Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strömungsführung in Rohrbündel-Wärmeaustauschern zur thermischen Behandlung von Suspensionen, die stückige und/oder langfaserige Bestandteile beinhalten, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Nebenanspruchs 2. Eine derartige Anordnung bzw. Verfahren sind z.B. aus der
Es ist bekannt, jeweils zwei benachbarte, im Wesentlichen parallel angeordnete, in Reihe geschaltete Rohrbündel von Rohrbündel-Wärmeaustauschern, wie sie beispielsweise aus der
Den bekannten Rohrbündel-Wärmeaustauschern ist gemeinsam, dass die in den Innenrohren des jeweiligen Rohrbündels vereinzelten Teilströmungen des Innenkanals am Austritt der Rohrträgerplatte vereinigt werden und dieser zusammengeführte Gesamtstrom gemeinsam über den angeschlossenen Verbindungsbogen dem benachbarten Rohrbündel zugeführt wird. Dort wird im Eintrittsbereich des Rohrbündels dieser Gesamtstrom wieder in den dort angeströmten Innenrohren in Teilströme vereinzelt.
Falls es sich bei dem in dem Rohrbündel-Wärmeaustauscher thermisch zu behandelnde Produkt um solches mit faserigen Beimengungen, beispielsweise Säften mit Fruchtfleisch, handelt, so kann es an den Eintrittsöffnungen der Innenrohre der Rohrträgerplatte zu Ablagerungen kommen. Die Behandlung bei relativ hohen Temperaturen begünstig die Agglomeration von Fasern und die Bildung von Pulpe. Diese lagern sich bevorzugt an den Stegen zwischen den mehrfach parallel angeordneten Innenrohren und an den quer zur Strömungsrichtung orientierten Flächen der Rohrträgerplatte ab und können dort zu Verstopfungen führen. Abhilfe schaffen hier Maßnahmen, wie sie in der vorgenannten
Die
In der
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die bekannten Maßnahmen zur Verhinderung von Ablagerungen im Anströmbereich der Rohträgerplatte dann nicht mehr voll befriedigen können, wenn es sich bei dem thermisch zu behandelnden Produkt um Suspensionen handelt, die stückige und/oder langfaserige Bestandteile beinhalten, wobei die Faserlängen bis zu 100 mm reichen können. Diesbezügliche Suspensionen liegen beispielsweise im Rahmen von Verfahren zur Energiegewinnung durch Biofermentation vor. Hier wird einem Fermentationstank (Fermenter), in dem die Biofermentation stattfindet, eine Suspension fortlaufend zugeführt, wobei beispielsweise diese Suspension im Wesentlichen aus Mais und Gülle oder aus Ganzpflanzensilage (GPS) und Gülle oder aus Grassilage und Gülle besteht. Die Fermentationsreaktion liefert sog. Biogas, welches zum größeren Teil aus Methan besteht und einem (einer) mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelten Gaskolbenmotor (Gasturbine) zugeführt wird. Im dispersen System Mais/Gülle bzw. GPS/Gülle bzw. Grassilage/Gülle bildet jeweils die Gülle im Wesentlichen die kontinuierliche Phase, während die disperse Phase durch den Mais oder die anderen vorg. stückigen Bestandteile und ggf. weitere stückige Bestandteile, wie beispielsweise stückige Lebensmittel und deren Abfallprodukte sowie andere langfaserige Bestandteile gebildet wird.
