Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb dieses Wärmetauschers.
Eine etwas abgewandelte Ausführungsform eines solchen, als "Schmelzkristallisator" ausgebildeten Wärmetauschers ist beispielsweise aus der US-PS 2 299 414 bekannt.
Derartige Wärmetauscher werden für Stoffgemische im geschmolzenen Zustand angewendet, bei welchen bei der Kristallisation einer der Stoffe auf den Wärmetauscherflächen in Form von Kristalliten oder Dentriten erstarrt und ein lockeres Gefüge bildet, dessen Zwischenräume von der flüssigbleibenden Schmelze ausgefüllt sind.
Verglichen mit einer kompakten Kristallschicht bietet ein derart erstarrter Stoff wenig Widerstand gegen eine Schabeinrichtung und kann daher mit relativ geringem Aufwand von den Wärmetauscheroberflächen abgeschert werden.
Der gelöste Stoff wird bei der Kristallisation nicht oder stark reduziert bezüglich der Konzentration in der Schmelze in die Kristallite eingebaut. Bei derartigen Schmelzen kann eine sogenannte konstitutionelle Unterkühlung auftreten. Hierbei reichern sich an der Oberfläche der wachsenden Kristallschicht die gelösten Stoffe an, was eine Erniedrigung der Erstarrungstemperatur an den Kristalloberflächen verursacht. Eine von der Schmelze zur Kristallschicht gerichtete Wärmeableitung, die mit der Temperaturerniedrigung einhergeht, kann eine Unterkühlung der Schmelze im Bereich der Kristallschicht zur Folge haben. Tritt eine solche "konstitutionelle" Unterkühlung auf, so erweist sich das Kristallwachstum mit ebener Front als instabil.
Kleine Unebenheiten verstärken sich während des Wachstums, und die Schmelze bildet beim Erstarren keine kompakte Kristallschicht, sondern einzeln wachsende Kristallite oder Dentrite. Die Schmelze in den Zwischenräumen benachbart wachsender Kristallite bzw. Dentrite weisen wegen eines Dickenwachstums eine erhöhte Konzentration des gelösten Stoffes auf.
Da der Schmelzpunkt durch die ansteigende Konzentration im Bereich der Kristallschicht erniedrigt wird, kommt das Dickenwachstum der Kristallite rasch zum Erliegen. Falls die Konzentration des gelösten Stoffes genügend gross ist, bleibt der Kristallverband locker genug, so dass der kristallisierte Stoff leicht mittels einer Schabeinrichtung von den Wärmetauscheroberflächen entfernt werden kann.
Der Widerstand gegen das Abscheren hängt auch von der Form der Kristallite ab. Wächst beispielsweise ein Kristallit in einer Kristallrichtung viel langsamer als in einer zu dieser Richtung senkrechten Ebene, so entstehen plättchenförmige Kristallite, die sich mit geringem mechanischem Aufwand von den Wärmetauscheroberflächen abschaben lassen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung eines Wärmetauschers zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, welcher bei einem möglichst geringen Raumbedarf grosse Wärmetauscheroberflächen aufweist, und der ausserdem während des Betriebes nicht durch Kristallbrei verstopft wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit Hilfe der im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Massnahmen gelöst.
In den Kennzeichen der Ansprüche 2 bis 8 sind vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des erfindungsgemässen Wärmetauschers angegeben.
In den Kennzeichen der Ansprüche 9 bis 17 werden vorteilhafte Verfahren für den Betrieb eines erfindungsgemässen Wärmetauschers beschrieben.
Während einer vollen Umdrehung gelangt jeder Punkt der Kanten der Schaberelemente mindestens einmal in den freien, mit Schmelze gefüllten Raum ausserhalb der Wärmetauscheroberfläche. Dort kann sich der vor den Schabelementen aufgestaute Kristallbrei von den Schabelementen lösen und aus dem Bereich der Wärmetauscheroberflächen dem Ort seiner Verwendung zugeführt werden.
Das Ablösen des Kristallbreis von den Schabelementen kann beispielsweise aufgrund eines Dichteunterschieds, den im allgemeinen der Kristallbrei gegenüber der Schmelze aufweist, erfolgen.
Beispielsweise schwimmt bei Salzlösungen oder wässrigen Alkohollösungen, bei denen reines Wasser auskristallisiert wird, der Kristallbrei aufgrund seiner geringeren Dichte nach oben.
Es ist auch möglich, den Kristallbrei dadurch aus dem Wärmetauscher zu entfernen, indem mittels quer zu den Platten strömende Schmelze der aufgestaute Kristallbrei aus der Einrichtung weggespült wird.
