WO2020239734A1

WO2020239734A1 - Rohrbündel-wärmeübertrager mit baugruppen/einbauelementen aus umlenkflächen und leitstegen

Info

Publication number: WO2020239734A1
Application number: PCT/EP2020/064519
Authority: WO
Inventors: Felix Streiff
Original assignee: Stamixco Ag
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2020-12-03
Also published as: EP3966513A1; US20220236014A1; JP2022535693A; CN113950604A; KR20220012323A; CH716236A2

Abstract

Die Erfindung betrifft Rohrbündel-Wärmeübertrager mit Einbauelementen aus Umlenkflächen, Fenstern und Leitstegen. Durch diese Einbauelemente wird eine dauernde Vermischung im Produktstrom während des Wärmeübergangs erreicht und damit die Ausbildung einer Maldistribution und die axiale Rückmischung verhindert. Gleichzeitig wird der Strömungsweg verlängert und so der Wärmeübergang verbessert. Das Produkt fliesst im Aussenraum (6) eines Rohrbündel-Wärmeübertragers (1) mit einem Eintritt (2) und einem Austritt (3) für das Produkt und einem Eintritt (4) und einem Austritt (5) für den Wärmeträger in den Rohren (7). Dabei werden die bei einem Rohrbündel-Wärmeübertrager vorhandenen Umlenkbleche (bzw. Umlenkflächen) (8) so modifiziert, dass sie Fenster (12, 13) offen lassen und auf der Eintrittsseite und der Austrittsseite der Umlenkfläche mindestens ein Leitsteg (10) bzw. (11) angebracht ist. Diese Leitstege verlaufen parallel zu den Rohrachsen und kreuzen sich. Die Strömung wird durch die Leitstege auf der Eintrittsseite geteilt und in entgegengesetzten Richtungen zu den Fenstern geführt, wo sie dann auf jeweils gegenüberliegenden Seiten der Austrittsstege austritt und umgelenkt wird.

Description

Rohrbündel-Wärmeübertrager mit Baugruppen/Einbauelementen aus

Umlenkflächen und Leitstegen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Bündel-Wärmeübertrager mit Baugruppen (die als Einbauelemente ausgestaltet sein können, aber nicht müssen) aus Umlenkflächen und Leitstegen im Aussenraum nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Da Bündel-Wärmeübertrager meist aus einem metallischen Werkstoff hergestellt werden, spricht man häufig von Umlenkblechen statt Umlenkflächen. In dieser Beschreibung wird dagegen der Begriff Umlenkflächen verwendet, um klarzustellen, dass ihre Anwendbarkeit nicht auf Wärmeübertrager aus einem metallischen Werkstoff beschränkt ist.

Die Bündel können aus Rohren bestehen, durch die ein Wärmeaustauschmittel (also beispielsweise ein Wärme- oder Kältemittel, welches das im Aussenraum zirkulierende Produkt aufwärmt oder abkühlt) geleitet wird. Stattdessen können aber auch andere, zu Bündeln zusammengefasste Wärmeaustauschelemente wie elektrische Heizstäbe, elektrische Heizschlangen u.dgl. eingesetzt werden. Aus Gründen der einfacheren Darstellung wird im Folgenden von„Rohren“ oder„Rohrbündeln“ gesprochen, wobei es sich nach dem Gesagten jedoch versteht, dass damit auch andere längliche Wärmeaustauschelemente wie Heizstäbe gemeint sind.