Die vorstehend erwähnte Biofermentation im Fermenter bedarf einer bestimmten optimalen Reaktionstemperatur (Fermentationstemperatur). Die fortlaufende Zufuhr von Suspension, bestehend im Wesentlichen aus den vorstehend aufgezählten zu fermentierenden Produkten, bedeutet jedoch eine Störung der Reaktion im Fermenter, die sich zwangsläufig aus zufuhrbedingten Temperatur- und Konzentrationsänderungen ergibt und dann besonders signifikant ausfällt, wenn beispielsweise in der kalten Jahreszeit die zuzuführende Suspension nicht hinreichend auf die Fermentationstemperatur im Fermenter vorgewärmt wird oder werden kann. Um diese Wärmezufuhr sicherzustellen, wurde beispielsweise versucht, den Fermentationstank intern zu beheizen. Hierzu ist im Innern des Fermenters eine Heizvorrichtung angeordnet. Diese kann bei einer zylinderförmigen Ausgestaltung des Fermentes als Heizwand ausgebildet sein, welche dann bevorzugt aufgeständert auf dem Boden des Fermenters angeordnet ist (
Es wurde weiterhin versucht, die zuzuführende Suspension, im Wesentlichen bestehend aus den zu fermentierenden Produkten, durch Erwärmung außerhalb des Fermenters in einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher der vorstehend beschriebenen Art vorzuwärmen und dann im hinreichend erwärmten Zustand dem Fermentationstank zuzuführen. Es zeigte sich bei dieser "externen" Erwärmung, dass die in Rede stehende Suspension im Rohrbündel-Wärmeaustauscher zu Verstopfungen führen und dort auch eine Entmischung erfahren konnte.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die bislang bekannten Maßnahmen und Vorgehensweisen bei der Biofermentation zur Gewinnung von Biogas nicht dazu geeignet sind, die Fermentationstemperatur im Fermenter auch bei Zufuhr von neuer Suspension konstant zu halten. Bei Beheizung der zu fermentierenden Produkte innerhalb des Fermenters im Rahmen einer sog." internen" Beheizung zeigt sich eine sehr schlechte oder unzureichende Wärmeübertragung in die zu fermentierenden Produkte mit der Folge lokaler Temperaturunterschiede im Fermenter. Hieraus resultiert eine Verlangsamung des Fermentationsprozesses und eine damit einhergehende Verminderung der Ausbeute an Biogas. Die sog. "externe" Beheizung der zuzuführenden Suspension, der zu fermentierenden Produkte, innerhalb eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers der bekannten Art ist insofern problematisch, als die stückigen und/oder langfaserigen Bestandteile des dispersen Systems zu Verstopfungen und Entmischungen im Rohrbündel-Wärmeaustauscher führen können, wobei als Folge dieser Störungen sich wiederum lokale Temperaturunterschiede ergeben, aus denen eine Verlangsamung des Fermentationsprozesses und eine damit einhergehende Verminderung der Ausbeute an Biogas resultieren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art und eine Anordnung zu seiner Durchführung zu schaffen, mit denen die Verstopfungsanfälligkeit des Rohrbündel-Wärmeaustauschers weitestgehend beseitigt wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist durch die Merkmale des Nebenanspruchs 2 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorgeschlagenen Anordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der grundlegende erfinderische Verfahrensgedanke beinhaltet drei Lösungsansätze. Ein erster Lösungsansatz sieht vor, dass der Gesamtstrom einer stückigen und/oder faserigen Suspension vor Eintritt in den Rohrbündel-Wärmeaustauscher in eine Anzahl Teilströme vereinzelt wird. Gemäß einem zweiten Lösungsansatz erfolgt die Generierung der Teilströme jeweils mit einem Abstand, der mindestens so groß ist wie die größte Länge der faserigen Bestandteile der Suspension. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, dass die längsten faserigen Bestandteile sich nicht gleichzeitig in zwei Vereinzelungsstellen hinein erstrecken können. Würde man nämlich eine derartige Überbrückung durch lange Fasern zulassen, dann liefe man Gefahr, dass diese "Brückenbildungen" durch die nachfolgende Strömung und Anströmung der Suspension nicht mehr aufgelöst werden können. Es kommt dann in diesen Bereichen bevorzugt zu weiteren diesbezüglichen Anlagerungen mit dem Ergebnis, dass die Vereinzelungsstellen schließlich vollständig von langfaserigen Bestandteilen und im Zusammenwirken mit anderen stückigen Beimengungen vollständig verstopft werden.
Ein dritter Lösungsansatz besteht darin, dass die vereinzelten Teilströme, jeweils voneinander separiert, durch den gesamten Rohrbündel-Wärmeaustauscher geführt werden. Es handelt sich bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag diesbezüglich somit jeweils um eine Einzelumlenkung des Teilstroms, in Strömungsrichtung gesehen, vor und hinter dem jeweiligen Innenrohr. Bei bekannten Rohrbündel-Wärmeaustauschern werden demgegenüber die Teilströme aller parallel geschalteten Innenrohre eines Rohrbündels zunächst vereinigt und der sich ergebende Gesamtstrom wird anschließend umgelenkt und dem nächsten Rohrbündel als Gesamtstrom zugeführt. Die Vereinzelung des Gesamtstromes in eine der Anzahl der Innenrohre entsprechende Anzahl Teilströme erfolgt dann bekanntlich durch die als Verteiler fungierende Rohrträgerplatte.
