Die Erfindung betrifft einen Röhrenwärmetauscher der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Bei einem aus DE3602608 A1 bekannten, gattungsgemäßen Röhrenwärmetauscher weisen das Innen- und Außenrohr kongruente Faltenbälge auf, die im Wesentlichen zick-zack-förmige, an den Wendepunkten gerundete Faltungen enthalten, die im Querschnitt gleichartig ausgebildet sind. In den Faltungen beträgt das Verhältnis zwischen der axialen Breite und der radialen Tiefe deutlich mehr als 2. Durch die geraden Flanken und die relativ scharfen Rundungen der Wendepunkte der Faltungen entstehen Toträume, in denen sich Verunreinigungen absetzen können und die sehr schwierig zu reinigen sind, um eine hygienische Kondition in den Faltenbälgen herzustellen. Außerdem tritt die Kompensationswirkung vorwiegend in den Wendepunkten auf, die dadurch hohen lokalen Spannungen unterworfen werden.

Bei einem aus WO 204092638 A1 bekannten Kompensations-Faltenbalg für Pipelines ist das die Faltungen aufweisende Innenrohr durch ein glatt durchgehendes Außenrohr geschützt. Zwischen den Innen- und Außenrohren findet keine Produktströmung statt. In der Ausführungsform der Fig. 3, oben, sind in Zwischenräumen zwischen im Wesentlichen trapezförmigen, relativ weiten Faltungen engere, V-förmige Faltungen vorgesehen. In den relativ weiteren Faltungen ist das Verhältnis B:T deutlich größer als 2, während das Verhältnis B:T in den relativ engeren Faltungen 1 beträgt. Die relativ kleinen Krümmungsradien der trapezförmigen, relativ weiteren Faltungen erzeugen Toträume, in denen sich Verunreinigungen abzusetzen drohen und die schwierig zu reinigen sind. Die Kompensationswirkung findet vorwiegend in den Krümmungsradien zwischen den geraden Kämmen der trapezförmigen Faltungen und den geraden Flanken der relativ engen Faltungen statt, sodass dort lokal hohe Spannungen auftreten. Die geraden Flanken der relativ engeren Faltungen und die geraden Kämme und Böden der Trapezförmigen, relativ weiteren Faltungen nehmen an der Kompensation kaum teil.

Bei einem aus US3817319 A bekannten Wärmetauscherrohr sind in der Ausführungsform der Fig. 2 a, 2 b schraubengangförmige gleichartige Faltungen mit V-förmigem Querschnitt und relativ engen Krümmungen in den Wendepunkten vorgesehen. Das Verhältnis zwischen B:T liegt bei etwa 1,5.

Bei einem aus US 4186779 A bekannten Wärmetauscherrohr, das durch Walzverformen mit einem Faltenbalg ausgebildet wird, liegt das Verhältnis von B:T ziemlich genau bei 1, wobei die Kontur der Faltungen durch harmonisch ineinander übergeführte Kreisbogenabschnitte definiert ist.

Röhrenwärmetauscher z.B. zur Produkt gegen Produkt-Strömungsführung sind aus DE 600 19 635 T2 und DE 102 56 232 B4 bekannt. Die Wärmeausdehnungs-Kompensationseinrichtung ist hierbei eine Schiebeverbindung mit Dichtungen oder eine schwimmende oder Loslagerung, die thermisch bedingte Relativbewegungen zulässt, jedoch Toträume bedingt, in welchen sich das Produkt so absetzen kann, dass es trotz intensiver Reinigung nicht mehr entfernbar ist, oder die zur hygienisch einwandfreien Reinigung ein Zerlegen erfordert. Aus hygienischen Gesichtspunkten sind solche Kompensationseinrichtungen von den zuständigen Behörden nicht empfohlen, jedoch bisher als Kompromisslösung für die Produkt gegen Produkt-Strömungsführung üblich.