Mit dem Wärmetauscher lässt sich über längere Zeit kontinuierlich Kristallbrei erzeugen. Es zeigt sich jedoch, dass allmählich der Widerstand gegen das Abschaben zunimmt. Grund hierfür ist eine Basisschicht des Kristallansatzes, der auf den Wärmetauscheroberflächen haftet und nicht durch die Schabelemente abgeschert wird. Da die in der Schmelze gelösten Stoffe aus den Zwischenräumen der Kristallite hinausdiffundieren, wächst die Basisschicht langsam an.
Wärmetauscher mit Phasenwechsel zeichnen sich bekanntlich durch einen guten Wärmeübergang aus. Bei der Erzeugung von Eisbrei wurden für den Wärmeübergangskoeffizienten alpha Werte gemessen, die in der Grössenordnung von mindestens 1 kW/m<2>K liegen. Wegen der wachsenden Basisschicht verringert sich der Wert von alpha . Um einen guten Wärmeübergang zu erreichen, ist es daher vorteilhaft, wenn intermittierend für eine Entfernung der Basisschicht gesorgt wird.
Beispielsweise kann ein Unterbruch der Kühlung bei weiter rotierenden Schabelementen schon genügen, dass die Basisschicht sich von den Wärmetauscheroberflächen löst. Wie in den Ansprüchen 13 und 14 beschrieben wird, kann das Ablösen der Basisschicht beschleunigt werden, dadurch, dass die Basisschicht durch Wärmezufuhr aus der überhitzten Schmelze entfernt wird bzw. dass der Kristallansatz durch Wärmezufuhr von einem, die Wärmetauscherplatten durchströmenden Heizmittel entfernt wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.
Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Wärmetauscher mit dem ihn umgebenden Behälter, und
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellungsweise einen Horizontalschnitt des Wärmeaustauschers.
In Fig. 3 ist die Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Wärmetauscherplatte dargestellt, während die Fig. 3a bis 3c diese Wärmetauscherplatte in einem Querschnitt, in einer Seitenansicht und einen Längsschnitt durch das abgewickelte Rohr dieser Wärmetauscherplatte zeigen.
Fig. 4a zeigt in perspektivischer Darstellung ein Schabelement mit einer Halterung an der Welle und
Fig. 4b das Schabelement in einem Querschnitt.
In den Fig. 1 und 2 sind ausser den Konstruktionselementen für die Bemessung des Wärmetauschers relevante geometrische Grössen eingetragen, deren Bedeutung nachstehend noch im einzelnen erläutert wird.
In einem zylindrischen Behälter 1 befindet sich ein Stapel von abstandweise, übereinander angeordneten Wärmetauscherplatten 2, von denen in Fig. 1 nur zwei dargestellt sind. Der Stapel wird mittels zwei nicht dargestellten Deckplatten, die nicht als Wärmetauscher ausgebildet sind, zusammengehalten. Der Stapel ist stationär im Behälter 1 angeordnet und mittels Halterungen 3 an der Behälterwand befestigt, wobei im Ausführungsbeispiel diese Halterungen rohrförmig ausgebildet sind und als Zu- bzw. Abführleitungen für ein Kühlmittel, welches die Platten 2 durchströmt, dienen.
Konzentrisch im Behälter 1 ist eine Antriebswelle 4 für die Schabelemente 5 angeordnet. Die Achse der Welle 4 ist identisch mit der Längsachse des Behälters 1, während die Längsachse des Plattenstapels exzentrisch zu der Wellenachse 4 verläuft, derart, dass zwischen der Wellen- bzw. Behälterachse und der Stapelachse ein Abstand epsilon vorhanden ist. Abgesehen von der obersten und der untersten Platte des Stapels, wo die Schabelemente nur einseitig aufliegen, sind die Schabelemente 5 in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Platten 2 derart ausgebildet, dass sie gleichzeitig die Kristallschicht an der Oberfläche einer oberen Platte und diejenige an der Oberfläche einer benachbarten, unteren Platte abscheren.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Schabelemente 5 ist in den Fig. 4a und 4b dargestellt und wird an späterer Stelle erläutert.
In Fig. 1 sind ausser epsilon die geometrischen Grössen R, ri und ra eingetragen, wobei R den Radius der Schabelemente 5, ri den inneren Radius und ra den äusseren Radius der ringförmigen Platten 2 bezeichnen.
In Fig. 2 sind noch weitere geometrische Grössen eingetragen, deren Bedeutung im folgenden anhand der Beschreibung der Fig. 2 erläutert wird.
Da in Fig. 2 nur eine Platte 2 und ein Schabelement 5 sichtbar sind, wird die Funktionsweise des Wärmetauschers anhand dieser Darstellung erläutert.