Die vorgeschlagene Anordnung ist gleichfalls durch drei grundlegende Lösungsansätze gekennzeichnet ist. Der erste Lösungsansatz besteht darin, dass, in Strömungsrichtung gesehen, dem ersten Rohrbündel eine Einlauf- und Verteilervorrichtung mit einem Verteilerkörper vorgeordnet ist, der innenseits einen Verteilerraum ausbildet. Der zweite Lösungsgedanke beinhaltet, dass der Verteilerraum mit jedem Innenrohr des ersten Rohrbündels über jeweils ein Verteilerrohr aus einer Gruppe Verteilerrohre separat verbunden ist, wobei der Abstand benachbarter Verteilerrohre mindestens so groß ist, wie die größte Länge der faserigen Bestandteile. Gemäß einem dritten Lösungsansatz ist jedes Innenrohr eines Rohrbündels mit einem zugeordneten Innenrohr des nachfolgenden Rohrbündels über einen Verbindungsbogen aus einer Gruppe Verbindungsbogen der Verbindungsarmatur separat verbunden.
Im Verteilerraum wird die Vereinzelung in die jeweiligen Teilströme der Innenrohre vorgenommen, die bei Rohrbündel-Wärmeaustauschern nach dem Stand der Technik erst im Bereich der Rohträgerplatte des ersten Rohrbündels vorgesehen ist. Durch die Bemessung der Abstände benachbarter, aus dem Verteilerraum ausmündender Verteilerrohre wird die sog. "Brückenbildung" durch langfaserige Bestandteile weitestgehend vermieden und durch die separate Verbindung jedes einzelnen Innenrohres des ersten Rohrbündels mit dem Verteilerraum über jeweils ein Verteilerrohr aus einer Gruppe Verteilerrohre ist eine eindeutige Beschickung jedes dieser Innenrohre sichergestellt, wodurch der bei Rohrbündel-Wärmeaustauschern nach dem Stand der Technik kritische Anströmbereich der Rohrträgerplatte des ersten Rohrbündels eliminiert ist. Würde man nämlich eine derartige Überbrückung durch lange Fasern zulassen, dann liefe man Gefahr, dass diese "Brückenbildungen" durch die nachfolgende Strömung und Anströmung der Suspension nicht mehr aufgelöst werden können. Es kommt dann in diesen Bereichen bevorzugt zu weiteren diesbezüglichen Anlagerungen mit dem Ergebnis, dass die Verzweigungsstellen schließlich vollständig von langfaserigen Bestandteilen und im Zusammenwirken mit anderen stückigen Beimengungen vollständig verstopft werden.
Das Prinzip der durchgängigen Separierung der die einander zugeordneten Innenrohre passierenden Teilströme verhindert die sich immer wiederholende Bildung kritischer Anströmbereiche der Rohrträgerplatte bei Rohrbündel-Wärmeaustauschern nach dem Stand der Technik. Es handelt sich bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag somit um eine Einzelumlenkung des das jeweilige Innenrohr durchströmenden Teilstroms, während bei bekannten Rohrbündel-Wärmeaustauschern die Teilströme aller parallel geschalteten Innenrohre zunächst vereinigt werden und der sich ergebende Gesamtstrom anschließend umgelenkt und dem nächsten Rohrbündel zugeführt wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung sieht weiterhin vor, dass der jeweilige Teilstrom durch die Innenrohre vom Verteilerraum bis zum Eintritt in eine von allen Innenrohren des letzten Rohrbündels gespeiste Auslauf- und Sammelvorrichtung gleichwertige oder annähernd gleichwertige Strömungswiderstände zu überwinden hat. Die diesbezügliche Ausbildung aller Teilströmungswege stellt eine gleichmäßige Durchströmung aller parallel geschalteten Bereiche des Rohrbündel-Wärmeaustauschers und gleichmäßige thermische Behandlung dieser parallelen Teilströme sicher. Es wird erreicht, dass die auf dem Weg durch den gesamten Rohrbündel-Wärmeaustauscher getrennt voneinander geführten Teilströme der miteinander verbundenen Innenrohre gleiche Verweilzeit im Rohrbündel-Wärmeaustauscher erfahren und somit einheitlich thermisch behandelt werden. Voreilende oder nacheilende Teilströme mit unterschiedlichen Austrittstemperaturen und Feststoffkonzentrationen werden somit vermieden.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführung der Anordnung ist vorgesehen, dass an die Einlauf- und Verteilervorrichtung ein erster Rohrbündel-Wärmeaustauscher und ein zweiter Rohrbündel-Wärmeaustauscher parallel angeschlossen sind. Durch diese Anordnung ist es möglich, dass eine einzige Einlauf- und Verteilervorrichtung zwei identische Rohrbündel-Wärmeaustauscher versorgen kann.
