DE9403913U1

DE9403913U1 - Rohrbündel-Wärmetauscher

Info

Publication number: DE9403913U1
Application number: DE9403913U
Authority: DE
Original assignee: GEA Finnah GmbH
Current assignee: GEA Finnah GmbH
Priority date: 1994-03-09
Filing date: 1994-03-09
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2004-03-10

Description

Rohrbündel-Wärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen Rohrbündel-Wärmetauscher, insbesondere für Nahrungs- oder Genußmittel, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei bekannten Wärmetauschern dieser Art (EP 0 036 124) hat der Außenkanal einen über seine gesamte Länge gleichen Querschnitt. Bei einer Nutzung des Wärmetauschers mit Produktströmen in beiden Kanälen können an den Enden des Außenkanals jeweils strömungstechnische Toträume wirksam werden, in denen sich insbesondere bei hohen Wärmetauscher-Temperaturen und hohen Drücken Partikel des Produktstroms absetzen können. Dies kann die Standzeit des Wärmetauschers insbesondere bei der Behandlung von Lebensmittelprodukten nachteilig beeinflussen und häufige Säuberungen erfordern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rohrbündel-Wärmetauscher, insbesondere für Nahrungs- oder Genußmittel zu schaffen, der Toträume vermeidet und einen Einsatz über eine längere Standzeit auch bei hohen Temperaturen und Drücken ermöglicht.

Ausgehend von einem Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 löst die Erfindung diese Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Hinsichtlich wesentlicher weiterer Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 2 bis 10 verwiesen.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher verwirklicht mit den ringförmigen Erweiterungen im Bereich der Anschlußstutzen innere Strömungskammern, die eine Verwirbelung des in den Außenkanal einströmenden bzw. aus diesem ausströmenden Mediums mit der Folge ermöglichen, daß Toträume und Absetzerscheinungen weitgehend vermieden sind.

Ein derartiger Wärmetauscher kann damit vorteilhaft für eine Produkt-Gegen-Produkt-Behandlung von empfindlichen, insbesondere niedrig-viskosen Lebensmitteln wie Milch und Fruchtsäften oder mittel-viskosen Lebensmitteln wie Desserts u.dgl. eingesetzt werden und diese auch bei hohen Druckbelastungen und bei hohen Temperaturen über eine lange Produktionszeit störunanfällig verarbeiten, wobei hohe Temperaturgradienten verwirklichbar sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel des Rohrbündel-Wärmetauschers erfindungsgemäßer Ausbildung veranschaulicht. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmetauscher,

Fig. 2 einen Querschnitt des Wärmetauschers gemäß einer Linie H-Il in Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Wärmetauschers gemäß Fig. 1 im Bereich eines Flanschteiles, und

Fig. 4

bis 6 jeweils eine Ausschnittsvergrößerung des Wärmetauschers im Bereich eines Kopfteils mit einer axial verschieblichen Rohrträgerplatte.

In Fig. 1 ist ein insgesamt mit 1 bezeichneter Rohrbündel-Wärmetauscher veranschaulicht, der als Teileinheit einer Reihe von über- und/oder nebeneinander angeordneten und zu einer Batterie (nicht dargestellt) zusammengefaßten Bauteilen vorgesehen sein kann. Der Wärmetauscher 1 weist dabei einen von einem Außenmantel 2 umgebenen Außenkanal 3 auf, in dem sich achsparallel einen Innenkanal bildende Innenrohre 4 eines Rohrbündels 5 erstrecken. Die Innenrohre 4 sind dabei jeweils endseitig in einer Rohrträgerplatte 6 bzw. 7 abgestützt, in deren Bereich das jeweilige Ende des Außenkanals 3 einen radial ein- bzw. ausmündenden Anschlußstutzen 8 bzw. 9 mit je einem Querkanal 10 bzw. 11 aufweist.

Der Rohrbündel-Wärmetauscher 1 ist in erfindungsgemäßer Ausführung mit einem Außenkanal 3 versehen, dessen Außenmantel 2 im Bereich der Anschlußstutzen 8,9 jeweils mit einer koaxialen ringförmigen Erweiterung 12 bzw.

