DE2744002C2 - Spiral heat exchanger - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spiralwärmeaustauscher für stückige Anteile enthaltende Suspensionen, der aus einem an seiner Oberseite und an seinerThe present invention relates to a spiral heat exchanger for lumpy fractions containing suspensions, the one at its top and on its Unterseite mit je einem Deckel verschlossenen Spiralkörper besteht, in welchem mit Abstand voneinander aufgewickelte Bleche unter Ausbildung einer Wickelspirale mit rechteckigem Querschnitt aufweisenden Kanälen angeordnet sind, wobei die in ihremThe underside consists of a spiral body which is closed with a cover and in which sheets are wound at a distance from one another to form a Spiral winding with a rectangular cross-section having channels are arranged, the in their Strömungsbereich von Abstandshaltern freien Kanäle abwechselnd an ihrem oberen und unteren Ende offen sind und wobei der obere Deckel von einem Eintrittsrohr für das erste Fluid und der untere Deckel von einem Austrittsrohr für das zweite Fluid durchdrunFlow area of spacers-free channels alternately open at their upper and lower ends and wherein the upper cover is from an inlet tube for the first fluid and the lower cover penetrated by an outlet pipe for the second fluid gen sind, während ein Austrittsstutzen für das erste Fluid und ein Eintrittsstutzen für das zweite Fluid von kreisrundem Querschnitt durch je einen konischen Obergang in die KanäJe von rechteckigem Querschnitt sowie tangential in den Spiralkörper einmünden sowiegen are, while an outlet nozzle for the first Fluid and an inlet connection for the second fluid of circular cross-section through a conical one Transition into the channels of rectangular cross-section and tangentially open into the spiral body as well ein Verfahren zu seinem Betreiben.a procedure for its operation.
Es sind Spiralwärmeaustauscher bekannt die aus einem im wesentlichen zylindrischen Spiralkörper bestehen, in welchem sich eine archimedische Spirale aus Blech befindet Die archimedische Spirale wurdeSpiral heat exchangers are known which consist of a substantially cylindrical spiral body consist, in which there is an Archimedean spiral made of sheet metal. The Archimedean spiral was durch Aufwickeln von zwei gleich breiten Blechbändern mit gleichmäßigem Abstand um einen mit Anschlußstutzen versehenen Mittelkörper gehalten, wobei der gleichmäßige Abstand durch Anschweißen von Abstandshaltern auf die Blechbänder erreicht wird. An denheld by winding two equally wide sheet metal strips evenly spaced around a central body provided with a connecting piece, the uniform spacing is achieved by welding spacers onto the sheet metal strips. To the Enden der beiden Blechbänder sind Erweiterungen und daran Zu- und Ableitungsstutzen angebracht. Häufig ist jeder der sich zwischen den Blechbändern ausbildende Kanal einseitig zugeschweißt Die Ober- und die Unterseite des Spiralkörpers ist durch je einen DeckelAt the ends of the two sheet metal strips, extensions and inlet and outlet nozzles are attached. Often is each of the channel forming between the sheet metal strips is welded shut on one side The underside of the spiral body is covered by a cover verschlossen, wobei die Deckel zur Gewichtsersparnis mit Rippen versteift sein können. Der Spiralkörper ist in mittlerer Höhe von zwei Stutzen und jeder Deckel mittig von einem Stutzen zur Zu- und Abfuhr der beiden Fluide durchdrungen (vergl. VDI-Wärmeatlas, 2. Auflaclosed, with the lid to save weight can be stiffened with ribs. The spiral body is in the middle of two nozzles and each cover penetrated in the middle by a connection for the supply and discharge of the two fluids (cf. VDI-Wärmeatlas, 2nd edition ge, 1974, Seite Pb 8).ge, 1974, page Pb 8).
Schließlich ist aus der FR-OS 23 22 347 ein Spiralwärmeaustauscher bekannt welcher aus einem beidseitig mit Deckeln verschlossenen zentralen Spiralkörper besteht in welchem eine durch Aufwickeln von BlechenFinally, from FR-OS 23 22 347 a spiral heat exchanger is known which consists of one on both sides The central spiral body, closed with lids, consists of one by winding up sheet metal mit Abstand voneinander erhaltene Wickelspirale mit Kanälen von rechteckigem Querschnitt angeordnet ist. Die Kanäle weisen in ihrem Strömungsbereich keine Abstandshalter auf und sind abwechselnd an ihrem einen und anderen Ende offen. Beide Deckel deswith spaced-apart spiral wound is arranged with channels of rectangular cross-section. The channels have no spacers in their flow area and are alternately at their one end and the other open. Both lids of the Spiralkörpers sind mittig von einem Rohr durchdrungen, während in den Spiralkörper gegeneinander versetzt tangential zwei Rohre einmünden, welche mit den entsprechenden Kanälen strömungsmäßig verbunden sind. Die Achse der Wickelspirale verläuft parallelSpiral bodies are penetrated in the middle by a tube, while in the spiral body against each other offset tangentially open two pipes, which are fluidly connected to the corresponding channels. The axis of the spiral is parallel zum Flur.to the hallway.