Die Schaberwelle 4 hat einen Durchmesser d und steht senkrecht und exzentrisch zur Wärmetauscherplatte 2 im Behälter 1, wobei - wie bereits erwähnt - das Zentrum Z der Platte 2 und die Wellenachse 4 um den Abstand epsilon voneinander entfernt sind. Das an der Welle 4 befestigte Schabelement 5 überstreicht eine Kreisfläche mit dem Radius R. Die Fläche, die das Schabelement 5 überstreichen muss, ist einerseits durch die Wärmetauscherplatte 2 und andererseits durch zwei Randzonen 6 und 7 gegeben. Diese Randzonen, die beide mit der gleichen Dicke delta 1 in der Fig. 2 eingezeichnet sind, bestehen aus kristallisierter Schmelze, die sich an den Seitenflächen der Wärmetauscherplatte angesetzt hat und die durch das Schabelement nicht entfernt wird.
Die Wärmetauscheroberfläche der Platte 2, einschliesslich der beiden Randzonen 6 und 7 wird durch einen Kreisring 8, der durch strichpunktierte Linien dargestellt ist, in zwei Bereiche unterteilt. Der Bereich ausserhalb des Kreisrings 8 umfasst die Fläche a, von der die abgescherten Kristallite durch das Schabelement 2 in den Aussenraum des Plattenstapels befördert werden. Der im komplementären Bereich b erzeugte Kristallbrei wird in die innere \ffnung der Wärmetauscherplatte 2 befördert. Die Fläche des Kreisrings 8 selbst gehört teils zum Innen- und teils zum Aussenbereich.
Die effektive Oberfläche einer Wärmetauscherplatte ist gegeben durch die Oberfläche, von der ein Schabelement Kristallisat abscheren muss. Diese effektive Wärmetauscherfläche weist folgende Radien auf:
r min i = ri - delta 1, r min a = ra + delta 1
Die Kreisringfläche 8 hat ihren Mittelpunkt auf der Wellenachse und ist gegeben durch Berührungspunkte mit der Begrenzung der effektiven Wärmetauscherfläche: Der innere Kreis der Fläche 8 berührt den Kreis mit dem Radius r min a im Aussenbereich, und der äussere Kreis der Fläche 8 berührt den Kreis mit dem Radius r min i im Innenbereich. Die Breite delta 2 des Kreisrings 8 kann beliebig vorgegeben werden.
Die Radien r min i und r min a der effektiven Wärmetauscheroberfläche und die Exzentrizität epsilon müssen folgenden Beziehungen genügen:
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Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform einer Wärmetauscherplatte 2, die als Verdampfer einer konventionellen Kältemaschine oder Wärmepumpe ausgebildet ist. Die Wärmetauscheroberflächen werden durch die Oberflächen einer doppelschichtigen Ringscheibe 2 gebildet. Hierbei ist ein spiralförmig aufgewickeltes Rohr an seinem inneren Ende über eine Nahtstelle 12 mit einer zweiten, ähnlich ausgebildeten Rohrspirale 11 verbunden. Am äusseren Ende der Rohrspirale 10 ist eine Zufuhrleitung 13 für das flüssige Kältemittel 16 - z.B. Ammoniak oder ein Fluorkohlenwasserstoff, wie Difluordichlormethan - angeschlossen, während am Ende der Rohrspirale 11 eine Ableitung 14 für das verdampfte Kältemittel 17 angebracht ist. Die Leitungen 13 und 14 müssen so geführt werden, dass das Schabelement 5 nicht blockiert wird.
Aus konstruktiven Gründen kann es sinnvoll sein, die beiden Rohrspiralen 10 und 11 mit einem Reifen 15 einzufassen. Dieser Reifen 15 kann dazu dienen, Rückstellkräfte aufzunehmen, die nach dem Wickeln der Rohre verbleiben. So können auch am Reifen 15 Befestigungselemente für die Befestigung an der Behälterwand angebracht werden.
Die Fig. 3a zeigt einen Querschnitt III-III der Fig. 3. Die Rohrquerschnitte sind vorteilhaft quadratisch bzw. rechteckig ausgebildet. Mit solchen Querschnittsformen ergeben sich ebene Wärmetauscheroberflächen 18 und 19, was für einen guten Wärmeübergang von Vorteil ist. Vorteilhaft wählt man für die zweite Rohrspirale 11 einen grösseren Querschnitt, wie es in der Fig. 3a bis 3c dargestellt ist. Dem sich bildenden Kältemitteldampf 17 steht hierdurch ein grösseres Volumen zur Verfügung, um abzuziehen.
Die Fig. 3b zeigt eine Seitenansicht der Wärmetauscherplatte mit weggeschnittenem Reifen 15, wobei der Blick senkrecht auf die Kältemittelanschlüsse 13 und 14 fällt.
