Mischer-Wärmetauscher

Abstract

 Ein Mischer-Wärmetauscher (40) zum Heizen und Kühlen von fliessfähigen Stoffen umfasst einen Strömungskanal (22) mit in einer Längsachse (x) angeordneten Wärmetauscherrohren (16) und statischen Mischelementen (18), wobei die Wärmetauscherrohre (16) die Mischelemente (18) im wesentlichen formschlüssig über Öffnungen (20) durchsetzen. Die Wärmetauscherrohre (16) und die Mischelemente (18) sind zur Erzeugung einer schabenden Bewegung an der Oberfläche der Wärmetauscherrohre (16) relativ zueinander in der Längsachse (x) verschiebbar. Damit lassen sich Ablagerungen an den Wärmetauscherrohren auf einfache Weise ohne Demontage des Mischer-Wärmetauschers entfernen.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft einen Mischer-Wärmetauscher zum Heizen und Kühlen von fliessfähigen Stoffen, mit in einem Strömungskanal in einer Längsachse angeordneten Wärmetauscherrohren und statischen Mischelementen, wobei die Wärmetauscherrohre die Mischelemente im wesentlichen formschlüssig über Öffnungen durchsetzen.

Stand der Technik

[0002] Wärmeaustauschvorrichtungen sind in vielen Ausführungen bekannt und in der Industrie verbreitet. In den meisten Wärmeaustauschern herrschen turbulente Strömungsverhältnisse.

[0003] Bekannte Wärmetauscher sind Rohrbündelwärmetauscher, die innen zusätzlich mit statischen Mischelementen ausgerüstet sind, um den Wärmeübergang an der Rohrwand zusätzlich zu verbessern.

[0004] Dank statischen Mischer-Wärmetauschern können viskose Flüssigkeiten mit Grundoperationen wie Mischen, Wärme- und Stoffaustausch oder in der chemischen Reaktionstechnik kontinuierlich verarbeitet werden. Das hohe Wärmeübertragungsvermögen von statischen Mischer-Wärmetauschern sowie die ausgezeichnete Mischleistung im laminaren Strömungsbereich erlauben den Einsatz als Wärmetauscher oder Reaktor.

[0005] Aufgrund der erzielten, sehr hohen Nusselt-Zahl sowie der grossen Oberfläche durch den Rohrbündel besitzt der Mischer-Wärmetauscher ein ausgezeichnetes volumenbezogenes Wärmeübertragungsvermögen. Eine weitere besondere Fähigkeit des Mischer-Wärmetauschers ist das Einstellen eines perfekten Temperaturprofils beim Austritt aus dem Wärmetauscher, selbst bei Flüssigkeiten mit einer Viskosität >1'000'000 mPas. Die Ursache liegt in der sehr hohen Mischleistung, die die Mischleistung herkömmlicher Wärmetauscher weit übertrifft.

[0006] Mischer-Wärmetauscher werden unter anderem für folgende Anwendungen eingesetzt:

• Heizen und Kühlen im laminaren Strömungsbereich.
• Heizen und Kühlen von Ölen bei grösseren Betriebsdrücken.
• Zur Verarbeitung und Herstellung von Klebstoffen und Harzen.
• Kühlen von Schmelzen für die Chemiefaserindustrie.
• Zur Temperierung von Polyol und Isocyanat.
• Zur Temperaturüberwachung von Kunststoffschmelzen und Kunststoffschäumen.
• Zur Herstellung von Nahrungsmittel, hauptsächlich aus der Süsswaren- und Milch verarbeitenden Industrie.
• Zur externen Kühlung von gerührten Tankreaktoren.
• Zur kontinuierlichen Reaktionsführung.

[0007] Es ist bekannt, dass sich Stoffe unter dem Einfluss der Temperatur oder während der Verweilzeit im Mischer-Wärmetauscher verändern können. Die sich verändernden Stoffe können zu Ablagerungen in Form einer dünnen Schicht an den Wärmetauscherrohren führen. Derartige, auch unter dem Begriff "Fouling" bekannte Ablagerungen kann ein statischer Mischer-Wärmetauscher nur ungenügend selbst entfernen. Die Erhöhung der Deformationsgeschwindigkeit durch kurzzeitig Erhöhung der Durchflussgeschwindigkeit reicht oft nicht aus, da die Deformationsgeschwindigkeit infolge steigenden Druckverlustes nicht beliebig erhöht werden kann. In vielen Anwendungsfällen ist es daher unumgänglich, den Mischer-Wärmetauscher von Zeit zu Zeit zu demontieren und das Fouling an den Wärmetauscherrohren zu entfernen, wodurch das Wärmeübertragungsvermögen wieder verbessert wird.

