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Blockwärmeaustauscher
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Gegenstand der Erfindung ist ein Blockwärmeaustauscher aus Kohlenstoff,
der für stark aggressive Medien, z.B.
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Schwefel-, Salz- oder Phosphorsäure bestimmt ist.
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Bekannt sind Graphit-Wärmeaustauscher der Kastenbauart, die durch
Verleimen einzelner Graphitelemente, wie Platten, Leisten, Stutzen und Kragklötze,
zu einem Block ausgeführt werden, wobei ein Kitt mit guter Wärmeleitfähigkeit verwendet
wird, der an den Verbindungsstellen chemisch und thermisch gehärtet ist. Die Strömungen
des Kühlmediums und des gekühlten Mediums erfolgen durch die Oberlauföffnungen,
die sich in gewisse Entfernung von den Enden der Kammern befinden, was ein Entstehen
von toten Zonen zur Folge hat und eine wesentli(he Senkung der Wärmeleistung der
Wärmeaustauscher verurs;tcht, Außerdem macht der geschlossene und unzerlegbare Aufbau
des Wärmeaustauschers eine Reinigung der Kammern I1nmöglich. Eine Reinigung ist
aber notwendig, um die entsi.ehende Schicht von mechanischen Verunreinigungen und
liusgefallenen Kristallen der gekühlten, den Wärmeaustauschkoeffizient herabsetzenden
Lösungen von der Wärmeaustalrschfläche zu beseitigen.
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Es sind auch Graphit-Wärmeastauscher bekannt, deren Blöcke mit zylindrischen,
goradlinigen und parallelen Kanälen durch Verleimen einer Reihe von Platten, eventuell
mit Seitenleisten entstehen, und die dann einer mechanischen Bearbeitung unterzogen
werden. Kanäle für beide Medien sind im Körper des Wärmeaustauschers ausgeführt,die
mit einem System von Strömungskanälen in Stirnblöcken aus Gralan in Verbindung stehen,
die in zerlegbarer Weise unter Verwendung entsprechender Dichtungen verbunden sind.
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Ein solcher Aufbau des Wärmeaustauschers ermöglicht zwar die mechanische
Reinigung nach Entfernung der Stirnblöcke, aber Nachteile bestehen darin, daß das
zulässige Ausmaß des Austauschers klein ist und Schwierigkeiten mit einer guten
Abdichtung entstehen, was wesentlich die Ausführung von Einheiten mit größeren Wärmeaustauschflächen
erschwert.
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Darüber hinaus weisen die Wärmeaustauscher große Strömungswiderstände
auf, es bilden sich leicht Ansätze und sie sind auch schwer unter industriellen
Betriebsbedingungen zusammen- und auseinanderzubauen.
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Es sind auch Graphit-Wärmeaustauscher aus vielen Blöcken bekannt.
Diese Wärmeaustauscher bilden eine Anordnung von Graphitelementen mit zylinderischem
Querschnitt. Jedes Element weist eine Öffnung in der Zentralachse und ein System
von gebohrten vertikalen und radialen Kanälen für die wärmeaustauschenen Medien
auf.
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Die Richtung und die Aufteilung der Strömung der Medien im Block des
Austauschers ist durch entsprechende Umfangs-und Radialdichtungen bestimmt. Die
Seiten- und Stirnflächen der Graphitelemente sind mit einem Metallmantel und Abdeckungen
umhüllt, und die ganze Konstruktion ist mit Ankern verstärkt. Die Block-Mantelkonstruktion
des Wärmeaustauschers ermöglicht nicht die gewünschte Modifikation der Wärmeaustauschfläche,
um eine Anpassung an einen gewünschten Wärmeübertragungskoeffizienten zu gewährleisten.
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Die Vergrößerung der Anzahl der Graphitelemente verursacht gleichzeitig
eine ungünstige Zunahme der hydraulischen Strömungswiderstände.
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Ein anderer, aus der PL-PS 77066 bekannter Graphit-Wärmeaustauscher
der Mehrblockbauart besteht aus zylindrischen Plattenelementen, die auf einem Gestell
aufgestellt und mit einer Metallplatte und einem Schraubenanker zusammengedrückt
sind. In den Plattenelementen sind von beiden
Seiten spirale Ausschnitte
mit einem Querschnitt in Form von halbkreisförmigen Nuten ausgeführt, die im Platten
block spirale Strömungskanäle bilden. Die Zu- und Abführung der wärmeaustauschenden
Medien erfolgt durch vier vertikale Öffnungen, die Einlauf- und Auslaufsammler bilden.