13 ausgebildet ist. Mit diesen Erweiterungen 12,13 ist für einen jeweils über den Querkanal 10 zugeführten und über den Querkanal 11 abgeleiteten Produktstrom (Pfeilrichtung 14) im Wärmetauscher 1 einerseits eine bereichsweise Querschnittsveränderung des jeweiligen Strömungskanals erreicht, und andererseits sind die Erweiterungen 12,13 so im Außenmantel 2 angeordnet, daß lediglich zu den jeweiligen Rohrträgerplatten 6,7 hin ein geringer, Toträume vermeidender Abstand A,A' belassen ist. Gleichzeitig wird der in die Anschlußstutzen 8,9 einströmende bzw. diese verlasssende Produktstrom 14 im Bereich der Erweiterungen 12,13 wechselnden Druckbedingungen bzw. Strömungsgeschwindigkeiten ausgesetzt, mit denen Absetzerscheinungen an den Rohrträgerplatten 6,7 weitgehend vermieden sind und eine Verbesserung der Wärmedurchgangswerte im Bereich der Innenrohre 4 erreicht ist.

Mit der jeweiligen Erweiterung 12 bzw. 13 des Außenkanals 3 kann dem Produktstrom 14 eine zumindest bereichsweise turbulente Strömungskomponente so vermittelt werden, daß mit geringem konstruktivem Aufwand ein Festsetzen von insbesondere viskosen Nahrungs- oder Genußmitteln an den Innenwandungsbereichen des gesamten Außenkanals 3 auch bei hohen Temperaturen und Drücken sicher vermeidbar ist und damit die Standzeiten im Produktionsdurchlauf bis zu einer Säuberung des Wärmetauschers 1 insgesamt erhöht werden können.

In vorteilhafter Ausführung des Wärmetauscher 1 sind die ringförmigen Erweiterungen 12 bzw. 13 jeweils an beiden Enden von konischen Übergangsbereichen 15,16 bzw. 15',16' begrenzt. Die jeweils in den Außenkanal 3 ein- bzw. aus diesem ausmündenden Querkanäle 10,11 sind dabei so bemessen, daß einerseits zumindest der jeweils außenseitige Übergangsbereich 15 bzw. 15' mit dem Querkanal 10 bzw. 11 eine Verschneidung 17,17' bildet (Fig. 2) und andererseits die jeweils von einem der Anschlußstutzen 8,9 umgrenzten Querkanäle 10 bzw. 11 derart verlaufen, daß diese unmittelbar an den innenseitigen Übergangsbereichen 16 bzw. 16' der ringförmigen Erweiterung 12,13 angrenzend in diese ein- bzw. aus diesen ausmünden. Die jeweiligen Übergangsbereiche 15,16 bzw. 15', 16 sind in zweckmäßiger Ausführung mit einem Konuswinkel ausgebildet, der etwa 30-45° beträgt.

Mit der Verschneidung 17,17' weist die jeweils im Übergangsbereich 15,15' einen Ringspalt bildende Erweiterung 12,13 eine auf den Produktstrom wirksame Konturveränderung (Fig. 2) auf, mit der in den zu Absetzungen neigenden Bereichen der Rohrträgerplatten 6,7 eine den laminaren Produktstrom verändernde Strömungskomponente 14" wirksam wird und mit dieser auch bei zu

Absetzerscheinungen neigenden viskosen Produkten die Fließfähigkeit im Ringspalt erhalten bleibt.

Die Schnitt- und Seitendarstellung des Rohrbündel-Wärmetauschers 1 in Fig. 2 bzw. Fig. 3 verdeutlicht, daß die ringförmigen Erweiterungen 12,13 jeweils in einem verstärkte Wandungsbereiche aufweisenden Kopfteil 18,19 des Außenmantels 2 vorgesehen sind, so daß die damit gebildete Ringspalt-Strömungskammer (Fig. 2) um das Bündel von Innenrohren 4 durch eine Änderung des Spaltmaßes S mit geringem Aufwand an unterschiedliche Strömungsbedingungen und Aufnahmevolumen des im Außenkanal 3 geförderten Produktstromes 14 anpaßbar ist. Die Kopfteile 18,19 sind dabei in zweckmäßiger Ausführung mit dem Außenmantel 2 verschweißt. Bei dem dargestellten Rohrbündel-Wärmetauscher 1 entspricht der Durchmesser des Außenkanals 3 im Bereich der Erweiterungen 12,13 etwa dem 1,05-1,2 fachen des Durchmessers des Außenkanals 3 zwischen den Erweiterungen 12,13.