Die übliche Bauart von Umlenkblechen bzw. -flächen dient der Strömungsführung, indem sie die Strömung des Fluids im Aussenraum teils quer und teils parallel zu den Rohren führt. Diese Bleche weisen Bohrungen entsprechend der Rohrteilung auf, stehen senkrecht zu den Rohren und weisen segmentförmige Fenster für den axialen Durchlass des Fluids auf. Andere bekannte Ausführungsformen bestehen abwechselnd aus Scheiben und Ringen. Sie werden bei turbulenter (niederviskose Fluide) und laminarer (zähe Fluide) Strömung standardmässig eingebaut. Für weitere funktionsmässige und bauliche Details wird auf den VDI-Wärmeatlas (6. Auflage), Abschnitte Gg5 und Ob7 verwiesen. Diese Umlenkflächen verbessern den Wärmeübergang durch die mehr oder weniger ausgeprägte Querströmung zu den Rohren. Sie bewirken aber keine Vermischung des Fluids. Das gilt besonders bei laminarer Strömung zäher Fluide. Da diese Stoffe aufgrund ihrer Eigenschaften niedrigere Wärmeübergangskoeffizienten haben, sollten sie um die Rohre geführt werden (VDI- Wärmeatlas, Abschnitt Ob4). Bei zähen Medien, die gekühlt oder erwärmt werden müssen, kann sich die Viskosität mit der Temperatur stark ändern. Teilströme, die eine unterschiedliche Temperatur-Zeitgeschichte (Strömungswege) durchlaufen, weisen schliesslich stark unterschiedliche Eigenschaften auf. Das trifft besonders für die Viskosität zu. Ohne dauernde Vermischung kommt es zur Ausbildung bevorzugter Wege und toter Zonen, der sogenannten Maldistribution. Das kann bis zum völligen Versagen des Wärmeübertragers, aber auch zu schlechten Produkteigenschaften führen. Ähnlich sind die Probleme, wenn der Wärmeübertrager als Polymerisationsreaktor oder andere exotherme Reaktionen für viskose, flüssige Stoffe eingesetzt werden soll, vergl. z.B. Chemical Engineering & Technology (Chem Eng. Technol.) 13 (1990), S. 214 - 220. Auch hier kommt es durch Unterschiede von Umsatz und Viskosität zur Maldistribution. Ähnliche Probleme treten in Rohrbündel-Wärmeübertragern auf, in denen viskose Lösungen teilweise verdampfen und dabei die Viskosität stark zunimmt.

Viele statische Mischer wie z.B. X-Mischer (SMX, SMXL) oder Wendelmischer (Kenics- Mischer) werden vorzugsweise bei laminarer Strömung in Doppelmantelrohren zur gleichzeitigen Verbesserung von Wärmeübergang, Mischung und Verweilzeitverteilung eingesetzt, vergl. Verfahrenstechnik 34 (2000) Nr.1-2, S.18-21. Dem Scale-up dieser Apparate sind enge Grenzen gesetzt, weil das Verhältnis von Wärmeübertragungsfläche zum Produktvolumen mit steigendem Rohrdurchmesser abnimmt oder bei gleichbleibendem Rohrdurchmesser mit steigender Produktmenge der Druckverlust rasch zunehmen würde. Als Lösung wird versucht, statische Mischer auch in den Rohren von Rohrbündel-Wärmeübertragern einzusetzen, wobei das Produkt in den Rohren fliesst. Eine Vermischung innerhalb einzelner Rohre findet dann zwar immer noch statt, aber dafür sind die Teilströme in den Rohren völlig voneinander isoliert und es können sich unterschiedliche Fliesszustände und Produkteigenschaften in den einzelnen Rohren bilden. Das Resultat kann wieder eine ausgeprägte Maldistribution unter den Rohren mit den beschriebenen Auswirkungen sein. Das Problem wird durch den höheren Druckverlust der Mischelemente sogar noch verstärkt! Ein weiterer Nachteil bei reagierenden Produkten ist das zusätzliche Volumen in den Hauben eines Rohrbündelapparates. In diesem Raum findet keine oder nur eine geringe Wärmeübertragung statt.