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Trotz der einfachen Konstruktion weist dieser Austauscher eine Reihe
von Funktionsnachteilen auf, wie: Nichteinhaltung eines exakten Gegenstroms der
beiden wärmeaustauschenden Medien wegen ihrer Wechselrichtungsströmung, große Strömungswiderstände
und damit auch die Möglichkeit einer Verunreinigung der Kanäle durch die verhältnismäßig
scharfen Brüche bei den Ubergängen zwischen den Platten, wo eine Anderung der Strömungsrichtungen
der Medien erfolgt. Außerdem macht es die Konstruktion des Austauschers unmöglich,
maximale Wärmeaustauschflächen pro Volumeneinheit des Wärmeaustauschers zu erreichen.
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Zu den bekannten Wärmeaustauschern gehört auch ein Wärmeaustauscher,
der in der PL-PS 100 300 dargestellt ist.
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Er ist aus Kohlenstoff ausgeführt und besteht aus platten, die zu
einem Block zusammengesetzt und miteinander verleimt sind. In den Platten ind beiderseitig
spirale Nuten ausgeführt, die im Block Strömungskanäle bilden, die einen Querschnitt
in Form einer abgeflachten, regelmäßigen geometrischen Figur haben, z.B. einer Ellipse
oder eines Sechsecks mit einem solchen Verhältnis der Höhe zur Breite, daß sie einen
Typ von Spaltkanälen bilden. Einlauf- und Auslaufsammler sind im Mittelteil des
Blockes ausgeführt und im Graphit auf der Seitenfläche der jeweils folgenden Platten
profiliert.
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Dieser Wärmeaustauscher hat zwar eine kompakte Bauweise und ein hohes
Verhältnis der Wärmeaustauschfläche zum Volumen, aber es bestehen Schwierigkeiten
in der Ausführung der profilierten Kanäle und in einer dichten Verbindung der Platten.
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Der allgemeine Nachteil der bekannten Block-Wärmeaustauscher auf Kohlenstoffbasis
ist die Notwendigkeit, in hartem Kohlenstoff z.B. in Karit, sehr lange Durchgangsöffnungen
für die Strömung der Medien zu bohren, was bei unvermeidbarer Ablenkung der Bohrer
eine Vergrößerung der Entfernung zwischen den Achsen der Nachbaröffnungen erfordert,
um einem eventuellen Durchstoßen der Wände vorzubeugen. Das verursacht eine Abnahme
der Wärmeaustauschfläche pro Volumeneinheit.
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Darüber hinaus ist die Verwendung eines ungünstigen Kanalsystems notwendig
im Falle von Blöcken, die die Sammleröffnung in der Achse und zwei Arten von erbohrten
Offnungen, d.h. von axialen vertikalen Öffnungen für die Strömung des aggressiven
Mediums und von radialen Öffnungen für das inerte Medium haben, was in den Austauschern
vom Typ "Polyblock" der Fall ist. Ein solches System der Strömungskanäle verringert
die Effektivität des Prozesses des Wärmeaustauschers.
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Einen weiteren Nachteil bildet die Anwendung eines äußeren Metallmantels,
was große Schwierigkeiten im Prozeß des Wärmeaustauschers im Falle der Verwendung
von zwei aggressiven Medien schafft.
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Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Wärmeaustauschers, der
einen gleichmäßigen Wärmeaustausch im ganzen Block bei einer maximalen Ausnutzung
der Austauschfläche im Verhältnis zum Volumen des Austauschers sichert.
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Das Wesen des Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung besteht darin,
daß ein System von vertikalen und waagerechten Kanälen sowie Sammleröffnungen in
jedem mittleren Blocksegment ausgeführt wird. Die Sammleröffnungen sind entlang
dem Durchmesser oder der Symmetrieachse des Segments angeordnet. In jedem Segment
sind die Sammleröffnungen mit wenigstens zwei Reihen von waagerechten Kanälen verbunden,
wobei die Reihen in vertikalen Ebenen
angeordnet und in die Sammleröffnungen
aus zwei sich gegenüberliegenden Seiten tangential einmünden.
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Zwischen den Reihen der waagerechten Kanäle sind am günstigsten zwei
Reihen von vertikalen Kanälen ausgeführt.
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In den waagerechten und vertikalen Kanälen sind Einschnitte, vorteilhaft
in Form eines ein- oder mehrgängigen Gewindes mit großer Steigung ausgeführt.
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Den äußeren Mantel des Wärmeaustauschers bildet ein zweiteiliges,
zerlegbares Metallgehäuse, das an den unteren Kammern des Austauschers mit einer
Flanschverbindung und an der oberen Kammer mit bekannten Flansch-Schraubenankern
oder einer Schraubenverbindung befestigt ist.
