DE29606912U1 - Kreuzstromwärmetauscher - Google Patents

Kreuzstromwärmetauscher

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Description

** PATENTANWÄLTE Aktertzeicjien:· J · ···· · "··· ·**;
DiPL-iNG. CONRAD KÖCHLING - -" - *- --'--- - -"-
CONRAD-JOACHIM KÖCHLING Anm.: gwk
P.O.Box2069,D-58020Hagen Gesellschaft Wärme
FleyerStraße 135, D-58097 Hagen Kältetechnik mbH.
^gllllll^"1"86033 Friedrich-Ebert-Str. 310-31<
Telegramme: Patentköchling Hagen
Konten:CommerzbankAG,Hagen3S15095(BLZ45040042) D-58566
Sparkasse Hagen 100012043(BLZ45050001) Postgiro: Dortmund 5989-460 (BLZ 44010046)
VNR: IIJIJI
Lfd. Nr. 1.2093/96
vom 1.6.? April 1.996
CJK/Hi.
Kreuzstromwärmetauscher
Die Erfindung betrifft einen Kreuzstromwärmetauscher, insbesondere für kunststoffverarbeitende Anlagen, zur Kühlung und Temperierung von Spritzgießmaschinen, Extrudern sowie Blasmaschinen oder dergleichen Bauteile, wobei mittels einer Kühlflüssigkeit Wärme aus einer Kunststoffschmelze zur Erstarrung des Kunststoffes nach der Verarbeitung entzogen und diese Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird und wobei die Kühlflüssigkeit einen Kreuzstromwärmetauscher durchströmt, durch den im Kreuzstrom ein zweiter Kühlstrom verläuft.
Bei einer Vielzahl von Prozessen, bei denen eine heiße Schmelze in einem Werkzeug mit formgebenden Konturen zu einem festen, entformbaren Teil mit bestimmten Eigenschaften erstarren soll, wird eine Kühlung innerhalb enger Temperaturgrenzen benötigt, wie bei Kühlung und Temperierung von Blasformen, Spritzgießformen und
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&ldquor;&ogr;
Tiefziehwerkzeugen in der Kunststoffverarbeitung oder der Temperierung von Leichtmetall-Druckgußformen in der Metallverarbeitung.
Die Kühlung erfolgt dabei entweder durch kaltes Wasser, das zur Erzeugung niedriger Temperaturen in einem geschlossenen Wasserkreislauf durch Kompressionskältemaschinen erzeugt wird oder durch Kühleinrichtungen, wie beispielsweise Verdunstungskühltürme und Freikühler, die im Direktwärmeaustausch zwischen Wasser und Luft über Lamellenkühler die Wärme abführen. Insbesondere bei den Kompressionskältemaschinen ist ein Energieaufwand in den Antriebsaggregaten notwendig, der mindestens ein Drittel der Energie beträgt, die aus den Werkzeugen entfernt werden soll. Bei den Verdunstungskühl türmen ist die für die Kühlung zur Verfügung stehende Temperatur stets höher als 25° G, so daß diese begrenzt einsatzfähig sind .
Es sind Lamellenwärme- oder Querstromwärmetauscher bekannt, bei denen die Kühlflüssigkeit einerseits durch horizontal liegende Leitungen geführt wird und
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andererseits Ventilatoren vorgesehen sind, die einen Luftstrom erzeugen, der die Leitungen zur Aufnahme sowie zum Abtransport der Wärme an die Umgebungsluft umströmt. Derartige Wärmetauscher besitzen den Nachteil, daß sie nur Wassertemperaturen von 5° C oberhalb der jeweiligen Umgebungstemperatur erzeugen können. Die Einsatzfähigkeit dieser Wärmetauscher ist dadurch begrenzt und sie können nur dann eingesetzt werden, wenn die Umgebungstemperatur niedriger als 10° C ist. Ein weiterer Nachteil dieser Wärmetauscher besteht darin, daß sie nicht selbstleerend sind, sondern diese Leitungen müssen mit Druckluft entleert werden oder der Kühlflüssigkeit muß ein Frostschutzmittel zugesetzt werden, was den Wärmeübergang nachteilig beeinflußt.