In diesem Zusammenhang ist weiterhin vorgesehen, dass die Innenrohre des jeweils letzten Rohrbündels in eine Auslauf- und Sammelvorrichtung mit einem Sammelkörper einmünden, der innenseits einen Sammelraum ausbildet. Diese Ausgestaltung bezieht sich sowohl auf eine Anordnung mit einem einzigen Rohrbündel-Wärmeaustauscher als auch auf eine solche, bei der zwei Rohrbündel-Wärmeaustauscher parallel geschaltet sind.
Die Ausgestaltung der Auslauf- und Sammelvorrichtung gestaltet sich gemäß einem weiteren Vorschlag dann besonders einfach, wenn der Sammelkörper als langgestreckter Hohlzylinder ausgebildet ist. Um eine Homogenisierung der in der Auslauf- und Sammelvorrichtung vereinigten Teilströme sämtlicher parallel geführter Teilströme der Innenrohre einerseits sicherzustellen, soweit dies angesichts der erfindungsgemäßen Anordnung überhaupt noch notwendig ist, und ein unerwünschtes Leerlaufen des Rohrbündel-Wärmeaustauschers andererseits zu verhindern, welches zu einem Anbrennen der an der Innenfläche der Innenrohre anhaftenden Restsuspension führen kann, sieht ein weiterer Vorschlag vor, dass der Sammelkörper im Bereich der Verbindungsarmaturen auf einer Seite des Rohrbündel-Wärmeaustauschers zunächst im Wesentlichen vertikal aufsteigend und anschließend im Wesentlichen vertikal absteigend verlegt ist. Die Auslauf- und Sammelvorrichtung fungiert in diesem Falle zum einen als sog. Strömungsrohr, dessen notwendige Länge durch die vorgeschlagene Verlegung raumsparend zu installieren ist, und zum anderen als Syphon zur Verhinderung eines unerwünschten Leerlaufens des Rohrbündel-Wärmeaustauschers.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Verteilerkörper, wie dies weiterhin vorgesehen ist, als langgestreckter Hohlzylinder mit einem Innendurchmesser D ausgebildet ist, wenn weiterhin die aus dem Verteilerkörper ausmündende Gruppe Verteilerrohre im Bereich ihrer Abzweigrohrstutzen in dessen Längsrichtung angeordnet ist und wenn die Verteilerrohre innerhalb ihrer Gruppe jeweils einen axialen Abstand a voneinander aufweisen, der gleich oder größer ist als der Innendurchmesser D. Letzterer wird dabei zweckmäßig etwa so groß wie die größte Länge der faserigen Bestandteile der Suspension ausgeführt. Durch die vorgenannte Bemessung des Verteilerkörpers werden günstige Bedingungen dafür geschaffen, dass lange Fasern sich nicht über den Zwischenbereich zwischen zwei Verteilerrohre im Sinne einer sog. "Brückenbildung" legen können.
Verläuft, wie dies eine weitere Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung vorsieht, die Längsachse des Verteilerkörpers parallel zu dem Rohrbündel-Wärmeaustauscher und ist die Gruppe Verteilerrohre im Bereich ihrer Abzweigrohrstutzen in einer Meridianebene des Verteilerkörpers angeordnet, wobei letztere senkrecht auf einer Anordnungsebene des Rohrbündel-Wärmeaustauschers steht, dann bietet der Verteilerkörper Platz für eine zweite Gruppe Verteilerrohre, die im Bedarfsfall einen zweiten Rohrbündel-Wärmeaustauscher versorgen kann.
