DE3212727C2

DE3212727C2 - Wärmeaustauscher

Info

Publication number: DE3212727C2
Application number: DE3212727A
Authority: DE
Inventors: Karl Ing.(grad.) Uster Längle
Original assignee: UNIPEKTIN AG ZUERICH CH
Current assignee: UNIPEKTIN AG ZUERICH CH
Priority date: 1982-03-09
Filing date: 1982-04-05
Publication date: 1985-05-15
Also published as: IT1212712B; US4667734A; IT8319977A0; DE3212727A1; CH655997A5

Abstract

Der z.B. zum Kühlen von hochviskosen, insbesondere von strukturviskosen, fließfähigen Substanzen bestimmte Wärmeaustauscher ist mit aus Flachröhren bestehenden Kühlelementen (1) versehen, die in einem geradlinigen, für die zu kühlende fließfähige Substanz bestimmten Durchflußraum eingebaut sind. Um für strukturviskose, fließfähige Substanzen einen möglichst kompakten und trotzdem sehr wirkungsvollen Wärmeaustauscher zu ermöglichen, sind die Kühlrohre (1) reihenweise nebeneinander und voneinander distanziert, einerseits in quer zur Durchströmrichtung (X) des Wärmeaustauschers verlaufenden, und andererseits in der Durchströmrichtung des letzteren voneinander distanzierten, zueinander parallelen Ebenen angeordnet. Die in zwei zueinander benachbarten Ebenen angeordneten Kühlelemente (2, 3) scheiden sich in Durchströmrichtung des Wärmeaustauschers gesehen unter einem Winkel von 90 °.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher zum Kühlen oder Erwärmen von hochviskosen, insbesondere strukturviskosen fließfähigen Substanzen mit in einen geradlinigen Durchflußraum der zu kehlenden bzw. zu erhitzenden fließfähigen Substanz eingebauten stab- oder rohrförmigen Kühl- bzw. Heizelementen.

Aus der DE-OS 30 09 889 sowie der DE-AS 28 24 237 sind Wärmeaustauscher bekannt, bei denen zur periodischen Reinigung der Wärmeaustauschflächen mehrere seriell oder parallel angeordnete Teilwärmeaustauscher vorgesehen sind, um diese einzeln und ohne Außerbetriebsetzung des gesamten Wärmeaustauschers reinigen zu können. Solche Konstruktionen sind jedoch in Anbetracht der vielen zu bewegenden und abzudichtenden Teile kompliziert und teuer in der Herstellung sowie umständlich im Betrieb, und zeigen keine Möglichkeit, ¹Jm bei der Notwendigkeit von großen Wärmeaustauschflächen zum Kühlen oder Erwärmen von hoch- und strukturviskosen fließfähigen Substanzen eine möglichst pulsationsfreie laminare Durchströmung zu erzielen.

Das spezielle Fließverhalten von breiigen, hochviskosen Flüssigkeiten, insbesondere von strukturviskosen fließfähigen Substanzen, verursacht Probleme, weiche in gewöhnlichen Platten- oder Rohrenwärmeaustauschern nicht gelöst werden können.

Es ist auch bereits bekannt, ein mit einer eingebauten Innenabschabeinrichtung versehenen, röhrenförmigen Wärmeaustauscher für solche Substanzen zu verwenden. Solche Schab-Wärmeaustauscher sind jedoch kompliziert im Aufbau und teuer in der Anschaffung, im Betrieb sowie im Unterhalt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines für hochviskose, insbesondere strukturviskose fließfähige Substanzen geeigneten Wärmeaustauschers,

bei dem eine Verkrustung der Wärmeaustauschflächen bei einem Minimum an Druckverlust und einem Optimum an erzielbarer Wärmeübertragung sowie mit möglichst geringen Strömungsimpulsationen bei der Durchströmung des Wärmeaustauschers, sicher vermieden wird.

Die Aufgabe wird bei einem Wärmeaustauscher der eingangs genannten Art erfindungsgemäß nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei einer solcher erfindungsgemäßen Ausbildung des Wärmeaustauschers bewirken die ganz speziell gewählten Dimensionierungszusammenhänge, daß beim Durchströmen der hochviskosen Substanz durch den Wärmeaustauscher die gesamte Längsseite der Flachrohre sich im Bereich einer hydrodynamischen Anlaufstrecke befindet, was eine wesentliche Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen der vorbeifließenden hochviskosen Substanz und der Flachrohrwandung zur Folge hat

Trotzdem wird beim Durchströmen eines solchen erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmeaustauschers ein sehr gleichmäßiger, nahezu puisationsfreier Fließvorgang in der durchfließenden hochviskosen Substanz sowie zusätzlich eine Vermeidung einer Verkrustung der Flachrohroberflächen erreicht. Nach dem jeweiligen Austreten der derart durchfließenden Substanz aus einer Flachrohrgruppe werden die Substanz-Teilströme sehr sanft zu einem einzigen Substanz-Strom zusammengefaßt und zur Erzielung eines gleichmäßigen Wärmeaustauschs über den gesamten Fließquerschnitt der durchfließenden hochviskosen Substanz, zur Vermeidung einer bei hochviskosen Substanzen sonst sehr ausgeprägten Verkrustungstendenz der Flachrohroberflächen sowie zur Erzielung der hydrodynamischen Anlaufstrecken, mittels einer nachfolgenden Flachrohrgruppe erneut und unterschiedlich gegenüber vorher wieder in Tei^lnröme aufgeteilt, wobei die erfindungsgemäßen Dimensionierungszusammenhänge einen entscheidenden Einfluß haben. Ferner wird beim erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher eine laminare Durchströmung bewirkt, was für hochviskose fließfähige Substanzen von ausschlaggebender Bedeutung ist, da bei einer hochviskoten Substanz bei turbulentem Fließen der Druckwiderstand äußerst stark ansteigt.

Vorteilhafte Weiterausgestaltungen des erfindungsgemäöen Wärmeaustauschers sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 7.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutei t. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers /um Erhitzer! einer hochviskosen Flüssigkeit;

Fig. 2 esnen Schnitt längs der Linie H-II in Fig. I;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie HI-III in F i g. 1:

F ι g. 4 eine Stirnansicht in Richtung des Pfeiles A in Fig I:

F ι g. 5 einen Längsschnitt durch einen Teil einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers; und

Fig.6 eine Stirnansicht in Richtung des Pfeiles B in Fig.5.

Wie aus den F i g. 1 bis 4 ersichtlich, sind die Heizelemente 1 des dargestellten Wärmeaustauschers reihenweise nebeneinander und 'im die Distanz a voneinander distanzier! einerseits in quer zur Durchströmrichtung X des Wärmeaustauschers verlaufenden, und andererseits in der Durchströmrichtur.J Xdes letzteren voneinander distanzierten, zueinander" parallelen Ebenen angeordnet.

Dabei sind die Heizelemente ί als Flachrohre zur Durchleitung eines Heizmediums ausgebildet und mit ihren Breitseiten parallel und mit ihren Schmalseiten senkrecht zur Strömungsrichtung der zu kühlenden bzw. zu erwärmenden strukturviskosen, fließfähigen Substanz verlaufend angeordnet. Diese Heizelemente 1 weisen im Querschnitt betrachtet eine Breite b von 5 bis 12 mm und eine Höhe h von 50 bis SO mm, das heißt in

ίο Strömungsrichtung eine geringe Tiefe, auf, so daß die Heizelemente 1 im Gebiet der sogenannten Anlaufstrecke und somit im Gebiet erheblich verbesserten Wärmeüberganges arbeiten.

Um einerseits einen möglichst kompakten Wärmeaustauscher zu erhalten, anderseits jedoch einen möglichst homogenen Obergang der Strömung in die nachfolgende ricizelementreihe zu erzielen, ist der stirnseitige Abstand c zwischen je zwei zuei'.-jider benachbarten Heizelementreihen 2 und 3 kleiner als der Mittenabstand m zwischen zwei zueinander benachbarten flachrohrförmigen Heizelementen 1 dieser Reihen 2 un^ 3.

Mittels dieses Abstandes c wird sichergestellt, daß die zu erwä -Tiende fließfähige Substanz nach jedem Durchgang durch eine Heizelementereihe gründlich durchmischt wird, bevor sie in die nachfolgende Heizelementreihe eintritt, wodurch die Bildung von Kurzschlußströmen vermieden wird.

