Die Erfindung betrifft einen Röhrenwärmetauscher der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Innen- und/oder Mantelrohr eines solchen Röhrenwärmetauschers.

Aus DE 102 56 232 B4 ist ein Röhrenwärmetauscher, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, zum UHT-Behandeln von Milch und Milchprodukten zur Entkeimung bekannt. Das Mantelrohr ist ein glattes Rohr. Die Innenrohre sind Kreuzdrallrohre, in denen sich die mehrgängigen zueinander gegensinnigen Drallungen unter Anstellwinkeln zwischen 25° und 35° längs zur Rohrachse kreuzen, das heißt mit Drallwinkeln zwischen 65° und 55°. Dieser Winkelbereich ist speziell auf Milch und Milchprodukte abgestimmt, die sehr stark zur Ansatzbildung an der kontaktierten Oberfläche neigen. Deshalb sind die Drallungen zusätzlich elektrochemisch poliert. Die Kombination der beiden Maßnahmen resultiert in einer optimalen Hemmung der Ansatzbildung von Milch und Milchprodukten und somit in langer Standzeit des Röhrenwärmetauschers bis zu einem erforderlichen Reinigungszyklus. Es werden Drallwinkel auch von 45° erwähnt, die hinsichtlich der Wärmeübertragung als optimal anzusehen sind, die jedoch bei Milch und Milchprodukten zu einer unzulässig starken Ansatzbildung führen. Anstellwinkel zwischen 25° und 35° und die zusätzliche Oberflächenbehandlung sind demzufolge für Milch und Milchprodukte hinsichtlich der Hemmung der produktspezifischen Ansatzbildung ein Optimum, bedingen jedoch wie auch die gängigen Drallwinkel von 45° zur Rohrachse ein ungünstiges Verhältnis zwischen der erzielten Steigerung des Wärmeübergangs und einer exzessiven Steigerung des Druckverlustes in der Strömung.

Aus DE 600 19 635 T2 ist ein Röhrenwärmetauscher zur Behandlung von Säften mit Fasern und/oder Teilchen bekannt, bei dem einfach gedrallte Innen- und/oder Außenrohre verwendet werden. Im Innenrohr ist der Drallwinkel mit etwa 45° dargestellt, während der Drallwinkel im Mantelrohr mit etwa 75°, jeweils bezogen auf die Rohrachse, gezeigt ist. Bei diesem Röhrenwärmetauscher ist es nachteilig, dass zugunsten gesteigerter Wärmeübertragung sehr starker Druckverlust bei gleichbleibender Anströmfläche in Kauf zu nehmen ist und die Grenzschicht der Strömung an den mit dem gleichen Drallwinkel zur Rohrachse verlaufenden Drallungen zu starker Rotation angeregt wird. Dies bedingt sehr hohen, gegebenenfalls für das Produkt nachteiligen, Förderdruck für die Behandlung des Produkts im Röhrenwärmetauscher.

Weiterer Stand der Technik ist enthalten in: CN 101 101 185 A, US 2004/244958 A1, CN 26 30 783 Y, US 5 992 51 A.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Röhrenwärmetauscher der eingangs genannten Art sowie eine Verwendung eines solchen Röhrenwärmetauschers anzugeben, die bei der Bearbeitung von Säften oder saftartigen Lebensmittelprodukten mit mittlerer bis hoher Viskosität trotz nur moderaten Förderdrucks optimal kurze Verweilzeiten und kleine Wärmetauscherflächen ermöglichen.

Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 9 gelöst.