In Röhrenwärmetauschern in der Lebensmittelindustrie, in denen eine Strömungsführung Produkt gegen Wärmeträgermedium wie Wasser stattfindet, ist es hingegen bekannt, als Wärmeausdehnungs-Kompensationseinrichtungen wenigstens einen Faltenbalg so zu verbauen, dass ausschließlich vom Wärmeträgermedium kontaktiert wird, hingegen keinesfalls vom Produkt. Der Faltenbalg wird nach bestimmten Einsatzperioden des Röhrenwärmetauschers oder bei einem Produktwechsel nicht gereinigt, da er ohnedies nur mit dem Wärmeträgermedium in Kontakt ist. Der Faltenbalg ist bewusst mit einem Verhältnis von B : T von sehr viel kleiner als 1, gegebenenfalls mit geraden Flanken und sehr kleinen Krümmungsradien zwischen den Flanken, ausgebildet, weil dadurch die Kompensationswirkung pro Faltung stark ist und deshalb möglichst wenige Faltungen gebraucht werden. Dieser Faltenbalg ließe sich wegen des für die Kompensation günstigen Verhältnisses von B : T sehr viel kleiner als 1 nicht mehr zu einem hygienisch einwandfreien Zustand reinigen, da beim Kontakt mit einem Produkt z.B. wegen Wirbelbildungen und Totzonen unvermeidlich fest haftende Produktablagerungen auftreten würden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Röhrenwärmetauscher der eingangs genannten Art mit guter Kompensationswirkung des Faltenbalgs für eine Produkt- gegen Produkt-Strömungsführung hygienisch einwandfrei reinigbar zu gestalten.

Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Mit der bewusst vorgenommenen Abkehr vom üblicherweise für eine optimale Wärmeausdehnungs-Kompensation üblichen Verhältnis von B : T der Faltung zu einem für die Kompensation ungünstigeren Verhältnis von B : T von etwa 1 oder größer zumindest an der vom Produkt kontaktierbaren Oberfläche der Faltung ergibt sich die Möglichkeit, die vom Produkt kontaktierbare Oberfläche zu einem hygienisch einwandfreien Zustand vom Produkt zu reinigen, weil relativ moderate Richtungswechsel in den gerundeten Faltungen, relativ schwach gekrümmte Oberflächen und keine kritischen Toträume vorliegen. Das Produkt neigt somit weniger zum Anhaften, sondern wird stets zügig aus der Faltung gespült. Reinigungsmedien können Produktrückstände effizient beseitigen und werden selbst leicht ausgespült und/oder rückstandsfrei entfernt. Um die insgesamt geforderte Kompensationswirkung zu leisten, braucht nur eine entsprechende Mehranzahl an Faltungen vorgesehen zu werden, was jedoch im Hinblick auf die erzielbaren, hygienisch einwandfreien Verhältnisse für die Produkt gegen Produkt-Strömungsführung und die hermetische Dichtheit im Röhrenwärmetauscher durchaus akzeptabel ist. Durch die in Kauf genommene Verschlechterung der Kompensationswirkung jeder z.B. mit ihrer Innenseite mit dem Produkt in Kontakt tretenden, an sich zum technischen Zweck der Kompensation von Wärmeausdehnungen vorgesehenen relativ weiten Faltungen, erhält der Faltenbalg jedoch erst die hygienische Eignung zur Produkt gegen Produkt-Strömungsführung im Röhrenwärmetauscher, auch weil durch einen harmonischen Oberflächenverlauf sehr günstige Strömungsverhältnisse erzielt werden, die vor allem die Reinigungseffizienz drastisch verbessern. Es wird somit ein Röhrenwärmetauscher mit hygienischem Faltenbalg erzielt. Dabei sind mehrere axial mit Zwischenabständen aufeinanderfolgende, im Wesentlichen gleichartige Faltungen nach innen oder nach außen vorgesehen, die an der vom Produkt kontaktierbaren Oberfläche mit dem Verhältnis von B : T von etwa 1 oder größer ausgebildet sind, und sind in den Zwischenabständen Faltungen vorgesehen, die mit einem Verhältnis von B1 : T < 1 ausgebildet sind. Es können die konvex gekrümmten Oberflächen der Faltungen mit dem Verhältnis B1 : T < 1 an der vom Produkt kontaktierbaren Oberfläche des Faltenbalgs angeordnet sein, weil auch diese konvexen Oberflächenabschnitte gut zu reinigen sind. Dies ist eine hybride Ausbildung des Faltenbalgs, einerseits um die konkaven Oberflächenabschnitte der relativ weiten Faltungen mit dem Verhältnis B : T von etwa 1 oder größer gut reinigen zu können, aber eine geringere Kompensationswirkung pro Längeneinheit zu erzielen, und andererseits auch an den konvexen Oberflächenbereichen der Faltungen mit dem Verhältnis von B1 : T < 1 ausreichend gut reinigen zu können, aber dort eine stärkere Kompensationswirkung pro Längeneinheit zu erhalten. Diese Hybridform des Faltenbalgs empfiehlt sich für das Mantelrohr, wenn dieses an der Innenoberfläche vom Produkt kontaktiert wird. Hierbei ist jede Faltung in einem Achsschnitt des mit dem Faltenbalg ausgestatteten Innen- und/oder Mantelrohrs aus stufenlos ineinander übergeführten Kreisbogenabschnitten mit einem etwa der halben Tiefe und/oder Breite der jeweiligen Faltung entsprechenden Krümmungsradius gebildet.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform kann in den relativ weiten Faltungen das Verhältnis von B : T zwischen etwa 1 und bis zu 2 betragen. Je größer das Verhältnis ist, desto günstiger verhält sich die Faltung bei der Reinigung nach vorgeschriebenen Betriebsperioden oder zu einem Produktwechsel.