Nachteilig ist bei den bekannten Spiralwärmeaustauschern, daß bei ihrem diskontinuierlichen Betreiben mit Suspensionen beim Abstellen durch Enthomogenisie-The disadvantage of the known spiral heat exchangers is that with their discontinuous operation with Suspensions when putting down by de-homogenization
rung der Suspension im unteren Bereich, der Spiralwftrmeaustauscher Ablagerungen auftreten, welche die Widerinbetriebnahme der Spiralwärmeaustauscher behindern. Weiterhin werden beim Betreiben der zuerst genannten Spiralwärmeaustauscher mit Feststoffbrok- s ken enthaltenden Suspensionen durch die Abstandshalter an den Blechbändern häufig Verstopfungen verursacht tion of the suspension in the lower area, the spiral heat exchanger Deposits occur, which hinder the restart of the spiral heat exchanger. Furthermore, when operating the first-mentioned spiral heat exchangers with solid lumps ken containing suspensions often caused blockages by the spacers on the sheet metal belts
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spiralwärmeaustauscher für stückige Anteile ι ο enthaltende suspensionen sowie ein Verfahren zu seinem Betreiben anzugeben, womit es möglich ist, Ablagerungen im bzw. Verstopfungen des Spiralwärmeaustauschers sicher zu verhindern. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die die Wickelspirale bildenden Bleche senkrecht zum Flur angeordnet sind; daß der Querschnitt der Kanäle ein Verhältnis von Höhe zu Breite zwischen 15 :1 und 7 :1 aufweist; daß der Austrittsstutzen für das erste Fluid und der Eintrittsstutzen für das zweite Fluid mit je einem konischen Übergang in die Kanäle in den Spiralkörper an seiner tiefsten Stelle einmünden-, daß der zentrale Raum innerhalb des Spiralkörpers zwischen dem Eintrittsrohr für das erste Fluid durch ein ebenes, flüssigkeitsdicht eingesetztes und schräg angeordnetes Trennblech geteilt wird; und daß die Mantellinien des konischen Oberganges vom kreisrunden zum rechteckigen Querschnitt mit den Parallelen der Achsen des Eintrittsstutzens für das zweite Fluid bzw. des Austrittsstutzens für das erste Fluid einen Winkel von 0 bis 20° einschließen.It is therefore the object of the present invention to provide a spiral heat exchanger for lumpy fractions ι ο to specify the suspensions it contains, as well as a procedure for its operation, with which it is possible, Safely prevent deposits in or blockages in the spiral heat exchanger. That is according to the invention achieved in that the metal sheets forming the spiral winding are arranged perpendicular to the hallway; that the cross-section of the channels has a height to width ratio between 15: 1 and 7: 1; that the outlet nozzle for the first fluid and the inlet nozzle for the second fluid each with one conical transition into the channels in the spiral body open at its deepest point - that the central Space within the spiral body between the inlet tube for the first fluid through a flat, The partition plate inserted in a liquid-tight manner and arranged at an angle is divided; and that the surface lines of the conical transition from circular to rectangular cross-section with the parallels of the axes of the The inlet nozzle for the second fluid or the outlet nozzle for the first fluid has an angle of 0 Include up to 20 °.