In der Patentschrift DE 28 39 564 C2 wird eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung und zum statischen Mischen vorgestellt. Bei diesem Mischer-Wärmeübertrager oder Reaktor (bekannt als SMR Reaktor) strömt das Produkt ebenfalls durch einen Strömungskanal mit Rohrbündeln und um die Rohre im Aussenraum. Dabei sind die Rohre mäanderartig zu Rohrschlangen gebogen. Die Rohre stehen 45° zur Strömungsrichtung, kreuzen sich und bilden eine Mischerstruktur. Die einzelnen Rohrschlangen werden nach aussen durch die Kanalwand in einen Sammler geführt. Dadurch wird zwar eine gleichzeitige Mischung und eine gute Wärmeübertragung im Aussenraum erreicht, aber mit sehr hohem Aufwand und vielen Nachteilen. Die Mischwirkung ist im Vergleich zum bekannten Mischer aus sich kreuzenden Stegen geringer und erfolgt innerhalb eines Bündels bzw. Mischelements nur in einer Richtung. Aus praktischen Gründen sollten die Rohrbündel möglichst lang sein. Dadurch können in einem Strömungskanal nur wenige Bündel, die 90° verdreht sind, eingesetzt werden. Jedes Mischelement bzw. Rohrschlangenbündel benötigt einen eigenen Sammler für den Wärmeträger. Der Druckverlust auf der Wärmeträgerseite in den Rohren ist wegen der langen Schlangen und vielen Rohrbögen hoch. Unterschiedliche Längen der Schlangen führen zu ungleicher Verteilung der Ströme auf der Wärmeträgerseite und können dadurch wiederum Maldistribution auf der Produktseite bewirken.

Eine vorteilhafte Gegenstromführung von Wärmeträger und Produkt oder eine Verdampfung oder Kondensation in den Rohren ist aufgrund der Konstruktion der Bündel ebenfalls nicht möglich.

In der Patentschrift EP 1 067 352 B2 wird eine andere Problemlösung versucht. Hier werden Mischelemente mit sich kreuzenden Stegen gemäss der bekannten SMX-Struktur mit Bohrungen entsprechend der Rohrteilung eines Rohrbündel-Wärmeübertragers versehen und die Rohre durch die Stege gesteckt. Durch die Verknüpfung der Mischstruktur mit der Rohranordnung wird einerseits die Freiheit der Rohrteilung und Grösse und andererseits der Mischerstruktur eingeschränkt. Wenn die Stege nicht fest mit den Rohren verbunden sind, ist diese Struktur ebenfalls mechanisch eher schwach. Verfahrenstechnisch mag dieser Wärmeübertrager gegenüber der Ausführung nach dem vorhergehenden Abschnitt überlegen sein, aber dessen Fertigung ist enorm aufwändig und anspruchsvoll.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rohrbündel-Wärmeübertrager, Mischer- Wärmeübertrager oder Mischreaktor der eingangs genannten Art zu schaffen, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemässe Rohrbündel-Wärmeübertrager ist insbesondere für viskose Produkte geeignet und lässt sich sehr günstig hersteilen. In ihm können Produkte erhitzt, gekühlt, verdampft oder exotherme Reaktionen durchgeführt werden unter gleichzeitiger, intensiver Vermischung. Er weist - bei geringer axialer Rückmischung und geringem Druckverlust - keine beweglichen Teile auf. Die Ausbildung von Maldistribution wird verhindert und die Einbauten sind, wenn nötig, einfach zugänglich für eine Reinigung von aussen. Der Apparat ist ausserdem sehr einfach skalierbar. Die Anordnung und die Anzahl der länglichen (axial ausgerichteten), durchströmten Rohre (bzw. anderer Wärmeaustausch-Elemente) ist dabei frei wählbar. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemässen Rohrbündel-Wärme- übertrager,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung desselben,

Fig. 3 eine Ansicht auf die Eintrittsseite eines Einbauelements gemäss der Fig. 1 ,

Fig. 4 eine Ansicht auf die Eintrittsseite eines in Strömungsrichtung folgenden

Einbauelements,

Fig. 5 eine Ansicht auf die Eintrittsseite eines Einbauelements in einer alternativen

Ausführungsform, und

Fig. 6-8 weitere Ausführungsformen der Eintrittsseite eines Einbauelements,

Fig. 9-16 verschiedene Ansichten und Schnitte einer Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 17 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform nach den Fig. 9-16.

