[0001] Die Erfindung betrifft einen Schabewärmeaustauscher nach dem Oberbegriff des Anspruches
1.
[0002] Derartige Schabewärmeaustauscher sind bekannt zum Beispiel aus der US-A-2 867 994.
Die Schneider Schabemesser verlaufen im wesentlichen parallel zur Achse der Welle,
an der sie befestigt sind. Die Messer schaben ständig das Produkt von der inneren
Zylinderwand ab und verhindern das Ansetzen oder Anbrennen des Produktes an der Zylinderinnenwand.
[0003] Der Produktzylinder ist von einem zylindrischen Mantel umgeben, in dem das Wärmeträgermedium
für die Erhitzung oder Kühlung des Produktes
- fließt
- (z.B. Kühlwasser, Eiswasser, Heißwasser),
- kondensiert
- (Dampf) oder
- verdampft
- (Ammoniak, Freon).
[0004] Der von dem Zylinder und der Welle gebildete Spaltraum bestimmt bei einer festgelegten
Durchsatzmenge (Liter/Stunde) die Verweilzeit des Produktes im Schabewärmeaustauscher.
Der Wärmedurchgangswert wird durch folgende Einflüsse bestimmt:
1. Viskosität und Struktur des Produktes.
2. Axiale Fließgeschwindigkeit des Produktes (kann im allgemeinen vernachlässigt werden,
da es sich meist um schleichende Strömung handelt, außer bei sehr kleinen Spalten
zwischen Messewelle und Zylinder, dann wird α1 beeinflußt).
3. Abschabehäufigkeit des Produktes von der Zylinderwand, d.h.
1. Drehgeschwindigkeit der Welle (Umdrehungen pro Minute) proportional der Messergeschwindigkeit;
2. Anzahl der Messer/-reihen auf dem Umfang der Welle. Zusätzlich erfolgt auf der
ganzen Länge des Zylinders/Messerwelle ein mechanischer Energieeintrag, der bei Erhitzung
zusätzlich Wärme dissipiert, während diese Wärme bei Kühlprozessen über die Zylinderfläche
mit abgeführt werden muß. Bei zu kurzer Verweilzeit des Produktes an der Kühlfläche
(zu viele Messerreihen oder zu hohe Drehzahl der Messerwelle) ist für das Abkühlen
des Produktes an der Kühlfläche zu wenig Zeit, so daß die Temperaturdifferenz zwischen
dem Kernprodukt und dem von der Kühlfläche abgeschabten Produkt zu klein ist und somit
nur eine sehr geringe Abkühlung des Kernproduktes erfolgt.
4. Anordnung und geometrische Ausführung der Messer (es werden tangential und radial
zur Messerwelle angebrachte Messer, einzeln oder in geschlossenen Reihen angeordnet
(angewendet).
5. Wandstärke des Zylinders: soll möglichst dünn sein, ist aber begrenzt durch den
Produktinnendruck, den Druck des Wärmeträgermediums und die Fertigungsmöglichkeiten).
6. Material des Zylinders.
7. Wärmeübergang von der Zylinderwand auf das Wärmeträgermedium.
[0005] Bekannte Schabemesser sind relativ langgestreckt, beispielsweise 200 mm lang. Sie
weisen auf der in Drehrichtung vorne liegenden Kante die Schneide auf, die im Betrieb
an der Innenwand des Produktzylinders entlanggleitet. Auf der Rückseite befinden sich
die Befestigungsstege mit den Öffnungen zur Befestigung mit Hilfe von Bolzen, Schrauben
und/oder Stiften. Die Zwischenräume zwischen den Befestigungsstegen sind bei den bekannten
Schabemessern freigelassen oder es fehlen die Befestigungsstege überhaupt.
[0006] Für den Wärmeaustausch nachteilig ist in jedem Fall eine Verkleinerung des wirksamen
Temperaturunterschiedes zwischen der Wandtemperatur und der jeweiligen Produkttemperatur
beim Durchlaufen des Produktes durch den Zylinder. Unter der Annahme einer konstanten
Temperatur des Wärmeträgermediums (Dampf oder Ammoniak/Freon) auf der ganzen Länge
des Produktzylinders verringert sich die Temperaturdifferenz zwischen Produkt und
Trägermedium ständig aufgrund der Erwärmung/Abkühlung des Produktes und damit erfolgt
eine Annäherung der Produkt- und der Trägermediumtemperatur zum Austritt des Wärmeaustauschers
hin. Deshalb nimmt der Wärmeübergangswert ständig ab.