Darstellung der Erfindung

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mischer-Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem Ablagerungen an der Oberfläche der Wärmetauscherrohre auf einfache Weise ohne Demontage der Wärmeaustauschvorrichtung mechanisch entfernt werden können.

[0009] Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass die Wärmetauscherrohre und die Mischelemente zur Erzeugung einer schabenden Bewegung an der Oberfläche der Wärmetauscherrohre relativ zueinander in der Längsachse verschiebbar sind.

[0010] Der Mischer-Wärmetauscher umfasst mindestens je ein Wärmetauscherrohr und ein Mischelement. Die Mischelemente sind beispielsweise paarweise gekreuzte Stegplatten.

[0011] Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mischelemente über eine gemeinsame Betätigungsstange in der Längsachse des Strömungskanals hin und her bewegbar sind.

[0012] Zweckmässig sind die Wärmetauscherrohre einseitig geschlossen, wobei in die Wärmetauscherrohre einragende Lanzen für ein Wärmetauschermedium vorgesehen sind. Die Wärmetauscherrohre können aber auch U-förmig zum Rohranfang zurückgeführt werden; in diesem Fall sind keine Lanzen erforderlich.

[0013] Zur Erzeugung der reinigenden Schabwirkung können auf die Wärmetauscherrohre zusätzlich gleitfähige Reinigungskörper aufgesetzt sein.

[0014] Anstelle der Mischelemente können auch die Wärmetauscherrohre in der Längsachse des Strömungskanals hin und her bewegbar sein.

[0015] Die Mischelemente können aber auch durch Änderung der Strömungsrichtung in der Längsachse des Strömungskanals hin und her bewegbar sein.

[0016] Eine Einrichtung zum Heizen und Kühlen von fliessfähigen Stoffen kann auch eine Vielzahl parallel geschalteter Mischer-Wärmetauscher umfassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0017] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1

eine Schrägsicht auf ein Rohrbündel mit aufgesteckten Mischeinsätzen eines Rohrbündelwärmetauschers;

Fig. 2

einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen MischerWärmetauscher;

Fig. 3

ein Detail von Fig. 2 in vergrösserter Darstellung;

Fig. 4

eine Prinzipskizze einer Anordnung mit parallel geschalteten, erfindungsgemässen Mischer-Wärmetauschern.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

[0018] Vier in Fig. 1 gezeigte, in ihrer Längsachse m aneinander grenzende, eine Länge L aufweisende Mischeinsätze 10, 12 für in einem Strömungskanal strömende Medien sind von einem Rohrbündel 14 mit parallel zur Längsachse m angeordneten Wärmetauscherrohren 16 durchsetzt. Jeder Mischeinsatz 10, 12 weist eine Vielzahl von sich kreuzenden Stegplatten 18 A, 18 B auf. Die Stegplatten 18 A, 18 B weisen alle eine gleiche Breite auf und liegen in parallel zueinander mit gleichem Zwischen- oder Stegabstand a angeordneten Ebenen, die zwei sich kreuzende Ebenenscharen bilden. Die Ebenen schliessen mit der Längsachse m jeweils einen gleich grossen Winkel von 45° ein. Die aneinander grenzenden Mischeinsätze 10, 12 sind alternierend um einen Winkel von 90° um ihre Längsachse m gegeneinander verdreht angeordnet.

[0019] Aus Fig. 1 ist ohne weiteres ersichtlich, dass jede in der Längsachse m durchgeführte Relativbewegung eines Wärmetauscherrohres 16 zu einer Stegplatte 18 A, 18 B, die vom Wärmetauscherrohr 16 über eine Öffnung 20 durchsetzt ist, wegen der praktisch formschlüssigen Anlage des Öffnungsrandes der Öffnung 20 am Wärmetauscherrohr 16 zu einem schabenden Vorgang an der an der Rohroberfläche führt.

[0020] Zur Erzeugung der reinigenden Schabwirkung können, zusätzlich zu den Stegplatten 18 A, 18 B, mit einer entsprechenden Öffnung versehene, gleitfähige Plättchen als Reinigungskörper auf die Wärmetauscherrohre 16 aufgesetzt werden.