Bei einer anderen Ausführungsform hat der Innendurchmesser des Faltenbalgs eine Größe, die zwischen annähernd dem Innendurchmesser des den Faltenbalg aufweisenden Innen- oder Mantelrohres und diesem Innendurchmesser abzüglich der Tiefe der Faltungen liegt. Abhängig vom Einsatzfall des Faltenbalgs im Mantelrohr oder in einem Innenrohr lassen sich innerhalb dieses Faltenbalg-Innendurchmesserbereiches unerwünschte Engstellen in den jeweiligen Strömungskanälen vermeiden oder minimieren.

Bei einer Ausführungsform weist der Faltenbalg mit dem Innen- oder Mantelrohr verschweißte, im Wesentlichen kreiszylindrische Rohrendstutzen auf, die in oder über Innen- oder Mantelrohr-Abschnittsenden gesteckt sind. Die Integration des Faltenbalgs in das jeweilige Rohr ist herstellungstechnisch einfach zu beherrschen. Die Schweißstellen sind dicht und vertragen problemlos hohe Druckdifferenzen. Der Faltenbalg kann an der jeweils optimalen Position des Rohres angeordnet werden.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Faltenbalg integral in der kreiszylindrischen Wand des jeweiligen Rohres geformt, beispielsweise durch eine Walzbehandlung oder Rollbehandlung oder durch hydraulisches Umformen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit von Schweißverbindungen.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform bildet ein Mantelrohr mit mehreren Innenrohren ein Röhrenwärmetauscher-Modul. Der Faltenbalg, zumindest ein Faltenbalg, kann in etwa in der Längsmitte des Wärmetauschermoduls angeordnet sein, um seine Kompensationswirkung optimal zu entwickeln. Vorzugsweise befindet sich der Faltenbalg im Mantelrohr, derart, dass die vom Produkt kontaktierbare Oberfläche des Faltenbalgs zu den im Mantelrohr untergebrachten Innenrohren weist, die glatt sein können.

Im Hinblick auf eine effiziente Reinigung ist es wichtig, wenn die Faltung zumindest an der vom Produkt kontaktierbaren Oberfläche einen derart harmonischen Oberflächenverlauf aufweist, dass dort weitgehend turbulente Strömungsverhältnisse begünstigt werden, die alle Vertiefungen des Faltenbalges vollständig erfassen. Weitgehend turbulente Strömungsverhältnisse bieten den Vorteil, keine Zonen entstehen zu lassen, in denen sich nicht nur das Produkt abzusetzen droht, sondern in denen ein Reinigungsmedium keine effiziente Reinigungswirkung entwickeln könnte.

Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

einen schematischen Längsschnitt eines Moduls eines beispielhaften Röhrenwärmetauschers,

Fig. 2

in vergrößertem Maßstab ein Detail aus Fig. 1 mit einem Faltenbalg in einem Mantelrohr des Röhrenwärmetauscher-Moduls,

Fig. 3

einen Achsschnitt einer anderen nicht unter die Erfindung fallenden Ausführungsform, beispielsweise eines Mantelrohres oder einen Innenrohres eines Moduls,

Fig. 4

einen Achsschnitt einer weiteren nicht unter die Erfindung Fallenden Ausführungsform eines Mantel- oder Innenrohres eines Moduls, und

Fig. 5

einen Teilschnitt einer konkreteren Ausführungsform eines Moduls.