Unter allgemeiner Bezugnahme auf die Zeichnungen fliesst das Produkt im Mantelraum eines an sich bekannten Rohrbündel-Wärmeübertragers mit einem Eintritt 2 und einem Austritt 3 für das Produkt im Aussenraum 6. Ein Eintritt 4 und ein Austritt 5 ist für den Wärmeträger vorgesehen, der in den Rohren 7 fliesst. Erfindungsgemäss werden dabei die üblicherweise vorhandenen Umlenkbleche (bzw. Umlenkflächen) 8, die senkrecht zu den Rohren bzw. zur Achse des Wärmeübertragers stehen und Bohrungen 7’ für die Rohre aufweisen, so modifiziert, dass sie zwei oder mehr Fenster 12, 13 für den axialen Durchtritt des Produkts von der Eintrittsseite auf die Austrittsseite der Umlenkfläche offen lassen. Auf der Eintritts- bzw. Austrittsseite ist je mindestens ein Leitsteg 10 bzw. 1 1 angebracht. Diese Leitstege verlaufen parallel zu den Rohren und unterteilen den Querschnitt des Rohrbündels in annähernd gleich grosse Abschnitte. Die Umlenkflächen können bei Bedarf auch in einem Winkel zur Wärmeübertrager- bzw. Rohrachse angestellt sein, siehe Bezugszeichen 9.

Die Leitstege 10, 1 1 auf der Eintrittsseite und Austrittsseite der Umlenkflächen stehen vorzugsweise 90° zueinander. Das Produkt fliesst geteilt durch den Leitsteg 10 auf der Eintrittsseite in entgegengesetzten Richtungen, quer zu den Rohren zu den Fenstern 12, 13, durchtritt die Umlenkfläche axial und mündet auf gegenüberliegende Seiten des Leitsteges auf der Austrittsseite und wird in Richtung des Leitstegs 11 um vorzugsweise 90° umgelenkt. Dabei ist die Strömungsrichtung der Teilströme quer zu den Rohren auf der Austrittsseite auf beiden Seiten des Leitstegs 1 1 wiederum entgegengesetzt. Umlenkflächen mit Fenstern und sich kreuzenden Leitstegen bilden jeweils ein Einbauelement A bzw. B. Die Leitstege 1 1 , 10’ in Strömungsrichtung aufeinanderfolgender Einbauelemente (A, B) kreuzen sich vorzugsweise unter 90°. Geschlossene Teilflächen 8, 8’ und Fenster 12, 12’ und 13, 13’ aufeinanderfolgender Einbauelemente A, B wechseln sich ab.

In jedem Einbauelement erfolgt bei laminarer Strömung eine Aufteilung in Teilströme und Vermischung derart, dass in jedem Einbauelement bei gleichzeitig intensivem Wärmeübergang mindestens eine Verdoppelung (bei zwei Teilströmen bzw. je einem Leitsteg auf der Eintritts-und Austrittsseite) der Schichtenzahl stattfindet. Im ganzen Apparat steigt die Zahl der gebildeten Schichten vom Eintritt zum Austritt exponentiell an mit der Anzahl in Strömungsrichtung aufeinander folgender Einbauelemente. Anhand von Versuchen mit rasch aushärtendem, zähem Polyesterharz konnte dieser Vorgang nachgewiesen werden. Bei turbulenter Strömung wird die Vermischung durch Turbulenzen noch verstärkt. Der axiale Abstand aufeinanderfolgender Umlenkflächen entspricht vorzugsweise der Höhe von zwei Leitstegen ohne Abstände dazwischen. Der Einbau kann jedoch auch mit Abständen oder verkürzt mit ineinander geschobenen Leitstegen erfolgen. Statt zwei Fenstern mit jeweils einem Leitsteg auf der Eintritts- und Austrittsseite dazwischen können die Umlenkflächen auch mehrere Fenster 25, 26, 27 und mehrere Paare von Leitstegen (21 , 22 und 23, 24) aufweisen. Es ist auch möglich, dass die Anzahl der Leitstege auf der Eintrittsseite und auf der Austrittsseite, oder deren Höhe, unterschiedlich ist. Dadurch steigt die Intensität der Vermischung, aber auch der Aufwand und der Druckverlust nehmen zu.

Durch die erfindungsgemässen Leitstege wird der Strömungsweg im Aussenraum verlängert. Damit erhöht sich auch die Strömungsgeschwindigkeit um die Rohre und der Wärmeübergang. Durch die intensive Vermischung wird gleichzeitig die axiale Rückmischung verhindert. Je grösser die Anzahl aufeinanderfolgender Baugruppen/Einbauelemente im Wärmeübertrager und somit auch je schlanker der Apparat, desto enger wird die Verweilzeitverteilung sein, analog einer Kaskade von Rührkesseln. Alle bisher bekannten Umlenkbleche (bzw. -flächen) für Wärmeübertrager bewirken im Gegensatz zu den erfindungsgemässen Einbauten bei laminarer Strömung bzw. viskosen Produkten keinerlei Vermischung. Der Wärmeübergang wird lediglich verbessert, infolge der besseren Querströmung zu den Rohren. Der Produktstrom wird nur umgelenkt, aber nicht aufgeteilt und vermischt.