[0021] Fig. 2 zeigt einen Mischer-Wärmetauscher 40. Die um einen Winkel von 90° um ihre Längsachse m gegeneinander verdrehten Mischeinsätze 10, 12 sind in einem rohrförmigen Strömungskanal 22 mit einer Innenmantelfläche 24 mit kreisförmigem Querschnitt und einer Rohr- oder Strömungskanallängsachse x des Mischer-Wärmetauschers 40 angeordnet. Hierbei liegen die Längsachsen m der Mischeinsätze 10, 12 in der Längsachse x des Strömungskanals 22.

[0022] Sämtliche Stegplatten 18 A, 18 B erstrecken sich innerhalb jedes Mischeinsatzes 10, 12 über jeweils ihre durch die Stirnseiten der Mischeinsätze 10, 12 und durch die Innenmantelfläche 24 des Strömungskanals 22 begrenzte, maximal mögliche Länge, wobei die Kontur der Stegplatten 18 A, 18 B dem kreisförmigen Querschnitt des Strömungskanals 22 so angepasst ist, dass die Stegplatten 18 A, 18 B mit kleinem Spiel an die Innenmantelfläche 24 des Strömungskanals 22 angrenzen.

[0023] Die Wärmetauscherrohre 16 durchsetzen die Stegplatten 18 A, 18 B über in diesen angeordnete Öffnungen 20, die entsprechend dem Winkel zwischen Stegplatte 18 A, 18 B und Wärmetauscherrohr 16 eine elliptische Randbegrenzung aufweisen. Die Stegplatten 18 A, 18 B sind an ihren Kreuzungsstellen mindestens teilweise über Löt- oder Schweissstellen miteinander verbunden.

[0024] Beim Zusammenbau des Mischer-Wärmetauschers 40 werden die einzelnen Mischeinsätze 10, 12 durch die gekreuzte Anordnung der entsprechenden Anzahl von Stegplatten 18 A, 18 B vorgefertigt. Die vorgefertigten Mischeinsätze 10, 12 werden um 90° gegeneinander verdreht in ihrer Längsachse m aneinandergereiht. Anschliessend werden die Wärmetauscherrohre 16 parallel zur Längsachse m durch die Öffnungen 20 der Stegplatten 18 A, 18 B hindurch geschoben. Zwei einander diametral gegenüberliegende Fixierstangen 26 -- diese können auch durch Wärmetauscherrohre 16 gebildet sein -- sind über Löt- oder Schweissstellen an den Stegplatten 18 A, 18 B befestigt und dienen zur Fixierung der Mischeinsätze 12, 14, damit diese durch entsprechende Betätigung der Fixierstangen 26 gemeinsam in der Strömungskanallängsachse x hin und her verschiebbar sind. Die beiden Fixierstangen 26 sind an einem Ende über eine Querstange 28 verbunden. An der Querstange 28 ist mittig eine zentral in der Strömungskanallängsachse x angeordnete Betätigungsstange 30 festgelegt. Das so gefertigte Einsatzteil wird von einer Seite des Mischer-Wärmetauschers 40 in den Strömungskanal 22 eingeschoben, wobei die Betätigungsstange 30 auf der anderen Seite über eine fluiddichte Durchführung 32 in einer Stirnwand 34 des Mischer-Wärmetauschers 40 aus diesem herausgeführt wird.

[0025] Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind die Wärmetauscherrohre 16 an einem Ende offen und am anderen Ende über einen Boden 17 verschlossen. Das Wärmetauschermedium wird hier über je eine in jedes Wärmetauscherrohr 16 eingesetzte Lanze 36, deren freies Ende bis kurz vor den geschlossenen Boden 17 des Wärmetauscherrohres 16 geführt ist, über einen an einer Stirnseite des Mischer-Wärmetauschers 40 angeflanschten Einlassrohrstutzen 42 über einen Zwischenraum 43 gleichzeitig in alle Lanzen 36 eingeführt und fliesst nach dem Austritt aus den Lanzen 36 am Boden 17 jedes Wärmetauscherrohres 16 innerhalb des zwischen Lanze 34 und Innenwand jedes Wärmetauscherrohres 16 in entgegengesetzter Richtung zurück, tritt aus den offenen Enden der Wärmetauscherrohre 16 in einen zweiten Zwischenraum 44 aus und verlässt den Mischer-Wärmetauscher 40 über einen vorzugsweise seitlich am Zwischenraum 44 angeordneten Auslassrohrstutzen 46. Bei U-förmigem Verlauf der Wärmetauscherrohre16 kann der Auslassrohrstutzen 46 auch zentrisch angeordnet sein.