Aus der DE 42 39 455 C2 ist ein Querstromwärmetauscher mit mindestens einer Leitung, die ein leichtes Gefalle für eine durchströmende Wärmetauschflüssigkeit aufweist, bekannt, wobei ein Kühl- oder Wärmestrom quer zu der Wärmetauschflüssigkeit verläuft und diese umströmt und wobei der Zufluß und der Abfluß an derselben Seite des Querstromwärmetauschers angeordnet sind, damit der Kühl-
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und Wärmestrom die Leitung zweimal umströmt, zur Gewährleistung eines hohen Wärmeaustausches in Verbindung mit einer schnellen und kostensparenden Entleerung der Leitung, da die Querstromwärmetauscher üblicherweise aus horizontal liegenden Leitungen für die Wärmetauschflüssigkeit bestehen und Ventilatoren vorgesehen sind, die einen Luftstrom erzeugen, der die Leitungen umströmt und das Medium kühlt, wobei als Kühlflüssigkeit Wasser verwendet wird.
Derartige Wärmetauscher benötigen bei freiem Gefälle lange Entleerungszeiten und können deshalb bei Außentemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes leicht einfrieren und zerstört werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kreuzstromwärmetauscher zu schaffen, der mit einer konstanten Kühlwassertemperatur arbeitet, unabhängig von den vorhandenen Außentemperaturen, so daß der Kühlflüssigkeit
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keine Frostschutzmittel zugesetzt werden müssen und wobei gleichzeitig eine schnelle selbsttätige Entleerung der Leitungen geschaffen wird, damit eine zwangsweise Entleerung durch Preßluft nicht erforderlich ist und keine zu lange Entleerungszeit auftritt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß eine Hin- und Rücklaufleitung eines die Kühlflüssigkeit enthaltenen Leitungssystems eines Kreuzstromwärmetauschers über eine als Strömungsverteiler ausgebildete Schleife durch Verteiler verbunden sind, wobei die Hin- und Rücklaufleitungen in Fließrichtung der Kühlflüssigkeit in gleicher Richtung geneigt ein gleichgerichtetes freies Gefälle aufweisen, wobei der Verteiler am obersten Neigungspunkt des Leitungssystems mit einem Mittel, insbesondere einer Steuereinheit, verbunden ist, mittels dessen das Leitungssystem entleerbar ist, insbesondere belüftbar ist und wobei an dem untersten Neigungspunkt des Leitungssystems Verteiler für eine Zu- und Abflußleitung der Kühlflüssigkeit angeordnet sind.
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&mdash;6 ~
Bevorzugt ist vorgesehen, daß die Hin- und Rücklaufleitung parallel zueinander angeordnet sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung wird darin gesehen, daß mehrere Hin- und Rücklaufleitungen über die Verteiler an ihrem obersten Neigungspunkt sowie die Zulauf- und Abflußverteiler an ihrem untersten Neigungspunkt zusammengefaßt sowie parallel zueinander in einem Kreuzstromwärmetauscher angeordnet sind und wobei alle Leitungen in Fließrichtung der Kühlflüssigkeit in gleicher Richtung geneigt ein gleichgerichtetes freies Gefälle aufweisen.
Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, daß bei einer Entleerung eines Leitungssystems oder mehrerer Leitungssysteme mittels der Steuereinheit die Zulauf- und Abflußverteiler so einstellbar sind, daß beide als Abflußverteiler jeweils die Hälfte eines Entleerungsstromes aufnehmen. Die Steuereinheit kann dabei als Belüftungsventil ausgebildet sein, bei dessen Öffnung das Leitungssystem schnell leerläuft.
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Zudem ist bevorzugt vorgesehen, daß die Hin- und Rücklaufleitungen mit Gefälle, vorzugsweise parallel zur Richtung der Erdschwere, an die Verteiler angeschlossen sind .
Hierdurch wird erreicht, daß im Übergang von den Leitungen an die Verteiler keine tropfenartigen Rückstände beim Entleeren des Systems verbleiben, die einfrieren und damit zu einer Zerstörung des Systems führen könnten.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß die Kühlflüssigkeit reines Wasser ohne Frostmittelzusatz ist.
Durch die parallele Anordnung der Leitungssysteme für die Kühlflüssigkeit und dadurch, daß mehrere Leitungen über einen Zulauf- und Abflußverteiler zusammengefaßt werden können, wobei die parallel zueinander angeordneten Leitungssysteme ein gleiches Gefälle aufweisen, erfolgt eine Entleerung der Leitungen über das freie Gefälle in einer wesentlich kürzeren Zeit als bei herkömmlichen
&diams; ·- · · &psgr; &psgr; &psgr;
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Wärmetauschern. Dadurch erübrigt sich sowohl ein Zusatz von Frostschutzmitteln zu der Kühlflüssigkeit, als auch eine zwangsweise Entleerung mittels Preßluft.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Kreuzstromwärmetauschers besteht darin, daß eine Wiederbefüllung und Entleerung der Leitungssysteme mit der Kühlflüssigkeit nicht nur während Stillstandszeiten, sondern auch während der Produktion erfolgen kann. Die Kreuzstromwärmetauscher können unabhängig von hohen oder tiefen Außentemperaturen arbeiten, ohne daß die für den Produktionsprozeß notwendige Kühlflüssigkeitstemperatur verändert wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kreuzstromwärmetauschers;
Fig. 2 ein Ausschnitt in Ansicht.