Dank der Verwendung zumindest eines Kreuzdrallrohres in dem Röhrenwärmetauscher für das Innenrohr wird wegen der sich kreuzenden Drallungen eine erhebliche Steigerung der Wärmeübertragung erzielt. Jedoch wird die erzielbare Steigerung der Wärmeübertragung mit der mit der Kreuzdrallung einhergehenden Steigerung des Druckverlustes bei der Durchströmung durch Beschränken des Anstellwinkels auf 72° bis 67° zur Rohrachse und dem sich daraus ergebenden Drallwinkel von 18° bis 23°, also auf einen relativ spitzen Drallwinkel, in ein optimales Verhältnis gebracht, das trotz nur moderaten Förderdrucks in einer verkleinerten Wärmetauscherfläche resultiert. In anderen Worten benötigt der Röhrenwärmetauscher aufgrund der Verwendung von solchen Kreuzdrallrohren eine relativ kleine Wärmetauscherfläche und damit eine kurze Förderstrecke. Die Neigung zur Produktansatzbildung ist bei Säften und saftähnlichen Lebensmittelprodukten von sekundärer Bedeutung, da es bei der Verwendung von Kreuzdrallrohren mit den angegebenen flachen Drallwinkeln primär darauf ankommt, dass Pulpe, Fasern oder Teilchen als Bestandteile der Säfte oder saftartigen Lebensmittelprodukte eben wegen der flachen Drallwinkel nicht zum Verhängen und Sammeln tendieren, sondern zügig weitergespült werden. Ferner wird so eine Reinigung bis zu einem hygienisch einwandfreien Zustand möglich.

Der Röhrenwärmetauscher ist besonders gut geeignet zur thermischen Behandlung von Säften oder saftartigen Lebensmittelprodukten mit Viskositäten > etwa 5 mPas, wobei im Produkt Pulpe, Fasern oder Teilchen enthalten sein können.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weist jede Drallung im Achsschnitt des Rohres eine muldenartige Vertiefung mit beiderseitigen, im Querschnitt annähernd keilförmigen Rippen auf, zwischen denen in der Vertiefung eine Dralltiefe zwischen etwa 0,8 mm bis 1,2 mm vorliegt. Das Zusammenspiel zwischen den relativ flachen Drallwinkeln und der moderaten Dralltiefe resultiert selbst bei moderatem Förderdruck in einem für Säfte und saftartige Lebensmittelprodukte mittlerer bis hoher Viskositäten optimalen Verhältnis zwischen der Steigerung des Wärmeübergangs und der entstehenden Steigerung des Druckverlustes. Die Vertiefungen und die Rippen sind an der vom Produkt kontaktierbaren Oberfläche angeordnet.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die in Richtung der Rohrachse gesehene Breite in der Vertiefung ein Vielfaches der Dralltiefe. Sie sollte zwischen etwa 5,0 und 20,0 mm liegen. Die Vertiefungen sind relativ weite Mulden, an deren begrenzenden Rippen Bestandteile des Produkts zügig weitergespült werden, und die auch eine hygienisch einwandfreie Reinigung, z.B. für einen Produktwechsel, ermöglichen. Um den Effekt der Kreuzdrallung optimal nutzen zu können, bedecken beide mehrgängigen Drallungen die Rohroberfläche vollflächig.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform bildet das Mantelrohr mit mehreren Kreuzdrall-Innenrohren einen Modul des Röhrenwärmetauschers. Dieser Modul kann sich über 3,0, 6,0 m oder mehr erstrecken und wird, zweckmäßig, zur Behandlung des Produktes im Röhrenwärmetauscher mit mehreren Modulen in Reihe kombiniert. Im Strömungskanal zwischen dem Mantelrohr und den Innenrohren wird beispielsweise ein Wärmeträgermedium verwendet.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist das jeweilige Kreuzdrall-Innenrohr die Vertiefungen der Drallungen auf der Außenseite oder der Innenseite auf, beispielsweise abhängig davon, entlang welcher Rohroberfläche das Produkt strömt.

Zur Behandlung des jeweiligen Produktes bieten sich zwei unterschiedliche Verfahren an, entweder ein rekuperatives Verfahren, bei welchem Produkt gegen Produkt getrennt durch das jeweilige Kreuzdrallrohr, z.B. im Gegenstrom, verarbeitet wird, oder ein Verfahren mit einem Wärmeträgermedium gegen das Produkt getrennt durch das jeweilige Kreuzdrallrohr, wobei dann, vorzugsweise, die Vertiefungen der beiden Drallungen des Kreuzdrallrohres dem Produkt zugewandt sind.