Die Fig.1 zeigt beispielhaft erfindungsgemässe eingebaute Einbauelemente A, B aus einer Umlenkfläche und damit verbundenen Leitstegen in einem U-Rohr-Wärmeübertrager mit einem ausziehbaren Rohrbündel. Der Mantel 1 des Apparats ist wenig vor der Mitte bzw. vor dem austrittseitigen Leitsteg 11 eines Einbauelements axial aufgeschnitten dargestellt, während die Einbauelemente in der Ansicht dargestellt sind. Ein Einbauelement besteht aus geschlossenen Teilflächen, Fenstern und zugehörige Leitstegen auf der Eintritts- und Austrittsseite. Die Einbauelemente können lose oder mit den Rohren ganz oder teilweise fest durch Löten, Schweissen oder Kleben verbunden sein. Auch die Einzelteile eines Einbauelementes sind auf diese Art mindestens teilweise verbunden.

In einer anderen Ausführungsform sind die Einbauten, wie bei normalen Umlenkblechen üblich, durch Haltestangen miteinander und mit dem Apparat verbunden. Es ist auch möglich, Teilelemente, bestehend aus einem Leitsteg und geschlossenen Teilflächen, aus einen Blech durch Biegen herzustellen. Die dargestellte Anordnung mit U-Rohren ist nur beispielhaft. Selbstverständlich eignen sich die Einbauelemente auch für alle anderen Rohrbündel-Wärmeübertrager wie z.B. solche mit fest eingebauten, geraden Rohren und Rohrböden oder für mehrgängige Apparate. Auch nicht kreisrunde (z.B. quadratische oder rechteckige) Apparatequerschnitte wären möglich. Für die Erhitzung von Flüssigkeiten können anstelle von Rohren mit einem Wärmeträger auch elektrische Heizstäbe oder Heizschlangen treten.

Die Fig. 2 zeigt eine räumliche Darstellung eines Bündels von Rohren 7 mit erfindungsgemässen Einbauelementen, welche Fenster 12, 13, geschlossenen Teilflächen 8 und Leitstege 10, 11 umfassen. Geschlossenen Teilflächen und Fenster aufeinanderfolgender Einbauelemente decken sich jeweils ab und aufeinander folgende Leitstege kreuzen sich vorzugsweise unter einem Winkel von 90°.

Die Fig. 3 zeigt eine Ansicht auf die Eintrittsseite eines erfindungsgemässen Einbauelements A mit einer Umlenkfläche 8 und zwei Leitstegen 10, 11 sowie zwei Fenstern 12, 13 sowie Bohrungen 7’ in den geschlossenen Teilflächen für die Rohre. Dabei entspricht die Fläche der Fenster normalerweise annähernd der geschlossenen Teilfläche. Es ist jedoch auch möglich, die Fenster wesentlich kleiner oder in einer andern Form wie z.B. Schlitze oder Bohrungen auszugestalten, um spezielle Strömungseffekte oder einen zusätzlichen Druckverlust zu erzeugen oder um die Bildung von Strähnen zu verhindern. Die Fig. 4 zeigt die Ansicht auf die Eintrittsseite eines in Strömungsrichtung folgenden, erfindungsgemässen Einbauelements B mit einer Umlenkfläche 8’ und zwei Leitstegen 10’, 1 1’ sowie zwei Fenstern 12’, 13’ und Bohrungen 7’ für die Rohre. Die geschlossenen Teilflächen und die Fenster sind gegenüber dem vorangehenden, in Fig. 3 gezeigten Einbauelement versetzt.