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Der Kreuzstromwär.metauscher 1 gemäß Figur 1 wird insbesondere für kunststoffverarbeitende Anlagen zur Kühlung und Temperierung beispielsweise von Spritzgießmaschinen, Extrudern und Blasmaschinen eingesetzt, wobei mittels einer Kühlflüssigkeit aus der Kunststoff schmelze zur Erstarrung des Kunststoffes nach der Verarbeitung Wärme entzogen wird und diese Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird.
Gemäß Figur 1 besteht der Kreuzstromwärmetauscher 1 aus einem Gehäuse 2, in dem sich Ventilatoren 3 befinden, durch die der Transport eines Wärmestroms 4 über das Leitungssystem 5 mit einer Zu- und Abflußleitung 6 und 7 erfolgt, wobei mit dem Wärmestrom 4 die endgültige Abfuhr der Wärme an die Umgebungsluft stattfindet.
In dem Gehäuse 2 des Kreuzstromwärmetauschers 1 ist weiterhin zur Kühlung eines Wärmestromes 8 ein Leitungssystem 9 mit einer Zu- und Abflußleitung 10 und 11 für den Transport einer weiteren Kühlflüssigkeit in einer
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Hin- und Rücklaufleitung 12 und 13 angeordnet, wobei die Hin- und Rücklaufleitungen 12 und 13 parallel zueinander angeordnet sind und in Fließrichtung der Kühlflüssigkeit ein gleichgerichtetes freies Gefälle von vorzugsweise 2° aufweisen. Die Leitungen 12 und 13 sind dabei über eine als Strömungsverteiler fungierende Schleife 14 mit den Verteilern 15 und 16 verbunden.
Am in Einbaulage oberen Verteiler 15 ist eine Steuereinheit 19, beispielsweise ein schaltbares Belüftungsventil angeschlossen.
Während eines durch eine Steuereinheit 19 gesteuerten selbsttätigen Entleerungsvorganges durch Belüftung der Leitungen kann die Hinlaufleitung 12 und die Rücklaufleitung 13 sowie der Zulauf- und Abflußverteiler 17 und 18 sehr schnell leerlaufen, wobei beide Leitungen als Entleerungsablaufleitungen dienen und jeweils die Hälfte des Entleerungsstromes aufnehmen.
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Während bei den bisher bekannten Verfahren die Entleerung von Wärmetauschern während der Stillstandszeiten erfolgte, ist durch den erfindungsgemäßen Kreuzstromwärmetauscher eine selbsttätige Entleerung während der Produktion möglich und ebenso eine automatische Wiederbefüllung.
Die Hin- und Rücklaufleitungen 12 und 13 können über die Verteiler 15 und 16 zu einem Leitungssystem 9 mit mehreren Leitungen zusammengefaßt werden, wobei die parallel zueinander angeordneten Leitungssysteme dann ein gleiches Gefälle aufweisen. Die Hin- und Rücklaufleitungen 12,13 sind mit Gefälle, vorzugsweise in Einbaulage von vertikal oben an die Verteiler 17, 18 angeschlossen, damit eine Restwasseransammlung im Anschlußbereich unterbunden ist, die einfrieren und eine Zerstörung der Leitungen verursachen könnte. Die ist in Figur 2 veranschaulicht.
Über eine externe nicht näher dargestellte Regeleinrichtung, wird in Abhängigkeit von dem jeweils
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durchzuführenden Produktionsprozeß die abzuführende Wärme entweder dem Leitungssystem 5 mit dem Wärmestrom
4 oder dem Leitungssystem 9 mit dem Wärmestrom 8 zugeführt. Dabei ist es gleichgültig, in welchem Kreislauf sich die Wärme befindet. Die Abfuhr der Wärme erfolgt immer über den Wärmestrom 4, der Temperaturen bis - 2O0C erreichen kann. Da im Leitungssystem 9 in den meisten Fällen Wasser transportiert wird, darf deshalb wegen der Gefahr des Einfrierens der Leitungen eine Temperatur unter 00C nicht erreicht werden. Aus diesem Grunde veranlaßt eine oberhalb über den Verteiler 15 und 16 angeordnete Steuereinheit 19 die selbsttätige Entleerung der Leitungen 12 und 13, wobei die Entleerung so schnell stattfindet, daß ein Absinken der Temperatur auf Gefriertemperatur verhindert wird.