Die verwendeten Kreuzdrallrohre sind zweckmäßig Edelstahlrohre, bei denen die beiden Drallungen an den inneren und äußeren Rohroberflächen in den Strömungen wirksam sind.

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

Fig. 1

einen Röhrenwärmetauscher zur thermischen Behandlung von Säften oder saftartigen Lebensmittelprodukten am Beispiel eines Moduls mit einem Kreuzdrallrohr als Mantelrohr,

Fig. 2

eine andere Ausführungsform eines Moduls mit zumindest einem Innenrohr als Kreuzdrallrohr in einem beispielsweise glatten Mantelrohr,

Fig. 3

eine weitere Ausführungsform eines Moduls, in welchem das Mantelrohr und jedes Innenrohr als Kreuzdrallrohr ausgebildet sind,

Fig. 4

einen Detailschnitt der Rohrwandung eines Kreuzdrallrohres mit zum Rohrinneren weisenden Vertiefungen der beiden Drallungen, und

Fig. 5

einen Querschnitt der Rohrwandung eines Kreuzdrallrohres mit an der Rohraußenseite liegenden Vertiefungen der beiden Drallungen.

Ein in Fig. 1 gezeigter Modul M eines Röhrenwärmetauschers W zur thermischen Behandlung von Säften oder saftartigen Lebensmittelprodukten mit mittleren bis hohen Viskositäten, beispielsweise einer Viskosität von mehr als etwa 5 mPas, besteht aus einem Mantelrohr 1 und zumindest einem im Inneren des Mantelrohres 1 im Abstand von der Innenwand des Mantelrohres 1 untergebrachten, in etwa koaxialen Innenrohr 2. Der Modul M ist in dem Röhrenwärmetauscher W beispielsweise mit nicht gezeigten weiteren, gleichartigen oder ähnlichen Modulen kombiniert, um eine Behandlungsstrecke einer bestimmten Förderlänge zu bilden. Das Produkt wird entweder nach einem rekuperativen Verfahren behandelt, d.h. Produkt gegen Produkt getrennt durch z.B. das Innenrohr 2, oder nach einem Verfahren, bei dem ein Wärmeträgermedium (Dampf oder Wasser) verwendet wird, wobei das Wärmeträgermedium gegen das Produkt getrennt ist durch beispielsweise das jeweilige Innenrohr 2. Das jeweilige Verfahren wird, vorzugsweise, im Gegenstrom oder im Gleichstrom betrieben.

Das Mantelrohr 1 in Fig. 1 ist als Kreuzdrallrohr mit einander im Wesentlichen symmetrisch zur Rohrachse X kreuzenden, mehrgängigen Drallungen D1, D2 ausgebildet, wobei der Drallwinkel α zur Rohrachse X zwischen 18° bis 23°und der Anstellwinkel β 67° und 72° zur Rohrachse betragen. Das Kreuzdrallrohr ist beispielsweise ähnlich dem in Fig. 4 gezeigten mit zum Rohrinneren weisenden Vertiefungen 3 ausgebildet. In Fig. 1 ist das jeweilige Innenrohr 2 ebenfalls ein Kreuzdrallrohr mit im Wesentlichen einander symmetrisch zur Rohrachse X kreuzenden mehrgängigen Drallungen und Drallwinkeln α zwischen 18° und 23°.

In der Ausführungsform in Fig. 2 des Moduls M ist das Mantelrohr 1 ein glattes Rohr. Hingegen ist jedes im Mantelrohr 1 enthaltene Innenrohr 2 ein Kreuzdrallrohr mit einander im Wesentlichen symmetrisch zur Rohrachse X kreuzenden, mehrgängigen Drallungen D1, D2 und Drallwinkeln a1 zwischen 18° und 23° zur Rohrachse X. Die Drallungen D1, D2 sind mehrgängig, damit trotz des relativ steilen Anstellwinkels (Drallwinkel a1 zwischen 18° und 23°) die gesamte Rohroberfläche dem Produkt vor allem den Wärmeübergang intensivierende Makrostrukturen anbietet, und zwischen der Steigerung des Wärmeübergangs und dem durch die Drallungen bedingten Druckverlust ein Optimum erzielt wird.

