DE2804431A1

DE2804431A1 - Waermetauscher fuer mit feststoffen durchsetzte fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2804431A1
Application number: DE19782804431
Authority: DE
Inventors: Peter Beurer; Libero Portaleoni
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1977-04-18
Filing date: 1978-02-02
Publication date: 1978-10-19
Also published as: DK15978A; IT1095104B; NL7801936A; FR2388234B3; IT7822028A0; FR2388234A1; GB1601726A

Description

P. 5 259/Wg/IS

Gebrüder Sulzer, Aktiengesellschaft, Winterthur/Schweiz

Wärmetauscher für mit Feststoffen . durchsetzte Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für den direkten Wärmeaustausch zwischen-mit Feststoffen durchsetzte Flüssigkeiten, insbesondere zwischen Klärschlämmen mit bis zu 15 Gew.% Feststoffgehalt.

Der direkte Wärmetausch zwischen mit Feststoffen beladenen Flüssigkeiten, zu denen vor allem auch Abwasser oder Schlamm mit bis zu 15 % Feststoffgehalt gehören - d.h. der Wärmetausch ohne Zwischenübertragung von einem ersten Flüssig-Feststoff-Gemisch auf eine Zwischenträgerflüssigkeit, z.B. Wasser, und von dieser auf das zweite Flüssig-Feststoff-Gemisch - bereitet sehr oft Schwierigkeiten. Denn auf der einen Seite erfordert eine wirksame Wärmeübergangszahl relativ grosse Strömungsgeschwindigkeiten,

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d.h. relativ enge Stromungsquerschnxtte, und auf der anderen Seite verlangt die Gefahr der Verstopfung der Systeme durch grobe Verunreinigungen, wie z.B. Steine, Haare, Tuch- und Papierfetzen, Lappen, Fäden, Gummi- und Kunststoffteile und sonstige Grobstoffe, möglichst grosse lichte Weiten der Strcmungswege.

Bei bekannten Einrichtungen für den direkten Wärmetausch fliesst das eine Medium im allgemeinen durch ein Rohr und das andere durch einen Ringkanal, der durch ein zweites, zum ersten konzentrisches Rohr gebildet ist. Die Gefahr der Verstopfung ist bei diesen Einrichtungen besonders in den äusseren Ringräumen und in den Verbindungen dieser Ringräume gross.

Wärmetauscher mit indirektem Wärmetausch über ein Zwischenmedium sind in ihrer thermischen Wirksamkeit schlecht und bedürfen relativ komplizierter und auf v/endiger Einrichtungen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, einen Wärmetauscher für den direkten Wärmetausch zwischen den genannten Stoffgemischen zu schaffen, bei dem einerseits die Verstopfungsgefahr vermieden und andererseits trotzdem gute Wärmeübergangs.zahlen erreicht werden. Die Lösung dieser Aufgabe

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erfolgt erfindungsgemäss durch einen Behälter, der durch mindestens eine in Umfangsrichtung in sich geschlossene Zwischenwand in mindestens einen Primärraum und in mindestens einen von der Zwischenwand umschlossenen Sekundärraum unterteilt ist, ferner durch aktive Antriebsmittel, die in jedem Teilraum eine den Wärmeübergang fördernde Zwangsströmung des Flüssig-Feststoff-Gemisches erzeugen.

Mit der neuen Konstruktion, bei der die das Gut aufnehmenden Räume weite Abmessungen haben, v/erden relativ enge Strömungs-

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querschnitte in Rohren oder Kingräumen sowie schlaufenartige Rohrumleitungen vermieden und gute Wärmeübergangszahlen durch eine erzwungene Bewegung der Gemische in den Räumen des Behälters sichergestellt.

Um den notwendigen Wärmeübergang bei steigenden Durchsatzmengen pro Zeiteinheit sicherzustellen, ist es vorteilhaft, wenn eine Anzahl in sich geschlossener Zwischenwände mindestens zwei Sekundärräume umschliesst, die bezüglich des sie durchsetzenden Gutes parallel zueinander angeordnet sind.