Durch den erfindungsgemäßen Kreuzstromwärmetauscher 1 wird eine konstante Wassertemperatur für die zu transportierende Kühlflüssigkeit in den Leitungssystemen
5 und 9 erreicht, unabhängig von der zur Verfügung
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stehenden Außentemperatur als Kühlquelle. Es wird damit möglich, bei Außentemperaturen von - 20°G genauso zu arbeiten, wie bei Außentemperaturen von 45°C, ohne daß die für den Produktionsprozeß notwendige Kühlflüssigkeitstemperatur sich verändert. Gleichzeitig kann damit der Energieaufwand für den Wärmetransport gesenkt werden, wenn beispielsweise Kompressionskältemaschinen zur Erzeugung von abgekühlten Wasser für die Kühlflüssigkeit eingesetzt werden, da bei Kompressionsmaschinen ein Drittel der abzuführenden Wärme als Energie für die Antriebe aufgewendet werden muß, ist bei Einsatz des erfindungsgemäßen Kreuzstromwärmetauschers nur ein Energieaufwand für die Antriebe erforderlich, der beispielsweise maximal 10% der abzuführenden Wärmeenergie beträgt.
Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.
Alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- oder Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.

Claims (6)

gwk 12093/96 -14- Schutzansprüche:
1. Kreuzstromwärmetauscher, insbesondere für kunststoffverarbeitende Anlagen zur Kühlung und Temperierung von Spritzgießmaschinen, Extrudern sowie Blasmaschinen oder dergleichen Bauteile, wobei mittels einer Kühlflüssigkeit Wärme aus einer Kunststoffschmelze zur Erstarrung des Kunststoffes nach der Verarbeitung entzogen und diese Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird und wobei die Kühlflüssigkeit einen Kreuzstromwärmetauscher durchströmt, durch den im Kreuzstrom ein zweiter Kühlstrom verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hin- und Rücklaufleitung
(12) und (13) eines die Kühlflüssigkeit enthaltenden Leitungssystems (9) eines Kreuzstromwärmetauschers (1) über eine als Strömungsverteiler ausgebildete Schleife (14) durch Verteiler (15 und (16) verbunden sind, wobei die Hin- und Rücklaufleitungen (12) und
(13) in Fließrichtung der Kühlflüssigkeit in gleicher Richtung geneigt ein gleichgerichtetes freies Gefälle
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aufweisen, wobei der Verteiler (15) am obersten Neigungspunkt des Leitungssystems (9) mit einem Mittel, insbesondere einer Steuereinheit (19), verbunden ist, mittels dessen das Leitungssystem (9) entleerbar ist, insbesondere belüftbar ist, und wobei insbesondere an dem untersten Neigungspunkt des Leitungssystems (9) Verteiler (17) und (18) für eine Zu- und Abflußleitung (10) und (11) der Kühlflüssigkeit angeordnet sind.
2. Kreuzstromwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hin- und Rücklaufleitung (12) und (13) parallel zueinander angeordnet sind.
3. Kreuzstromwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Hin- und Rücklaufleitungen (12) und (13) über die Verteiler (15) und (16) an ihrem obersten Neigungspunkt sowie die Zulauf- und Abflußverteiler (17) und (18) an ihrem untersten Neigungspunkt zusammengefaßt sowie parallel zueinander in einem Kreuzstromwärmetauscher (1) angeordnet sind, wobei alle Leitungen in
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Fließrichtung der Kühlflüssigkeit in gleicher Richtung geneigt sind und ein gleichgerichtetes freies Gefälle aufweisen.
4. Kreuzstromwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Entleerung eines Leitungssystems (9) oder mehrerer Leitungssysteme mittels der Steuereinheit (19) die Zulauf- und Abflußverteiler (17) und (18) so einstellbar sind, daß beide als Abflußverteiler jeweils die Hälfte eines Entleerungsstromes aufnehmen.
5. Kreuzstromwärmetauscher nach einem der Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hin- und Rücklaufleitungen (12,13) mit Gefälle, vorzugsweise parallel zur Richtung der Erdschwere, an die Verteiler (17,18) angeschlossen sind.
6. Kreuzstromwärmetauscher nach einem der Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit reines Wasser ohne Frostmittelzusatz ist.
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