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Zwischen dem Mantel des WärmeaustaXuschers und den Blocksegmenten
ist eine elastische Umhüllung angebracht, die dicht an der unteren und oberen Kammer
anliegt. Diese Umhüllung ist aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff, am besten
aus Gummi, ausgeführt.
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In einer anderen Ausführung hat der Wärmeaustauscher eine elastische
Umhüllung aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff, die den äußeren Mantel des
Austauschers bildet und dicht auf der unteren und oberen Kammer befestigt und von
außen von Ringelementen druckbeaufschlagt ist, die zwischen diesem Mantel und den
Stangenankern angeordnet sind.
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Die Ringelemente sind den Dichtungsringen gegenüberliegend angeordnet,
die sich zwischen der Umhüllung und den Blocksegmenten befinden.
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Der Wärmeaustauscher der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
er eine kompakte Bauweise und ein hohes Verhältnis der Wärmeaustauschfläche pro
Volumeneinheit bei niedrigerer Stoffverbrauchszahl pro Einheit der Wärmeaustauschfläche
aufweist.
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Das System der Durchgangsöffnungen, das eine fast gleichmäßige Dicke
der Wände gewährleistet, ermöglicht einen
gleichmäßigen Wärmeaustausch
im ganzen Block des Wärmeaustauschers, wobei tote Zonen im Material vermieden werden.
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Die zerlegbare Konstruktion des Wärmeaustauschers ermöglicht die leichte
Vergröerung der Wärmeaustauschfläche und die Anwendung einer speziellen Umhüllung
aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff, schützt wirksam alle Metallelemente des
Austauschers vor der vernichtenden Einwirkung der aggressiven Medien.
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Der Wärmeaustauscher kanr, sowohl bei niedrigem als auch großem Druck
der Medien },getrieben werden.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter
bezug allf Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 und 2 zwei versclliedene Wärmeaustauscherhälften
im Längsschnitt! Fig 3 einen Querschnit durch den Wärmeaustauscher entlang Linie
A-l von Fig. 1 und 2, Fig. 4 ein Blocksegment im Längsschnitt.
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Ein Wärmeaustauscher gemaß der Erfindung besteht aus mittleren Kohlen-Graphit-Blozksegmenten
1 und einem unteren und einem oberen Randsegnent 2,3. Die Segmente 1,2,3 sind zu
einem Block zusammengefügt, auf den Berührungsflächen mit Hilfe von Umfangsdichtungen
4 abgedichtet und in einem Gehäuse eingeschlossen, las aus einem Metallmantel 5
und einer unteren 6 und einer oberen 7 Metallkammer besteht.
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Die Randsegmente 2 bzw. 3 sind in ihrer Kammer 6 bzw. 7 mit Dichtungen
8 abgedichtet und haben eine Zulauföffnunq 2a bzw. eine Auslauföffnung 3a.
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Die obere Kammer 7 weist einen Zulaufstutzen 9 und die untere Kammer
6 einen Auslaustutzen 10 auf. Die inneren Flächen der Kammern 6 und 7 (ler Stutzen
9 und 10 sind flächig dicht mit einem antikorosiven Werkstoff, z.B. mit vulkanisiertem
Gummi bedeckt.
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Innerhalb des Metallmantels '; ist eine elastische Umhüllung 11 aus
einem antikorrosiven Werkstoff, z.B. Gummi, angeordnet, die dicht an der unteren
Kammer 6 und an der oberen Kammer 7 anliegt. Diese Umhüllung schützt den Metallmantel
5 vor der korrosiven Einwirkung eines Mediums.
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Der Mantel 5 istmit der unteren Kammer 6 durch eine Flanschverbindung
12, mit der oberen Kammer 7 dagegen über eine typische Schraub-Flanschverbindung
13 oder eine Schraubverbindung verbunden.
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Der Mantel 5 besteht aus zwei Teilen, die mit Schrauben mittels Längsleisten
14 verwunden sind.
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Zwischen der Umhüllung 11 urd den mittleren Blocksegmenten 1 sind
Dichtungsringe 1r angeordnet, welche Leitringe für die Strömung eines Mediums bilden.
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In jedem mittleren Blocksegnent 1 sind vertikale Strömungskanäle 16
und waagerechte Strömungskanäle 17 erbohrt für die wärmeaustauschenden Medien. Darüber
hinaus sind in jedem Segment 1 Sammleröffnungen 18 entlang einer Durchmesserlinie
ausgeführt.
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Die waagerechten Strömungsk<,näle 17 sind mit den vertikalen Sammleröffnungen
18 verwunden, wobei jeweils zwei sich gegenüberliegende Reizen von Strömungskanälen
17 in einer Ebene in die Samml<röffnungenl8 eingeführt sind.
