluids möglichst gering zu halten bzw. auf den tiefst möglichen Wert zu reduzieren, um Energiekosten für Fördermittel und/oder Druckerhöhungsmittel, beispielsweise für Pumpen, zu reduzieren.

Beschreibung der Erfindung

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen Wärmetauscher gemäss Anspruch 1. Vorteilhafte Varianten des Wärmetauschers sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 11. Ein Verfahren zur Temperierung eines Fluids mittels eines Wärmetauschers mit den Merkmalen von Anspruch 1 ist Gegenstand von Anspruch 12. Vorteilhafte Verfahrensvarianten sind Gegenstand der Ansprüche 13 bis 15.
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.
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.
Wenn in der nachfolgenden Beschreibung der Begriff «Fluid» verwendet wird, steht dieser Begriff auch für «fliessfähiges Medium» oder «Fluidgemisch».
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Wärmetauscher gelöst, der ein Mantelelement und ein Einsatzelement umfasst, wobei das Mantelelement einen Fluidkanal für ein zu temperierendes Fluid ausbildet. Das Einsatzelement ist im Fluidkanal angeordnet. Das Einsatzelement enthält eine Mehrzahl von Stegelementen, die mit dem Mantelelement an unterschiedlichen Stellen verbunden sind. Die Stegelemente sind in zumindest einer ersten Stegelementreihe und einer zweiten Stegelementreihe angeordnet. Die Stegelemente jeder der ersten und zweiten Stegelementreihen sind zueinander im Wesentlichen parallel angeordnet. Die Winkel, welchen die Stegelemente verschiedener Stegelementreihen mit der Längsachse des Mantelelements einschliessen, unterscheiden sich. Zumindest ein Teil der Stegelemente enthält Stegelementkanäle, die mit dem Mantelelement in fluidleitender Verbindung stehen, sodass im Betriebszustand ein Wärmeträgerfluid, welches dem Mantelelement zugeführt wird, die Stegelementkanäle der Stegelemente durchströmen kann. Das Mantelelement enthält eine Mehrzahl von Kammern für das Wärmeträgerfluid, wobei jede der Kammern mindestens eine Eintrittsöffnung und mindestens eine Austrittsöffnung für das Wärmeträgerfluid enthält oder als Verteilungskammer oder als Sammelkammer ausgebildet ist. Die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung der Kammer ist mit den Stegelementkanälen von je zwei Stegelementen verbunden, die derselben Stegelementreihe angehören, wenn die Kammer nicht als Verteilungskammer oder Sammelkammer ausgebildet ist. Insbesondere sind die Stegelementkanäle der Stegelemente einer Stegelementreihe, die zueinander benachbart sind, über die entsprechende Kammer fluidleitend verbunden.
Die Stegelemente können in zumindest zwei Stegelementscharen angeordnet sein, wobei die Stegelemente jeder Stegelementschar zueinander im Wesentlichen parallel angeordnet sind. Die Winkel, welchen die Stegelemente verschiedener Stegelementscharen mit der Längsachse des Wärmetauschers einschliessen, unterscheiden sich zumindest teilweise. Zumindest ein Teil der Stegelemente enthält die Stegelementkanäle, die mit dem Mantelelement in fluidleitender Verbindung stehen, sodass im Betriebszustand ein Wärmeträgerfluid, welches dem Mantelelement zugeführt wird, die Stegelementkanäle der Stegelemente durchströmen kann. Zumindest eine der Kammern kann eine Mehrzahl von Eintrittsöffnungen und mindestens zwei Austrittsöffnungen oder eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen und mindestens zwei Eintrittsöffnungen für das Wärmeträgerfluid enthalten. Somit kann zumindest ein Teil der Kammern eine Mehrzahl von Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen enthalten. Gemäss eines Ausführungsbeispiels enthält mindestens eine der Kammern eine einzige Eintrittsöffnung und eine einzige Austrittsöffnung für das Wärmeträgerfluid. Somit kann zumindest ein Teil der Kammern eine Mehrzahl von Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen enthalten und ein Teil der Kammern eine einzige Eintrittsöffnung und eine einzige Austrittsöffnung enthalten.
Insbesondere können zumindest eine erste und eine zweite Stegelementschar vorgesehen sein. Die erste Stegelementschar enthält die Stegelemente der ersten Stegelementreihen, deren Mittenachsen eine gemeinsame erste Stegelementebene aufspannen. Die zweite Stegelementschar enthält die Stegelemente der zweiten Stegelementreihen, deren Mittenachsen eine gemeinsame zweite Stegelementebene aufspannen. Die erste Stegelementebene ist insbesondere in einem ersten Scharwinkel von -30 Grad bis -75 Grad zur Längsachse angeordnet. Die zweite Stegelementebene ist insbesondere in einem zweiten Scharwinkel von 30 Grad bis 75 Grad zur Längsachse angeordnet. Die Stegelemente der ersten Stegelementschar sind zueinander parallel ausgerichtet, das heisst die Stegelemente der ersten Stegelementschar weisen zueinander die gleiche Ausrichtung auf. Die Stegelemente der zweiten Stegelementschar sind zueinander parallel ausgerichtet, das heisst die Stegelemente der zweiten Stegelementschar weisen zueinander die gleiche Ausrichtung auf. Die Ausrichtung der Stegelemente der ersten Stegelementschar unterscheidet sich von der Ausrichtung der Stegelemente der zweiten Stegelementschar. Gemäss der in den Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellten exemplarischen Ausführungsbeispielen sind je acht erste Stegelementscharen und je acht zweite Stegelementscharen gezeigt.
Selbstverständlich kann eine beliebige Anzahl erster Stegelementscharen und zweiter Stegelementscharen vorgesehen sein. Jede der ersten und zweiten Stegelementscharen kann eine unterschiedliche Anzahl Stegelemente enthalten. Die Anzahl der Stegelemente jeder Stegelementschar kann insbesondere mindestens zwei betragen. Selbstverständlich können mehr als zwei Stegelementscharen vorgesehen sein, wobei die Stegelemente jeder der Stegelementscharen untereinander gleiche Ausrichtung aufweisen, aber zu den Stegelementen jeder anderen Stegelementschar eine unterschiedliche Ausrichtung aufweisen. Beispielsweise können die Stegelemente von drei Stegelementscharen gemäss der Fig. 10 der EP 1 123 730 A2 ausgerichtet sein.
Gemäss eines Ausführungsbeispiels sind die Eintrittsöffnungen und die Austrittsöffnungen, die sich in derselben Kammer befinden, zu Stegelementen unterschiedlicher Stegelementscharen gehörig. Die Distanz, welche das Fluid zwischen der Eintrittsöffnung und der nächstliegenden Austrittsöffnung in derselben Kammer zurücklegt, entspricht der Distanz zwischen zwei Eintrittsöffnungen benachbarter gleichgerichteter Stegelementscharen. Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen unterschiedlicher Stegelementscharen können in einer gemeinsamen Kammer zusammengefasst sein, wenn sie zu Stegelementreihen gehören, deren Stegelemente zueinander parallel ausgerichtet sind.
Insbesondere kann das Mantelelement ein Zulauf für das Wärmeträgerfluid enthalten. Insbesondere kann das Mantelelement ein Ablauf für das Wärmeträgerfluid enthalten. Gemäss eines Ausführungseispiels können zumindest ein Teil der Kammern zumindest teilweise voneinander durch Trennwände getrennt sein.
Gemäss eines Ausführungsbeispiels steht jede der Kammern über die Stegelementkanäle mit mindestens einer weiteren Kammer in fluidleitender Verbindung für das Wärmeträgerfluid. Insbesondere können die Eintrittsöffnungen und/oder Austrittsöffnungen unterschiedlicher Kammern zumindest teilweise über Stegelemente miteinander verbunden sein, die durch den Fluidkanal verlaufen. Gemäss dieses Ausführungsbeispiels fliesst somit mindestens ein Teil des Wärmeträgerfluids sequenziell durch mehrere Mischkammern. Das Wärmeträgerfluid kann in jeder der Kammern, die mehrere Eintrittsöffnungen und mehrere Austrittsöffnungen aufweisen, jeweils neu gemischt und verteilt werden. Insbesondere ist es möglich, dass das Wärmeträgerfluid in der Verteilungskammer und der Sammelkammer quer zu der Fliessrichtung des Fluids strömt.
Gemäss eines Ausführungsbeispiels kann sich jede der Kammern über einen Teil des Umfangs des Mantelelements erstrecken. Somit können mehrere Kammern nebeneinander am Umfang des Mantelelements angeordnet werden. Insbesondere kann die Länge der Kammer grösser als deren Breite sein. Gemäss eines Ausführungsbeispiels kann die Breite der Kammer maximal halb so gross wie die Länge der Kammer sein. Die Länge der Kammer wird gemäss dieses Ausführungsbeispiels parallel zur Längsachse des Wärmetauschers gemessen. Die Breite der Kammer wird in einer Normalebene zu der Längsachse des Wärmetauschers gemessen. Als eine Normalebene wird hierbei eine Ebene bezeichnet, die in einem rechten Winkel, das heisst, in einem Winkel von 90 Grad, zur Längsachse des Wärmetauschers angeordnet ist. Die Breite kann sich entlang einer Geraden erstrecken, wenn der Wärmetauscher rechteckig ist. Die Breite der Kammer kann sich auch entlang einer Krümmungsline erstrecken, beispielsweise als ein Kreissegment ausgebildet sein, wenn der Wärmetauscher als Zylinder ausgebildet ist.