Eine alternative Ausführungsform ergibt sich aus der Fig. 5. Sie zeigt eine Ansicht auf die Eintrittsseite eines erfindungsgemässen Einbauelements mit einer Umlenkfläche 8 mit Bohrungen 7’ für die Rohre und zwei Leitstegen 10, 1 1 sowie zwei Fenstern 12, 13, wobei die Fenster eine wesentliche kleinere Fläche als die Umlenkfläche und eine beliebige Form haben.

Die Fig. 6 zeigt wiederum die Ansicht auf die Eintrittsseite eines anderen erfindungsgemässen Einbauelements mit einer Umlenkfläche 8 und vier Leitstegen 21 , 22, 23, 24 sowie drei Fenstern 25, 26, 27 und Bohrungen 7’ für die Rohre.

Fig. 7 zeigt die Ansicht auf die Eintrittsseite eines erfindungsgemässen Einbauelements mit einer Umlenkfläche 8 und mit nur einem Leitsteg 10 auf der Eintrittsseite, zwei Leitstegen 23, 24 sowie drei Fenstern 25, 26, 27 und Bohrungen 7’ für die Rohre.

Fig. 8 ist die Ansicht auf die Eintrittsseite eines erfindungsgemässen Einbauelements, das auf ein vor ihm liegendes Einbauelement nach Fig. 7 folgt, mit einer Umlenkfläche 8’ und mit nur einem Leitsteg 10’ auf der Eintrittsseite zwei Leitstege 23’, 24’ sowie drei Fenstern 25’, 26’, 27’ und Bohrungen 7’ für die Rohre. Dabei sind die Fenster jeweils zu den Fenstern gegenüber dem Element nach Fig. 7 versetzt angeordnet, so dass kein direkter, axialer Durchtritt möglich ist, wenn die Elemente in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet werden.

Eine ausführliche Darstellung einer Erfindungsvariante, die auf den Fig. 7 und 8 basiert, zeigen die Fig. 9 bis 17, die nicht alle in demselben Massstab dargestellt sind. Dabei ist aus Gründen der Darstellung der Mantel 1 weggelassen. Die Fig. 9 ist eine Aufsicht auf das Rohrbündel des Wärmeübertragers mit den erfindungsgemässen Umlenkflächen, Fenstern und Leitstegen. Das Wärmeaustauschmedium (Wärme- oder Kühlmittel) fliesst in Richtung des Pfeils 28 durch die Rohre. Die Leitstege sind hier mit den Bezugszeichen 10a bis 10e versehen. Im Winkel von 90° hierzu befinden sich weitere Leitstege 10a‘, 10a“ bis 10e‘, 10e“, wobei diese Leitstege jeweils rechtwinklig mit Umlenkflächen 8a‘, 8a“; 8b‘; 8c‘, 8c“; 8d‘; 8e‘, 8e“ verbunden sind. Die Bezugszeichen 8a‘, 8a“; 8b‘; 8c‘, 8c“; 8d‘; 8e‘, 8e“ kennzeichnen dabei Teilflächen, die Öffnungen oder Bohrungen für den Durchtritt von Rohren aufweisen. Die Umlenkflächen sind ferner durch Fenster 12a‘; 12b‘, 12b“; 12c‘; 12d‘, 12d“; 12e‘ unterbrochen. Die Geometrie der Umlenkflächen und der in ihnen ausgenommenen Fenster alterniert von Umlenkfläche zu Umlenkfläche, wie im Folgenden näher erläutert werden wird.

Die Fig. 10 zeigt denselben Aufbau wie die Fig. 9, aber dieses Mal in Richtung des Pfeils X der Fig. 9 dargestellt. Die Fig. 11 ist eine Aufsicht aus Richtung des Pfeils XI der Fig. 9 mit den markierten Schnitten Xll-Xll und Xlll-Xlll, die sich jeweils in den Fig. 12 und 13 finden.