Weitere Vorteile der Erfindung bestehen im einfachen Aufbau des neuen Wärmetauschers und seiner einfachen und rasch durchführbaren Reinigung, wodurch Verkrustungen insbesondere an den den Wärmeübergang vermittelnden Zwischenwänden und damit Verschlechterungen des Wärmeübergangs vermieden werden können; die Zwischenwände bestehen vorteilhafterweise aus einem einerseits gut wärmeleitenden und andererseits möglichst korrosionsbeständigen Material. Durch die erzwungene Strömung wird weiterhin ein Absetzen von Feststoffen aus der Flüssigkeit zumindest erschwert.

Vorteilhafte Mittel für die F<rzeugung der Zirkular strömung in den vorzugsweise rotationssymmetrischen Räumen des Behälters sind beispielsweise Rührwerte und/oder Pumpen. Durch Variation der Laufzeiten dieser Mittel ist es auf einfache Weise möglich, die von einem Gemisch auf das andere übergehenden Wärmemengen zu

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steuern. Schliesslich besteht ein zusätzlicher Vorteil des neuen Wärmetauschers darin, dass er sowohl im kontinuierlichen als auch im absatzweisen Betrieb einsetzbar ist.

Um dem Gut in den einzelnen Räumen des Behälters eine Zirkularströmung aufzuzwingen, kann es vorteilhaft sein, Rührwerke in den Sekundärräumen exzentrisch zu deren Mittelachse und/oder Rührwerke im Primärraum mit zur Vertikalen schräg stehenden Achse anzuordnen.

Mit einstufigen Einrichtungen der vorliegenden Art lässt sich - gleiche Mengen vorausgesetzt - theoretisch maximal die Mischtemperatur zwischen wärmeabgebendem und wärmeaufnehmendem Gut erreichen; eine Aufheizung des wärmeaufnehmenden Gutes über diese Temperatur hinaus lässt sich erzielen, wenn mindestens zwei der neuen Einrichtungen in Serie hintereinander angeordnet und im Gegenstrom von beiden Komponenten durchsetzt werden.

Neben dem Einsatz für die Wärmerückgewinnung lässt sich der neue Wärmetauscher mit Vorteil auch für eine maximale Abkühlung des behandelten Schlammes einer Pasteurisierungsanlage einsetzen; die erzielte, verbesserte Abkühlung bewirkt ihererseits wiederum eine verminderte Geruchsbelästigung der Umgebung.

Weiterhin kann - besonders bei Behältern mit mehreren Sekundärräumen - eine gute Nutzung der durch die Zwischenwände gebildeten Wärmeaustauschflächen erreicht werden, wenn das Gesamtvolumen der parallel zueinander durchsetzten Sekundärräume sich zum

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zum Volumen des Primärraumes so verhält, daß für vergegebene Soll-Mengenströme in jedem Raum die Flüssigkeitsspeiegel beiderseits der Zwischenwände mindestens annähernd auf gleicher Höhe liegen; im einfachsten Fall uird diese Forderung erfüllt, wenn das Gesamtvolumen der parallel zueinander durchsetzten Sekundärräume etwa gleich dem Volumen des Primärraumes ist. Bei mehreren Sekundärräumen können die Strömung im Primärraum und damit der Wärmeübergang verstärkt werden, wenn dem Primärraum für jeden vorhandenen Sekundärraum ein eigenes Antriebsmittel für die Zwangsströmung zugeordnet ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig., 1 schematisch einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 und 3 in gleicher Darstellung - Schnitt II von Fig. 3 - bzw. im Schnitt III-III von Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 und 5 stellen ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 5 bzw. im Schnitt V-V der Fig. 4 dar, während

Fig. 6 und 7 in der gleichen Darstellung wie Fig. 4 zwei weitere Beispiele zeigen.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen»

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Der Behälter 1 (Fig. 1), der mit Vorteil kreiszylndrischen Querschnitt besitzt, besteht beispielsweise aus Metall und ist mit Isolationsmittel 2, z.B. Mineral- oder Glaswolle, abgedeckt, wodurch Wärmeverluste an die Umgebung gemildert werden.