Eine absolut identische Verrohrung zwischen dem jeweils ersten Rohrbündel der beiden Rohrbündel-Wärmeaustauscher und dem Verteilerkörper wird dabei gemäß einem weiteren Vorschlag dadurch erreicht, dass die zweite Gruppe Verteilerrohre der ersten Gruppe Verteilerrohre am Verteilerkörper diametral gegenüber liegend angeordnet ist.
Durch die vorg. Maßnahmen am Verteilerkörper wird bereits eine gleichmäßige Beschickung der Innenrohre des jeweils an den Verteilerraum angeschlossenen ersten Rohrbündels sichergestellt.
Weist jedes Verteilerrohr im Bereich seines am Verteilerkörper ausmündenden Abzweigrohrstutzens, wie dies auch vorgesehen ist, eine Absperreinrichtung auf, dann lässt sich jedes Innenrohr, einzeln und unabhängig von den anderen, wahlweise absperren. Diese Absperrmöglichkeit erlaubt die Durchspülung bzw. das Freispülen jedes einzelnen Innenrohres, falls dies notwendig sein sollte. Diese Absperreinrichtung kann unabhängig von den anderen entweder manuell oder ferngesteuert wahlweise betätigt werden. Die Betätigung wird zweckmäßig in Abhängigkeit von einem für die Durchströmung des Innenrohres signifikanten Druck der Suspension gesteuert. Zur Messung dieses Druckes ist an jedem Verteilerrohr, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der jeweiligen Absperreinrichtung ein Anschluss für eine Druckmesseinrichtung vorgesehen. Durch die vorstehende Konfiguration lässt sich jedes einzelne Innenrohr im Bedarfsfall gezielt separat frei- bzw. durchspülen, während alle anderen Innenrohre abgesperrt sind. Es lässt sich somit die Notwendigkeit einer Durchspülung oder des Freispülens im Falle eine Verstopfung automatisch erfassen und, bei geeigneter gerätetechnischer Ausstattung, automatisieren. Ein verstopftes Innenrohr führt an einer geeigneten Messstelle zu einem Druckanstieg, der entweder eine Alarmmeldung generiert oder ein automatisches Freispülen des verstopften Innenrohres veranlasst, während alle anderen Innenrohre bzw. Teilströme im Zuge dieses Freispülens abgesperrt bzw. unterbrochen werden.
Unabhängig davon, ob die sich an den Verzweigungsstellen aus dem Verteilerraum abzweigenden Innenrohre absperrbar oder abgesperrt sind, ergibt die vorg. Durchströmung des Verteilerraumes eine Querströmung an diesen Verzweigungsstellen, mit der dort ggf. abgelagerte Fasern beseitigt werden können. In Verbindung mit der oben beschriebenen Auswahl der Innenrohre zum Zwecke ihrer gezielten Durchspülung sind somit alle verstopfungsanfälligen Bereiche des erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmeaustauschers einer Behandlung zugänglich.
Der Verteilerkörper weist, wie dies eine andere Ausführungsform vorsieht, an seinem seiner Anströmseite abgewandten Ende einen mittels einer Absperreinrichtung absperrbaren Spülanschluss auf. Dadurch kann der Verteilerkörper in seiner Längsrichtung durchspült werden und die dadurch generierte Querströmung erlaubt ein Freispülen der aus dem Verteilerkörper ausmündenden, zu den jeweiligen Innenrohren führenden Abzweigrohrstutzen, wodurch die dort ggf. abgelagerten Fasern wirksam entfernt und über den Spülanschluss ausgetragen werden.
Die Absperreinrichtung ist dabei zweckmäßig manuell oder ferngesteuert zu betätigen, sodass die letztgenannte Variante in Verbindung mit der vorg. Druckmessung eine weitestgehende Automatisierung des Durch- bzw. Freispülvorganges ermöglicht.