Der Abstand a zwischen zwei seitlich zueinander benachbarten Heizelementen 1 liegt zur Erzielung eines möglichst geringen Druckverlustes des Wärmeaustauschers im Bereich von 7 bis 10 mm.

Um eine möglichst vollständige, gleichmäßige Aufteilung der durch den Wärmeaustauscher durchströmenden, strukturviskosen fließfähigen Substanz in eine Vielzahl von Teilströmen zu erreichen, schneiden die in zwei aufeinanderfolgenden Ebenen angeordneten Heizelemente 1 in Durchströmrichtung X des Wärmeaustauschers gesehen einander wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich unter einem Winkel von 90°.

Um eine möglichst einfache, kompakte Konstruktion des Wärmeaustauschers zu ermöglichen. wi:d der für die zu erwärmende fließfähige Substanz bestimmte geradlinige Durchflußraum 4 durch einen in Längsrichtung des Wärmeaustauschers sich erstreckenden, einen quadratischen Querschnitt aufweisenden Rohrabschnitt 5 gebildet. Die Längskanten 5a. 56. 5c und Sd liegen an der Innenseite einer zylindrischen Ummantelung 6 an und sind mit dieser flüssigkeitsdicht verschweißt. Auf diese Weise werden /wischen den einzelnen AußenflS-chen 7, 8, 9 und 10 des eiiien quadratischen Querschnitt au.'weisenden Rohrabschnittes 5 und der Innenseite der zylindrischen Ummantelung 6 vier in Längsnchtung des Wärmeaustauschers sich erstreckende Kanält 11,12,13 und 14 gebildet. Das Heizmedium wird über den Stutzen 15 in den Kanal 14 geleitet. Eine in letzterem eingeschweißte AbsperTcheibe 16 bewirkt eine Umlenkung des in den Kanal 14 /ugeführten Heizmediums über die flachrohrförmigen Heizelemente 1 in den gegenüberliegenden Kanal 12 und von diesem wieder zurück in den abströmseitigen Teil des Kanals 14 und somit in den Austrittsstutzen 17.

Bei der in den Fij?. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform sind zu der in de« Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so daß sich eine nochmalige Beschreibung dieser Teile erübrigt.

Bei dieser in den F i g. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform sind je vier aufeinanderfolgende Heizele-

mentreihen 2,3,2', 3' in einem als eine Einheit 18,19 mit benachbarten Einheiten 18 und 20 lösbar verbundenen Wärmeaustauscherabschnitt zusammengefaßt, so daß zum Reinigen der Heizelemente 1 je zwei Heizelementreihen von je einer Stirnseite eines jeden solchen Abschnittes her gut zugänglich sind.

Zur noch besseren Aufteilung der durch den Wärmeaustauscher strömenden strukturviskosen fließfähigen Substanz in mehrere Teilströme sind die flachrohrförmigen Heizelemente 1 einer Heizelementreihe gegenüber den parallel verlaufenden flachrohrförmigen Heizelementen 1" der übernächsten Heizelementreihe in Durchströmrichtung des Wärmeaustauschers gesehen um den halben seitlichen Abstand zwischen zwei zueinander benachbarten flachrohrförmigen Heizelementen einer Heizelementreihe zueinander versetzt angeordnet.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen
20

