TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten
Röhrenwärmetauscher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
STAND DER TECHNIK
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Wärmetauscher werden zum Erwärmen oder Abkühlen eines flüssigen
Produkts verwendet; eine Vielzahl von Typen liegt vor. So ist
es beispielsweise durch Verwendung von Wasserdampf oder Wasser
mit unterschiedlichen Temperaturen möglich, ein Produkt auf das
gewünschte Niveau zu erwärmen oder abzukühlen, das bevorzugt in
flüssiger Form vorliegt. Wärmetauscher gelangen in
verschiedenen Prozeßindustrien zum Einsatz und sind auch in
Nahrungsmittelbetrieben wie Molkereien und Saftfabriken üblich.
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Ein wohlbekannter Wärmetauschertyp ist der sogenannte
Röhrenwärmetauscher, der aus einem oder mehreren
Wärmetauscherelementen besteht, die miteinander verbunden sind, um ein
Strömungssystem zu bilden. Die Wärmetauscherelemente bestehen aus einem
oder mehreren Wärmeübertragungsrohren, die von einem äußeren
Hülsen- oder Mantelrohr umgeben sind. Die
Wärmeübertragungsrohre sind miteinander verbunden, um Produktflußeinsätze zu
bilden, die ihrerseits mittels Produktkrümmern verbunden sind, um
das Produkt umzuwälzen, das je nach dem Prozeß, für den der
Wärmetauscher benutzt wird, erwärmt oder abgekühlt werden soll.
Die Wärmetauscherrohre sind in Hülsen- oder Mantelrohren
eingeschlossen, die auch das Wärmeübertragungsmedium einschließen,
das aus Wasser mit unterschiedlichen Temperaturen, Wasserdampf
oder anderen Typen von Flüssigkeiten oder Gasen bestehen kann.
Ein Typ eines Röhrenwärmetauschers ist in der schwedischen
Patentschrift SE 501908 beschrieben.
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Ein Röhrenwärmetauscher nach der obigen Beschreibung kann zur
Behandlung von Flüssigkeiten verwendet werden, die große
Teilchen oder Fasern enthalten, also beispielsweise Orangensaft mit
relativ langen Fasern. Ungeschnittene Orangenfasern können bis
zu 20 mm lang sein. Läßt man die faserige Flüssigkeit durch die
Produktflußeinsätze fließen, dann muß die Flüssigkeit von den
Produktkrümmern über eine Ablenkplatte in die einzelnen
Wärmeübertragungsrohre verteilt werden.
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Die SE 138 362 offenbart einen solchen Röhrenwärmetauscher mit
einer Ablenkplatte, die an der Ablenkplatte eingepaßte,
abgerundete Kappen aufweist, um die Strömung der Flüssigkeit in die
einzelnen Wärmeübertragungsrohre zu verbessern. Allerdings
sehen diese Kappen Ausnehmungen vor, in denen sich Fasern oder
Teilchen ansammeln und die Flüssigkeitsströmung stören können.
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In einem solchen Fall kommt es häufig vor, daß die Fasern an
der Kante am Eintritt zu den Wärmeübertragungsrohren "hängen"
und sich dort ansammeln. Versuche haben gezeigt, daß bei
Druckerhöhung eine vollständige Ansammlung von Fasern häufig nach
einiger Zeit weggespült wird, woraufhin die Ansammlung wieder
beginnt, und dies ergibt eine ungleichmäßige Verteilung der
Fasern in der Flüssigkeit. Extreme Faseransammlungen können auch
zu Produktionsstörungen und Problemen beim Reinigen führen.
Große Teilchen können auch zur Bildung von Propfen in den
Einlässen zu den einzelnen Wärmeübertragungsrohren beitragen.
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Ein Verfahren zur Vermeidung dieser Probleme liegt darin, den
Durchmesser der Wärmeübertragungsrohre zu vergrößeren, so daß
die Fasern und Teilchen leichter Zugang bekommen können. Eine
extreme Lösung dieses Verfahrens liegt in dem Einzelrohr, bei
dem sich allerdings ein mäßiger Wärmeübertragungskoeffizient,
lange Rohre und lange Prozeßzeiten ergeben. Deshalb ist
erwünscht, daß der Durchmesser der Wärmeübertragungsrohre so
klein wie möglich gehalten wird, denn Wärmeübertragungsrohre
bei herkömmlichen Röhrenwärmetauschern für große Teilchen
müssen mit einem Innendurchmesser ausgewählt sein, der zwischen 2-
und 2,5mal größer als die Teilchen ist, die durch diese Rohre
laufen sollen, wodurch also der Wärmeübertragungskoeffizient
reduziert ist.
AUFGABE DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die
Rohrablenkeinrichtungen derart auszulegen, daß die Fasern sich
nicht ansammeln, sondern eine Produktion erhalten wird, bei der
keine Störungsgefahr besteht, die Fasern oder Teilchen
gleichmäßig in der Flüssigkeit verteilt sind und keine
intermittierenden Druckänderungen im Produkt stattfinden.
LÖSUNG
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Diese und weitere Aufgaben wurden nach der vorliegenden
Erfindung dadurch gelöst, daß die Verbesserung des in der Einführung
offenbarten Typs die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1
erhielt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
erhielten ferner die in den beigefügten Unteransprüchen dargelegten
kennzeichnenden Merkmale.
KURZE BESCHREIBUNG DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNGEN
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Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
werden nun im einzelnen unter besonderer Berücksichtigung der
beigefügten Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
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Fig. 1 das Prinzip eines Röhrenwärmetauschers;
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Fig. 2 eine Ablenkplatte nach einer Lösung aus dem Stand der
Technik;
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Fig. 3 Wärmeübertragungsrohre, mit einer Ablenkplatte nach
einer Lösung aus dem Stand der Technik verbunden sind;
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Fig. 4 einen weiteren Röhrenwärmetauscher;
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Fig. 5 eine seitliche Aufrißansicht der Ausführungsform von
Fig. 4 teilweise im Schnitt;
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Fig. 6 einen ähnlichen Wärmetauscher wie in Fig. 4;
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Fig. 7 eine seitliche Aufrißansicht der Ausführungsform von
Fig. 6 teilweise im Schnitt;
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Fig. 8 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 9 seitliche Aufrißansicht der Ausführungsform von Fig. 8
teilweise im Schnitt;
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Fig. 10 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 11 eine seitliche Aufrißansicht der Ausführungsform von
Fig. 10 teilweise im Schnitt; und
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Fig. 12 das Prinzip eines Flußverteilers.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Röhrenwärmetauschers 1, bei dem
ein (oder allgemein meist mehrere) Wärmetauscherelemente 2 zur
Bildung einer Strömungseinheit miteinander verbunden sind.
Jedes Wärmetauscherelement 2 besteht aus einer Anzahl von
Wärmeübertragungsrohren 3, die von einem äußeren Hülsen- oder
Mantelrohr 4 umgeben sind. Die Wärmeübertragungsrohre 3 in jedem
Hülsen- oder Mantelrohr 4 sind zur Bildung eines
Produkteinsatzes 5 vereinigt, indem ein Rohr oder eine Ablenkplatte 6 an
jedem Ende 13 der Wärmeübertragungsrohre 3 angeordnet ist. Die
Produkteinsätze 5 mit ihren Wärmeübertragungsrohren 3 sind zum
Umwälzen des Produkts gedacht, das in dem Wärmetauscher 1
behandelt werden soll. Die verschiedenen Produkteinsätze 5 sind
mittels Produktkrümmern 7 miteinander verbunden, und die
äußeren Produkteinsätze 5 sind mit Einlaß- bzw. Auslaßleitungen für
das Produkt verbunden. Die Absicht liegt darin, eine so große
Anzahl von Wärmeübertragungsrohren 3 zusammenzufassen, wie sie
in dem Hülsen- oder Mantelrohr 4 eingeschlossen werden kann,
wobei das umzuwälzende Produkte berücksichtigt wird. Ein
Produkt, das Teilchen oder Fasern 11 enthält, erfordert einen
Rohrdurchmesser der Wärmeübertragungsrohre, der zwischen 2- und
2,5mal so groß wie die Teilchen in dem Produkt ist. Je höher
die Anzahl und je kleiner die Größe der Wärmeübertragungsrohre
3 ist, die in dem Hülsen- oder Mantelrohr 4 untergebracht
werden können, desto wirksamer wird die erhaltene
Wärmeübertragung.
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In dem die Produkteinsätze 5 umgebenden Hülsen- oder Mantelrohr
4 ist das zu verwendende Wärmeübertragungsmedium
eingeschlossen, d. h. Wasser oder eine andere Flüssigkeit bei verschiedenen
Temperaturen oder alternativ Wasserdampf oder ein anderes Gas.
Die Hülsen- oder Mantelrohre 4 sind ihrerseits mit miteinander
in Verbindung stehenden Winkelrohrabschnitten 8 oder alternativ
mit Einlaß- oder Auslaßanschlüssen für das
Wärmeübertragungsmedium verbunden. Die Produkteinsätze 5 sind in das Hülsen- oder
Mantelrohr 4 mit Dichtungen 9 eingepaßt, so daß das Produkt und
das Wärmeübertragungsmedium voneinander getrennt gehalten
werden.
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Wenn das Produkt entweder über einen Produktkrümmer 7 oder eine
Einlaßleitung einen Produkteinsatz 5 erreicht, muß das Produkt
an der Ablenkplatte 6 in die verschiedenen
Wärmeübertragungsrohre 3 verteilt werden. Die Enden 13 der
Wärmeübertragungsrohre 3 sind in der Ablenkplatte 6 befestigt, und diese wies wie
bei Lösungen nach dem Stand der Technik eine fast ebene Fläche
10 zu dem Produktkrümmer 7 und dem Produktfluß (vgl. Fig. 2 und
3) auf.
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Bei Produkten mit Teilchen und länglichen Fasern 11 wie z. B.
Orangensaft hat sich herausgestellt, daß diese Lösung aus dem
Stand der Technik zur Ansammlung von Fasern 11 an der Kante der
Einlässe zu den Wärmeübertragungsrohren 3 führt, da die Fasern
11 vor dem Erreichen der Ablenkplatte 6 und der
Wärmeübertragungsrohre 3 nicht die Möglichkeit der Ausrichtung und
Verteilung hatten, sondern zwischen den Wärmeübertragungsrohren 3
"hängenbleiben".
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Die Fasern 11 in dem Produkt werden bei Erreichen der
Ablenkplatte 6 derart ausgerichtet, daß die Fasern 11 die Produktflüssigkeit
begleiten, wobei sie nicht "hängenbleiben" und sich
an der Ablenkplatte 6 ansammeln. Dies wurde dadurch erreicht,
daß die Ablenkplatte mit Flußverteilern 12 versehen wurde.
Diese Flußverteiler 12 umgeben ganz oder teilweise die Rohrenden
13 der Wärmeübertragungsrohre 3 an der Ablenkplatte 6.
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Das Prinzip eines Flußverteilers nach der Erfindung ist in Fig.
12 gezeigt. Eine Flüssigkeitsströmung 14 mit Fasern 11 einer
bestimmten maximalen Länge L ist in einer Rohrleitung oder
einem Rohr 15 eingeschlossen. An einer Drossel 16 in der
Rohrleitung oder dem Rohr 15 verteilt sich die Flüssigkeit etwas
oberhalb der Drossel 16, so daß die Fasern 11 an einer oder der
anderen Seite der Drossel durchlaufen können. Hat die Drossel 16
allerdings gerade Kanten und ist in Flußrichtung relativ
schmal, dann besteht die Gefahr, daß die Fasern 11 über der
Drossel 16 "hängenbleiben". Ist die Drossel 16 an dem der
Strömung 14 zugewandten Seite mit einem Flußverteiler 12 ausgelegt,
dann können die Fasern 11 vor dem Erreichen der Drossel 16
ausgerichtet und verteilt werden. Der Flußverteiler 12 sollte
sanft und nicht als Hindernis ausgestaltet sein und besteht bei
den bevorzugten Ausführungsformen aus einem Halbkreis. Der
Radius R des Flußverteilers 12, der gleich der Hälfte des
Durchmessers D der Drossel 16 ist, sollte derart ausgewählt sein,
daß R wenigstens ein viertel der maximalen Faserlänge L
beträgt. Aus Versuchen hat sich gezeigt, daß bei Verwendung einer
solchen Abmessungsverteilung die Fasern 11 derart verteilt und
ausgerichtet werden können, daß sie an der Drossel 16
vorbeilaufen, ohne daran anzuhaften.
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Bei Anwendung dieses Strömungsprinzips an einer Ablenkplatte 6
nach der vorliegenden Erfindung ist der Radius R des
Flußverteilers 12 derart ausgewählt, daß Produkte mit langen Fasern 11
durchlaufen können. Orangensaft mit ungeschnittenen Fasern 11
kann beispielsweise eine Faserlänge L von bis zu 25 mm haben,
weshalb der Radius R des Flußverteilers 12 bei diesem Beispiel
6,5-7 mm betragen sollte.
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In Fig. 4 und 5 ist eine Ablenkplatte 6' des Produkteinsatzes 5
mit Flußverteilern 12 versehen. Diese Ablenkplatte 6' an dem
Produkteinsatz 5 muß deshalb so gedreht werden, daß sie der
Strömungsrichtung des Produkts zugewandt ist, wie dies in Fig.
5 veranschaulicht ist. Diese Ablenkplatte 6' ist mit
Flußverteilern 12 ausgelegt, die die Enden 13 der
Wärmeübertragungsrohre 3 umgeben. Die Flußverteiler 12 umgeben die Rohrenden 13
ganz und symmetrisch, so daß die Fläche 10 der Ablenkplatte 6'
am Eintritt zu den Wärmeübertragunsrohen 3 wie eine sanfte
Trichteranordnung aussieht. Die in dem anderen Ende des
Produkteinsatzes 5 angeordnete Ablenkplatte 6" weist eine
vollständig ebene Fläche 10 auf.
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Die Flußverteiler 12 sind in den Zeichnungen als Ringe 17
gezeigt. Dort wo die Ringe 17 tangential zueinander liegen, wird
ein Punkt 18 erzeugt, der einen Teil der oberen Fläche 10 der
Ablenkplatte 6 bildet. Der Raum 19 zwischen drei Ringen 17 hat
die gleiche Höhe wie der Punkt 18 und bildet demnach ebenfalls
einen Teil der Fläche 10.
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In Fig. 6 und 7 sind beide Ablenkplatten 6 an dem
Produkteinsatz 5 mit Flußverteilern 12 versehen, die die Rohrenden 13 der
Warmeübertragunsrohre 3 ganz und symmetrisch umgeben. Diese
Konstruktion ist zu bevorzugen, denn bei groß dimensionierten
Röhrenwärmetauschern ist es häufig erwünscht, die Strömung
während des Produktionszyklus umzuschalten, ohne daß deshalb der
Röhrenwärmetauscher 1 abgebaut werden muß, um die richtige
Platte 6' an die Strömungsrichtung des Produkts anzupassen.
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Allerdings nehmen die Flußverteiler 12 einen relativ großen
Raum an der Ablenkplatte 6 ein, da sie die Enden 13 der
Wärmeübertragungsrohre 3 ganz und symmetrisch umgeben sollen. Als
Ergebnis dieses zusätzlichen Faktors kann eine kleinere Anzahl
von Wärmeübertragungsrohren 3 in jedem Hülsen- oder Mantelrohr
4 untergebracht werden als in einer ebenen Ablenkplatte 6.
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In Fig. 8 und 9 kann eine größere Anzahl von
Wärmeübertragungsrohren 3 an jeder Ablenkplatte 6 untergebracht werden. Die
Flußverteiler 12 wurden hier bezüglich der Rohrenden der
Wärmeübertragungsrohre 3 asymmetrisch angeordnet, so daß sie die
Rohrenden 13 nur teilweise umgeben. Zum Ausgleich der Tatsache,
daß die Flußverteiler 12 die Rohrenden 13 nicht vollständig
umgeben, wurde die Ablenkplatte 6 gleichzeitig zum Zentrum der
Platte 6 abgewinkelt. Die Oberfläche 10 der Ablenkplatte 6 wird
also trichterförmig. Die Ablenkplatte 6 ist mit einem Winkel α
abgewinkelt, der 45-75º und bevorzugt 45-60º beträgt. Die
Ablenkplatte 6 erfordert also einen etwas größeren Raum als bei
den zwei vorhergehenden Ausführungsformen der Erfindung.
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In Fig. 10 und 11 ist eine Ablenkplatte 6 mit einer etwas
becherförmigen Fläche 10 und mit Flußverteilern 12 gezeigt, die
nur teilweise die Rohrenden 13 der Wärmeübertragungsrohre 3
umgeben. Bei dieser Ausführungsform ist Platz für eine größere
Anzahl von Wärmeübertragungsrohren 3, wobei die becherförmige
Fläche 10 gleichzeitig die Tatsache ausgleicht, daß die
Flußverteiler 12 nur teilweise die Rohrenden 13 der
Wärmeübertragungsrohre 3 umgeben. Die becherförmige Fläche 10 ermöglicht
auch, daß die Ablenkplatte 6 kürzer als bei der dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sein kann.
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Bei Verwendung eines Röhrenwärmetauschers 1 wird das faserige
Produkt also in eine Anzahl von. Produkteinsätzen 5 umgewälzt,
die mittels Produktkrümmern 7 miteinander verbunden sind. Das
verwendete Wärmeübertragungsmedium wird gleichzeitig gegen
diese Produktströmung umgewälzt, eingeschlossen in den Hülsen-
oder Mantelrohren 4 und die Wärmeübertragungsrohre 3 umgebend.
Wenigstens in einem Ende ist jeder Produkeinsatz 5 mit der
Verbesserung nach der vorliegenden Erfindung versehen, die dann in
dem Einlaßende der Produktströmungsrichtung ausgerichtet sein
sollte. Das Produkt trifft dann auf eine Fläche 10 an der
Ablenkplatte 6 mit sanft abgerundeten Einlässen zu den
Wärmeübertragungsrohren 3, so daß Teilchen und Fasern 11 das flüssige
Produkt leicht in die Wärmeübertragungsrohre 3 begleiten.
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Aus der vorhergehenden Beschreibung wird deutlich, daß die
Verbesserung nach der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit der
Verwendung eines Röhrenwärmetauschers 1 mit
Wärmeübertragungsrohren 3 mit relativ kleinen Durchmessern für Produkte
vorsieht, die Teilchen oder lange Fasern 11 enthalten. Die
vorliegende Erfindung ermöglicht, daß die Fasern 11 sanft und wirksam
in die Wärmeübertragungsrohre 3 geführt werden, ohne daß die
Gefahr besteht, daß sich die Fasern 11 an der Fläche 10 der
Ablenkplatte 6 ansammeln.