Der Spiralwärmeaustauscher gemäß der Erfindung kann auch noch dadurch weitergebildet sein, daß das Verhältnis der Höhe der Bleche zum Durchmesser des Spiralkörpers (0,05 bis 0,5): 1, vorzugsweise (0,08 bis » 0,2) .1, beträgtThe spiral heat exchanger according to the invention can also be further developed in that the Ratio of the height of the sheets to the diameter of the spiral body (0.05 to 0.5): 1, preferably (0.08 to » 0.2) .1
Ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Spiralwärmeaustauschers kann dadurch gekennzeichnet sein, daß als erstes Fluid eine Suspension mit einem Feststoffgehalt von 1 bis 60Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 35 Gew -%, mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 bis 4 m/s, vorzugsweise von 0,5 bis 2 m/s, mit Temperaturen von 15 bis 1500C und Drücken von 0,5 bis 10 bar durch den Wärmeaustauscher strömt, während im Gegenstrom als zweites Fluid eine Suspension ·»> gleicher Zusammensetzung sowie mit gleicher Strömungsgeschwindigkeit und gleichen Druck wie das erste Fluid mit Temperaturen von 5 bis 900C als Kühlmittel durch den Wärmeaustauscher geführt wird.A method for operating the spiral heat exchanger according to the invention can be characterized in that the first fluid is a suspension with a solids content of 1 to 60% by weight, preferably 15 to 35% by weight, at a flow rate of 0.1 to 4 m / s, preferably from 0.5 to 2 m / s, with temperatures from 15 to 150 0 C and pressures from 0.5 to 10 bar flows through the heat exchanger, while in countercurrent as the second fluid a suspension with the same composition and with the same flow rate and the same pressure as the first fluid with temperatures of 5 to 90 ° C. is passed as a coolant through the heat exchanger.
Das Verfahren kann wahlweise auch noch dadurch 3d ausgestaltet sein, daßThe method can optionally also be 3d be designed that
a) die Surpension eine Dispersion eines Polymeren ist;a) the suspension is a dispersion of a polymer;
b) das Polymere Polyvinylchlorid ist;b) the polymer is polyvinyl chloride;
c) das Polymere ein Copolymerisat ist; 5>c) the polymer is a copolymer; 5>
d) das Copolymerisat aus Vinylchlorid und Vinylacetat gebildet ist;d) the copolymer is formed from vinyl chloride and vinyl acetate;
e) die Suspension eine wäßrige Dispersion ist;e) the suspension is an aqueous dispersion;
f) die Suspension eine Dispersion mit einer organischen Flüssigkeit ist;f) the suspension is a dispersion with an organic liquid;
g) als Flüssigkeit Hexan dient.g) hexane is used as the liquid.
Obwohl die Kanäle beim erfindungsgemäßen Spiralwärmeaustauscher in ihrem Strömungsbereich frei von Abstandshaltern sind, weisen die die Kanäle bildenden Bleche einen gleichmäßigen Abstand voneinander auf, weil die Höhe dieser Bleche klein gehalten ist und die notwendige AustauschfliVhe durch entsprechende Vergrößerung des Durchmessers des Spirahvärnieaustauschers erreicht wird.Although the channels in the spiral heat exchanger according to the invention are free of in their flow area Are spacers, the sheets forming the channels are evenly spaced from one another, because the height of these sheets is kept small and the necessary exchange fliVhe through corresponding enlargement the diameter of the spiral coil exchanger is achieved.
Durch die vertikale Anordnung der Kanäle beim SpiralwäiTneaustauscher gemäß der Erfindung und durch die im unteren Bereich des Spiralkörpers befindlichen Stutzen ist gewährleistet, daß »lie Kanäle beim Abstellen des Apparates leerlaufen, wodurch Feststoffablagerungen durch Enthomogenisierung der Suspension nicht eintreten können. Dabei wird das Leerlaufen zusätzlich durch den konischen Verlauf des Übergangsbereiches zwischen den Stutzen und den Kanälen begünstigtDue to the vertical arrangement of the channels in the spiral heat exchanger according to the invention and the nozzles located in the lower area of the spiral body ensure that there are channels run empty when turning off the apparatus, causing solid deposits by dehomogenization of the Suspension cannot occur. The idling is also ensured by the conical shape of the Transition area between the nozzle and the channels favored
Die von dem inneren Blech, dem Trennblech und dem Eintrittsrohr für das erste Fluid bzw. dem Austrittsrohr für das zweite Fluid gebildeten Räume sind sehr klein. Durch die an dieser Stelle dadurch bedingte große Mengenbeaufschlagung erfolgt eine intensive Durchwirbelung der Suspension, welche einer Feststoffablagerung entgegenwirktThose of the inner plate, the partition plate and the inlet pipe for the first fluid or the outlet pipe spaces formed for the second fluid are very small. Due to the large size that this causes at this point When the volume is applied, the suspension is intensely swirled through, resulting in a solid deposit counteracts