Gemäss eines Ausführungsbeispiels ist mindestens ein Teil der Stegelemente in einem Winkel ungleich 90 Grad zur Längsachse des Wärmetauschers ausgerichtet. Die Längsachse des Wärmetauschers entspricht der Hauptströmungsrichtung des Fluids. Insbesondere kann sich der Winkel der Stegelemente voneinander unterscheiden, insbesondere kann zumindest ein erstes Stegelement kreuzweise zu einem zweiten Stegelement angeordnet sein.
Jede der Kammern kann eine Länge und eine Breite und eine Höhe aufweisen. Die Länge der Kammer ist deren Abmessung parallel zur Fliessrichtung des Fluids, also parallel zur Längsachse des Wärmetauschers. Die Breite der Kammer entspricht der Abmessung quer zur Fliessrichtung des Fluids, also die Abmessung der Kammer, gemessen in einer Normalebene zur Längsachse des Wärmetauschers. Mit anderen Worten, die Normalebene ist im rechten Winkel zur Längsachse des Wärmetauschers angeordnet. Die Höhe der Kammer entspricht dem Abstand der Aussenwand des Mantelelements zur Innenwand des Mantelelements. Das Verhältnis der Breite einer Kammer zur Länge der Kammer kann insbesondere im Bereich von 0.1 bis 0.5 betragen. Das heisst, die Länge der Kammer ist gemäss dieses Ausführungsbeispiels doppelt bis 10mal so gross wie deren Breite. Die Kammern können beispielsweise als Ausnehmungen im Mantelelement ausgebildet sein. Die Kammern können auch als Aufbauten des Mantelelements ausgebildet sein. Die Kammern können durch Metallguss hergestellt werden.
Gemäss eines Ausführungsbeispiels gehören die Eintrittsöffnungen und die Austrittsöffnungen, welche sich in derselben Kammer befinden, zu Stegelementen unterschiedlicher Stegelementscharen. Gemäss eines Ausführungsbeispiels sind mindestens je vier erste Stegelementreihen und je vier zweite Stegelementreihen nebeneinander angeordnet. Beispielsweise können die mindestens vier ersten Stegelementreihen und die mindestens vier zweiten Stegelementreihen im Fluidkanal angeordnet sein, sodass sie im Betriebszustand vom Fluid umströmt werden können. Insbesondere können gleich viele erste Stegelementreihen wie zweite Stegelementreihen vorgesehen sein.
Gemäss eines Ausführungsbeispiels enthält mindestens eine der ersten oder zweiten Stegelementreihe mindestens zehn Stegelemente. Die Stegelemente je einer der ersten oder der zweiten Stegelementreihen sind insbesondere derart mit den Kammern verbunden, dass das Wärmeträgerfluid im Betriebszustand die Kammern und die Stegelementkanäle der zugehörigen ersten oder zweiten Stegelementreihe sequenziell, das heisst nacheinander, durchströmen kann. Die Kammern und die Stegelementkanäle der zugehörigen ersten oder zweiten Stegelementreihe werden somit seriell durchströmt.
Ein Verfahren zur Temperierung eines Fluids umfasst das Temperieren des Fluids mittels eines Wärmetauschers, wobei der Wärmetauscher ein Mantelelement und ein Einsatzelement umfasst, wobei das Fluid in einem von einem Mantelelement umschlossenen Fluidkanal strömt. Das Einsatzelement ist im Fluidkanal angeordnet, wobei das Einsatzelement eine Mehrzahl von Stegelementen enthält, die mit dem Mantelelement an unterschiedlichen Stellen verbunden sind. Die Stegelemente sind in zumindest einer ersten Stegelementreihe und einer zweiten Stegelementreihe angeordnet, wobei die Stegelemente jeder der ersten Stegelementreihen und der zweiten Stegelementreihen zueinander im Wesentlichen parallel angeordnet sind. Die Winkel, welchen die Stegelemente verschiedener Stegelementreihen mit der Längsachse des Wärmetauschers einschliessen, unterscheiden sich zumindest teilweise. Zumindest ein Teil der Stegelemente enthält Stegelementkanäle, die mit dem Mantelelement in fluidleitender Verbindung stehen, sodass im Betriebszustand ein Wärmeträgerfluid, welches dem Mantelelement zugeführt wird, die Stegelementkanäle der Stegelemente durchströmen kann. Das Mantelelement enthält eine Mehrzahl von Kammern für ein Wärmeträgerfluid, wobei jede der Kammern zumindest eine Eintrittsöffnung und mindestens eine Austrittsöffnung für das Wärmeträgerfluid enthält, sodass das Wärmeträgerfluid jede der Kammern und die Stegelementkanäle) durchströmt.
Insbesondere können die Eintrittsöffnungen und/oder Austrittsöffnungen unterschiedlicher Kammern über Stegelemente miteinander verbunden sein, die durch den Fluidkanal verlaufen, sodass ein Wärmeübergang zwischen dem Wärmeträgerfluid und dem Fluid über die Innenwand des Mantelelements und die Stegelemente erfolgt, wenn das Wärmeträgerfluid durch die Kammern und die Stegelementkanäle der Stegelemente strömt. Gemäss verschiedener Varianten des Verfahrens durchströmt das Wärmeträgerfluid die Kammern und/oder die Stegelementkanäle in Strömungsrichtung des Fluids und/oder entgegen der Strömungsrichtung des Fluids. Gegebenenfalls kann eine Verteilungskammer, eine Sammelkammer oder eine Umlenkkammer vorgesehen sein, in welcher das Wärmeträgerfluid quer zur Strömungsrichtung des Fluids strömen kann. Gemäss einer Verfahrensvariante strömt das Wärmeträgerfluid von einer Austrittsöffnung einer der Kammern zu einer Eintrittsöffnung in die jeweils nachfolgende Kammer durch einen der Stegelementkanäle, welcher in einem der Stegelemente angeordnet ist, welches im Fluidkanal angeordnet ist, sodass das Wärmeträgerfluid die Kammern sequenziell, das heisst eine Kammer nach der anderen Kammer durchströmt.
Gemäss einer Verfahrensvariante strömt das Wärmeträgerfluid von einer Austrittsöffnung einer der Kammern zu einer Eintrittsöffnung in die jeweils nachfolgende Kammer durch einen der Stegelementkanäle, welcher in einem der Stegelemente angeordnet ist, welches im Fluidkanal angeordnet ist, sodass das Wärmeträgerfluid die Stegelementkanäle der Stegelemente der Stegelementreihe sequenziell durchströmt.
Gemäss einer Verfahrensvariante kann das Wärmeträgerfluid in der Kammer im Wesentlichen entlang der Verbindungsgerade zwischen den Mittelpunkten der in die Kammer führenden Eintrittsöffnungen und der aus der Kammer führenden Austrittsöffnungen strömen, wobei die Verbindungsgerade in einem Winkel zur Mittenachse des Stegelementkanals angeordnet ist, wobei der Winkel im Bereich von 30 Grad bis einschliesslich 160 Grad liegt. Insbesondere kann das Wärmeträgerfluid in den Stegelementkanälen in Fliessrichtung oder entgegen der Fliessrichtung des Fluids strömen.
Die Erfindung betrifft somit 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 von Fluiden, wobei die Fluide beispielsweise viskose oder hochviskose Fluide, insbesondere Polymere umfassen können. 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.
Wärmetauscher werden in vielen Bereichen der verarbeitenden Industrie eingesetzt. Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann ein Fluid über zumindest ein ortsfestes Einsatzelement bewegt werden. Das Einsatzelement enthält üblicherweise Einbauelemente, welche eine Umlenkung des Fluidstroms 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 Fluid durch Erzeugen eines Druckgradienten durchströmt. Der Druckgradient kann beispielsweise durch den Einsatz von Pumpen erzeugt werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird der erfindungsgemässe Wärmetauscher anhand einiger Ausführungsbeispiele dargestellt.
Es zeigen

Fig. 1a eine Ansicht eines Wärmetauschers nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 1b eine Variante des Wärmetauschers gemäss Fig. 1a in einer Schnittdarstellung,
Fig. 2 eine Ansicht eines Wärmetauschers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 eine Ansicht eines Wärmetauschers nach einem dritten Ausführungsbeispiel.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1a zeigt eine Ansicht eines Wärmetauschers 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Wärmetauscher gemäss Fig. 1 umfasst ein Mantelelement 2 und ein Einsatzelement 3. Das Einsatzelement 3 und das Mantelelement 2 sind getrennt voneinander gezeichnet, im zusammengebauten Zustand befindet sich das Einsatzelement 3 im Inneren des Mantelelements 2. In dieser Darstellung ist das Mantelelement 2 als transparentes Bauteil dargestellt, sodass sämtliche im Mantelelement 2 befindliche Mantelelementkanäle sichtbar sind. Der Wärmetauscher 1 zum statischen Mischen und Wärmeaustausch gemäss Fig. 1a enthält somit ein Mantelelement 2 und ein Einsatzelement 3, wobei das Einsatzelement 3 im Einbauzustand im Inneren des Mantelelements 2 angeordnet ist. Das Mantelelement 2 ist als Hohlkörper ausgestaltet. Das Einsatzelement 3 ist im Mantelelement, das heisst, im Hohlkörper aufgenommen. Das Mantelelement 2 weist eine Längsachse 4 auf, die sich im Wesentlichen in Hauptströmungsrichtung des Fluids erstreckt, welches das Mantelelement 2 im Betriebszustand durchströmt. Eine mögliche Fliessrichtung des Fluids ist durch Pfeile dargestellt, die in Richtung der Längsachse 4 verlaufen. Die Längsachse 4 verläuft durch den Mittelpunkt des Öffnungsquerschnitts des Mantelelements. Gemäss der vorliegenden Darstellung weist das Mantelelement 2 einen rechteckigen Öffnungsquerschnitt auf. Die Längsachse 4 verläuft somit durch den Schnittpunkt der Diagonalen des Rechtecks.