Erfindungsgemäss befindet sich im Behälter 1 (Fig. 1) eine Zwischenwand 3 aus gut wärmeleitendem Material, durch die ein Sekundärraum 4 und ein Primärraum 5 voneinander getrennt werden. Beide Räume 4 und 5 haben vorteilhafterweise etwa den gleichen Rauminhalt.

An ihren oberen Rändern haben der Behälter 1 und die Zwischenwand 3 Flansche 6 bis 8, auf denen Deckel 9 und 10 aufliegen, die durch nicht gezeigte Schraubenbolzen und Muttern auf dem Behälter 1 befestigt werden.

In jedem Deckel 9 und 10 ist - als Mittel für die Erzielung einer Zirkulationsstrcmung - ein Rührwerk 11 und 12 eingelassen, das von einem Motor 13 bzw. 14 angetrieben wird. Wie die Figur ' zeigt, ist das Rührwerk 12 im Sekundärraum 4 exzentrisch zur Mittelachse angeordnet, um die Ausbildung einer an der Innenseite der Wand 3 entlang geführten Zirkularströmung zu erzwingen. Zusätzlich kann der Rührer 11 im Primärraum 5 zur Vertikalen schräg angeordnet sein, um die Ausbildung einer Zirkularströmung in diesem Raum 5 zu verbessern. Die Erzeugung und Aufrechterhaltung der zirkulären Zwangsstrcmung, die in ihrer Bewegung im wesentlichen horizontal, aber auch vertikal oder mit Komponenten in beiden Richtungen ausgebildet sein kann, kann auch durch

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geeignete andere Mittel erfolgen. Selbstverständlich ist es
auch möglich, für jeden Raum 4 und 5 mehrere Rührwerke vorzusehen. Weiterhin kann das Rührwerk für Raum 5 auch im Aussenmantel des Behälters 1 angeordnet sein.

Jeder der beiden Räume 4 und 5 des Behälters 1 hat je einen
Leitungsanschluss 15 bis 18 für das Zuführen und das Wegführen
des wärmeabgebenden und wärmeaufnehmenden Stoffgemisches, wobei das wärmeabgebende Gemisch wegen der durch die Zirkularstrcmung erzeugten Fliehkräfte mit Vorteil'im Innenraum 4 und das wärmeaufnehmende Gut dem Primärraum 5 zugeleitet werden. Um besonders im Durchlaufbetrieb einen direkten Kurzschluss im Sekundärraum zu vermeiden; ist die Zuführleitung 16 des Gutes in diesen Raum hinein verlängert. Es können jedoch auch andere Mittel für die
Ausschaltung eines Kurzschluss-Stromes vorgesehen sein.

Da Rührwerke unter Umständen ebenfalls zu Verstopfungen neigen, lassen sich mit Vorteil stattdessen verstopfungsfreie Pumpen
- sogenannte Wirbelradpumpen - bekannter Bauart einsetzen. Diese können dabei in den Räumen 4 bzw. 5, ebenfalls z.B. im Deckel 9 bzw. 10, angeordnet sein* es kann aber auch zweckmässig sein,
lediglich eine Pumpe vorzusehen und im Sekundärraum 4 das Rührwerk 12 beizubehalten. Der Primärraum 5 wird dann zweckmässigerweise mit dem aufzuwärmenden und zu behandelnden Gut beschickt, das im allgemeinen gröbere Verunreinigungen als das bereits behandelte Gut enthält.

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Eine solche Anordnung ist in den Fig. 2 und 3 wiedergegeben. Statt des vom Motor 13 angetriebenen Rührwerks 11 dient für die Aufrechterhaltung der den Wärmeübergang fördernden Strömung hier im Raum 5 eine Pumpe 20; diese ist eine verstopfungsfreie Wirbelradpumpe und aus Platzgründen mit Vorteil ausserhalb des Raumes 5 angeordnet. Sie wird von einem Motor 21 angetrieben, der im Deckel 22 eines separaten Pumpengehäuses 23 angeordnet ist. Das Gehäuse 23 der axial ansaugenden Pumpe 20, das ebenfalls von einer Isolierung 2 ummantelt ist, ist über eine Saugleitung 24, die vom Aussenmantel des Behälters 1 ausgeht, mit dem Primärraum 5 verbunden. Das von ihr geförderte Gut gelangt über eine Druckleitung 25, die ihrerseits tangential wieder in den Aussenmantel des Behälters 1 einmündet, zurück in den Raum 5 und erzeugt in diesem infolge des tangentialen Eintritts der Leitung 25 die gewünschte Zirkularströmung.