Um im Bereich der Verbindungsarmaturen gleiche Strömungsbedingungen für alle Teilströme in den Innenrohren zu erreichen, sieht eine weitere Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung vor, dass die Verbindungsarmatur ein Anordnungsmuster der Innenrohre in den beiden jeweils dicht zu verbindenden Rohrträgerplatten benachbarter Rohrbündel komplementär in ihrem Anschlussflansch abbildet, dass die Verbindungsarmaturen die Strömungsverbindung zwischen den jeweiligen Innenrohren an den Enden zweier benachbarter Rohrbündel einerseits und an den nachfolgenden Enden der benachbarten Rohrbündel andererseits derart herstellen, und dass der jeweilige Strömungsweg durch die jeweiligen beiden Verbindungsarmaturen zwischen den benachbarten Rohrbündeln in der Summe stets den gleichen Strömungswiderstand aufweist. Diese Maßnahme stellt sicher, dass unabhängig von der Anzahl der in Reihe geschalteten, parallel angeordneten Rohrbündel allein die Umlenkung von einem zum andern Rohrbündel derart ausgestaltet ist, dass in jedem diesbezüglichen Teilbereich des Rohrbündel-Wärmeaustauschers gleichwertige Strömungswiderstände vorliegen und somit über die Innenrohre der jeweils zu betrachtenden Rohrbündel gleiche Strömungsverhältnisse und somit gleiche Verweilzeiten vorliegen.
Eine besonders zweckmäßige diesbezügliche Anordnung wird weiterhin dadurch erreicht, dass eine Anzahl von vier bis sieben, vorzugsweise vier, Innenrohre in einem Rohrbündel vorgesehen sind.
Bei einer bevorzugten Anzahl von vier Innenrohren im Rohrbündel ergibt sich eine besonders einfache Ausgestaltung der Verbindungsarmatur, wenn diese Innenrohre, wie dies ein weiterer Vorschlag vorsieht, auf einem gemeinsamen Teilkreisdurchmesser derart gleichmäßig verteilt angeordnet sind, dass zwei benachbarte Rohrbündel mit nur zwei unterschiedlichen Verbindungsbogen verbunden sind, wobei zwei lange, gleiche Verbindungsbogen den vier außen liegenden Innenrohren und zwei kurze, gleiche Verbindungsbogen den vier innen liegenden Innenrohren zugeordnet sind. Dies bedeutet, dass, bezogen auf einen Teilstrom innerhalb miteinander verbundener Innenrohre, einem langen Verbindungsbogen einerseits ein kurzer Verbindungsbogen andererseits folgt und dass dieses Anordnungsmuster sich über die nachfolgenden miteinander verbundenen Rohrbündel stetig fortsetzt.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Strömungsführung in Rohrbündel-Wärmeaustauschern ist nicht nur geeignet, die zu fermentierenden Produkte außerhalb des Fermenters besonders wirksam zu beheizen, um eine hinreichende Fermentationstemperatur sicherzustellen, sondern sie ist auch im Gegensatz zu "internen" und "externen" Heizvorrichtungen nach dem Stand der Technik besonders gut geeignet, um beispielsweise die zu fermentierenden Produkte im Fermenter vor Überhitzung zu schützen. Eine derartige "externe" Kühlung der zu fermentierenden Produkte ist beispielsweise dann angezeigt, wenn im Sommer über mehrere Wochen eine Außentemperatur ϑa > 25 °C herrscht, sodass im Fermenter ohne Kühlung eine optimale Fermentationstemperatur von ca. ϑF = 37 °C nicht einzuhalten ist. Die zu fermentierenden Produkte werden in diesem Falle dem Fermenter im Teilstrom entnommen und im Kreislauf über den erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmeaustauscher geführt, wobei als Wärmeträgermedium (Kühlmedium) vorzugsweise Brunnenwasser zur Anwendung kommt. Eine Überhitzung des Fermenters hat vergleichbare Auswirkungen auf den Fermentationsprozess, wie eine unzureichende Erwärmung der zu fermentierenden Produkte.
Diese bekannte Ausführungsform wird nachfolgend einleitend erläutert.
Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung ist in den weiteren Figuren der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen
Ein in der Regel aus einer Vielzahl von Rohrbündeln 100.1 bis 100.n zusammengesetzter Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 nach dem Stand der Technik, wobei mit 100.i ein beliebiges Rohrbündel bezeichnet wird (
Die beiden Gehäuse 400.1, 400.2 sind gegenüber dem jeweils benachbarten Außenmantelflansch 200b, 200a ebenfalls mit einer Flachdichtung 900 abgedichtet, wobei das rechtsseitig angeordnete erste Gehäuse 400.1 in Verbindung mit dem Außenmantel 200 über einen loslagerseitigen Austauscherflansch 600 unter Zwischenschaltung eines O-Ringes 910 gegen das linksseitig angeordnete Festlager 500, 700, 400.2 gepresst wird. Die loslagerseitige Rohrträgerplatte 800 greift durch eine nicht näher bezeichnete Bohrung im loslagerseitigen Austauscherflansch 600 hindurch und findet gegenüber letzterem ihre Abdichtung mittels des dynamisch beanspruchten O-Ringes 910, der darüber hinaus das erste Gehäuse 400.1 statisch gegen den loslagerseitigen Austauscherflansch 600 abdichtet. Letzterer und die loslagerseitige Rohrträgerplatte 800 bilden ein sog. Loslager 600, 800, welches die Längenänderungen der in der loslagerseitigen Rohrträgerplatte 800 eingeschweißten Innenrohre 300 infolge Temperaturänderung in beiden axialen Richtungen zulässt.
Abhängig von der Anordnung des jeweiligen Rohrbündels 100.1 bis 100.n im Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 und seiner jeweiligen Beschaltung können die Innenrohre 300, bezogen auf die Darstellungslage, entweder von links nach rechts oder umgekehrt von einem Produkt P durchströmt werden, wobei die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Innenrohr 300 und damit im Innenkanal 200* mit v gekennzeichnet ist. Die querschnittsmäßige Auslegung erfolgt in der Regel derart, dass diese mittlere Strömungsgeschwindigkeit v auch in einem Verbindungsbogen 1000 vorliegt, der einerseits mit dem festlagerseitigen Austauscherflansch 500 und andererseits mittelbar mit einem mit der loslagerseitigen Rohrträgerplatte 800 fest verbundenen loslagerseitigen Anschlussstutzen 800d verbunden ist. Mit den beiden in der Zeichnung nur jeweils zur Hälfte dargestellten Verbindungsbogen 1000 (sog. 180 Grad-Rohrbogen) wird das in Rede stehende Rohrbündel 100.i mit dem jeweils benachbarten Rohrbündel 1 00.i-1 bzw. 100.i+1 in Reihe geschaltet. Daher bildet einmal der festlagerseitige Austauscherflansch 500 einen Eintritt E für das Produkt P und der loslagerseitige Anschlussstutzen 800d beherbergt einen dazugehörenden Austritt A; beim jeweils benachbarten Rohrbündel 100.i-1 bzw. 100.i+1 kehren sich diese Ein- und Austrittsverhältnisse jeweils entsprechend um.
Der festlagerseitige Austauscherflansch 500 weist eine erste Anschlussöffnung 500a auf, die einem Nenndurchmesser DN und damit einem Nenndurchtrittsquerschnitt A0 des dort angeschlossenen Verbindungsbogens 1000 entspricht und die in der Regel so bemessen ist, dass dort die der mittleren Strömungsgeschwindigkeit v im Innenrohr 300 bzw. Innenkanal 300* entsprechende Strömungsgeschwindigkeit vorliegt. In gleicher Weise ist auch eine zweite Anschlussöffnung 800a in dem loslagerseitigen Anschlussstutzen 800d bemessen, wobei sich die jeweilige Anschlussöffnung 500a bzw. 800a auf einen jeweils erweiterten Durchtrittsquerschnitt 500c bzw. 800c im Bereich zur benachbarten Rohrträgerplatte 700 bzw. 800 durch einen konischen Übergang 500b bzw. 800b erweitert. Der erweiterte Durchtrittsquerschnitt 500c bzw. 800c ist dabei im Wesentlichen zylindrisch und mit einem Durchmesser ausgeführt, der in der Regel ein bis zwei Nennweiten größer als der Nenndurchmesser DN des Verbindungsbogens 1000 (Nenndurchtrittsquerschnitt Ao des Verbindungsbogens) und demnach entsprechend größer als der Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller in den festlagerseitigen Austauscherflansch 500 eintretenden Innenrohre 300 mit einem jeweiligen Rohrinnendurchmesser Di dimensioniert ist.