Das Einsatzelement 3 enthält eine Mehrzahl von Stegelementen 9, 10. Gemäss des vorliegenden Ausführungsbeispiels weisen die Stegelemente 9 und die Stegelemente 10 einen unterschiedlichen Neigungswinkel in Bezug auf die Längsachse 4 auf. Gemäss des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind eine Mehrzahl von Stegelementen 9 in Strömungsrichtung des Fluids hintereinanderliegend angeordnet und bilden eine erste Stegelementreihe 41 aus. Eine Mehrzahl von Stegelementen 10 sind in Strömungsrichtung des Fluids hintereinanderliegend angeordnet und bilden eine zweite Stegelementreihe 42 aus. Der Einfachheit halber bezeichnen die Bezugszeichen 9, 10 nur je eines der Stegelemente der entsprechenden ersten oder zweiten Stegelementreihe 41, 42. Ein Einsatzelement 3 kann eine Mehrzahl von ersten und/oder zweiten Stegelementreihen 41, 42 umfassen. Das dargestellte Einsatzelement 3 enthält zwei erste Stegelementreihen 41, 43 sowie zwei zweite Stegelementreihen 42, 44. Gemäss eines nicht dargestellten Ausführungsbeispiels kann je eine einzige erste und zweite Stegelementreihe vorgesehen sein. Die Anzahl der ersten und zweiten Stegelementreihen kann auch grösser als eins oder zwei sein. Gemäss des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist die erste Stegelementreihe 41 neben der zweiten Stegelementreihe 42 angeordnet. Die erste Stegelementreihe 43 ist neben der zweiten Stegelementreihe 44 angeordnet. Die Ausrichtung der Stegelemente 9 jeder ersten Stegelementreihe 41, 43 ändert sich somit in Bezug auf die Ausrichtung der Stegelemente 10 der jeweils benachbarten zweiten Stegelementreihe 42, 44.
Jedes der Stegelemente 9 weist ein erstes Ende 13 und ein zweites Ende 14 auf, wobei das erste Ende 13 und das zweite Ende 14 des Stegelements 9 mit dem Mantelelement 2 an unterschiedlichen Orten verbunden sind. Das Stegelement 9 enthält einen Stegelementkanal 11. Der Stegelementkanal 11 ist in der vorliegenden Darstellung nur teilweise dargestellt. Jedes der Stegelemente 10 weist ein erstes Ende 15 und ein zweites Ende 16 auf, wobei das erste Ende 15 und das zweite Ende 16 des Stegelements 10 mit dem Mantelelement 2 an unterschiedlichen Orten verbunden sind. Das Stegelement 10 enthält einen Stegelementkanal 12. Der Stegelementkanal 12 ist in der vorliegenden Darstellung nur teilweise dargestellt. Derartige Stegelementkanäle 11,12 sind bereits aus der EP 2851118 A1 sowie der EP 3489603 A1 oder der unveröffentlichten EP 20207057.9 bekannt. Die in diesen Dokumenten offenbarten Stege sind als beispielhaft für eine Vielzahl weiterer möglicher Stegformen anzusehen. Das erfindungsgemässe Mantelelement kann für eine beliebige Anzahl, Anordnung oder Form der Stegelemente zum Einsatz kommen. Der Stegelementkanal 11 erstreckt sich vom ersten Ende 13 des Stegelements 9 zum zweiten Ende 14 des Stegelements 9. Der Stegelementkanal 12 erstreckt sich vom ersten Ende 15 des Stegelements 10 zum zweiten Ende 16 des Stegelements 10. Die Stegelemente 9 können kreuzweise zu den Stegelementen 10 angeordnet sein. Die Stegelemente 9 können einen ersten Neigungswinkel in Bezug auf die Längsachse 4 aufweisen. Die Stegelemente 10 können einen zweiten Neigungswinkel in Bezug auf die Längsachse 4 aufweisen.
Das Mantelelement 2 enthält mindestens einen Zulauf 6 sowie einen Ablauf 7 für ein Wärmeträgerfluid, welches den Wärmetauscher im Betriebszustand durchströmt. Das Mantelelement 2 ist zumindest teilweise als Hohlkörper, beispielsweise als Doppelmantel, ausgebildet. Im Innenraum des Mantelelements 2 befindet sich eine Mehrzahl von Kammern 20. Diese Kammern 20 werden im Betriebszustand vom Wärmeträgerfluid durchströmt. Der Strömungsverlauf des Wärmeträgerfluids durch das Mantelelement 2 sowie das Einsatzelement 3 innerhalb der Stegelementkanäle 11, 12 ist in der vorliegenden Darstellung durch strichpunktierte Linien mit je zwei Punkten zwischen zwei benachbarten Strichen dargestellt sowie durch strichlierte Linien dargestellt. Der Doppelmantel kann durch eine äussere Hülle und eine innere Hülle gebildet werden. Die Kammern 20 können durch Trennwände, welche sich zwischen der äusseren Hülle und der inneren Hülle erstrecken, ausgebildet sein. Die Kammern 20 können auch als Ausnehmungen im Mantelelement 2 ausgebildet sein. Alternativ oder in Kombination mit den vorgenannten Ausführungsbeispielen können die Kammern 20 als Aufbauten des Mantelelements 2 ausgebildet sein.
Zumindest eine der Kammern 20 kann als Verteilungskammer 21 zur Verteilung des Wärmeträgerfluids ausgebildet sein. Zumindest eine der Kammern 20 kann als Sammelkammer 22 zum Austrag des Wärmeträgerfluids ausgebildet sein. Die Verteilungskammer 21 ist mit einem Zulauf 6 und die Sammelkammer 22 mit einem Ablauf 7 verbindbar. Gemäss des vorliegenden Ausführungsbeispiels mündet der Zulauf 6 in die Verteilungskammer 21. Der Zulauf 6 enthält ein Rohrelement, enthaltend einen Eintrittskanal für das Wärmeträgerfluid. Gemäss des vorliegenden Ausführungsbeispiels verlässt das Wärmeträgerfluid den Wärmetauscher 1 über den Ablauf 7, der an die Sammelkammer 22 anschliesst. Der Ablauf 7 enthält ein Rohrelement, enthaltend einen Austrittskanal für das Wärmeträgerfluid.
Gemäss Fig. 1a erstreckt sich die Kammer 20 von der Eintrittsöffnung 5 bis zur Austrittsöffnung 8 für das Wärmeträgerfluid, welches im Betriebszustand das Mantelelement 2 durchströmt. Eine Mehrzahl derartiger Kammern 20 erstreckt sich gemäss dieses Ausführungsbeispiels in einer Reihe über zumindest einen Teil der Länge des Mantelelements 2. Die äussersten Kammern 20 werden durch die Verteilungskammer 21 und die Sammelkammer 22 ausgebildet. Die Kammern 20 sind gemäss dieses Ausführungsbeispiels auf der Grundfläche und der Deckfläche des Mantelelements 2 angeordnet. Zwischen benachbarten Kammern 20 befindet sich eine Trennwand 30, sodass das Wärmeträgerfluid nicht in benachbarte Kammern strömen kann. Die Kammern 20 enthalten mindestens eine Eintrittsöffnung 5 und eine Austrittsöffnung 8 für das Wärmeträgerfluid, welches im Betriebszustand das Mantelelement 2 durchströmt.
Gemäss dieses Ausführungsbeispiels strömt das Wärmeträgerfluid in der Stegelementreihe 42 und in der Stegelementreihe 44 zuerst im Kreuz-Gegenstrom und anschliessend im Kreuz-Gleichstrom zum Fluid. Das Wärmeträgerfluid strömt in der Stegelementreihe 41 und in der Stegelementreihe 43 zuerst im Kreuz-Gleichstrom und anschliessend im Kreuz-Gegenstrom zum Fluid. Gemäss eines nicht dargestellten Ausführungsbeispiels ist die Strömungsrichtung des Wärmeträgerfluids umgekehrt, d.h. die Positionen des Zulaufs 6 und des Ablaufs 7 sind vertauscht. Gemäss eines nicht dargestellten Ausführungsbeispiels ist die Fliessrichtung des Fluids umkehrt, das heisst die Strömungsrichtung des Fluids erfolgt entgegengesetzt zur Pfeilrichtung.