An keiner Stelle des Strömungsweges im erfindungsgemäßen Spiralwärmeaustauscher ir*iß sich die Suspension entgegen der wirkenden Schwerkraft fortbewegen. Vielmehr bewegt sich die Suspension stets in horizontaler Richtung oder sie hat eine Komponente in Richtung der wirkenden SchwerkraftAt no point in the flow path in the spiral heat exchanger according to the invention does the suspension interfere move against the force of gravity. Rather, the suspension always moves horizontally Direction or it has a component in the direction of the acting gravity
Man kann den Spiralwärmeaustauscher gemäß der Erfindung als Gegenstromwärmeaustauscher zur Wärmerückgewinnung einsetzen, indem man in seinen benachbarten Kanälen Dispersionen strömen läßt Setzt man beispielsweise diesen Spiralwärmeaustauscher in der aus der DE-OS 25 21 780 bekannten Anlage zur kontinuierlichen Entfernung von Monomeren aus wäßrigen Dispersionen von Polymeren ein, so läßt sich bis zu etwa 80% der sonst in Form von Wasserdampf zuzuführenden Energie zurückgewinnen.The spiral heat exchanger according to the invention can be used as a counterflow heat exchanger for heat recovery start by allowing dispersions to flow in its adjacent channels for example, this spiral heat exchanger in the system known from DE-OS 25 21 780 for continuous removal of monomers from aqueous dispersions of polymers, so can Recover up to about 80% of the energy that would otherwise be supplied in the form of water vapor.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung schematisch dargestellt. Dabei zeigtIn the drawing, an embodiment of the subject matter of the invention is shown schematically. It shows
F i g. 1 eine Seitenansicht auf den Spiralwärmeaustauscher, F i g. 1 a side view of the spiral heat exchanger,
F i g. 2 eine Draufsicht auf diesen Spiralwärmeaustauscher, F i g. 2 is a plan view of this spiral heat exchanger,
Fi g. 3 einen Teil eines Schnittes nach der Linie III-III der F ig. 1,Fi g. 3 shows part of a section along the line III-III the fig. 1,
F i g. 4 eine Variante des in F i g. 3 Dargestellten und F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der F i g. 4.
Der Spiralwärmeaustauscher besteht aus einem Spiralkörper 1, welcher an seiner Oberseite und an
seiner Unterseite durch je einen Deckel 2 verschlossen ist. Dabei ist je ein Deckel 2 von einem Eintrittsrohr 3
für das erste Fluid bzw. einem Austrittsrohr 4 für das zweite Fluid durchdrungen. Im Spiralkörper 1 sind nach
Art einer archimedischen Spirale mit Abstand voneinander aufgewickelte Bleche 5 senkrecht zu den Deckeln
2 angeordnet, wodurch Kanäle (6, 7) von rechteckigem Querschnitt gebildet werden, welche abwechselnd an
ihrem oberen und unteren Ende offen sind (8). In den Spiralkörper 1 münden tangential ein Eintrittsstutzen 10
für das zweite Fluid und ein Austrittsstutzen 11 für das
erste Fluid ein, we!:he mit den zugehörigen Kanälen (6,
7) strömungsmäßig verbunden sind.F i g. 4 shows a variant of the in FIG. 3 shown and F i g. 5 shows a section along the line VV in FIG. 4th
The spiral heat exchanger consists of a spiral body 1, which is closed on its upper side and on its lower side by a cover 2 each. A cover 2 is penetrated by an inlet pipe 3 for the first fluid or an outlet pipe 4 for the second fluid. In the spiral body 1, sheets 5 wound at a distance from one another are arranged perpendicular to the covers 2 in the manner of an Archimedean spiral, whereby channels (6, 7) of rectangular cross-section are formed, which are alternately open at their upper and lower ends (8). An inlet connector 10 for the second fluid and an outlet connector 11 for the first fluid open tangentially into the spiral body 1, we ! : he are fluidly connected to the associated channels (6, 7).
Nach Fig.3 ist zwischen dem Eintrittsrohr 3 für das erste Fluid und dem Austrittsrohr 4 für da.; zweite Fluid ein Trennblech 9 angeordnet, wodurch die Kanäle 6 mit dem ersten Fluid beaufschlagt werden, während das zweite Fluid durch die Kanäle 7 strömt.According to Figure 3 is between the inlet pipe 3 for the first fluid and the outlet pipe 4 for there .; second fluid a partition plate 9 is arranged, whereby the channels 6 with the first fluid are acted upon, while the second fluid flows through the channels 7.