[0007] Außerdem wird bei tangentialer Anordnung der Messer und bei geringer Turbulenz im
Spalt wegen hoher Produktviskositäten das abgeschabte, erhitzte/gekühlte Produkt direkt
hinter dem Messer wieder an die Wärmeübertragungswand geführt, wobei eine dann niedrigere
Temperaturdifferenz zwischen Produkt und Zylinderwand den Wärmeaustausch verschlechtert.
[0008] Natürlich verbessert eine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit der Messerwelle die
Abschabehäufigkeit der Messer und damit gleichzeitig die Turbulenz im Spaltraum. Negativ
wirkt sich jedoch der elektrische/mechanische Energieeintrag in das Produkt bei Kühlprozessen
aus, da dieser Wärmeeintrag über die Kühlfläche mit abgeführt werden muß. Außerdem
erhöht sich die zu installierende Antriebsleistung, was zu erhöhten laufenden Betriebskosten
und erhöhtem Verschleiß von Messern und der Zylinderinnenwand führt.
[0009] Außerdem steigt bei gleicher Messerzahl und Erhöhung der Drehzahl die Antriebsleistung
an der Welle je nach Art und Viskosität des Produktes etwa in der dritten Potenz.
[0010] Es sollte also zur Erhöhung der Abschabehäufigkeit vorzugsweise die Anzahl der Messerreihen
auf der Welle bei gleicher Drehzahl erhöht werden, was aber auch zu erhöhtem mechanischen
Verschleiß der Zylinderinnenwand führt, jedoch bei linearer Erhöhung der Messerreihen
nur zu einem proportionalen Anstieg der Antriebsleistung und somit der in das Produkt
dissipierten Wärme führt.
[0011] Die axiale Strömung des viskosen Produktes im Spaltraum bedeutet bei Strömungsgeschwindigkeiten
von 0,1 - 10 cm/s kleine Reynoldszahlen und somit laminare und bei großen Spalten
zwischen Zylinder und Messerwelle sogar schleichende Strömung (Trägheitskräfte <<Zähigkeitskräfte),
d.h. jede Bewegung wird spontan mit dem Energieeintrag begonnen und erlischt sofort
nach Beendigung des Energieeintrages. Sekundärströmungen aufgrund von Trägheitskräften
treten nicht auf. Bewegungen quer zu mechanisch initierten Kräften und Kraftrichtungen
gibt es nicht.
[0012] Die Radialgeschwindigkeiten, aufgezwungen durch die Messerwellendrehzahl, liegen
je nach Produkt, dem gewünschten Energieeintrag und Viskosität, bei 0,5 - 5 m/s an
der Messerschneide. Somit sind die radial wirkenden mechanischen Einflüsse gegenüber
den axialen Strömungseinflüssen wesentlich wichtiger für den Wärmeübergang vom Produkt
auf die Zylinderinnenwand.
[0013] Der Wärmeübergang vom Produkt auf die Zylinderinnenwand findet bei viskosen Produkten,
wie sie in Schabewärmeaustauscher bearbeitet werden, bei laminaren Strömungsverhältnissen
statt. Nur bei niedrigen Viskositäten von 10 - 200 cp wird, je nach Messerwellendrehzahl,
turbulente Strömung erreicht.
[0014] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schabewärmeaustauscher nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1 zu schaffen, bei dem die Leistung bei sonst gleichen Parametern im
Vergleich zu bekannten Schabewärmeaustauschern erhöht wird, d.h. der Wirkungsgrad
merklich verbessert wird.
[0015] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
[0016] Durch den Schabewärmeaustauscher nach der Erfindung, mit den neu entwickelten Schabemessern,
werden im Spalt zusätzlich zu den radialen und axialen Strömungsverhältnissen Taylor-Wirbel
erzeugt und verbessern den Wärmeübergang. Hierdurch werden die von der kalten Zylinderinnenwand
abgeschabten Produktteilchen besser mit den wärmeren im Ringspalt vermischt und somit
das Temperaturgefälle zwischen den kalten und warmen Produktteilchen besser ausgenutzt.
[0017] Taylor-Wirbel sind paarweise auftretende, gegensinnig rotierende Wirbel, die sich
der axialen Grundströmung überlagern und die in Ringspalten bestimmter Größe und bei
bestimmter axialer bzw. radialer Strömungsgeschwindigkeit auftreten. Bei den erfindungsgemäßen
Messern werden hinter den schmalen Zwischenräumen oder Schlitzen diese Wirbel erzeugt
und helfen, den Austausch zwischen kaltem und wärmerem Produkt (bei
Kühlprozessen, sonst sinngemäß umgekehrt) im Ringspalt zwischen Messerwelle und Zylinder
zu verbessern und damit den Wärmeentzug aus dem Produkt zu vergrößern.
[0018] Zusätzlich wird die Grenzschicht des Produktes an der Kühlfläche ständig durch die
Messer zerstört und somit bereits abgekühltes Produkt sehr schnell und intensiv mit
der wesentlich wärmeren Kernströmung vermischt.
[0019] Bei hochviskosen Produkten ist zusätzlich die Messerwellendrehzahl tendenziell zu
erhöhen, um im Spalt eine gleichmässige Temperaturverteilung zu erreichen, auch wenn
die höhere Drehzahl zu mehr Energiedissipation im Produkt führt und diese Energie
somit bei Kühlprozessen mit über die Fläche abgeführt werden muß.
[0020] Bei den erfindungsgemäßen Messern kann gerade bei hochviskosen Produkten die Messerwellendrehzahl
niedriger gehalten werden, was den Gesamtwärmeaustausch positiv beeinflußt. Außerdem
verläßt das Produkt den Schabewärmeaustauscher noch gleichmäßiger gekühlt als es mit
den bisherigen Messern, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, möglich war.
[0021] Neben der Verbesserung des Wärmeüberganges durch die Schabewärmeaustauscher mit den
neuen Schabemessern, konnte bei der Kühlung und Kristallisation von Shortening (Speisefett
mit 5 - 25 % Stickstoffeinschlag) eine Verbesserung der Feinverteilung des Stickstoffes
(kleinere Gasblasen) und somit ein gewünschtes helleres Weiß des Produktes erreicht
werden. Außerdem verbesserte sich durch die intensive Bearbeitung des Produktes während
der Kühlung die Struktur des Endproduktes (bessere Plastizität).
[0022] In einer Produktionsanlage zur Herstellung von Shortening wurden mit der bekannten
Messerform folgende Daten erreicht:
Shortening mit der Fettcharakteristik von 20 % Fettkristallen (SFI = solid fat
index) bei 20°C und 0% Kristallen bei 45°C und einer Viskosität von ca. 60 cp bei
50°C und 10.000 cp bei 20°C wurde mit direkter Ammoniakverdampfung (-20°C) in einem
Schabewärmeaustauscher kontinuierlich von 60°C auf 25°C mit einer Leistung von 4.000
Kg/h gekühlt und anschließend in einem Kristallisator (Pin-worker) nachbehandelt.
[0023] Nach Einsatz der Messer nach der Erfindung konnte mit dem gleichen Produkt bei gleichen
Parametern eine Leistung von 4.440 Kg/h erreicht werden, was einer Verbesserung des
Wärmeüberganges von ca. 11% entspricht. Zusätzlich waren die Gasverteilung und die
Plastizität des Endproduktes besser geworden.
[0024] Insgesamt bedeutet dies, daß die Leistung vorhandener Anlagen bei sonst gleichen
Parametern je nach Produkt um ca. 10 % erhöht werden kann. Bei der Auslegung von Neuanlagen
führt diese Verbesserung zur Verringerung von Maschineninvestitionskosten.
[0025] Die vorstehend beschriebenen Verbesserungen des Wärmeüberganges vom Produkt auf das
Wärmeträgermedium beim Einsatz der erfindungsgemäßen Messer treffen natürlich auch
auf Erhitzungsprozesse im Schabewärmeaustauscher zu.
[0026] In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen unter Schutz gestellt. Der
Anspruch 3 gibt lediglich Abmessungsverhältnisse für eine erprobte Ausführungsform
wieder.
[0027] Die Verbindungsstege zwischen den einzelnen Zinken nach Anspruch 4 sorgen nicht nur
für eine Verbesserung der Struktur des Schabemessers, sondern sie können auch zusätzlich
einen günstigen Einfluß auf den Wärmeübergang haben.
[0028] Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
[0029] Es zeigt:
- Fig. 1
- eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Welle zum Einbau in einen Produktzylinder
eines Schabewärmeaustauscher nach der Erfindung;
- Fig. 2
- einen Teilquerschnitt im Bereich des Spaltraumes eines Schabewärmeaustauscher nach
der Erfindung;
und
- Fig. 3
- eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Schabemessers nach der Erfindung.
[0030] Der in der Zeichnung dargestellte Schabewärmeaustauscher weist einen Produktzylinder
3 auf, der von dem Wärmeträgermedium, das entweder erhitzen oder kühlen kann, umgeben
ist. In dem Produktzylinder 3 ist die in Fig. 1 dargestellte Welle 1 drehbar gelagert
und drehangetrieben, und zwar in Richtung des Pfeiles D. Am Umfang der Welle sind
eine Anzahl von Schabemessern 2 befestigt, und zwar so, daß sie in radialer Richtung
"lose" sind, d.h. in dieser Richtung sind sie beschränkt beweglich.
[0031] Die Schabemesser 2 weisen Befestigungsstege 14 auf, in denen Befestigungslöcher 5
und 7 ausgebildet sind. Die Befestigungslöcher 5 sind Langlöcher, wohingegen das Befestigungsloch
7 einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Zur Befestigung des Schabemessers 2 werden
die Langlöcher 5 mit den Öffnungsabschnitten 6 größeren Durchmessers über die Köpfe
9 von Bolzen 8 geschoben und dann geringfügig parallel zu der Achsrichtung der Welle
1 verschoben, bis die Abschnitte 8 der Bolzen in den schmäleren Abschnitten der Langlöcher
5 liegen. Durch das Befestigungsloch 7 wird dann eine Schraube 9 geschraubt, die eine
Bewegung zurück der Bolzen 8 in den Bereich der Öffnungsabschnitte 6 verhindert, aber
die gewünschte radiale Bewegung nach wie vor zuläßt. Diese radiale Bewegung reicht
auf jeden Fall aus, damit die Schneiden 13 der Schabemesser an der Innenwand des Produktzylinders
3 anliegen können, um dort zu schaben.
[0032] Zwischen den Befestigungsstegen 14 sind kammartige Zinken 11 mit Zwischenräumen 12
vorgesehen. Diese wirken auf die zu behandelnde Masse so, wie eingangs beschrieben,
d.h. sie beeinflussen die Strömungsverhältnisse so, daß der Wirkungsgrad des Schabewärmeaustauscher
merklich verbessert wird.
[0033] Es ist einzusehen, daß die Erfindung nicht auf die insbesondere in Fig. 3 dargestellte
Ausführungsform beschränkt ist, sondern daß auch andere Zinken oder Fahnenformen denkbar
sind, die in Drehrichtung hinter den Schneiden angeordnet sind, um so zu wirken, wie
eingangs ausführlich beschrieben.
[0034] Bei einer in der Praxis erprobten Ausführungsform hatte das Schabemesser eine Länge
von ca. 190 mm. Die Breite einschl. der Befestigungsabschnitte und der Zinken betrug
40 mm. Die Tiefe der Zwischenräume und damit die Länge der Zinken lag bei 20 mm. Jede
Zinke und jeder Zwischenraum war 6 mm breit. Es waren zwei außenliegende Befestigungslöcher,
die als Langlöcher ausgebildet waren und ein mittleres Befestigungsloch mit kreisrundem
Querschnitt vorgesehen. Insgesamt wies dieses Messer fünf Zinken und sechs Zwischenräume
auf. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Maße und Formen beschränkt.
Es soll lediglich ein Beispiel gegeben werden, um die Vorstellung zu verbessern.
[0035] Beispielsweise ist eine Abwandlung dahingehend möglich, daß am Ende der Zinken Verbindungsstege
vorgesehen sind, die zusätzlich auf die zu behandelnde Masse einwirken und gleichzeitig
das Schabemesser stabilisieren.
1. Schabewärmeaustauscher zum kontinuierlichen Erhitzen oder Kühlen von viskosen oder
hochviskosen Massen, insbesondere Shortenings mit einem Produktzylinder (3), der von
dem Wärmeträgermedium umgeben und in dem eine drehangetriebene Welle (1) angeordnet
ist, die mit dem Produktzylinder einen im Querschnitt ringförmigen Spaltraum (4) zur
Aufnahme der zu behandelnden Masse bildet, wobei an der Welle langgestreckte Schabemesser
(2) befestigt sind, die an der in Drehrichtung vorne liegenden Kante eine Schneide
(13) und dahinter beabstandete Befestigungsstege (14) aufweisen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schabemesser (2) in dem Raum hinter der Schneide (13) und zwischen den Befestigungsstegen
(14) kammartige Zinken (11) aufweisen.
2. Schabewärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume
(12) zwischen den Zinken (11) ungefähr so breit sind wie die Zinken.
3. Schabewärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Abstand
von ca. 50 mm zwischen den Befestigungsöffnungen (5,7) in den Befestigungsstegen (14)
vier Zinken (11) und vier Zwischenräume (12) von jeweils einer Breite von ca. 6 mm
und einer Tiefe von ca. 20 mm vorgesehen sind.
4. Schabewärmeaustauscher nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 2 oder
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume (12) am Ende durch schmale Verbindungsstege
überbrückt sind.
1. Scraping heat exchanger for the continuous heating or cooling of viscous or highly
viscous materials, particularly shortenings, with a product cylinder (3), which is
surrounded by the heat transfer medium and in which is located a rotary shaft (1),
which forms with the product cylinder a cross-sectionally annular gap space (4) for
receiving the material to be treated, in which to the shaft are fixed elongated scraping
knives (2), which have on the forward edge in the rotation direction a blade (13)
and behind the same spaced fixing webs (14), characterized in that the scraping knives
(2) have comb-like teeth (11) in the space behind the blade (13) and between the fixing
webs (14).
2. Scraping heat exchanger according to claim 1, characterized in that the gaps (12)
between the teeth (11) are approximately as wide as the teeth.
3. Scraping heat exchanger according to claim 2, characterized in that with a spacing
of approximately 50 mm between the fixing openings (5, 7) in the fixing webs (14)
there are four teeth (11) and four gaps (12) in each case having a width of approximately
6 mm and a depth of approximately 20 mm.
4. Scraping heat exchanger according to one or more of the claims 2 or 3, characterized
in that the gaps (12) are bridged at the end by narrow connecting webs.
1. Echangeur de chaleur à surface raclée, pour le chauffage ou le refroidissement, continu,
de masses visqueuses ou fortement visqueuses, en particulier de graisses de cuisine,
avec un cylindre à produits (3), qui est entouré par le fluide caloporteur et dans
lequel est disposé un arbre (1) entraîné en rotation, qui constitue avec le cylindre
à produits un espace à interstice (4) à section transversale en forme d'anneau pour
recevoir la masse à traiter, des lames de raclage (2) allongées étant fixées sur l'arbre
et présentant, sur l'arête située à l'avant dans le sens de rotation, un tranchant
(13), et des points de fixation (14) placés à distance à l'arrière de celui-ci, caractérisé
en ce que les lames de raclage (2) présentent, dans l'espace se trouvant derrière
le tranchant (13) et entre les points de fixation (14), des dents (11) du genre d'un
peigne.
2. Echangeur de chaleur à surface raclée selon la revendication 1, caractérisé en ce
que les espaces intermédiaires (12) se trouvant entre les dents (11) sont à peu près
de la même largeur que les dents.
3. Echangeur de chaleur à surface raclée selon la revendication 2, caractérisé en ce
que, dans le cas où l'espacement entre les ouvertures de fixation (5, 7) prévues dans
les points de fixation (14) est d'environ 50 mm, il est prévu quatre dents (11) et
quatre espaces intermédiaires (12) ayant chaque fois une largeur d'environ 6 mm à
une profondeur d'environ 20 mm.
4. Echangeur selon l'une ou plusieurs des revendications 2 ou 3 précédentes, caractérisé
en ce que les espaces intermédiaires (12) sont pontés à l'extrémité par d'étroits
points de liaison.