DE60019635T2

DE60019635T2 - Rohrwärmetauscher-anordnung

Info

Publication number: DE60019635T2
Application number: DE60019635T
Authority: DE
Inventors: Jörgen Niske
Original assignee: TETRA LAVAL HOLDINGS and FINANCE PULLY SA; Tetra Laval Holdings and Finance SA
Current assignee: TETRA LAVAL HOLDINGS and FINANCE PULLY SA; Tetra Laval Holdings and Finance SA
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2020-10-26
Also published as: SE9903851L; WO2001031277A8; EP1234154B1; AU771507B2; ES2241668T3; AU1320001A; DE60019635D1; US8196644B1; ATE293782T1; CN1295478C; NZ519154A; BR0015035A; CN1399714A; JP2012207913A; SE9903851D0; WO2001031277A1; EP1234154A1; DK1234154T3; SE518089C2; JP5662969B2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rohrwärmetauscher jener Art, die mehrere von einem Mantelrohr umgebene Wärmeübertragungsrohre aufweist und in dem die Wärmeübertragungsrohre an ihren beiden Enden in Rohrplatten befestigt sind.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Es gibt mehrere Arten von Wärmetauschern, die zum Heizen oder Kühlen eines flüssigen Produkts eingesetzt werden. Mit Hilfe von zum Beispiel Dampf oder Wasser auf unterschiedlichen Temperaturen ist es möglich, das Produkt mit der gewünschten Temperatur zu beaufschlagen. Wärmetauscher kommen in vielen verschiedenen Zweigen der verarbeitenden Industrie zum Einsatz und werden auch gemeinhin in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben, wie zum Beispiel Molkereien oder Saftfabriken, eingesetzt.
Eine wohlbekannte Wärmetauscherart ist der so genannte Rohrwärmetauscher. Diese besteht aus einem oder mehreren Wärmetauscherelementen, die zur Bildung eines Strömungssystems miteinander verbunden sind. Die Wärmetauscherelemente umfassen ein oder mehrere von einem äußeren Mantelrohr umgebene Wärmeübertragungsrohre. Die Wärmeübertragungsrohre sind zur Herstellung von Produkteinsätzen miteinander verbunden, die wiederum mittels Produktknierohren miteinander verbunden sind, die das in Abhängigkeit von dem Prozess, für den der Wärmetauscher eingesetzt wird, zu erwärmende oder zu kühlende Produkt zirkulieren sollen. Die Wärmeübertragungsrohre sind in einem Mantelrohr eingeschlossen, das auch das Wärmeübertragungsmedium einschließt. Einander benachbarte Mantelrohre sind miteinander verbunden, um das Wärmeübertragungsmedium zu zirkulieren. Das Wärmeübertragungsmedium kann aus Wasser auf unterschiedlichen Temperaturen, Dampf oder anderen Arten von Flüssigkeiten oder Gasen bestehen. Ein solcher Wärmetauscher wird in der schwedischen Patentschrift SE-501 908 beschrieben.
Um den Wirkungsgrad des Wärmetauschers zu erhöhen, ist es gelegentlich wünschenswert, ein oder mehrere Wärmetauscherelemente als regenerative Abschnitte einzusetzen, das heißt es wird bewirkt, dass das im Wärmetauscher erwärmte Produkt das ankommende, kalte Produkt erwärmt. Das ankommende, kalte Produkt trägt dann folglich zum Kühlen des bereits behandelten, erwärmten Produkts bei. Zum regenerativen Einsatz eines oben beschriebenen Rohrwärmetauschers muss das Produkt sowohl in den Wärmetauscherrohren als auch in dem die Wärmeübertragungsrohre umgebenden Mantelrohr angeordnet werden. Solch ein Prozess kann die Kosten eines vollständigen Rohrwärmetauschers stark senken und des Weiteren den Energieverbrauch für den im Rohrwärmetauscher stattfindenden Prozess reduzieren.