30

40

45

50

55

%

65

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmeaustauscher zum Kühlen oder Erwärmen von hochviskosen, insbesondere strukturviskosen fließfähigen Substanzen mit in einen geradlinigen Durchflußraum der zu kühlenden bzw. zu erhitzenden fließfähigen Substanz eingebauten stab- oder rohrförmigen Kühl- bzw. Heizelementen, d a durch gekennzeichnet, daß die als Flachrohre ausgebildeten Kühl- bzw. Heizelemente (1) auf bekannt Weise reihenweise nebeneinander und voneinander distanziert einerseits in quer zur Duichströmrichtung des Wärmeaustauschers verlaufenden, und anderseits in der Durchströmrichtung des Wärmeaustauschers voneinander distanzierten, zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind, die in jevmls zwei aufeinanderfolgenden Ebenen angeordrs:en Kühl- bzw. Heizelemente (1) in Durchströmrichtung des Wärmeaustauschers gesehen einander schneiden, daß der stirnseitige Abstand (c) zwischen zwei zueinander benachbarten Kühlbzw. Heizelementreihen (2,3) höchstens so groß wie der kleinste Mittenabstand (m) zwischen zwei zuein- »nder benachbarten Kühl- bzw. Heizelementen (1) dieser Reihen ist, wobei die Kühl- bzw. Heizelemente (1) im Querschnitt betrachtet eine Breite von 3 bis 16 mm und eine Höhe von 35 bis 100 mm aufweisen und mit ihren B-ehseiten mindestens annähernd parallel und mit ihren Schmalseiten annähernd senkrecht zur Strömungsrichtung der <oi kühlenden bzw. zu erhitzenden fließfähigen Substanz verlaufen, und daß der Abstand (a) zwischen zwe> seitlich zueinander benachbarten Kühl- bzw Heizelementen (1) im Bereich von 3 bis 15 mm liegt.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die als Flachrohre ausgebildeten Kühl- bzw. Heizelemente (1) im Querschnitt betrachtet eine Breite (b) von 5 bis 12mrn und eine Höhe (h) von 50 bis 80 mm aufweisen, und mit ihren m> Breitseiten mindestens annähernd parallel und mit ihren Schmalseiten annähernd senkrecht zur Strömungsrichtung der zu kühlenden bzw. zu erhitzenden fließfähigen Substanz verlaufen.

3. Wärmeaustauscher nach Ansprüchen 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) zwischen zwei seitlich zueinander benachbarten Kühlbzw. Heizelementen (1) im Bereich von 7 bis 10 mm liegt.

4. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in zwei aufeinanderfolgenden Ebenen angeordneten Kühl- bzw. Heizelemente (1) in Durchströmrichvung des Wärmeaustauschers gesehen einander mindestens annähernd unter einem Winkel von 90° schneiden.

5. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl- bzw. Heizelemente (1) einer Kühl- bzw. Heizelementreihe (2, 3) mindestens annähernd parallel zu den Kühl- bzw. Heizelementen (1) der übernächsten Kühl- bzw. Heizelementreihe (2', 3') verlaufen.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl- bzw. Heizelemente (1) einer Kühl- bzw. Heizelementreihe (2) gegenüber den mindestens annähernd parallel verlaufenden Kühl- bzw. Heizelementen (1) der übernächsten Kühl- bzw. Heizelementreihe (2') in Durchströmrichtung (X) des Wärmeaustauschers gesehen, vorzugsweise um den halben seitlichen Mittenabstand (m) zwischen zwei zueinander benachbarten Kühlbzw. Heizelementen (1) einer Kühl- bzw. Heizelementreihe (2), zueinander versetzt angeordnet sind.

7. Wärmeaustauscher nach einem oder meh eren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der für die zu kühlende oder zu erwärmende hochviskose fließfähige Substanz bestimmte geradlinige Durchflußraum (4) durch einen in Längsrichtung des Wärmeaustauschers sicii erstreckenden, einen rechteckförmigen, vorzugsweise quadratischen, oder sechseckförmigen Querschnitt aufweisenden Rohrabschnitt (5) gebildet wird, und der letztere derart einer zylindrischen Ummantelung (6) angeordnet ist, daß zwischen den einzelnen Außenflächen (7, 8, 9, 10) des rechteck- bzw. sechseckförmigen Rohrabschnittes (5) und der Innenseite der zylindrischen Ummantelung (6) vier bzw. sechs in Längsrichtung des Wärmeaustauschers getrennt voneinander verlaufende Zu- bzw. Abführkanäie (11, 12, 13,14) zur Zu- bzw. Abführung des durch die einzelnen rohrförmigen Kühl- bzw. Heizelemente (1) zu leitenden Kühl- bzw. Heizmtdium gebildet werden, und die offenen Stirnseiten dieser Kühl- b;:w. Heizelemente (1) in je zwei der derart gebildeten, einander gegenüberliegenden Zu- bzw. Abführkan.ile (10,12; 11,13) münden.