Bei dem Beispiel nach Fig. 4 und 5 befinden sich im Behälter 1 mehrere, in sich geschlossene Zwischenwände 3, durch die drei in Reihe angeordnete Sekundärräume 4 und ein diese umgebender Primärraum 5 voneinander getrennt werden. Das Gesamtvolumen der Räume 4 und das Volumen des Raumes 5 sind vorteilhafterweise ebenfalls wieder etwa gleich.

In den Einzelheiten - z.B. hinsichtlich der ,Rührwerke .und der Pumpen -.entspricht der Aufbau des Wärmetauschers nach Fig. 4 demjenigen nach Fig. 2 und 3.

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In Erweiterung des vorhergehenden Beispiels ist jedoch für jeden der Sekundärräume 4 je ein Leitungsanschluss 16 und 18 für das Zuführen und das Wegführen des wärmeabgebenden oder wärmeaufnehmenden Stoffgemisches vorgesehen, wobei die Zuführleitung 16 des Gutes wiederum in den jeweiligen Raum 4 hinein verlängert ist.

Für die ströraungsmässige Parallelschaltung der Sekundärräume 4 gehen die Zuführleitungen 16 von einer gemeinsamen Speiseleitung aus, während analog die Wegführleitungen 18 in eine Sammelleitung 31 münden. Die Einspeisung, vorzugsweise des wärmeaufnehmenden

-j ^ Mediums in den Primärraum 5, erfolgt über eine Leitung 15; durch

eine Leitung 17 verlässt das erwärmte Gut den Behälter 1 (Fig. 2) .

Wie bereits geschildert, werden Zirkularstrcmungen im Primärraum 5 durch eine oder mehrere Pumpen 20 sichergestellt, wobei es zweckmässig ist, für die Aufrechterhaltung einer guten Zirkularstrcmung im relativ ausgedehnten Primärraum 5 jedem der Sekundärräume 4 eine eigene Pumpe 20 zuzuordnen.

Alle Pumpe 20 gemeinsam erzeugen im Primärraum 5 die gewünschten Zirkularströmungen, die in Fig. 4 durch Pfeile 11 angedeutet sind. Da Pumpen nach Art der Pumpe 20 nicht verstopfen, kann es auch bei diesem Beispiel in bestimmten Fällen - unabhängig von der Richtung des Wärmeübergangs - vorteilhaft sein, den Primärraum 5 mit dem zu behandelnden Gut zu beschicken, das im allgemeinen gröbere Verunreinigungen als das bereits behandelte Gut enthält.

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Eine besonders zweckmässige-Führung der Zirkularströmung im
Raum 5 lässt sich bei der Anordnung nach Fig. 4 erreichen, wenn die Pumpen 20 in der dargestellten Art abwechselnd in einander gegenüberliegenden Wänden des Behälters 1 sitzen} dadurch wird für die Zirkularströmung im Raum 5 im wesentlichen eine, die
Sekundärräume 4 mäanderförmig umgebende Hauptströmungsrichtung erreicht.

In Fig. 6 hat der Behälter 1 eine kreiszylindrische Form, in der die Sekundärräume 4 in der Art eines gleichseitigen Dreiecks angedeutet sind. Diese Ausführung des Wärmetauschers ist besonders vorteilhaft, wenn einer der zu behandelnden Mengenströme grosser ist als der andere, da sich bei dieser Form im allgemeinen für den Primärrraum 5 zwanglos ein grösseres Volumen ergibt als für die Gesamtheit der Sekundärräume 4.

Eine für sehr grosse Durchsatzmengen sehr vorteilhafte Anordnung der Sekundärräume zeigt Fig. 7, die in ihrer Darstellung im wesentlichen der Fig. 4 entspricht. Gegebenenfalls können bei dieser Anordnung mehrere Speise- und Wegführleitungen 15 bzw. 17 für
den Primärraum 5 vorgesehen sein, was nicht ausdrücklich dargestellt ist.