Fig. 1b zeigt eine Variante des Wärmetauschers gemäss Fig. 1a in einer Schnittdarstellung. Gemäss Fig. 1b sind nur eine erste Stegelementreihe 41 und eine zweite Stegelementreihe 42 gezeigt, welche das Einsatzelement 3 ausbilden. Die erste Stegelementreihe 41 enthält zwei Stegelemente 9, von denen jeweils nur eines mit Bezugszeichen versehen ist. Die zweite Stegelementreihe 42 enthält zwei Stegelemente 10, von denen jeweils nur eines mit Bezugszeichen versehen ist. Jedes der Stegelemente 9 enthält einen Stegelementkanal 11, der sich von einem ersten Ende 13 zu einem zweiten Ende 14 des entsprechenden Stegelements 9 erstreckt. Jedes der Stegelemente 10 enthält einen Stegelementkanal 12, der sich von einem ersten Ende 15 zu einem zweiten Ende 16 des entsprechenden Stegelements 10 erstreckt.
Das Mantelelement 2 enthält eine Mehrzahl von Kammern 20, von denen ebenfalls nur eine einzige Kammer 20 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Eine dieser Kammern 20 ist in der Schnittdarstellung aufgeschnitten dargestellt. Über die Kammer 20 sind zwei Stegelementkanäle 11 von zwei benachbarten Stegelementen 9 der ersten Stegelementreihe 41 miteinander verbunden. Eine weitere Kammer 20 ist hinter der im Schnitt gezeichneten Kammer 20 dargestellt. Über die weitere Kammer 20 sind zwei Stegelementkanäle 12 von zwei benachbarten Stegelementen 10 der zweiten Stegelementreihe 42 miteinander verbunden. Zudem ist in Fig. 1b ein Zulauf 6 und ein Ablauf 7 für ein Wärmeträgerfluid 17 gezeigt. Die Fliessrichtung des Wärmeträgerfluids 17 durch die Kammern 20 und die Stegelementkanäle 11, 12 der Stegelemente 9, 10 ist in Fig. 1b durch Pfeile gekennzeichnet. Die Fliessrichtung eines Fluids 18, welches im vom Mantelelement 2 ausgebildeten Fluidkanal strömt, ist ebenfalls mit Pfeilen gekennzeichnet.
Zudem sind eine Verteilungskammer 21 und eine Sammelkammer 22 gezeigt. In der Verteilungskammer 21, welche teilweise geschnitten dargestellt ist, wird das durch den Zulauf 6 zugeführte Wärmeträgerfluid 17 in die Stegelementkanäle 11 der Stegelemente 9 einer ersten Stegelementschar sowie in die Stegelementkanäle 12 der Stegelemente 10 einer zweiten Stegelementschar eingeleitet. Der Stegelementkanal 11 mündet in die Kammer 20. Das Wärmeträgerfluid 17 durchströmt die Kammer 20 und wird in den Stegelementkanal 11 des Stegelements 9 einer zur ersten Stegelementschar parallelen weiteren Stegelementschar eingeleitet.
Gemäss Fig. 1b sind eine erste und eine zweite Stegelementschar vorgesehen. Die erste Stegelementschar enthält die Stegelemente 9 der ersten Stegelementreihe 41, deren Mittenachsen jeweils eine gemeinsame erste Stegelementebene aufspannen. Die zweite Stegelementschar enthält die Stegelemente der zweiten Stegelementreihen, deren Mittenachsen eine gemeinsame zweite Stegelementebene aufspannen. Eine der ersten Stegelementebenen ist in Fig. 1b dargestellt. Die erste Stegelementebene enthält die Stegelementmittenachse 23 des ersten Stegelementkanals 11 des Stegelements 9. Die erste Stegelementebene ist insbesondere in einem ersten Scharwinkel 25 von -30 Grad bis -75 Grad zur Längsachse 4 angeordnet. Die Stegelemente der ersten Stegelementschar sind zueinander parallel ausgerichtet, das heisst die Stegelemente der ersten Stegelementschar weisen zueinander die gleiche Ausrichtung auf.
Eine der zweiten Stegelementebenen ist in Fig. 1b dargestellt. Die zweite Stegelementebene enthält die Stegelementmittenachse 24 des zweiten Stegelementkanals 12 des Stegelements 10. Die zweite Stegelementebene ist insbesondere in einem zweiten Scharwinkel 26 von 30 Grad bis 75 Grad zur Längsachse 4 angeordnet. Die Stegelemente der zweiten Stegelementschar sind zueinander parallel ausgerichtet, das heisst die Stegelemente der zweiten Stegelementschar weisen zueinander die gleiche Ausrichtung auf.
Die Ausrichtung der Stegelemente der ersten Stegelementschar unterscheidet sich von der Ausrichtung der Stegelemente der zweiten Stegelementschar. In Fig. 1b sind je zwei erste Stegelementscharen und je zwei zweite Stegelementscharen dargestellt. Selbstverständlich kann eine beliebige Anzahl erster Stegelementscharen und zweiter Stegelementscharen vorgesehen sein. Jede der ersten und zweiten Stegelementscharen kann eine unterschiedliche Anzahl Stegelemente enthalten. Die Anzahl der Stegelemente jeder Stegelementschar kann insbesondere mindestens zwei betragen. Selbstverständlich können mehr als zwei Stegelementscharen vorgesehen sein, wobei die Stegelemente jeder der Stegelementscharen untereinander gleiche Ausrichtung aufweisen, aber zu den Stegelementen jeder anderen Stegelementschar eine unterschiedliche Ausrichtung aufweisen. Beispielsweise können die Stegelemente von drei Stegelementscharen gemäss der Fig. 10 der EP 1 123 730 A2 ausgerichtet sein.
Gemäss der in den Fig. 1a, Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten exemplarischen Ausführungsbeispiele sind je acht erste Stegelementscharen und je acht zweite Stegelementscharen gezeigt.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht eines Wärmetauschers 100 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Wärmetauscher 100 gemäss Fig. 2 umfasst ein Mantelelement 102 und ein Einsatzelement 103. Das Einsatzelement 103 und das Mantelelement 102 sind getrennt voneinander gezeichnet, im zusammengebauten Zustand befindet sich das Einsatzelement 103 im Inneren des Mantelelements 102. In der Darstellung gemäss Fig. 2 ist das Mantelelement 102 als transparentes Bauteil dargestellt, sodass sämtliche im Mantelelement 102 befindliche Mantelelementkanäle sichtbar sind. Der Wärmetauscher 100 zum statischen Mischen und Wärmeaustausch gemäss Fig. 2 enthält somit ein Mantelelement 102 und ein Einsatzelement 103, wobei das Einsatzelement 103 im Einbauzustand im Inneren des Mantelelements 102 angeordnet ist. Das Mantelelement 102 ist teilweise als Hohlkörper ausgestaltet. Das Einsatzelement 103 ist im Mantelelement aufgenommen, das heisst in dem vom Mantelelement 102 ausgebildeten Hohlkörper. Das Mantelelement 102 weist eine Längsachse 104 auf, die sich im Wesentlichen in Hauptströmungsrichtung des Fluids erstreckt, welches das Mantelelement 102 im Betriebszustand durchströmt. Eine mögliche Fliessrichtung des Fluids ist durch Pfeile dargestellt, die in Richtung der Längsachse 104 verlaufen. Die Längsachse 104 verläuft durch den Mittelpunkt des Öffnungsquerschnitts des Mantelelements. Gemäss der vorliegenden Darstellung weist das Mantelelement 102 einen rechteckigen Öffnungsquerschnitt auf. Die Längsachse 104 verläuft somit durch den Schnittpunkt der Diagonalen des Rechtecks.
Das Einsatzelement 103 enthält gemäss des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Mehrzahl von Stegelementen 109, 110. Die Stegelemente 109 und die Stegelemente 110 weisen einen unterschiedlichen Neigungswinkel in Bezug auf die Längsachse 104 auf. Eine Mehrzahl von Stegelementen 109 ist in Strömungsrichtung des Fluids hintereinanderliegend angeordnet und bildet eine erste Stegelementreihe 141 aus. Eine Mehrzahl von Stegelementen 110 ist in Strömungsrichtung des Fluids hintereinanderliegend angeordnet und bildet eine zweite Stegelementreihe 142 aus. Der Einfachheit halber bezeichnen die Bezugszeichen 109, 110 nur je eines der Stegelemente der entsprechenden ersten oder zweiten Stegelementreihe 141, 142. Ein Einsatzelement 103 kann eine Mehrzahl von ersten und/oder zweiten Stegelementreihen 141, 142 umfassen. Das dargestellte Einsatzelement 103 enthält zwei erste Stegelementreihen 141, 143 sowie zwei zweite Stegelementreihen 142, 144. Gemäss eines nicht dargestellten Ausführungsbeispiels kann je eine einzige erste und zweite Stegelementreihe vorgesehen sein. Die Anzahl der ersten und zweiten Stegelementreihen kann auch grösser als eins oder zwei sein. Gemäss des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind die ersten Stegelementreihen 141, 143 nebeneinanderliegend angeordnet. Die zweiten Stegelementreihen 142, 144 sind ebenfalls nebeneinanderliegend angeordnet.