Die Fig. 1 und 5 verdeutlichen jeweils ein einzelnes Modul M eines gestrichelt angedeuteten Röhrenwärmetauschers W, wie er beispielsweise in der Abfüllindustrie für flüssige Lebensmittelprodukte (z.B. Wasser, Säfte, Milch) zu einer Produkt gegen Produkt-Strömungsführung bei der Wärmebehandlung (Erwärmen oder Abkühlen) eines Lebensmittelproduktes verwendet wird. In dem Röhrenwärmetauscher W können mehrere Module eingebaut sein, um möglichst lange Strömungswege für das Produkt zu erzielen. Das Modul M kann z.B. 3,0 m, 6,0 m lang, oder sogar länger sein.

Das Modul M weist in Fig. 1 ein Mantelrohr 1, z.B. aus rostfreiem Stahl, auf, das endseitige Befestigungsflansche 2 zur Montage im Röhrenwärmetauscher W besitzt. Im Mantelrohr 1 ist mindestens ein Innenrohr 3 vorgesehen, das sich im Wesentlichen achsparallel zum Mantelrohr 1 zwischen Befestigungsflanschen 4 erstreckt. In der Ausführungsform in Fig. 1 sind mehrere Innenrohre 3 vorgesehen, die zu einem Rohrbündel zusammengefasst sind, so dass zwischen dem Mantelrohr 1 und den Innenrohren 3 und auch in den Innenrohren 3 mindestens die Strömungskanäle 5, 6, 7 und 8 definiert werden, wobei die Kanäle 6, 7 und 8 zu einem primären Strom und der Kanal 5 zu einem sekundären Strömungskanal gehören. In diesen Strömungskanälen zirkuliert das Lebensmittelprodukt, wobei gegebenenfalls zumindest ein Strömungsweg auch für ein Wärmeträgermedium benutzt wird (in Fig. 1 z.B. der Strömungsweg 5). Um aufgrund unterschiedlicher Temperaturen in den Strömungswegen unvermeidliche Wärmeausdehnungen zwischen den Rohren 1, 3 kompensieren zu können, ist bei der Ausführungsform in Fig. 1 im Mantelrohr 1 eine Kompensationseinrichtung K integriert, die als Faltenbalg C mit mehreren Faltungen F ausgebildet ist. Es wäre durchaus möglich, über die Länge des Moduls M (z.B. 6,0 m oder mehr) mehrere Faltenbälge C vorzusehen. Der in Fig. 1 gezeigte Faltenbalg C weist innenseitig eine vom Produkt im Strömungsweg 5 kontaktierbare Oberfläche 12 auf und kompensiert durch vorwiegend axiales Arbeiten die unterschiedliche axiale Wärmeausdehnung des Mantelrohres 1 in Relation zu den axialen Wärmeausdehnungen der Innenrohre 3. In Fig. 5 sind am Mantelrohr 1 für den Anschluss z.B. der Innenrohre 3 offene Endflansche 2 und im Mantelrohr 1 seitliche Anschlüsse 2' vorgesehen.

Zusätzlich könnten auch die Innenrohre 3 mit Faltenbälgen C ausgestattet sein, oder nur die Innenrohre 3, wobei dann ein Faltenbalg C in einem Innenrohr 3 gegebenenfalls innen- und/oder außenseitig eine vom Produkt kontaktierbare Oberfläche 12 darbietet.

Fig. 2 zeigt den Faltenbalg C von Fig. 1 in größerem Maßstab. Der Faltenbalg C ist mit endseitigen, z.B. kreiszylindrischen Rohrendstutzen 10 mit dem Mantelrohr 1 verschweißt, und zwar hier in Mantelrohrabschnittsenden 1a, 1b innen eingesteckt und bei 11 verschweißt. Alternativ könnten die Rohrendstutzen 10 auch außen auf die Mantelrohr-Abschnittsenden 1a, 1b aufgesteckt und verschweißt sein. Der Faltenbalg C wird vorfabriziert und nachträglich im Mantelrohr 1 installiert.

Der Faltenbalg C in Fig. 2 zeichnet sich dadurch aus, dass er mehrere axial mit Zwischenabständen hintereinander angeordnete, um die Rohrachse X umlaufenden, relativ weite Faltungen F aufweist, die eine radiale Tiefe T und eine axiale Breite B haben und einander gleichartig sind. Das Verhältnis von B : T liegt bei etwa 1 oder ist sogar größer, bis vorzugsweise maximal etwa 2. Die vom Produkt kontaktierbare Oberfläche 12 ist hauptsächlich konkav gerundet und verläuft relativ harmonisch mit beispielsweise einem Krümmungsradius R1, der etwa die Hälfte der Tiefe T oder der Breite B betragen kann.