Die in ihren Mantelrohren eingeschlossenen Wärmeübertragungsrohre weisen normalerweise eine Länge von ca. 6 m auf. Damit die Rohre nicht unnötigen Spannungen durch Vibrationen oder Durchhang ausgesetzt sind, müssen sie an einer oder gemeinhin mehreren Stellen entlang ihrer Länge gestützt werden. Wenn die Wärmeübertragungsrohre durchhängen oder vibrieren, so dass sie sich berühren, geht Wärmeübertragungsfläche verloren, und der Wirkungsgrad des Rohrwärmetauschers liegt unter den Erwartungen. Auch kürzere Rohrlängen müssen im Allgemeinen abgestützt werden. Die eingesetzten Stützstellen können verschiedene Ausführungen und Formen aufweisen und werden meistens – unter Verwendung eines geläufigen Namens – als so genannte Prallflächen bezeichnet. Wenn nur Wasser oder Dampf als Wärmeübertragungsmedium eingesetzt wird, werden an die Form und Ausführung dieser Prallflächen nur wenige oder gar keine Anforderungen gestellt, mit Ausnahme der Tatsache, dass sie die Wärmeübertragungsrohre voneinander trennen und verhindern sollen, dass Letztere mit der Innenwand des Mantelrohrs in Kontakt kommen.
Wenn ein Wärmetauscherelement regenerativ eingesetzt werden soll, werden an einer hygienischen Ausführung mit voller Waschbarkeit sofort ganz andere Anforderungen gestellt. In diesen Fällen sind diese Anforderungen, wenn das Produkt Fasern oder kleine Teilchen enthält, wie zum Beispiel Fruchtsäfte, sogar noch höher. Es sind Versuche unternommen worden, die Prallflächen so auszuführen, dass ihre Flächen so abgerundet wie möglich sind, um die Gefahr zu vermeiden, dass sich die Fasern oder Teilchen des Produkts ansammeln. In der Praxis hat es sich jedoch als schwierig erwiesen, solch eine Ausführung der Prallflächen zu erhalten. Das Bewirken, dass die Prallflächen die Wärmeübertragungsrohre ohne Bildung von Taschen umgibt, hat ebenfalls Probleme bereitet. Bei allen Prallflächen ist es mehr oder weniger erforderlich, dass etwas im rechten Winkel zur Strömungsrichtung des Produkts angeordnet wird und infolgedessen besteht immer die Gefahr einer Ansammlung von Teilchen oder Fasern, wodurch der Reinigungsvorgang gefährdet werden kann und letztendlich Produktionsunterbrechungen verursacht werden können.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Herstellung einer Anordnung, die die Wärmeübertragungsrohre voneinander und von der Innenwand des Mantelrohrs getrennt hält, ohne ein Hindernis für den Produktstrom am Mantelrohr dazustellen.
LÖSUNG
Diese und andere Aufgaben sind gemäß der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 1 erreicht worden.
Des Weiteren sind bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die kennzeichnenden Merkmale nach den abhängigen Unteransprüchen verliehen worden.
KURZE BESCHREIBUNG DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNGEN
Es wird nunmehr eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben; darin zeigen:
1 in Seitenansicht und teilweise als Schnitt einen Rohrwärmetauscher mit einer Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
2 in Seitenansicht und teilweise als Schnitt einen Teil der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In 1 wird ein Rohrwärmetauscher 1 gezeigt, mit dem die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Der Rohrwärmetauscher 1 besteht aus einem oder mehreren Wärmetauscherelementen 2, von denen in 1 zwei gezeigt werden. Die Wärmetauscherelemente 2 sind zur Bildung zweier Strömungssysteme miteinander verbunden. Ein Wärmetauscherelement 2 besteht im Wesentlichen aus mehreren Wärmeübertragungsrohren 3, die in einem Mantelrohr 4 eingeschlossen sind.
Die Wärmeübertragungsrohre 3 sind an beiden Enden in Rohrplatten 5 befestigt, so dass die Wärmeübertragungsrohre 3 und die Rohrplatten 5 einen Strömungseinsatz 6 bilden. Zwei benachbarte Strömungseinsätze 6 sind mittels Knierohren 14 zu einem ersten Strömungssystem miteinander verbunden. Dieses erste Strömungssystem wird in herkömmlichen Wärmetauschern 1 für ein Produkt eingesetzt.
Die die Wärmeübertragungsrohre 3 umgebenden Mantelrohre 4 sind wiederum so miteinander verbunden, dass zwei benachbarte Mantelrohre 4 mittels eines Muffenrohrs 7 an jedem Mantelrohr 4 oder möglicherweise durch ein Zwischenverbindungsstück radial miteinander verbunden sind. Die miteinander verbundenen Mantelrohre 4 bilden ein zweites Strömungssystem, das bei herkömmlichen Rohrwärmetauschern 1 für ein Wärmeübertragungsmedium eingesetzt wird.