Jedes der Stegelemente 109 weist ein erstes Ende 113 und ein zweites Ende 114 auf, wobei das erste Ende 113 und das zweite Ende 114 des Stegelements 109 mit dem Mantelelement 102 an unterschiedlichen Orten verbunden sind. Das Stegelement 109 enthält einen Stegelementkanal 111. Jedes der Stegelemente 110 weist ein erstes Ende 115 und ein zweites Ende 116 auf, wobei das erste Ende 115 und das zweite Ende 116 des Stegelements 110 mit dem Mantelelement 102 an unterschiedlichen Orten verbunden sind. Das Stegelement 110 enthält einen Stegelementkanal 112. Die Stegelementkanäle 111, 112 sind in der vorliegenden Darstellung nur teilweise dargestellt. Derartige Stegelementkanäle sind bereits aus der EP 2851118 A1 sowie der EP 3489603 A1 oder der unveröffentlichten EP 20207057.9 bekannt. Die in diesen Dokumenten offenbarten Stegelemente sind als beispielhaft für eine Vielzahl weiterer möglicher Stegformen anzusehen. Das erfindungsgemässe Mantelelement 102 kann für eine beliebige Anzahl, Anordnung oder Form der Stegelemente zum Einsatz kommen. Der Stegelementkanal 111 erstreckt sich vom ersten Ende 113 des Stegelements 109 zum zweiten Ende 114 des Stegelements 109. Der Stegelementkanal 112 erstreckt sich vom ersten Ende 115 des Stegelements 110 zum zweiten Ende 116 des Stegelements 110.Die Stegelemente 109 können kreuzweise zu den Stegelementen 110 angeordnet sein. Die Stegelemente 109 können einen ersten Neigungswinkel in Bezug auf die Längsachse 104 aufweisen. Die Stegelemente 110 können einen zweiten Neigungswinkel in Bezug auf die Längsachse 104 aufweisen.
Das Mantelelement 102 enthält mindestens einen Zulauf 106 sowie einen Ablauf 107 für ein Wärmeträgerfluid, welches den Wärmetauscher im Betriebszustand durchströmt. Das Mantelelement 102 ist zumindest teilweise als Hohlkörper, beispielsweise als Doppelmantel, ausgebildet. Im Innenraum des Mantelelements 102 befindet sich eine Mehrzahl von Kammern 120. Diese Kammern 120 werden im Betriebszustand vom Wärmeträgerfluid durchströmt. Der Strömungsverlauf des Wärmeträgerfluids durch das Mantelelement 102 sowie das Einsatzelement 103 innerhalb der Stegelementkanäle 111, 112 ist in der vorliegenden Darstellung durch strichpunktierte Linien mit je zwei Punkten zwischen zwei benachbarten Strichen dargestellt sowie durch strichlierte Linien dargestellt. In Fig. 2 wurde hierbei eine Explosionsdarstellung gewählt, um die Kammern 120 im Mantelelement zu zeigen. Das Mantelelement 102 kann als Doppelmantel ausgebildet sein. Der Doppelmantel kann durch eine äussere Hülle und eine innere Hülle gebildet werden. Die Kammern 120 können durch Trennwände, welche sich zwischen der äusseren Hülle und der inneren Hülle erstrecken, ausgebildet sein. Die Kammern 120 können auch als Ausnehmungen im Mantelelement 102 ausgebildet sein. Alternativ oder in Kombination mit den vorgenannten Ausführungsbeispielen können die Kammern 120 als Aufbauten des Mantelelements 102 ausgebildet sein.
Zumindest eine der Kammern 120 kann als Verteilungskammer 121 zur Verteilung des Wärmeträgerfluids ausgebildet sein. Zumindest eine der Kammern 120 kann als Sammelkammer 122 zum Austrag des Wärmeträgerfluids ausgebildet sein. Die Verteilungskammer 121 ist mit einem Zulauf 106 und die Sammelkammer 122 mit einem Ablauf 107 verbindbar. Gemäss des vorliegenden Ausführungsbeispiels mündet der Zulauf 106 in die Verteilungskammer 121. Der Zulauf 106 enthält ein Rohrelement, enthaltend einen Eintrittskanal für das Wärmeträgerfluid. Gemäss des vorliegenden Ausführungsbeispiels verlässt das Wärmeträgerfluid den Wärmetauscher 100 über den Ablauf 107, der an die Sammelkammer 122 anschliesst. Der Ablauf 107 enthält ein Rohrelement, enthaltend einen Austrittskanal für das Wärmeträgerfluid.
Gemäss Fig. 2 erstreckt sich die Kammer 120 von der Eintrittsöffnung 105 bis zur Austrittsöffnung 108 für das Wärmeträgerfluid, welches im Betriebszustand das Mantelelement 102 durchströmt. Eine Mehrzahl derartiger Kammern 120 erstreckt sich in einer Reihe über zumindest einen Teil der Länge des Mantelelements 102. Die äussersten Kammern 120 werden durch die Verteilungskammer 121 und die Sammelkammer 122 ausgebildet. Die Kammern 120 sind gemäss dieses Ausführungsbeispiels auf der Grundfläche und der Deckfläche des Mantelelements 102 angeordnet. Zwischen benachbarten Kammern 120 befindet sich eine Trennwand 130, sodass das Wärmeträgerfluid nicht in benachbarte Kammern strömen kann. Die Kammern 120 enthalten mindestens eine Eintrittsöffnung 105 und eine Austrittsöffnung 108 für das Wärmeträgerfluid, welches im Betriebszustand das Mantelelement 102 durchströmt.
In Fig. 2 sind auch zwei Kammern 120 dargestellt, die je zwei Eintrittsöffnungen 105 und je zwei Austrittsöffnungen 108 enthalten. Gemäss dieses Ausführungsbeispiels strömt das Wärmeträgerfluid im Kreuz-Gleichstrom zum Fluid. Das Fluid könnte auch im Kreuz-Gegenstrom zum Wärmeträgerfluid strömen, wie in Fig. 1 gezeigt. Gemäss dieses Ausführungsbeispiels strömt das Wärmeträgerfluid in der Stegelementreihe 142 und in der Stegelementreihe 144 zuerst im Kreuz-Gegenstrom und anschliessend im Kreuz-Gleichstrom zum Fluid. Das Wärmeträgerfluid strömt in der Stegelementreihe 141 und in der Stegelementreihe 143 zuerst im Kreuz-Gleichstrom und anschliessend im Kreuz-Gegenstrom zum Fluid. Gemäss eines nicht dargestellten Ausführungsbeispiels ist die Strömungsrichtung des Wärmeträgerfluids umgekehrt, d.h. die Positionen des Zulaufs und des Ablaufs sind vertauscht. Gemäss eines nicht dargestellten Ausführungsbeispiels ist die Fliessrichtung des Fluids umkehrt, das heisst die Strömungsrichtung des Fluids erfolgt entgegengesetzt zur Pfeilrichtung.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht eines Wärmetauschers 200 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Wärmetauscher 200 gemäss Fig. 3 umfasst ein Mantelelement 202 und ein Einsatzelement 203. Das Einsatzelement 203 und das Mantelelement 202 sind getrennt voneinander gezeichnet, im zusammengebauten Zustand befindet sich das Einsatzelement 203 im Inneren des Mantelelements 202. In dieser Darstellung ist das Mantelelement 202 als transparentes Bauteil dargestellt, sodass sämtliche im Mantelelement 202 befindliche Mantelelementkanäle sichtbar sind. Der Wärmetauscher 200 zum statischen Mischen und Wärmeaustausch gemäss Fig. 3 enthält somit ein Mantelelement 202 und ein Einsatzelement 203, wobei das Einsatzelement 203 im Einbauzustand im Inneren des Mantelelements 202 angeordnet ist. Das Mantelelement 202 ist teilweise als Hohlkörper ausgestaltet. Das Einsatzelement 203 ist im Mantelelement, das heisst, im Hohlkörper aufgenommen. Das Mantelelement 202 weist eine Längsachse 204 auf, die sich im Wesentlichen in Hauptströmungsrichtung des Fluids erstreckt, welches das Mantelelement 202 im Betriebszustand durchströmt. Eine mögliche Fliessrichtung des Fluids ist durch Pfeile dargestellt, die in Richtung der Längsachse 204 verlaufen. Die Längsachse 204 verläuft durch den Mittelpunkt des Öffnungsquerschnitts des Mantelelements. Gemäss der vorliegenden Darstellung weist das Mantelelement 202 einen rechteckigen Öffnungsquerschnitt auf. Die Längsachse 204 verläuft somit durch den Schnittpunkt der Diagonalen des Rechtecks.
Das Einsatzelement 203 enthält gemäss des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Mehrzahl von Stegelementen 209, 210. Die Stegelemente 209 und die Stegelemente 210 weisen einen unterschiedlichen Neigungswinkel in Bezug auf die Längsachse 204 auf. Eine Mehrzahl von Stegelementen 209 ist in Strömungsrichtung des Fluids hintereinanderliegend angeordnet und bildet eine erste Stegelementreihe 241 aus. Eine Mehrzahl von Stegelementen 210 ist in Strömungsrichtung des Fluids hintereinanderliegend angeordnet und bildet eine zweite Stegelementreihe 242 aus. Der Einfachheit halber bezeichnen die Bezugszeichen 209, 210 nur je eines der Stegelemente der entsprechenden ersten oder zweiten Stegelementreihe 241, 242. Das Einsatzelement 203 kann eine Mehrzahl von ersten und/oder zweiten Stegelementreihen 241, 242 umfassen. Das dargestellte Einsatzelement 203 enthält zwei erste Stegelementreihen 241, 243 sowie zwei zweite Stegelementreihen 242, 244. Gemäss eines nicht dargestellten Ausführungsbeispiels kann je eine einzige erste und zweite Stegelementreihe vorgesehen sein. Die Anzahl der ersten und zweiten Stegelementreihen kann auch grösser als eins oder zwei sein. Gemäss des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind die ersten Stegelementreihen 241, 243 nebeneinanderliegend angeordnet. Die zweiten Stegelementreihen 242, 244 sind ebenfalls nebeneinanderliegend angeordnet.