In zweckmäßiger Ausbildung weist der Außenkanal 3 im Bereich zwischen den Erweiterungen 12,13 eine durchströmbare lichte Querschnittsfläche auf, die etwa dem 1,04-fachen der durchströmbaren lichten Querschnittsgesamtfläche der Innenrohre 4 entspricht.

Die geschnittene Darstellung der Kopfteile 18,19 gemäß Fig. 1 zeigt, daß der außenseitige Übergangsbereich 15,15'jeweils an eine axiale Durchgangsöffnung 20, 21 angrenzt, wobei die eine Durchgangsöffnung 20 die ihr zugeordnete Rohrträgerplatte 6 als eine axiale Führung umgreift und im Bereich des Anschlußstutzens 9 die Rohrträgerplatte 7 zwischen einer Stirnseite 23 des Kopfteils 19 und einem mit diesem verschraubten Flanschteil 24 die Durchgangsöffnung 21 verschließt.

Die vergrößerten Ausschnittsdarstellungen gemäß Fig. 4 bis Fig. 6 verdeutlichen in Zusammenschau mit Fig. 1 den Verbindungseingriff des Rohrbündels 5 bzw. der Rohrträgerplatte 6 im Bereich des Kopfteils 18. Dabei ist die axial relativ im Kopfteil 18 verschiebbare Rohrträgerplatte 6 in zweckmäßiger Ausführungsform von einer als teflonummantelter O-Ring ausgebildeten Ringdichtung 26 umgeben, die zwischen einem den Übergangsbereich 15 bildenden Bund 27 und einem Flanschteil 28 eingespannt ist, wobei dieser den Aufnahmeraum für die Ringdichtung 26 außenseitig durch eine konische Schrägfläche 29 begrenzt.

Die jeweiligen Verschiebungsstellungen des Rohrbündels 5 bzw. der Rohrträgerplatte 6 im Bereich des Kopfteils 20 sind in unterschiedlichen Phasen in Fig.

4, 5 und 6 dargestellt. Damit ist für wechselnde Temperaturbedingungen (in Fig. 4: Temperatur im Außenkanal 3 ist 30⁰C höher als im Innenkanal 4) der jeweilige Stützzustand im Bereich dieser axialen Führung innerhalb des Wärmetauschers 1 verdeutlicht, wobei auch bei großen Temperaturunterschieden (in Fig. 5: Temperatur im Innenkanal 2 ist 30⁰C höher als im Außenkanal 3) durch die Ringdichtung 26 und den Flanschteil 28 eine hinreichende Dichtigkeit des Wärmetauschers 1 dadurch erreicht ist, daß die Ringdichtung 26 mit konstanter Vorspannung ihren Aufnahmeraum ausfüllt und gegen die Mantelfläche der Rohrträgerplatte 6 gepreßt ist.

In Fig. 6 (Temperatur im Innenkanal 2 ist 68°C höher als im Außenkanal 3) ist im Bereich der Ringdichtung 26 eine Verschiebestellung veranschaulicht, die mit einer Undichtigkeit verbunden sein kann. In diesem wenig wahrscheinlichen Extremfall könnten jedoch nur Produktteile aus dem Außenkanal 3 austreten, so daß in keiner Phase eine Gefährdung des aseptischen Innenraums gegeben ist.

Im Bereich des Kopfteils 19 sind zwischen diesem und der Rohrträgerplatte 7 sowie von dieser zum Flanschteil 24 hin jeweilige Dichtringe 30,31 vorgesehen, die in zweckmäßiger Ausführung als Lippenelastomere ausgebildet sind. Die Dichtringe 30,31 sind dabei in der Einbaulage über vier Spannschrauben 32 mit einem deren Dichtigkeit gewährleistenden Axialdruck beaufschlagt.

Der Wärmetauscher 1 gemäß der Erfindung ist in vorteilhafter Ausführung im Bereich des zwischen den beiden Erweiterungen 12,13 befindlichen Außenkanals 3 so bemessen, daß das Rohrbündel 5 mit insgesamt neunzehn Innenrohren 4 (Fig. 2, Fig. 3) versehen werden kann. Dabei ist zur Anpassung des Wärmetauschers an einen optimalen Temperaturgradienten die Summe der Querschnittsfflächen der Innenrohre 4 und die Querschnittsfläche des Ringspaltraumes im Verhältnis 1:1,04 aufgeteilt, so daß damit der Rohrbündel-Wärmetauscher 1 einen Wärmedurchgang von beispielsweise bis zu 5000 W/m2K im Produkt-Gegen-Produkt-Verfahren erreichen kann und dabei Arbeitsdrücke von 50 bar im Bereich der Innenrohre 4 bzw. des Außenkanals 3 sowie Temperaturunterschiede von 100⁰C zwischen den Innenrohren 4 und dem Bereich der Erweiterungen 12,13 möglich sind.