Die meisten Rohrwärmetauscher auf dem Markt weisen Wärmetauscherelemente 2 auf, deren Länge ca. 6 Meter beträgt. Wenn die Wärmeübertragungsrohre 3 und das Mantelrohr 4 nicht entlang dieser Länge abgestützt werden, hängen die Rohre 3 und 4 aufgrund von Schwerkraft durch. Die Wärmeübertragungsrohre 3 berühren einander und die Innenwand des Mantelrohrs 4. Um dies zu vermeiden, erfordern herkömmliche Rohrwärmetauscher 1 das Abstützen der Wärmeübertragungsrohre 3 mittels so genannter Prallflächen verschiedener Ausführungen. Das Funktionieren der Prallflächen hat sich als zufrieden stellend erwiesen, wenn das erste Strömungssystem für ein Produkt und das zweite für ein Wärmeübertragungsmedium eingesetzt wird.
Wenn der Rohrwärmetauscher 1 regenerativ eingesetzt werden soll, enthält sowohl das erste als auch das zweite Strömungssystem Produkt. Das eine Strömungssystem enthält in den Rohrwärmetauscher 1 eintretendes kaltes Produkt und das andere System enthält bereits behandeltes, erwärmtes Produkt oder umgekehrt. Dies bedeutet gleichzeitig, dass an die Abstützung der Wärmeübertragungsrohre 3 vollkommen verschiedene Anforderungen gestellt werden.
Moderne Rohrwärmetauscher 1 weisen normalerweise so genannte schwimmend gelagerte Enden auf, das heißt, die Rohrplatten 5 sind zu einem gewissen Grad bezüglich der Mantelrohre 4 beweglich, um die im Rohrwärmetauscher 1 auftretende Wärmedehnung auszugleichen. Bei der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist das eine Ende der Wärmeübertragungsrohre 3 insofern festgelegt, als die Rohrplatte 5' fest gegen ein Ende 8 des Mantelrohrs 4 gehalten wird. Am anderen Ende der Wärmeübertragungsrohre 3 ist die Rohrplatte 5'' beweglich, und zwischen der Rohrplatte 5'' und dem Mantelrohr 4 ist ein Federsatz 9 angeordnet. Die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann somit bei sehr geringen Modifikationen an bestehenden Rohrwärmetauschern 1 mit schwimmend gelagerten Enden rückwirkend eingesetzt werden. Des Weiteren ist die Anordnung bei anderen Arten von Rohrenden einsetzbar, für die jedoch eine geringfügige Nachrüstung erforderlich sein kann.
Der Federsatz 9 besteht bei der bevorzugten Ausführungsform der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung aus mehreren Tellerfedern 10, die zwischen zwei Platten 11, 12 angeordnet sind. Die Platten 11, 12 sind mittels (nicht gezeigter) Durchgangsschrauben miteinander verbunden, um eine Montage und Demontage des Federsatzes 9 zu erleichtern. Die Schrauben haben keine Aufgabe, während der Federsatz 9 an dem Rohrwärmetauscher 1 befestigt ist. Des Weiteren kann der Federsatz 9 auch aus anderen Federarten, wie zum Beispiel Schraubenfedern, bestehen. Weiterhin bietet der Federsatz 9 mit seinen Tellerfedern 10 die Möglichkeit, die Wärmedehnung des Wärmetauscherelements 2 auszugleichen. Als Alternative kann die Kraft F ausschließlich mittels Schrauben realisiert werden, die auf den gewünschten Grad festgezogen werden. Diese Alternative bietet jedoch keine Möglichkeit des Ausgleichs der Wärmebewegungen des Wärmetauscherelements 2.
Der Federsatz 9 erzeugt eine gewisse vorbestimmte Kraft F. Die Kraft wird durch mehrere Tellerfedern 10 und ihre Abmessung über eine gegebene Strecke L bestimmt. Somit wird die Kraft F axial an einen Strömungseinsatz 6 angelegt. Diese angelegte Kraft F muss dazu ausreichend sein, die Wärmeübertragungsrohre 3 so straff zu halten, dass sie sich nicht berühren oder gegen die Innenwand des Mantelrohrs 4 streichen. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Kraft F mittels eines Federsatzes 9 in dem einen Ende der Wärmeübertragungsrohre 3 angelegt. Als Alternative dazu kann die Kraft F so verteilt werden, dass der Federsatz 9 in beiden Enden der Wärmeübertragungsrohre 3 angebracht ist.