In den Zwischenräumen zwischen den axial beabstandeten Faltungen F sind entgegengesetzte Faltungen F1' vorgesehen, die an der vom Produkt kontaktierbaren Oberfläche 12 je einen konvexen Oberflächenabschnitt mit einem Krümmungsradius R2' haben, der kleiner ist als die Hälfte der Tiefe T oder Bereite B, und etwa der Hälfte der Breite B1 der Faltung F1' betragen kann.

Der Innendurchmesser des Faltenbalgs C ist mit d angegeben und entspricht annähernd dem Innendurchmesser D des Mantelrohres 1. Der Außendurchmesser D1 des Faltenbalgs C entspricht etwa dem Innendurchmesser d zuzüglich der zweifachen Tiefe T und zuzüglich der Materialstärke des Faltenbalgs C. Der Faltenbalg C besteht, vorzugsweise, wie auch das Mantelrohr 1, aus rostfreiem Stahl. Die Innenrohre 3 sind in Fig. 2 nicht gezeigt. Die außenliegende Oberfläche 9 des Faltenbalgs C kommt mit dem Produkt im Modul M nicht in Kontakt.

In der Ausführungsform in Fig. 3 ist der Faltenbalg C entweder in das Mantelrohr 1 oder in das jeweilige Innenrohr 3 integriert. Befindet sich der Faltenbalg C im Innenrohr 3, dann können hier die inneren und äußeren Oberflächen 12 vom Produkt kontaktiert werden. Im Faltenbalg C sind mehrere axial direkt aufeinanderfolgende, abwechselnd nach innen und außen geformte Faltungen F, F1 geformt, die gleichartig sein können, und aufeinanderfolgend konvexe und konkave Krümmungen haben, zweckmäßig mit Krümmungsradien R1, R2 entsprechend etwa der halben Tiefe T. Zweckmäßig handelt es sich um stufenlos ineinander geführte Kreisabschnitte, vorzugsweise Halbkreise. Der Innendurchmesser d1 des Faltenbalgs C entspricht etwa dem Innendurchmesser d des Mantel- oder Innenrohres 1, 3, oder dessen Außendurchmesser d, während der Außendurchmesser D1 des Faltenbalgs etwa dem Außendurchmesser D zuzüglich der zweifachen Tiefe T und der Materialstärke entspricht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel für ein Innen- oder Mantelrohr 1, 3 mit einem Außendurchmesser D von etwa 70,0 mm beträgt die Breite B jeder Faltung knapp 10,0 mm, beträgt die Tiefe T jeder Faltung ebenfalls etwa 10,0 mm, und sind über die Länge des Faltenbalgs C sechs Faltungen F und fünf Faltungen F1 vorgesehen.

Bei der Ausführungsform in Fig. 4 ist der Innendurchmesser d1 des Faltenbalgs C kleiner als der Innendurchmesser d des Mantel- oder Innenrohres 1, 3, vorzugsweise bis maximal etwa die Tiefe T kleiner, und ist der Außendurchmesser D1 des Faltenbalgs C geringfügig größer als der Außendurchmesser D bzw. fast gleich groß wie der Außendurchmesser D. Auch im Faltenbalg C in Fig. 4 sind axial direkt aufeinanderfolgend mehrere Faltungen F, F1 abwechselnd nach innen und nach außen vorgesehen, die gleichartig sein können.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 4 beträgt der Außendurchmesser D etwa 114,0 mm, beträgt die Länge des Faltenbalgs C etwa 146,0 mm, beträgt die Tiefe T etwa 12,0 mm und beträgt die Breite B etwa 11,0 mm.

In jeder Ausführungsform ist das Verhältnis B : T der Faltung F, F1 bei etwa 1,0 oder größer gewählt, vorzugsweise bis maximal etwa 2,0.

Dabei kann das Verhältnis geringfügig kleiner sein als 1, jedoch vorzugsweise stets mehr als 0,9.

Bevorzugte Ausführungsformen weisen Manteldurchmesser von bis zu 250 mm auf. Es können jedoch auch Formen mit größeren Durchmessern auftreten.