Jedes der Stegelemente 209 weist ein erstes Ende 213 und ein zweites Ende 214 auf, wobei das erste Ende 213 und das zweite Ende 214 des Stegelements 209 mit dem Mantelelement 202 an unterschiedlichen Orten verbunden sind. Das Stegelement 209 enthält einen Stegelementkanal 211. Vom Stegelementkanal 211 ist in der vorliegenden Darstellung nur dessen Eintrittsöffnung dargestellt. Jedes der Stegelemente 210 weist ein erstes Ende 215 und ein zweites Ende 216 auf, wobei das erste Ende 215 und das zweite Ende 216 des Stegelements 210 mit dem Mantelelement 202 an unterschiedlichen Orten verbunden sind. Das Stegelement 210 enthält einen Stegelementkanal 212. Vom Stegelementkanal 212 ist in der vorliegenden Darstellung nur dessen Austrittsöffnung dargestellt. Derartige Stegelementkanäle sind bereits aus der EP 2851118 A1 sowie der EP 3489603 A1 oder der unveröffentlichten EP 20207057.9 bekannt. Die in diesen Dokumenten offenbarten Stegelemente sind als beispielhaft für eine Vielzahl weiterer möglicher Stegformen anzusehen. Das erfindungsgemässe Mantelelement 202 kann für eine beliebige Anzahl, Anordnung oder Form der Stegelemente zum Einsatz kommen. Der Stegelementkanal 211 erstreckt sich vom ersten Ende 213 des Stegelements 209 zum zweiten Ende 214 des Stegelements 209. Der Stegelementkanal 212 erstreckt sich vom ersten Ende 215 des Stegelements 210 zum zweiten Ende 216 des Stegelements 210.
Die Stegelemente 209 können kreuzweise zu den Stegelementen 210 angeordnet sein. Die Stegelemente 209 können einen ersten Neigungswinkel in Bezug auf die Längsachse 204 aufweisen. Die Stegelemente 210 können einen zweiten Neigungswinkel in Bezug auf die Längsachse 204 aufweisen.
Das Mantelelement 202 enthält mindestens einen Zulauf 206 sowie einen Ablauf 207 für ein Wärmeträgerfluid, welches den Wärmetauscher im Betriebszustand durchströmt. Das Mantelelement 202 ist zumindest teilweise als Hohlkörper, beispielsweise als Doppelmantel, ausgebildet, das heisst im Inneren des Mantelelements 202 befinden sich eine Mehrzahl von Kammern 220. Diese Kammern 220 werden im Betriebszustand vom Wärmeträgerfluid durchströmt. Der Strömungsverlauf des Wärmeträgerfluids durch das Mantelelement 202 sowie das Einsatzelement 203 innerhalb der Stegelementkanäle 211, 212 ist in der vorliegenden Darstellung durch strichpunktierte Linien mit je zwei Punkten zwischen zwei benachbarten Strichen für die Strömung durch die Stegelementreihen 243 und 244 dargestellt sowie durch strichlierte Linien für die Strömung durch die Stegelementreihen 241 und 242 dargestellt. In Fig. 3 wurde hierbei eine Explosionsdarstellung gewählt, gemäss welcher das Einsatzelement 203 ausserhalb des Mantelelements 202 angeordnet ist, um die Kammern 220 im Mantelelement zu zeigen. Das Mantelelement 202 kann als Doppelmantel ausgebildet sein. Der Doppelmantel kann durch eine äussere Hülle und eine innere Hülle gebildet werden. Die Kammern 220 können durch Trennwände, welche sich zwischen der äusseren Hülle und der inneren Hülle erstrecken, ausgebildet sein. Die Kammern 220 können auch als Ausnehmungen im Mantelelement 202 ausgebildet sein. Alternativ oder in Kombination mit den vorgenannten Ausführungsbeispielen können die Kammern 220 als Aufbauten des Mantelelements 202 ausgebildet sein.
Zumindest eine der Kammern 220 kann als Verteilungskammer 221 zur Verteilung des Wärmeträgerfluids ausgebildet sein. Zumindest eine der Kammern 220 kann als Sammelkammer 222 zum Austrag des Wärmeträgerfluids ausgebildet sein. Die Verteilungskammer 221 ist mit einem Zulauf 206 und die Sammelkammer 222 mit einem Ablauf 207 verbindbar. Gemäss des vorliegenden Ausführungsbeispiels mündet der Zulauf 206 in die Verteilungskammer 221. Der Zulauf 206 enthält ein Rohrelement, enthaltend einen Eintrittskanal für das Wärmeträgerfluid. Gemäss des vorliegenden Ausführungsbeispiels verlässt das Wärmeträgerfluid den Wärmetauscher 200 über den Ablauf 207, der an die Sammelkammer 222 anschliesst. Der Ablauf 207 enthält ein Rohrelement, enthaltend einen Austrittskanal für das Wärmeträgerfluid.
Gemäss Fig. 3 erstreckt sich die Kammer 220 von der Eintrittsöffnung 205 bis zur Austrittsöffnung 208 für das Wärmeträgerfluid, welches im Betriebszustand das Mantelelement 202 durchströmt. Eine Mehrzahl derartiger Kammern 220 erstreckt sich gemäss dieses Ausführungsbeispiels in einer Reihe über zumindest einen Teil der Länge des Mantelelements 202. Die äussersten Kammern 220 werden an einem Ende des Mantelelements, in Fig. 3 dem Austrittsende für das Fluid, durch die Verteilungskammer 221 und die Sammelkammer 222 ausgebildet. Die Kammern 220 sind gemäss dieses Ausführungsbeispiels auf der Grundfläche und der Deckfläche des Mantelelements 202 angeordnet. Zwischen benachbarten Kammern 220 befindet sich eine Trennwand 230, sodass das Wärmeträgerfluid nicht in benachbarte Kammern strömen kann. Die Kammern 220 enthalten mindestens eine Eintrittsöffnung 205 und eine Austrittsöffnung 208 für das Wärmeträgerfluid, welches im Betriebszustand das Mantelelement 202 durchströmt.
In Fig. 3 ist auch eine Kammer 220 dargestellt, die je zwei Eintrittsöffnungen 205 und je zwei Austrittsöffnungen 208 enthält. Diese Kammer 220 ist in der vorliegenden Darstellung am Eintrittsende des Mantelelements 202 angeordnet. Diese Kammer 220 ist als Umlenkkammer 223 ausgebildet. Gemäss dieses Ausführungsbeispiels strömt das Wärmeträgerfluid zuerst im Kreuz-Gegenstrom und anschliessend im Kreuz-Gleichstrom zum Fluid. Das Wärmeträgerfluid könnte auch zuerst im Kreuz-Gleichstrom und anschliessend im Kreuz-Gegenstrom zum Fluid strömen, wenn man entweder die Fliessrichtung des Wärmeträgerfluids oder die Fliessrichtung des Fluids umkehrt.
Nach jedem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele können die Stegelemente mit dem Mantelelement 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 Mantelelement und die Stegelemente einteilig ausgebildet sein. Nach einem Ausführungsbeispiel kann der Stegelementkanal knickfrei verlaufen. Nach einem Ausführungsbeispiel kann der Stegelementkanal knickfrei in die Kammer übergehen.
Die Stegelementkanäle in den Stegelementen erstrecken sich vom ersten Ende zum zweiten Ende des Stegelements, welches unmittelbar an die Innenwand des Mantelelements anschliesst. Im Mantelelement befindet sich gemäss einem Ausführungsbeispiel eine Öffnung, die als Eintrittsöffnung oder Austrittsöffnung ausgebildet sein kann. Die Öffnung weist mindestens dieselbe Querschnittsfläche auf wie die Querschnittsfläche des Stegelementkanals, der an die Öffnung anschliesst.
Zumindest ein Teil der Stegelemente erstreckt sich somit über die gesamte Breitenabmessung oder Höhenabmessung oder den oder dem mittleren Durchmesser des Mantelelements. Der mittlere Durchmesser entspricht dem Innendurchmesser des Mantelelements, wenn das Mantelelement als ein Kreisrohr ausgeführt ist. Der mittlere Durchmesser für ein eckiges Mantelelement 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.
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.
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.
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.
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 eine andere Ausformung oder Unebenheit bedingt sein.
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.
Der Stegelementkanal, der im Inneren des Stegelements verläuft, hat vorzugsweise einen Innendurchmesser, der maximal 75% der Dicke des Stegelements entspricht. Grundsätzlich können auch mehrere, insbesondere im Wesentlichen parallel verlaufende Stegelementkanäle in einem Stegelement enthalten sein.