Claims

Busse & Busse :£4.fc.entanwälte

Sdropfean Patent Attorneys

Dipl.-Ing. Dr. iur. V. Busse Dipl.-Ing. Dietrich Busse

GEA Finnah GmbH Dipl.-Ing. Egon Bünemann

~ ~~~. T I TT""^ Dipl.-Ing. Ulrich Pott

Einsteinstraße 18

48683 Ahaus n^r0/_Q ^hn^a _o ⁿ2^el^^ring \ , >. D49084 Osnabrück

Postfach 1226

D-49002 Osnabrück

Telefon:0541 -586081 Telefax:0541-588164 Telegramme: patgewar Osnabrück

08.03.94 DB/ldS/Ha

Ansprüche:

1. Rohrbündel-Wärmetauscher, insbesondere für Nahrungs- oder Genußmittel, mit einem von einem Außenmantel (2) umgebenen Außenkanal (3), mit einer Anzahl von sich achsparallel zum Außenmantel (2) durch den Außenkanal (3) erstreckenden, gemeinsam einen Innenkanal bildenden, endseitig in Rohrträgerplatten (6,7) abgestützten Innenrohren (4), und mit in den Außenkanal (3) nahe der Enden des Außenmantels (2) und der Rohrträgerplatten (6,7) radial ein- bzw. ausmündenden Anschlußstutzen (8,9) mit je einem Querkanal (10,11), dadurch gekennzeichnet, daß der Außenkanal (3) im Bereich der Anschlußstutzen (8,9) eine koaxiale ringförmige Erweiterung (12; 13) aufweist.
2. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß die ringförmige Erweiterung (12,13) an beiden Enden von konischen Übergangsbereichen (15,16; 15; 16') begrenzt ist.
3. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeder von seinem Anschlußstutzen (8,9) umgrenzte Querkanal (10,11) zumindest mit dem außenseitigen Übergangsbereich (15; 15') der ringförmigen Erweiterung (12; 13) verschneidet.
4. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß jeder Querkanal (10,11) unmittelbar an den innenseitigen Übergangsbereich (16;16') der ringförmigen Erweiterung (12;13) angrenzt.

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5. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Erweiterung (12; 13) jeweils in einem verstärkten Kopfteil (18; 19) des Außenmantels (2) ausgebildet ist.
6. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der außenseitige Übergangsbereich (15) einer ringförmigen Erweiterung (12) an eine axiale Durchgangsöffnung (20) angrenzt, die die ihr zugeordnete Rohrträgerplatte (6) zumindest bereichsweise als eine axiale Führung umgreift.
7. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet. daß die axial relativ im Kopfteil (18) verschiebliche Rohrträgerplatte (6) von einer Ringdichtung (26) umgeben ist, die zwischen einem den Übergangsbereich (15) bildenden Bund (27) und einem Flanschteil (28) eingespannt ist, der den Aufnahmeraum für die Ringdichtung (26) außenseitig durch eine konische Schrägfläche (29) begrenzt.
8. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Rohrträgerplatte (7) zwischen der Stirnseite (23) eines Kopfteils (19) und einem mit diesem verschraubbaren Flanschteil (24) eingespannt ist.
9. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel der Übergangsbereiche (15,16; 15', 16') der ringförmigen Erweiterungen (12; 13) etwa 30-45° beträgt.
10. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Außenkanals (3) im Bereich der Erweiterungen (12; 13) etwa dem 1,2 fachen des Durchmessers des Außenkanals (3) zwischen den Erweiterungen (12; 13) entspricht.
11. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenkanal (3) im Bereich zwischen den Erweiterungen (12; 13) eine durchströmbare lichte Querschnittsfläche aufweist, die etwa dem 1,04-fachen der durchströmbaren lichten Querschnittsgesamtfläche der Innenrohre (4) entspricht.