In der Fig. 9 sind des weiteren Schnitte XIV-XIV, XV-XV und XVI-XVI angegeben. Diese Schnitte sind jeweils in den Fig. 14, 15 und 16 dargestellt. Die Schnitte zeigen die auf einanderfolgenden Umlenkflächen, die jeweils gegenüber der vorhergehenden (oder nächsten) Umlenkfläche eine komplementäre Geometrie aufweisen, um für eine optimale Durchmischung des zu mischenden Produkts zu sorgen. So weist die in Fig. 14 gezeigte Umlenkfläche (abdeckende) Teilflächen 8a‘, 8a“ auf, die den Fluss des Produkts umleiten und nur eine Bohrung für ein Rohr aufweisen. Dazwischen befindet sich das (offene) Fenster 12a‘, welches der Strömung keinen Widerstand entgegensetzt und nur von zwei Rohren durchquert wird. Die in Fig. 15 gezeigte Umlenkfläche ist komplementär zu der Umlenkfläche der Fig. 14, d.h. sie weist Teilflächen auf, wo sich bei der Umlenkfläche der Fig. 14 Fenster befanden, und Fenster, wo sich bei der Umlenkfläche der Fig. 14 Teilflächen befanden. Auf der nicht mit Bezugszeichen versehenen unteren Hälfte der Umlenkflächen gilt jeweils das Umgekehrte. Das durch den Mischer/Wärmeübertrager fliessende Produkt ist somit gezwungen, von Umlenkfläche zu Umlenkfläche einen anderen Weg zu nehmen, wodurch sich eine optimale Durchmischung des Fluids ergibt. Der dritte Schnitt nach Fig. 16 entspricht wiederum demjenigen der Fig. 14.

Zur weiteren Veranschaulichung zeigt die Fig. 17 schließlich eine perspektivische Darstellung des anhand der Fig. 9 bis 16 beschriebenen Rohrbündel-Wärmeübertragers, wobei der Pfeil 28 die Fliessrichtung des Produkts andeutet (vgl. Fig. 9). Der Übersichtlichkeit halber ist diese Figur nicht mit Bezugszeichen versehen, diese ergeben sich jedoch aus den Fig. 9 bis 16.

Die Baugruppen bzw. Einbauelemente und deren Bauteile wie Umlenkflächen und Leitstege können in an sich bekannter Weise aus Stahl gefertigt und verschweisst sein. Es können aber auch Gussteile zum Einsatz kommen. Schliesslich ist auch eine Herstellung aus Kunststoffen möglich, z.B. im Spritzgussverfahren oder mittels additiver Fertigung wie etwa 3 D- Druck.

Claims

Patentansprüche

1. Bündel-Wärmeübertrager zur Zu- oder Abfuhr von Wärme und gleichzeitiger Mischung eines Produktstroms, mit einem Bündel aus mindestens zwei langgestreckten Wärmeaustausch-Elementen wie Rohren (7), elektrischen Heizstäben oder Heizschlangen o.dgl., wobei ein Produktstrom im Aussenraum (6) von einer Einlassöffnung (2) zu einer Auslassöffnung (3) fliesst, mit mindestens einer feststehenden Baugruppe (Einbauelement A, B) mit mindestens einer Umlenkfläche (8, 8‘, 8a‘, 8a“; 8b‘; 8c‘, 8c“; 8d‘; 8e‘, 8e“), gekennzeichnet durch mindestens zwei Fenster (12,13, 12‘, 13‘,12a‘; 12b‘, 12b“; 12c‘; 12d‘, 12d“; 12e‘, 25, 26, 27, 25‘, 26‘, 27‘) in der Umlenkfläche (8, 8‘, 8a‘, 8a“; 8b‘; 8c‘, 8c“; 8d‘; 8e‘, 8e“), die von deren Eintrittsseite auf die Austrittsseite führen, und dadurch, dass auf der Eintritts- oder auf der Austrittsseite der Umlenkfläche (8, 8‘, 8a‘, 8a“; 8b‘; 8c‘, 8c“; 8d‘; 8e‘, 8e“) mindestens ein Leitsteg (10, 11 , 10‘, 10a - 10e, 10a‘ - 10e‘, 10a“ - 10e“, 23, 24) parallel zu den langgestreckten Wärmeaustausch-Elementen angebracht ist und dass die nicht mit Fenstern (12,13, 12‘, 13‘,12a‘; 12b‘, 12b“; 12c‘; 12d‘, 12d“; 12e‘, 25, 26, 27, 25‘, 26‘, 27‘) versehenen Teilflächen der Umlenkfläche (8, 8‘, 8a‘, 8a“; 8b‘; 8c‘, 8c“; 8d‘; 8e‘, 8e“) einer oder mehrere Bohrungen oder Öffnungen (7’) für den Durchtritt der Wärmeaustausch-Elemente entsprechend ihrer Teilung in dem Bündel aus Wärmeaustausch-Elementen aufweisen.