In Abhängigkeit von der Richtung der Strömungsgeschwindigkeit v im Innenrohr 300 bzw. lnnenkanal 300* strömt das zu behandelnde Produkt P entweder über die erste Anschlussöffnung 500a oder die zweite Anschlussöffnung 800a dem Rohrbündel 100.1 bis 100.n zu, sodass entweder die festlagerseitige Rohrträgerplatte 700 oder die loslagerseitige Rohrträgerplatte 800 angeströmt wird. Da in jedem Falle ein Wärmeaustausch zwischen Produkt P in den Innenrohren 300 bzw. den Innenkanälen 300* und einem Wärmeträgermedium M im Außenmantel 200 bzw. in den Außenkanälen 200* im Gegenstrom zu erfolgen hat, strömt dieses Wärmeträgermedium M entweder dem ersten Anschlussstutzen 400a oder aber dem zweiten Anschlussstutzen 400b mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Außenmantel c zu.
Ein erster Rohrbündel-Wärmeaustauscher 101 (
Eine thermisch zu behandelnde Suspension P tritt über den ersten Anschlussflansch 10.5 in Verbindung mit dem ersten konischen Übergangskörper 10.4 in die Einlauf- und Verteilervorrichtung 10 ein (Gesamtstrom der Suspension am Eintritt P(E)), wo sie, in Strömungsrichtung gesehen, am Anfang des Verteilerkörpers 10.3 über ein Schauglas 10.7 visuell zu beobachten ist (
Die Längsachse des Verteilerkörpers 10.3 (
Zum Zwecke einer gezielten Durchspülung der Verteilerrohre 10.1.i, 10.2.i jeder Gruppe Verteilerrohre 10.1, 10.2 und der damit jeweils verbundenen Innenrohre 300 wird die in
Jedes Innenrohr 300, 300* (siehe hierzu
Eine Anzahl N = 4 Innenrohre ist, wie dies in
Die Teilströme P(T) der beiden außen liegenden Innenrohre der benachbarten Rohrbündel 101.i und 101.i+1 (
Die Innenrohre 300, 300* des, in Strömungsrichtung gesehen, jeweils letzten Rohrbündels 101.n und 102.n münden über einen ersten Sammelbogen 30.2 bzw. einen zweiten Sammelbogen 30.3 in einen Sammelkörper 30.1 einer Auslauf- und Sammelvorrichtung 30 ein (Verbindung über dritten Anschlussflansch 30.4). Der Sammelkörper 30.1 ist vorzugsweise als lang gestreckter Hohlkörper ausgebildet und begrenzt innenseits einen Sammelraum S. Dem Sammelkörper 30.1 schließt sich ein zweiter konischer Übergangskörper 30.5 und ein vierter Anschlussflansch 30.6 an. Die Auslauf- und Sammelvorrichtung 30 ist raumsparend im Bereich der Verbindungsarmaturen 20 auf einer Seite der Rohrbündel-Wärmeaustauscher 101, 102 zunächst im Wesentlichen vertikal aufsteigend und anschließend im Wesentlichen vertikal absteigend verlegt, wodurch ein Leerlaufen des Rohrbündel-Wärmeaustauschers 101, 102 und damit ein Anbrennen von Restsuspension verhindert wird. Neben dieser Syphonwirkung homogenisiert sie eine aus den letzten Rohrbündeln 101.n und 102.n austretende Suspension P(A) hinsichtlich Temperatur und Feststoffkonzentration, falls dies angesichts der erfindungsgemäßen Anordnung überhaupt noch erforderlich ist.
Der Wärmeaustausch zwischen der mit der mittleren Strömungsgeschwindigkeit v in den Innenrohren 300 bzw. den Innenkanälen 300* strömenden Suspension P (Teilströme P(T)) und einem im Außenmantel 200 bzw. in den Außenkanälen 200* strömenden Wärmeträgermedium M erfolgt im Gegenstrom. Dabei strömt das Wärmeträgermedium M(E), beispielsweise Heißwasser oder, im Falle eine Kühlung der zu fermentierenden Produkte, Kühlwasser dem n-ten Rohrbündel 101.n einerseits über den ersten Anschlussstutzen 400a mit der mittleren Strömungsgeschwindigkeit c im Außenmantel zu (
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