Der Übergang von zumindest einem der ersten und zweiten Enden des Stegelements zum Mantelelement erfolgt vorteilhafterweise spaltfrei. Die Stegelemente sowie das Mantelelement 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 Mantelelement. Insbesondere können im Übergangsbereich vom Stegelement zum Mantelelement an den Kanten Rundungen vorgesehen sein, sodass der Fluss des giessfähigen Materials während des Herstellungsverfahrens nicht beeinträchtigt wird. 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.
In einem Gussverfahren wird mindestens segmentweise eine monolithische Struktur bestehend aus gegenüber der Hauptströmungsrichtung in einem Winkel ungleich null angeordneten Stegelementscharen und einem fest mit zumindest einem Teil der Stegelemente verbundenen Mantelelement, welches als Ummantelungsrohr ausgebildet sein kann, hergestellt. Anstelle eines Gussverfahrens kann auch ein additives Herstellungsverfahren zum Einsatz kommen.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die Öffnungen des Mantelelements mit der Aussenkontur des Stegelements übereinstimmen. Das Stegelement kann gemäss dieses Ausführungsbeispiels durch die Öffnung des Mantelelements hindurchgeschoben werden und derart im Innenraum des Mantelelements positioniert werden. Gemäss dieses Ausführungsbeispiels kann das Stegelement mit dem Mantelelement durch Kleben, Löten, Schweissen, Klemmen, Einpressen, oder Einschrumpfen verbunden werden.
Die Stegelementkanäle für das Wärmeträgerfluid in den Stegelementen können durch den früher beschriebenen Gussprozess oder ein additives Herstellungsverfahren hergestellt werden. Die Herstellung der Stegelementkanäle kann aber auch durch nachträgliches Bearbeiten wie Erodieren oder Bohren erfolgen. Ein Wärmeträgerfluid kann eine beliebige Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser oder Öle aber auch ein Gas, wie Luft, umfassen.
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 Stegelementscharen ausbilden, wobei die Stegelementschar zueinander parallel angeordnete Stegelemente enthält, deren Mittenachsen in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die Mittenachsen der Stegelemente bilden die Schnittgerade der gemeinsamen Ebene der Stegelementschar mit der gemeinsamen Ebene der entsprechenden Stegelementreihe. Die Stegelemente einer Stegelementschar 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 Stegelementschar an ein Stegelement der zweiten Stegelementschar an. Benachbarte Stegelemente haben demzufolge gemäss diesem Ausführungsbeispiel eine unterschiedliche Ausrichtung, da sie zu verschiedenen Stegelementscharen gehören, was der Anordnung der Stegelemente gemäss Fig. 1 entspricht. Gemäss den in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispielen haben benachbarte Stegelemente der Stegelementreihen 141, 241 und 143, 243 oder benachbarte Stegelemente der Stegelementreihen 142, 242 und 144, 244 dieselbe Ausrichtung, da sie jeweils zu derselben Stegelementschar gehören.
Nach einem Ausführungsbeispiel kreuzen sich Stegelemente unterschiedlicher Stegelementscharen, da derart ein verbesserter Wärmeaustausch erzielbar ist. Der Winkel zwischen zwei sich kreuzenden Stegelementen beträgt vorteilhafterweise 25 bis 75 Grad. In jeder der Stegelementreihen können beliebig viele Stegelemente hintereinander angeordnet werden. Die maximale Anzahl der im Mantelelement nebeneinander liegenden Stegelementreihen ist durch die Breitenabmessung des Mantelelements bestimmt. Die Stegelementreihe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittenachsen sämtlicher Stegelemente in im Wesentlichen derselben Reihenebene liegen. Insbesondere werden 6 bis 40 Stegelemente, beispielsweise 6 bis 30 Stegelemente parallel zueinander in einer Stegelementreihe angeordnet. Gemäss des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind exemplarisch je 8 Stegelemente in eine Stegelementreihe angeordnet. In den je 8 Stegelementscharen sind gemäss der exemplarischen Ausführungsbeispiele je zwei Stegelemente in einer Stegelementschar angeordnet.
Es können beliebig viele Stegelemente in Hauptströmungsrichtung gesehen hintereinander in der Stegelementreihe angeordnet werden. Die hintereinander angeordneten Stegelemente werden vorteilhafterweise derart angeordnet, dass sie überlappen, um so viel aktive Wärmeaustauschfläche in einem kleinen Apparatevolumen unterzubringen wie möglich. Als Überlappen wird verstanden, dass mindestens ein Teil der Stegelemente einer ersten Stegelementschar und ein Teil der Stegelemente einer nachfolgenden Stegelementschar und/oder einer vorhergehenden Stegelementschar 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 Stegelementschar 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.
Da die Mischwirkung in gleich ausgerichteten hintereinander angeordneten Stegelementscharen nur in einer Ebene stattfindet, kann nach einer gewissen Anzahl von Stegelementscharen die Ausrichtung derart geändert werden, dass die Stegelementscharen vorteilhafterweise zueinander versetzt angeordnet sind. Insbesondere werden zwei bis einschliesslich 20 Stegelementscharen vorgesehen, besonders bevorzugt 4 bis einschliesslich 8 Stegelementscharen. Die Versetzung zwischen den gleich ausgerichteten Stegelementscharen erfolgt vorteilhafterweise um einen Winkel von 80 bis 100 Grad. Das heisst, dass die zweite Stegelementschar um die Längsachse um einen Winkel von 80 bis 100 Grad bezogen auf die erste Stegelementschar ausgerichtet ist.
Zusätzlich zu den vorgehend beschriebenen Stegelementscharen von sich kreuzenden Stegelementen können speziell im Abschlussbereich von gleich ausgerichteten parallelen Stegelementscharen auch Stegelementscharen angeordnet sein, die Stegelemente enthalten, die sich nur von der Innenwand des Mantelelements bis zur Kreuzungslinie mit der jeweils anderen Stegelementschar erstrecken. Nachfolgend werden diese Stegelementscharen als halbe sich kreuzende Stegelementscharen bezeichnet. Diese Stegelementscharen führen zu einer zusätzlichen Steigerung der Mischleistung. Durch die bessere Mischwirkung und die zusätzlichen Wärmeleitungseffekte des Stegelementmaterials wird auch der Wärmeaustausch zusätzlich erhöht.
Nach einem Ausführungsbeispiel können die Stegelemente eine erste und eine zweite Stegelementschar ausbilden. Jede der ersten und zweiten Stegelementscharen kann eine erste bzw. zweite Gruppenebene aufspannen. Insbesondere kann sich die erste Gruppenebene der ersten Stegelementschar mit der zweiten Gruppenebene der zweiten Stegelementschar 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 Stegelementschar vorgesehen sein, die sich im Wesentlichen bis zur Kreuzungslinie erstreckt.
Die Stegelemente in einer ersten und zweiten Stegelementschar können sich gegenseitig berühren oder Zwischenräume aufweisen. Auch eine Verbindung der Zwischenräume mit quer zur Fluidströmungsrichtung angeordneten Verbindungsstegen ist möglich.
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 temperiertem 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 vom Wärmeträgerfluid durchströmt werden sollten.
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 Mantelelement sein können. Das Einsatzelement, umfassend die Stegelementscharen mit den entsprechenden Stegelementen, kann 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.
Es hat sich des Weiteren gezeigt, dass mit den erfindungsgemässen Stegelementscharen und speziell mit Stegelementscharen, in denen sich benachbarte Stegelemente kreuzen, und/oder speziell mit überlappenden Gruppen von Stegelementen ein sehr guter Wärmeübertragung und/oder eine hohe Mischleistung erzeugt werden kann. Insbesondere kann die Anordnung einer zweiten Stegelementschar, die um 80 bis 100 Grad zur ersten Stegelementschar versetzt ist, für einen guten Wärmeübergang förderlich sein. Überraschenderweise hat sich auch gezeigt, dass speziell das Anbringen von zusätzlichen Kammern und speziell bei viskosen Fluiden eine weitere Verbesserung des Wärmeübergangs und/oder der Mischleistung erzielbar ist.
Auch der Wärmeübergang und/oder die Mischleistung in der Nähe der Innenwand des Mantelelements ist durch den direkten Übergang der Stegelemente in das Mantelelement wesentlich verbessert, da auch an der Innenwand befindliche Grenzschichten des Fluids an der Erzielung eines optimalen Wärmeübergangs oder einer homogenen Mischung beteiligt sind. Insbesondere kann nicht nur eine optimale Erneuerung der Grenzschichten zwischen dem Fluid und Mantelelement, sondern auch zwischen Fluid 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 noch kleinerem Apparatevolumen und mit geringerem Druckverlust gebaut werden kann.
Dank des optimierten Wärmeübergangs zeigt der Wärmetauscher gemäss der Erfindung ein sehr enges Verweilzeitspektrum des zu heizenden oder kühlenden Fluids. Dadurch können Ablagerungen oder Zersetzung von Fluid 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 Mantelelement und der möglichst flächendeckende Verwendung der Kammern für das Wärmeträgerfluid führt auch zu einer 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. Der Wärmetauscher eignet sich grundsätzlich zum Mischen und Kühlen respektive Heizen von beliebigen Fluiden wie Flüssigkeiten und Gasen, speziell aber für viskose und sehr viskose Fluide wie beispielsweise Polymere.
Das Mantelelement sowie das Einsatzelement können giessfähige oder schweissbare Materialien enthalten, beispielsweise können Metalle, Keramik, Kunststoffe oder Kombinationen dieser Materialien zum Einsatz kommen.