In der Ausführungsform in Fig. 3 des Moduls M werden für das Mantelrohr 1 und jedes Innenrohr 2 Kreuzdrallrohre mit einander im Wesentlichen symmetrisch zur Rohrachse X kreuzenden, mehrgängigen Drallungen D1, D2 verwendet, wobei auch hier die Drallwinkel α, α1 zwischen 18° und 23° zur Rohrachse X betragen.

Fig. 4 verdeutlicht die durch die sich kreuzenden Drallungen D1, D2 des jeweiligen Kreuzdrallrohres als das Innenrohr 2 gebildeten Makrostrukturen, die an der Innenseite und der Außenseite des Rohres vorliegen. In Fig. 4 liegen der Rohrachse X zugewandt in Achsrichtung aufeinanderfolgend muldenartige Vertiefungen 3 vor, die jeweils von im Wesentlichen keilförmigen Rippen 5 begrenzt sind und eine Dralltiefe T zwischen 0,8 mm und 1,2 mm haben. Die Breite B jeder Vertiefung 3 beträgt ein Vielfaches der Dralltiefe T, vorzugsweise zwischen 5,0 mm und 20,0 mm. An der Rohraußenseite ist entsprechend der Vertiefung 3 eine gerundete Kuppe 4 vorgesehen, die in axialer Richtung durch annähernd V-förmige Nuten 6 begrenzt wird. Bei einer nicht gezeigten Alternative könnten die Rippen 5 und die Nuten 6 gerundet sein, beispielsweise im Hinblick auf eine gute Reinigbarkeit des Rohres. Die Rippen 5 bzw. die Nuten 6 verlaufen wie auch die Vertiefungen 3 und die Kuppen 4 unter dem Drallwinkel α, α1 schraubengangartig und periodisch einander kreuzend über die gesamte innere bzw. äußere Rohroberfläche.

In der Ausführungsform in Fig. 5 ist ein Kreuzdrallrohr als Mantel- oder Innenrohr 1, 2 angedeutet, bei dem die Vertiefungen 3 an der Rohraußenseite (d.h. der Rohrachse X abgewandt) vorliegen. Hierbei weisen die gerundeten Kuppen 4 und die Nuten 6 zur Rohrachse X. Die Dralltiefe T beträgt zwischen 0,8 mm und 1,2 mm. Die Drallwinkel α, α1 liegen zwischen 18° und 23° zur Rohrachse X. Das in Fig. 5 gezeigte Kreuzdrallrohr wird zweckmäßig als Innenrohr 2 verwendet, falls beispielsweise das Produkt zwischen dem Mantelrohr 1 und der Außenseite des Innenrohres 2 strömt. Wird mit einem Wärmeträgermedium gearbeitet, das im Strömungskanal zwischen dem Mantelrohr 1 und jedem Innenrohr 2 strömt, ist zweckmäßig das Kreuzdrallrohr als Innenrohr 2 analog zu Fig. 4 ausgebildet.

Aus der Verwendung der Kreuzdrallrohre mit einem Anstellwinkel β, β1 von 67° bis 72° und einer Dralltiefe T zwischen 0,8 mm und 1,2 mm bei einer Drallbreite B zwischen etwa 5,0 mm und 20,0 mm resultiert für mittel- oder höherviskose Säfte oder saftartige Lebensmittelprodukte, die Pulpe, Fasern oder Teilchen enthalten können, ein optimales Verhältnis zwischen der durch die Kreuzdralltechnik erzielbaren Steigerung der Wärmeübertragung oder dem Wärmeübertragungskoeffizienten und der in Kauf zu nehmenden Steigerung des Druckverlustes bei der Durchströmung, derart, dass das jeweils angewandte Verfahren (rekuperativ oder mit Wärmeträgermedium) bei nur moderatem Förderdruck eine relativ kleine Wärmetauscherfläche bei dann kurzen Verweilzeiten im Röhrenwärmetauscher erfordert bzw. der Röhrenwärmetauscher W mit einer relativ kurzen Förderstrecke auskommt.