[0026] Das im Mischer-Wärmetauscher 40 zu mischende und oder zu einer Reaktion zu bringende Stoffgemisch wird über einen seitlich am Mischer-Wärmetauscher 40 angeordneten Einlassrohrstutzen 48 eingeleitet und fliesst durch den Strömungskanals 22 an den Stegplatten 18 A, 18 B der Mischeinsätze 10, 12 vorbei den Wärmetauscherrohren 16 entlang zu der d dem Einlassrohrstutzen 48 entfernt liegenden Stirnwand 34 des Mischer-Wärmetauschers 40 und tritt dort durch einen seitlich angeordneten Auslassrohrstutzen 50 als Reaktionsprodukt aus dem Mischer-Wärmetauscher 40 aus. Zur besseren Strömungslenkung vom Einlassrohrstutzen 48 in den Strömungskanal 22 und zur Vermeidung eines Totvolumens ist gegenüber dem Einlassstutzen 48 ein entsprechendes Volumenteil als Umlenkteil 38 vorgesehen.

[0027] Die Enden der Lanzen 36 mit den Einlassöffnungen für das Wärmetauschermedium sind fluiddicht in eine gemeinsame Bodenplatte 52 eingesetzt, welche mittels einer Dichtung 53 gegen den zweiten Zwischenraum 44 abgedichtet ist. In gleicher Weise sind die Wärmetauscherrohre 16 an ihren offenen Enden fluiddicht in eine gemeinsame, den Zwischenraum begrenzende Endplatte 56 eingesetzt.

[0028] Zum Entfernen von beispielsweise Zersetzungsprodukten, die an der äusseren Oberfläche der Wärmetauscherrohre 16 anhaftende Ablagerungen bilden, werden von Zeit zu Zeit die über die Fixierstangen 26 miteinander verbundenen Mischeinsätze 10, 12 mittels der Betätigungsstange 40 hin und her bewegt. Hierbei werden die die Wärmetauscherrohre 16 über den Rand ihrer Öffnungen 20 praktisch formschlüssig umschliessenden Stegplatten 18 A, 18 B über die Oberfläche der Wärmetauscherrohre 40 gezogen und gestossen. Durch die bei diesem Hin und Herschieben der Mischeinsätze 10, 12 eintretende schabende Bewegung der Öffnungsränder der Öffnungen 20 in den Stegplatten 18 A, 18 B werden die Ablagerungen mechanisch von den Rohroberflächen entfernt. Dieser Vorgang kann ohne Demontage des Mischer-Wärmetauschers 40 erfolgen und in den meisten Fällen sogar ohne Betriebsunterbrechung manuell oder automatisch durchgeführt werden.

[0029] Es sei hier noch erwähnt, dass für die Hin- und Herbewegung der Mischeinsätze 10, 12 grundsätzlich keine mechanischen Hilfsmittel wie Fixier- und Betätigungsstangen erforderlich sind. Die Bewegung kann auch allein durch den Druckverlust bzw. eine kurzzeitige Umkehr der Fliessrichtung erfolgen.

[0030] Fig. 4 zeigt schematisch eine Anordnung mit zwei parallel geschalteten Mischer Wärmetauschern 40 a, 40 b. Das zu behandelnde Stoffgemisch wird über eine zentrale Zuführleitung 56 und über von dieser abzweigende Verteilerleitungen 58 a, 58 b den einzelnen Mischer-Wärmetauschern 40 a, 40 b zugeführt. In jeder der Verteilerleitungen 58 a, 58 b ist ein Ventil 60 a, 60 b zum individuellen Öffnen und Schliessen der Verteilerleitungen 58 a, 58 b vorgesehen. Über Temperatursensoren T am Ausgang jedes Mischerwärmetauschers 40 a, 40 b wird kontinuierlich die Temperatur des Reaktionsproduktes gemessen. Mit zunehmenden Ablagerungen an den Wärmetauscherrohren 16 verändert sich die Temperatur des Reaktionsproduktes, so dass das Über- oder Unterschreiten eines vorgegebenen Temperaturgrenzwertes zur Ausgabe eines Signals oder direkt zur automatischen Auslösung des Reinigungsvorgangs verwendet werden kann.

[0031] Damit eine Reinigung ohne Betriebsstörungen vorgenommen werden kann, wird beispielsweise jeweils nur ein Mischer-Wärmetauscher 40 a, 40 b nach vorgängigem Schliessen des entsprechenden Ventils 60 a, 60 b gereinigt.

[0032] Die Austrittsleitungen 62 a, 62 b der einzelnen Mischer-Wärmetauscher 60 a, 60 b sind zu einer zentralen Abflussleitung 64 für das Reaktionsprodukt zusammengeführt. In die zentrale Abflussleitung 64 ist ein Mischer 66 zum Ausgleich unterschiedlicher Temperaturen geschaltet . Eine Temperaturkontrolle des Reaktionsproduktes nach dem Durchlaufen des Mischers 66 erfolgt über einen weiteren Temperatursensor T.

[0033] Die im Beispiel von Fig. 4 gezeigte Einrichtung dient lediglich der Illustration und ist nicht auf zwei parallel geschaltete Mischer-Wärmetauscher 40 a, 40 b beschränkt. Je nach gewünschter Kapazität oder Häufigkeit der Reinigungsintervalle kann eine Einrichtung mit drei und mehr parallel geschalteten Mischer-Wärmetauschern angezeigt sein.

Bezugszeichenliste

[0034] 

10

Mischeinsatz

12

Mischeinsatz, 90° gedreht

14

Rohrbündel

16

Wärmetauscherrohre

17

Boden

18 A, B

Stegplatten

20

Öffnungen

22

Strömungskanal

24

Innenmantelfläche

26

Fixierstangen

28

Querstange

30

Betätigungsstange

32

Durchführung

34

Stirnwand

36

Lanzen

38

Umlenkteil

40, 40 a, b

Mischer-Wärmetauscher

42

Einlassrohrstutzen

43

erster Zwischenraum

44

zweiter Zwischenraum

46

Auslassrohrstutzen

48

Einlassrohrstutzen

50

Auslassrohrstutzen

52

Bodenplatte

53

Dichtung

54

Endplatte

56

Zuführleitung

58 a, b

Verteilerleitungen

60 a, b

Ventile

62 a, b

Austrittsleitungen

64

Abflussleitung

66

Mischer

L

Länge von 10, 12

T

Temperatursensor

a

Zwischenabstand (Stegabstand)

m

Längsachse von 10, 12

x

Längsachse von 22

Ansprüche

1. Mischer-Wärmetauscher zum Heizen und Kühlen von fliessfähigen Stoffen, mit in einem Strömungskanal (22) in einer Längsachse (x) angeordneten Wärmetauscherrohren (16) und statischen Mischelementen (18), wobei die Wärmetauscherrohre (16) die Mischelemente (18) im wesentlichen formschlüssig über Öffnungen (20) durchsetzen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmetauscherrohre (16) und die Mischelemente (18) zur Erzeugung einer schabenden Bewegung an der Oberfläche der Wärmetauscherrohre (16) relativ zueinander in der Längsachse (x) verschiebbar sind.

2. Mischer-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens je ein Wärmetauscherrohr (16) und ein Mischelement (18) umfasst.

3. Mischer-Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischelemente (18) paarweise gekreuzte Stegplatten (18 A, 18 B) sind.

4. Mischer-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischelemente (18) über eine gemeinsames Betätigungsmittel (30) in der Längsachse (x) des Strömungskanals (22) hin und her bewegbar sind.

5. Mischer-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre (16) einseitig geschlossen sind und in die Wärmetauscherrohre (16) einragende Lanzen (36) für ein Wärmetauschermedium vorgesehen sind.

6. Mischer-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der reinigenden Schabwirkung auf die Wärmetauscherrohre (16) zusätzlich gleitfähige Reinigungskörper aufgesetzt sind.

7. Mischer-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre (16) in der Längsachse (x) des Strömungskanals (22) hin und her bewegbar sind.

8. Mischer-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischelemente (18) durch Änderung der Strömungsrichtung in der Längsachse (x) des Strömungskanals (22) hin und her bewegbar sind.

9. Einrichtung zum Heizen und Kühlen von fliessfähigen Stoffen, umfassend eine Vielzahl parallel geschalteter Mischer-Wärmetauscher (40 a, 40 b) nach einem der vorangehenden Ansprüche.

Zeichnung