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 Mantelelement aufweist, 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 oder einem additiven Herstellungsverfahren gemeinsam mit dem Einsatzmantelelement hergestellt wird oder in einem weiteren Arbeitsschritt mittels eines Bohrverfahrens oder eines Erosionsverfahrens hergestellt wird.
Zwischen dem Einsatzelement und dem Mantelelement kann auch, wie in EP3489603 A1 beschrieben, ein Zwischenmantelelement angeordnet werden, welches einen ersten Zwischenmantelelementkanal und einen zweiten Zwischenmantelelementkanal enthält, wobei das Zwischenmantelelement derart im Mantelelement positioniert wird und das 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.
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 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.
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 oder Stegelementscharen zur Längsachse einschliessen, je nach Anwendung variieren. Es können auch mehr als zwei Einsatzelemente hintereinander angeordnet werden.
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.

Claims

Wärmetauscher (1, 100, 200) umfassend ein Mantelelement (2, 102, 202) und ein Einsatzelement (3, 103, 203), wobei das Mantelelement einen Fluidkanal für ein zu temperierendes Fluid ausbildet, wobei das Mantelelement eine Längsachse (4, 104, 204) aufweist, wobei das Einsatzelement im Fluidkanal angeordnet ist, wobei das Einsatzelement eine Mehrzahl von Stegelementen (9, 10, 109, 110, 209, 210) enthält, die mit dem Mantelelement an unterschiedlichen Stellen verbunden sind, wobei die Stegelemente in zumindest einer ersten Stegelementreihe (41, 43, 141, 143, 241, 243) und einer zweiten Stegelementreihe (42, 44, 142, 144, 242, 244) angeordnet sind, wobei die Stegelemente jeder der ersten und zweiten Stegelementreihen zueinander im Wesentlichen parallel angeordnet sind, wobei sich die Winkel, welchen die Stegelemente verschiedener Stegelementreihen mit der Längsachse des Mantelelements einschliessen, unterscheiden, wobei zumindest ein Teil der Stegelemente Stegelementkanäle (11, 12, 111, 112, 211, 212) enthält, die mit dem Mantelelement in fluidleitender Verbindung stehen, sodass im Betriebszustand ein Wärmeträgerfluid, welches dem Mantelelement zugeführt wird, die Stegelementkanäle der Stegelemente durchströmen kann, wobei das Mantelelement eine Mehrzahl von Kammern (20, 120, 220) für das Wärmeträgerfluid enthält, wobei jede der Kammern mindestens entweder eine Eintrittsöffnung (5, 105, 205) und mindestens eine Austrittsöffnung (8, 108, 208) für das Wärmeträgerfluid enthält oder als Verteilungskammer (21, 121, 221) oder als Sammelkammer (22, 122, 222) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kammern, die nicht als Verteilungskammer oder als Sammelkammer ausgebildet sind, grösser als null ist, und dass die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung solcher Kammern mit den Stegelementkanälen von je zwei Stegelementen verbunden ist, die derselben Stegelementreihe angehören, wobei die Verteilungskammer (21, 121, 221) zur Verteilung des Wärmeträgerfluids ausgebildet ist und die Sammelkammer (22, 122, 222) zum Austrag des Wärmeträgerfluids ausgebildet ist, wobei die Verteilungskammer (21, 121, 221) mit einem Zulauf (6, 106, 206) und die Sammelkammer (22, 122, 222) mit einem Ablauf (7, 107, 207) verbindbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Kammern (20, 120, 220) durch Trennwände (30, 130, 230) voneinander getrennt sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Kammern (20, 120, 220) über die Stegelementkanäle (11, 12, 111, 112, 211, 212) mit mindestens einer nachfolgenden Kammer (20, 120, 220) in fluidleitender Verbindung für das Wärmeträgerfluid steht.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Kammern (20, 120, 220) als die Verteilungskammer (21, 121, 221) zur Verteilung des Wärmeträgerfluids und zumindest eine der Kammern als die Sammelkammer (22, 122, 222) zum Austrag des Wärmeträgerfluids ausgebildet ist, wobei die Verteilungskammer mit einem Zulauf (6, 106, 206) und die Sammelkammer mit einem Ablauf (7, 107, 207) verbindbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei die Anzahl der Eintrittsöffnungen (5, 105, 205) von in die Kammer einmündenden Stegelementkanälen der Anzahl der Austrittsöffnungen (8, 108, 208) von Stegelementkanälen, welche von der Kammer wegführen, entspricht, wenn die Kammer nicht als eine der Verteilungskammern (21, 121, 221) oder Sammelkammern (22, 122, 222) ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verteilungskammer (21, 121, 221) und die Sammelkammer (22, 122, 222) an gegenüberliegenden Enden des Mantelelements angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verteilungskammer (21, 121, 221) und die Sammelkammer (22, 122, 222) am selben Ende des Mantelelements angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens je vier erste Stegelementreihen und je vier zweite Stegelementreihen nebeneinander angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der ersten oder zweiten Stegelementreihen mindestens zehn Stegelemente enthält.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kammern (20, 120, 220) als Ausnehmungen oder Aufbauten im Mantelelement ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eintrittsöffnung (5, 105, 205) und die Austrittsöffnung (8, 108, 208), welche sich in derselben Kammer befinden, mit den Stegelementkanälen (11, 12, 111, 112, 211, 212) in fluidleitender Verbindung stehen, die den Stegelementen (9, 10, 109, 110, 209, 210) unterschiedlicher Stegelementscharen angehören.
Verfahren zur Temperierung eines Fluids, wobei das Fluid durch einen Wärmetauscher gemäss Anspruch 1 (1, 100, 200) temperiert wird, wobei der Wärmetauscher ein Mantelelement (2, 102, 202) und ein Einsatzelement (3, 103, 203) umfasst, wobei das Fluid in einem vom Mantelelement umschlossenen Fluidkanal strömt, wobei das Einsatzelement im Fluidkanal angeordnet ist, wobei das Einsatzelement eine Mehrzahl von Stegelementen (9, 10, 109, 110, 209, 210) enthält, die mit dem Mantelelement an unterschiedlichen Stellen verbunden sind, wobei die Stegelemente in zumindest einer ersten Stegelementreihe (41, 43, 141, 143, 241, 243) und einer zweiten Stegelementreihe (42, 44, 142, 144, 242, 244) angeordnet sind, wobei die Stegelemente jeder der ersten Stegelementreihen und der zweiten Stegelementreihen zueinander im Wesentlichen parallel angeordnet sind, wobei sich die Winkel, welchen die Stegelemente verschiedener Stegelementreihen mit der Längsachse des Mantelelements einschliessen, unterscheiden, wobei zumindest ein Teil der Stegelemente Stegelementkanäle (11, 12, 111, 112, 211, 212) enthält, die mit dem Mantelelement in fluidleitender Verbindung stehen, sodass im Betriebszustand ein Wärmeträgerfluid, welches dem Mantelelement zugeführt wird, die Stegelementkanäle der Stegelemente durchströmen kann, wobei das Mantelelement eine Mehrzahl von Kammern (20, 120, 220) für das Wärmeträgerfluid enthält, wobei jede der Kammern mindestens eine Eintrittsöffnung (5, 105, 205) und mindestens eine Austrittsöffnung (8, 108, 208) für das Wärmeträgerfluid enthält, sodass das Wärmeträgerfluid jede der Kammern (20, 120, 220) und die Stegelementkanäle (20, 120, 220) durchströmt, wobei die Verteilungskammer (21, 121, 221) zur Verteilung des Wärmeträgerfluids ausgebildet ist und die Sammelkammer (22, 122, 222) zum Austrag des Wärmeträgerfluids ausgebildet ist, wobei die Verteilungskammer (21, 121, 221) mit einem Zulauf (6, 106, 206) und die Sammelkammer (22, 122, 222) mit einem Ablauf (7, 107, 207) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Eintrittsöffnungen und/oder Austrittsöffnungen unterschiedlicher Kammern über Stegelemente miteinander verbunden sind, die durch den Fluidkanal verlaufen, sodass ein Wärmeübergang zwischen dem Wärmeträgerfluid und dem Fluid über die Innenwand des Mantelelements und die Stegelemente erfolgt, wenn das Wärmeträgerfluid durch die Kammern und die Stegelementkanäle der Stegelemente strömt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei das Wärmeträgerfluid von einer Austrittsöffnung einer der Kammern zu einer Eintrittsöffnung der jeweils nachfolgenden Kammer durch einen der Stegelementkanäle strömt, welcher in einem der im Fluidkanal angeordneten Stegelemente angeordnet ist, sodass das Wärmeträgerfluid die Kammern sequenziell durchströmt, die über eine der ersten oder zweiten Stegelementreihen miteinander verbunden sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei das Wärmeträgerfluid von einer Austrittsöffnung einer der Kammern zu einer Eintrittsöffnung in die jeweils nachfolgende Kammer durch einen der Stegelementkanäle strömt, welcher in einem der Stegelemente angeordnet ist, welches im Fluidkanal angeordnet ist, sodass das Wärmeträgerfluid die Stegelementkanäle der Stegelemente der zugehörigen Stegelementreihe sequenziell durchströmt.