2. Bündel-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

3. Bündel-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Leitstege auf der Eintrittsseite (10) und die Leitstege auf der Austrittsseite (11) unter einem Winkel von 90° kreuzen.

4. Bündel-Wärmeübertrager nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fenster (12, 13, 12‘, 13‘, 12a‘; 12b‘, 12b“; 12c‘; 12d‘, 12d“; 12e‘, 25, 26, 27, 25‘, 26‘, 27‘) auf jeweils gegenüberliegenden Seiten eines Leitstegs (10, 11 , 10‘, 10a - 1 Oe, 10a‘- 10e‘, 10a“ - 1 Oe“, 23, 24) angeordnet sind.

5. Bündel-Wärmeübertrager nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Baugruppen (Einbauelemente A, B) mit quer zu den Wärmeaustausch-Elementen stehenden Umlenkflächen (8) in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind und dass einerseits Fenster (12, 13) einer Baugruppe (Einbauelement A, B) mit nicht mit Fenstern (12, 13) versehenen Teilflächen der Umlenkflächen (8’) der folgenden Baugruppe (Einbauelement A, B) und andererseits nicht mit Fenstern (12, 13) versehene Teilflächen der vorangehenden Baugruppe (Einbauelement A, B) mit Fenstern (12’, 13’) der nachfolgenden Baugruppe (Einbauelement A, B) abwechseln.

6. Bündel-Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Leitstege (11 , 10‘) aufeinanderfolgender Baugruppen (Einbauelemente A, B) unter einem Winkel von 90° kreuzen.

7. Bündel-Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bündelquerschnitt durch die Leitstege (10, 11 , 10‘, 10a - 10e, 10a‘ - 10e‘, 10a“ - 10e“, 23, 24) der Baugruppen (Einbauelemente (A, B) in angenähert gleichgrosse Teilflächen unterteilt wird.

8. Rohrbündel-Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Fenstern (12, 13, 12‘, 13‘,12a‘; 12b‘, 12b“; 12c‘; 12d‘, 12d“; 12e‘, 25, 26, 27, 25‘, 26‘, 27‘) versehenen Teilflächen und die nicht mit Fenstern (12, 13, 12‘, 13‘,12a‘; 12b‘, 12b“; 12c‘; 12d‘, 12d“; 12e‘, 25, 26, 27, 25‘, 26‘, 27‘) versehenen Teilflächen (8) einer Baugruppe (Einbauelement A, B) annähernd gleich gross sind.

9. Bündel-Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Fenstern (12, 13, 12‘, 13‘,12a‘; 12b‘, 12b“; 12c‘; 12d‘, 12d“; 12e‘, 25, 26, 27, 25‘, 26‘, 27‘) versehenen Teilflächen mindestens einer Baugruppe (Einbauelement A, B) zur Erzielung besonderer Strömungseffekte wesentlich kleiner als die nicht mit Fenstern (12, 13, 12‘, 13‘,12a‘; 12b‘, 12b“; 12c‘; 12d‘, 12d“; 12e‘, 25, 26, 27, 25‘, 26‘, 27‘) versehenen Teilflächen (8) der Umlenkflächen sind.

10. Bündel-Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) der Leitstege (10, 11) mindestens einer Baugruppe (Einbauelement A, B) höchstens 0,25 des Innendurchmessers (D,₎ beträgt.

11. Verwendung eines Bündel-Wärmeübertragers nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Wärmeübertragung bei viskosen Produkten.

12. Verwendung eines Bündel-Wärmeübertragers nach einem der vorangehenden Ansprüche als Reaktor bei exo- oder endothermen Reaktionen.

13. Bündel-Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Leitstege (10, 11 , 10‘, 10a - 10e, 10a‘ - 10e‘,

10a“ - 10e“, 23, 24) auf der Eintrittsseite und auf der Austrittsseite unterschiedlich ist.

14. Bündel-Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) der Leitstege (10, 11 , 10‘, 10a - 10e, 10a‘ - 10e‘,