Nach den F i g. 4 und 5 setzen sich das Eintrittsrohr 3 für das erste Fluid und das Austrittsrohr 4 für das zweiteAccording to the F i g. 4 and 5 are the inlet pipe 3 for the first fluid and the outlet pipe 4 for the second
Fluid innerhalb des Spiralkörpers 1 in schräg abgeschnittenen Rohrstücken (12, 13) fort, deren Enden durch Bleche (14, IS) verschlossen sind. Die Rohrstücke (12,13) münden seitlich in die Kanäle (6,7) ein.Fluid within the spiral body 1 in obliquely cut pipe pieces (12, 13), the ends of which are closed by metal sheets (14, IS). The pipe sections (12, 13) open laterally into the channels (6, 7).
Dabei wird ein optimaler Übergang vom Kreisquerschnitt der Rohrstücke (12, 13) auf den rechteckigen Querschnitt der Kanäle (6, 7) dadurch erreicht, daß die inneren Enden 16 der aufgewickelten Bleche S in die aufgeschnittenen Rohrstücke (12,13) übergehen.This creates an optimal transition from the circular cross-section of the pipe sections (12, 13) to the rectangular one Cross section of the channels (6, 7) achieved in that the inner ends 16 of the wound sheets S in the Pass over cut pipe pieces (12,13).
Beispiel 1 '°Example 1 '°
Eine wäßrige Suspension von Polyvinylchlorid mit einem Feststoffgehalt von 25 Gew.-% und einer mittleren Teilchengröße von 100 μπι wurde mit Hilfe des erfindungsgemäßen Spiralwärmeaustauschers (Höhe der Bleche 10:230 mm; Höhe zu Breite der Kanäle 9 :1) und Wasser von 15° C als Kühlmittel von 80 auf 60° C abgekühlt. Dabei stand die Suspension unter einem Druck von 4 bar und die Strömungsgeschwindigkeit betrug ! ,5 m/s. Obwohl die S'jsp?p?'"n auch Feststoffbrocken bis 25 mm Kantenlänge enthielt, ließAn aqueous suspension of polyvinyl chloride with a solids content of 25 wt .-% and one mean particle size of 100 μπι was using of the spiral heat exchanger according to the invention (height of the metal sheets 10: 230 mm; height to width of the Channels 9: 1) and water at 15 ° C as coolant from 80 cooled to 60 ° C. The suspension was under a pressure of 4 bar and the flow rate was! , 5 m / s. Although the s'jsp? P? '"N too Containing solid lumps up to 25 mm edge length, left sich nach einer Betriebsdauer von 6000 Stunden im Spiralwärmeaustauscher keine Feststoffablagerung feststellen.after an operating time of 6000 hours in Spiral heat exchangers do not detect any solid deposits.
Eine wäßrige Suspension von Polyvinylchlorid mit einem Feststoffgehalt von 25 Gew.-% und einer mittleren Teilchengröße von ΙΟΟμηι wurde mit Hilfe des in Beispiel 1 verwendeten Spiralwärmeaustauschers von 104 auf 82°C abgekühlt. Als Kühlmittel diente eine Suspension gleicher Zusammensetzung, welche dabei von 55 auf 77° C aufgeheizt wurde. In beiden Kanälen (6, 7) betrug der Druck etwa 2 bar und die Strömungsgeschwindigkeit 1,3 m/s. Nach einer Betriebsdauer von 2000 Stunden war im Spiralwärmeaustauscher keine Feststoffablagerung feststellbar, obwohl die Suspension auch Feststoffbrocken bis 25 mm Kanienlänge enthielt.An aqueous suspension of polyvinyl chloride with a solids content of 25 wt .-% and one mean particle size of ΙΟΟμηι was using of the spiral heat exchanger used in Example 1 cooled from 104 to 82 ° C. One served as a coolant Suspension of the same composition, which was heated from 55 to 77 ° C. In both channels (6, 7) the pressure was about 2 bar and the flow rate 1.3 m / s. After an operating time of For 2000 hours, no solid deposits could be detected in the spiral heat exchanger, although the suspension was also contained solid lumps up to 25 mm long.
Durch die Verwendung der Suspension gleicher Zusammensetzung als Kühlmittel wird gegenüber der Verwendung von Kühlwasser eine Energieersparung erzielt, welche etwa 250 kg Dampf je t Feststoff beträgt.By using the suspension of the same composition as a coolant, compared to the The use of cooling water achieves energy savings of around 250 kg of steam per t of solid matter.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OD | Request for examination | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition |