CH716236A2 - Rohrbündel-Wärmeübertrager mit Einbauelementen aus Umlenkflächen und Leitstegen. - Google Patents

Rohrbündel-Wärmeübertrager mit Einbauelementen aus Umlenkflächen und Leitstegen. Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rohrbündel-Wärmeübertrager (1) mit Einbauelementen aus Umlenkflächen (8), Fenstern (13) und Leitstegen (10, 11). Durch diese Einbauelemente wird eine dauernde Vermischung im Produktstrom während dem Wärmeübergang erreicht und damit die Ausbildung einer Maldistribution und die axiale Rückmischung verhindert. Gleichzeitig wird der Strömungsweg verlängert und so der Wärmeübergang verbessert. Nach der Erfindungsidee fliesst das Produkt im Aussenraum (6) des 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 weisen Umlenkflächen (8) Fenster (13) auf, wobei auf der Eintrittsseite und der Austrittsseite der Umlenkfläche (8) mindestens ein Leitsteg (10) bzw. (11) angebracht ist und dass diese Leitstege (10, 11) parallel zu den, Rohrachsen verlaufen und sich kreuzen. Die Strömung wird durch die Leitstege (10, 11) auf der Eintrittsseite geteilt und in entgegengesetzten Richtungen zu den Fenstern (13) geführt wo sie dann auf jeweils gegenüberliegenden Seiten der Austrittsstege austritt und umgelenkt wird.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft Rohrbündel-Wärmeübertrager mit Einbauelementen aus Umlenkflächen und Leitstegen im Aussenraum. Da Rohrbündel-Wärmeübertrager meist aus einem metallischen Werkstoff hergestellt werden, spricht man von Umlenkblechen statt Umlenkflächen. In dieser Patentschrift wird der Begriff Umlenkflächen verwendet. Sie soll dadurch nicht nur auf Wärmeübertrager aus einem metallischen Werkstoff beschränkt sein. Die übliche Bauart von Umlenkblechen dienen der Strömungsführung indem sie die Strömung des Fluids im Aussenraum teils quer und teils parallel zu den Rohren führen. 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 Strömung (zähe Fluide) standardmässig eingebaut. Für weitere funktionsmässige und bauliche Details wird auf VDI-Wärmeatlas Gg5 und Ob7 (6. Auflage) 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 Ob4). Bei zähen Medien die gekühlt oder erwärmt werden müssen, kann 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. Chem Eng. Technol.13 (1990) 214 - 220. Auch hier kommt es durch Unterschiede von Umsatz und Viskosität zu Maldistribution. Ähnliche Probleme treten in Rohrbündel-Wärmeübertragern auf in denen viskose Lösungen teilweise verdampfen und dabei die Viskosität stark zunimmt.
[0002] Viele statische Mischer wie z.B. X-Mischer (SMX, SMXL) oder Wendelmischer (Kenics) 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 unter 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 Auswirkungen wie beschrieben sein. Das Problem wird sogar durch den höheren Druckverlust der Mischelemente 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.
[0003] In der Patentschrift DE 28 39 564 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 benötig 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.
[0004] In der Patentschrift, EP 1 067 352, 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 Abschnitt[0003]überlegen sein aber dessen Fertigung ist enorm aufwändig und anspruchsvoll.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es einen Mischer-Wärmeübertrager oder Mischreaktor vorzugsweise für viskose Produkte zu schaffen der sich sehr günstig herstellen lässt und in dem Produkte erhitzt, gekühlt, verdampft oder in dem exotherme Reaktionen durchgeführt werden können unter gleichzeitiger, intensiver, Vermischung ohne bewegte Teile bei geringer axialer Rückmischung und geringem Druckverlust. Die Ausbildung von Maldistribution soll verhindert werden und die Einbauten sollen wenn nötig einfach zugänglich für eine Reinigung von aussen sein. Der Apparat soll ausserdem sehr einfach skalierbar sein.
[0006] Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Nach der Erfindungsidee fliesst das Produkt im Mantelraum eines ganz normalen Rohrbündel-Wärmeübertragers (1) mit einem Eintritt (2) und einem Austritt (3) für das Produkt im Aussenraum (6) und einem Eintritt (4) und einem Austritt (5) für den Wärmeträger in den Rohren (7). Dabei werden 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 mindestens zwei Fenster (12) und (13) für den axialen Durchtritt des Produkts von der Eintrittsseite auf die Austrittsseite der Umlenkfläche offen lassen und mindestens je ein Leitsteg (10) bzw. (11) auf der Eintritts- bzw. Austrittsseite angebracht ist und dass diese Leitstege parallel zu den Rohren verlaufen und den Querschnitt des Rohrbündels in annähernd gleich grosse Abschnitte unterteilen. Die Umlenkflächen können bei Bedarf auch in einem Winkel zur Wärmeübertrager- bzw. Rohrachse angestellt sein (9). Die Leitstege (10) bzw. (11) 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 (11) 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 (11) wiederum entgegengesetzt. Umlenkflächen mit Fenstern und sich kreuzenden Leitstegen bilden jeweils ein Einbauelement (A bzw. B). Die Leitstege (11,10') in Strömungsrichtung aufeinanderfolgende Einbauelemente (A,B) kreuzen sich vorzugsweise unter 90°. Geschlossene Teilflächen (8,8') und Fenster (12,12' und 13,13') aufeinanderfolgender Einbauelemente (A,B) wechsein 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. 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 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 durch die bessere Querströmung zu den Rohren. Der Produktstrom wird nur umgelenkt aber nicht aufgeteilt und vermischt. Fig.1 zeigt beispielhaft erfindungsgemässe eingebaute Einbauelemente (A,B) aus einer Umlenkfläche und damit verbundenen Leitstegen in einem U-Rohr-Wärmeübertrager mit einem ausziehbarem 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 eigenen sich die Einbauelemente auch für alle andern 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.
[0007] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von weiteren Zeichnungen erläutert. <tb>Fig. 2<SEP>Raumdarstellung eines Bündels von Rohren (7) mit erfindungsgemässen Einbauelementen bestehend aus Fenstern (12,13), geschlossenen Teilflächen (8) und Leitstegen (10,11)). Geschlossenen Teilflächen und Fenster aufeinanderfolgender Einbauelemente decken sich jeweils ab und aufeinander folgende Leitstege kreuzen sich vorzugsweise unter einem Winkel von 90°. <tb>Fig. 3<SEP>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. <tb>Fig. 4<SEP>Ansicht auf die Eintrittsseite eines in Strömungsrichtung folgenden, erfindungsgemässen Einbauelements (B) mit einer Umlenkflächen (8') und zwei Leitstegen (10',11') sowie zwei Fenstern (12',13') sowie Bohrungen (7') für die Rohre. Die geschlossenen Teilflächen und die Fenster sind gegenüber dem vorangehenden Einbauelement (Fig.3) versetzt. <tb>Fig. 5<SEP>Ansicht auf die Eintrittsseite eines erfindungsgemässen Einbauelements mit einer Umlenkfläche (8) mit Bohrungen (7') für die Rohre und zwei Leitstegen (10,11) sowie zwei Fenstern (12,13) wobei die Fenster eine wesentliche kleinere Fläche als die Umlenkfläche und eine beliebige Form haben. <tb>Fig. 6<SEP>Ansicht auf die Eintrittsseite eines erfindungsgemässen Einbauelements mit einer Umlenkflächen (8) und vier Leitstegen (21,22,23,24) sowie drei Fenstern (25,26,27) und Bohrungen (7') für die Rohre.

Claims (9)

1. Rohrbündel-Wärmeübertrager (1) mit vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt zur Zu- oder Abfuhr von Wärme und gleichzeitiger Mischung eines Produktstroms im Aussenraum (6) mit einem Bündel aus mindestens zwei Rohren (7) wobei ein Produktstrom von einer Einlassöffnung (2) zu einer Auslassöffnung (3) fliesst mit mindestens einem feststehenden Einbauelement mit mindestens einer Umlenkfläche (8) die vorzugsweise senkrecht zu den Rohren steht dadurch gekennzeichnet dass mindestens zwei Fenstern (12,13) in der Umlenkfläche von der Eintrittsseite und auf die Austrittsseite führen und dass auf der Eintritts- und auf der Austrittsseite der Umlenkfläche mindestens je ein Leitsteg (10,11) parallel zu den Rohren (7) angebracht ist und dass die Leitstege auf der Eintrittsseite (10) und jene auf der Austrittseite (11) sich vorzugsweise unter einem Winkel von 90° kreuzen und dass die Fenster auf jeweils gegenüberliegenden Seiten eines Leitstegs angeordnet sind und dass die abgedeckten Teilflächen Bohrungen oder Öffnungen (7') für den Durchtritt der Rohre entsprechend der Rohrteilung des Bündels aus Rohren aufweisen.
2. Rohrbündel-Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einbauelemente mit senkrecht zu den Rohren stehenden Umlenkflächen (8) in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind und dass einerseits offene Fenster (12,13) eines Einbauelements mit geschlossenen Teilflächen der Umlenkflächen (8') des folgenden Einbauelements und andererseits geschlossene Teilflächen (8) des vorangehenden Einbauelements mit offenen Fenstern (12',13') des nachfolgenden Einbauelements abwechseln und dass sich die Leitstege (11,10') aufeinanderfolgender Einbauelemente vorzugsweise unter einem Winkel von 90° kreuzen.
3. Rohrbündel-Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrbündelquerschnitt durch die Leitstege (10,11) der Einbauelemente in angenähert gleichgrosse Teilflächen unterteilt wird.
4. Rohrbündel-Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die offene Teilfläche der Fenster (12,13) und die geschlossenen Teilflächen (8) eines Einbauelements annähernd gleich gross sind.
5. Rohrbündel-Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die offenen Teilflächen der Fenster (12,13) mindestens eines Einbauelements zur Erzielung besonderer Strömungseffekte wesentlich kleiner als die geschlossenen Teilflächen (8) der Umlenkflächen sind.
6. Rohrbündel-Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) der Leitstege (10,11) mindestens eines Einbauelements höchstens 0.25Dibeträgt .
7. Anwendung eines Rohrbündel-Wärmeübertragers nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Wärmeübertragung bei viskosen Produkten.
8. Anwendung eines Rohrbündel-Wärmeübertragers nach einem der vorangehenden Ansprüche als Reaktor bei exo- oder endothermen Reaktionen.
9. Rohrbündel-Wärmeübertragers nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Erhitzung eines Produkts wobei die Rohre durch elektrische Heizstäbe oder elektrische Heizschlangen ersetzt sind.
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