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Die vertikalen Flächen der Anordnung der Strömungskanäle 17 sind so
gegeneinander verschoben, daß die Einführung dieser Strömungskanäle 17 iJI die zugehörigen
Sammleröffnungen 18 tangential erfolgt.
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Zwischen zwei Reihen waagerechter Strömungskanäle 17, die in zwei
miteinander paralleLen vertikalen Ebenen liegen, befinden sich vertikale Strtjmungskanäle
16, die wenigstens
in zwei Reihen angeordnet sind und in jeder
Nachbarreihe um die Hälfte der Teilung des Abstandes verschoben sind.
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Die Sammleröffnungen 18 sind an beiden Seiten eines Blocksegmentes
1 mit Stopfen 19 verschlossen.
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In den waagerechten und senkrechten Strömungskanälen 16,17 sind Einschnitte
in Form eines mehrgängigen Gewindes mit großer Steigung zur Erregung einer Wirbelströmung
und einer turbulenten Strömung der Medien ausgeführt.
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Auf der Seitenfläche der Blocksegmente 1 ist in der Mitte ihrer Höhe
eine Nut 20 fiir den Dichtungsring 15 eingeschnitten. Auf den Stirnlächen dieser
Segmente 1 und der Randsegmente 2 und 3 sin(l Umfangsnuten 21 ausgeführt, die Sitze
für die Dichtungen 4 bilden.
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In einer anderen Ausführung des Wärmeaustauschers (Fig. 2 und 4) sind
die Block- ulld Randsegmente 1,2 und 3 mit Hilfe von Stangen-Schraubankern 22 zusammengedrückt,
die mit den auf der unteren 6 und der oberen Kammer 7 befestigten Flanschen zusammenwirken.
Da; Gehäuse der Segmentblöcke 1 bildet die elastische UmhülLung 11, die aufgeschoben
ist und abgedichtet an der unteren 6 und der oberen Kammer 7 anliegt und an die
Dichtungsringe 15 mittels zwischen der Umhüllung 11 und den Ankern 22 angeordneten
Ringelementen 23 angedrückt wird.
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Der Wärmeaustauscher gemaß der dargestellten Ausführungsbeispiele
ist ein einläufiger Austauscher (mit einem Strom), aber durch entsprechende Absonderung
von Gruppen senkrechter Durchgangsöffnungen 16 mit Hilfe von Abdichtungen zwischen
den einzelnen Blocksegmenten 1 kann man zwei-, drei-, vier- und mehrläufige Austauscher
je nach Bedarf erhalten.
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Die Blocksegmente eines Austauschers können die Form von Walzen oder
von Prismen aufweisen.
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Ein Medium wird dem Austauscher durch die Einlauföffnung 2a im Randsegment
2 zugeführt, strömt durch die senkrechten Strömungskanäle 16 durch die einzelnen
Mittelsegmente 1 und fließt durch die Auslauföffnung 3a aus.
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Gleichzeitig wird ein zweites Medium durch den Stutzen 9 in die Kammer
7 zugeführt, strömt durch den Raum zwischen der Umhüllung 11 und den Segmenten 1
hindurch und fließt dann der Reihe nach durch die waagerechten Strömungskanäle 17
oberhalb des Dichtungsringes 15 des Mittelsegments 1 aus denen es tangential in
die entsprechenden Sammleröffnungen 18 von beiden Seiten eintritt. Von dort strömt
es über die weiteren unterhalb des Dichtungsringes 15 angeordneten waagerechten
Strömungskanäle 17 zum Rand und dann durch die weiteren aufeinanderfolgenden Segmente
1 und die dazugehörigen Sammleröffnungen 18, um schließlich durch die untere Kammer
6 und den Ablaufstutzen 10 aus dem Austauscher abzufließen.
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Durch den tangentialen Einlauf des Mediums in die Sammleröffnungen
18 und die Einschnitte in den vertikalen 16 und den waagerechten Strömungskanälen
17 erreicht man eine Verwirbelung des Stromes und eine Turbulenz, die in hohem Maße
den Prozeß des Wärmeaustausches intensivieren.
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Der Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung in der Grundausführung ist
ein mehrblockiger Wärmeaustauscher, der durch seine zerlegbare Konstruktion eine
änderung der Größe der Wärmeaustauschfläche durch die entsprechende Wahl der Anzahl
der Blockelemente ermoglicht. Der Austauscher kann auch einblockig unter Verwendung
eines Mittelsegments als Mittelblock, das mit den Randsegmenten verbunden ist, eingesetzt
werden.
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Der Wärmeaustauscher ist sowohl in der einblockigen als zuch mehrblockigen
Ausführung zur Verwendung in technologischen Linien, in denen heiße Säure anfällt,
als Säurekühler geeignet.