Eine übermäßig große Kraft F würde zu unnötigen Spannungen in den Verankerungen der Wärmeübertragungsrohre 3 in den Rohrplatten 5 führen, und eine zu geringe Kraft F würde dazu führen, dass die Wärmeübertragungsrohre 3 nicht wie gewünscht voneinander beabstandet gehalten werden. Eine übermäßig große Kraft könnte des Weiteren zu unerwünschten „Katapult-Wirkungen" bei der Montage und Demontage führen und somit die Gefahr eines Personenschadens mit sich bringen. Die erforderliche Kraft F hängt von dem Eigengewicht der Wärmeübertragungsrohre 3, das heißt den Abmessungen und der Materialdicke, ab. Berechnungen haben gezeigt, dass viele Rohrwärmetauscher 1 auf dem Markt Wärmeübertragungsrohre 3 aufweisen, die eine Kraft von ca. 1 000 N pro Wärmeübertragungsrohr 3 erfordern, so dass diese bei einer normalen Rohrlänge von 6 Metern in dem gestrafften Zustand gehalten werden.
Bei einem herkömmlichen Rohrwärmetauscher 1 führen die großen Rohrlängen des Weiteren zu einem gewissen Durchhängen des Mantelrohrs 4. Dies wird normalerweise durch Einsetzen einer mittigen Abstützung 13 ausgeglichen. Die bevorzugte Ausführungsform gestattet jedoch ein gewisses Durchhängen des Mantelrohrs 4, und die pro Wärmeübertragungsrohr 3 angelegte Kraft F kann somit bis zu dem Zustand reduziert werden, in dem zwischen den Wärmeübertragungsrohren 3 und dem Mantelrohr 4 kein Kontakt besteht. Jegliche mittige Abstützung 13 am Rohrwärmetauscherelement 2 wird dem Durchhängen, falls vorhanden, angepasst.
Durch eine oben beschriebene Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit ein Rohrwärmetauscher 1 realisiert, bei dem keine so genannten Prallflächen erforderlich sind, um die Wärmeübertragungsrohre 3 voneinander und von der Innenwand des Mantelrohrs 4 beabstandet zu halten. Dies bietet einen freien Flüssigkeitsdurchgang im Mantelrohr 4, und in jenen Fällen, in denen der Rohrwärmetauscher 1 regenerativ eingesetzt werden soll, kann sich das Produkt ungehindert zwischen den Wärmeübertragungsrohren 3 umher bewegen. Insbesondere bei Teilchen oder Fasern enthaltenden Produkten, wie zum Beispiel Fruchtsäfte oder dergleichen, bietet die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit eines regenerativen Einsatzes des Rohrwärmetauschers 1 ohne die Gefahr, dass sich die Fasern an den Hindernisflächen, die durch die Prallflächen gebildet werden, ansammeln. Des Weiteren bietet die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eine volle Waschbarkeit in beiden Strömungssystemen des Rohrwärmetauschers 1.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung hervorgegangen ist, wird durch die vorliegende Erfindung eine Anordnung realisiert, die die regenerative Verwendung eines Rohrwärmetauschers ohne Hindernisse in Produktströmungsrichtung bildende Prallflächen gestattet. Durch das Fehlen der Prallflächen können des Weiteren auch so genannte ,schwierige Produkte', das heißt Produkte, die Fasern oder Teilchen enthalten, den Rohrwärmetauscher regenerativ verwenden.
Die vorliegende Erfindung sollte nicht als auf das oben Beschriebene und in den Zeichnungen Gezeigte eingeschränkt betrachtet werden, sondern es kommen viele Modifikationen in Betracht, ohne vom Schutzbereich der angehängten Ansprüche abzuweichen.

Claims

Rohrwärmetauscher (1) jener Art, die mehrere von einem Mantelrohr (4) umgebene Wärmeübertragungsrohre (3) aufweist und in dem die Wärmeübertragungsrohre (3) an ihren beiden Enden in Rohrplatten (5) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Axialkraft F an mindestens einem Ende der Wärmeübertragungsrohre (3) angelegt wird, wobei die Kraft derart ist, dass sie die Wärmeübertragungsrohre so straff festhält, dass sie sich nicht berühren oder gegen die Innenwand des Mantelrohrs streichen.
Rohrwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft F mittels eines Federsatzes (9) realisiert wird.
Rohrwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Federsatz (9) mehrere Tellerfedern (10) enthält.
Rohrwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft F ca. 1 000 N pro Wärmeübertragungsrohr (3) beträgt.