Wie erwähnt, lässt sich mit den gezeigten, einstufigen Wärmetauschern, in den etwa gleiche Mengen an wärmeaufnehmenden und wärmeabgebenden Komponenten am Wärmetausch beteiligt sind, nur eine relativ massige Aufheizung der einen Komponente erreichen. Höhere Ausgangstemperatur des wärmeaufnehmenden Gutes erreicht

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man, wenn zwei oder mehrere Einheiten der gezeigten Ausführungsbeispiele jeweils ^!.hintereinander angeordnet und in Reihe nacheinander von den beiden Komponenten durchströmt werden, wobei beide Ströme im Gegenstrom zueinander geführt sind? eine solche mehrstufige Anlage ist nicht ausdrücklich gezeigt, da sich ihr Aufbau im Grunde nicht von den gezeigten Wärmetauschern unterscheidet.

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Claims

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Patentansprüche

1-.J Wärmetauscher für den direkten Wärmetausch zwischen mit Peststoffen durchsetzten Flüssigkeiten, insbesondere zwischen Klärschlammen mit bis zu 15 Gew. % Feststoffgehalt, gekennzeichnet durch einen Behälter (1),' der durch mindestens eine in Umfangsrichtung in sich geschlossene Zwischenwand (3) in mindestens einen Primärraum (5) und in mindestens einen von der Zwischenwand umschlossenen Sekundärrraum (4) unterteilt ist, ferner gekennzeichnet durch aktive Antriebsmittel (11, 12, 20), die in jedem Teilraum (4, 5) eine den Wärmeübergang fördernde Zwangsströmung des Flüssig-Feststoff-Gemisches erzeugen.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl in sich geschlossener Zwischenwände (3) mindestens zwei Sekundärräume (4)" umschliesst, die bezüglich des sie durchsetzenden Gutes parallel zueinander angeordnet sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) und die Zwischenwände (3) rotationssymmetrisch ausgebildet sind.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel im mindestens je einem Rührwerk (11, 12) in jedem der Räume (4, 5) bestehen.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührwerke (11, 12) in abnehmbaren Deckeln (9, 10) des Behälters (1) angeordnet sind.

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6. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rührwerk (12) für den Primärraum (5) mit zur Vertikalen schräg stehender Achse seitlich im Aussenmantel des Behälters (1) angeordnet ist.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel in mindestens je einer Pumpe (20) in jedem der Räume (4 und 5) bestehen.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die i'ittel für die Z vrangs strömung in je einem Rührwerk (12) in den Sekund?rr^!;.uir.en (4) und in mindestens einer Pumpe (20) in dem Primärraum (5) bestehen.
9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (20) für den Primärraum (5) ausserhalb des Behälters (1) angeordnet und durch je eine, durch den Aussenmantel geführte Saug- und Druckleitung (24, 25) mit dem Primärraum (5) verbunden ist.
10. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Primärraum (5) für jeden vorhandenen Sekundärraum (4) ein eigenes Antriebsmittel (12, 20) für die Zwangsströmung zugeordnet ist.
11. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) aussen mit einer Isolation (2) versehen ist.

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12. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Behälter (1) hintereinander angeordnet sind, die von dem am Wärmetausch beteiligten Medien im Gegenstrom durchsetzt werden.
13. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübergang zwischen den Medien durch Laufzeitvariationen der die Strömung fördernden Mittel (11, 12; 20) gesteuert ist.
14. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtvolumen der parallel zueinander durchsetzten Sekundärräume (4) sich zum Volumen des Primärraums (5) so verhält, dass für vorgegebene Soll-Mengenströme in jedem Raum (4, 5) die Flüssigkeitsspiegel beiderseits der Zwischenwände (3) mindestens annähernd auf gleicher Höhe liegen.
15. Wärmetauscher nach Anspruch]^, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtvolumen der parallel zueinander durchsetzten Sekundärräume (4) etwa gleich dem Volumen des Primärraums (5) ist.

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