Fig. 3c zeigt einen Längsschnitt durch die abgewickelten Rohrspiralen 10 und 11. Hieraus geht hervor, wie das flüssige Kältemittel 16 durch die Zufuhrleitung 13 in das Rohr 10 eintritt, während dem Durchlauf durch die beiden Rohre 10 und 11 verdampft und als Dampf 17 durch die Ableitung 14 austritt.
Die Fig. 4a und 4b zeigen eine vorteilhafte Ausführungsform eines Schabelementes 5. Das Schabelement 5 streift gleichzeitig auf zwei benachbarten, parallel ausgerichteten Wärmetauscherplatten 2 den Kristallbrei ab. Diese Konstruktion ist derart ausgebildet, dass das Schabelement 5 leicht erneuert werden kann. Das Schabelement 5 besteht hierbei aus einem zweiteiligen Halter 31 und 32 und einem Abstreifteil 33. Dieser Abstreifteil, der aus Kunststoff, z.B. einem Polyoxymethylen oder einem Polyamid bestehen kann, weist eine Nut 34 auf, mittels der er auf dem Halterteil 32 aufgesetzt ist. Der Halterteil 32 steckt in einem geschlitzten Rohrstück 31, das unlösbar auf der Welle 4 befestigt ist. Der Abstreifteil 33, der einem Verschleiss unterworfen ist, kann nun mit geringem Aufwand ausgewechselt werden.
In einer zweiten Nut 35 des Abstreifteils 33 ist ein U-förmiges Federelement 37 eingelegt, durch das die beiden Schabkanten 36 und 36' gegen die Wärmetauscheroberflächen 18 und 19 von benachbarten Platten 2 gedrückt werden.
Der abgeschabte Kristallbrei staut sich während des Betriebes vor dem Abstreifteil 33 auf. Ein Schenkel des Federelementes 37 ist an der Vorderseite verlängert und aufgebogen, so dass verhindert wird, dass Kristallbrei in die Nut 35 eindringt. Der aufgestaute Kristallbrei kann sich vom Schabelement 5 lösen, sobald er, dank der exzentrischen Anordnung der Schaberwelle 4 in den Aussenraum bzw. in den freien Innenraum des Plattenstapels gelangt (vergleiche Fig. 2). Wie bereits erwähnt, kann das Ablösen durch einen Dichteunterschied zwischen Kristallbrei und Schmelze bewirkt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Kristallbrei mit Schmelze von den Schabelementen 5 wegzuspülen.
Anstelle eines Kältemittels, das innerhalb einer Wärmetauscherplatte 2 verdampft, kann als Wärmetransportmittel auch ein Kühlmittel, z.B. bei der Erzeugung von Eisbrei ein Glykol-Wasser-Gemisch verwendet werden, mit dem man die Kühlung mit der Kältemaschine in indirekter Weise vornimmt. Es ist jedoch energetisch günstiger, die Kühlung direkt durchzuführen, d.h. mit als Verdampfer ausgebildeten Wärmetauscherplatten, da in diesem Fall die Verdampfungstemperatur der Kältemaschine und damit deren Leistungsziffer höher ist.
Wie bereits erwähnt, ist eine intermittierende Betriebsweise vorteilhaft, bei der eine Kristallisationsphase mit einer kurzen Abschmelzphase abwechselt. Während der Abschmelzphase wird die Kühlung unterbrochen. Eine Wärmezufuhr aus der Umgebung, falls die Schmelze überhitzt ist, oder eine Erwärmung mittels des Wärmetransportmediums lässt die Basisschicht des Kristallansatzes anschmelzen, so dass die Wärmetauscheroberflächen vollständig frei werden. Die weiter rotierenden Schabelemente 5 beschleunigen die Entfernung der Basisschicht. Sind die Wärmetauscherplatten als Verdampfer ausgebildet, so lässt sich das Abschmelzen auch mit komprimiertem Kältemitteldampf durchführen. Dies erfolgt durch eine entsprechende Umschaltung im Kältemittelkreislauf, wobei die Wärmetauscherplatten 2 als Kondensator geschaltet werden.
Der intermittierende Betrieb lässt sich auch in anderer Hinsicht vorteilhaft nutzen. Geht man davon aus, dass die Wärmetauscherplatten als Verdampfer einer Kältemaschine ausgebildet sind, dass sie weiterhin horizontal ausgerichtet sind, und dass die Kältemittelzuleitungen 13 in die oberen Rohrspiralen 10 erfolgen, kann das Kältemittel im Überschuss zugeführt werden. Das überschüssige, noch nicht verdampfte Kältemittel sammelt sich dann im unteren Rohr 11 an. Hierbei muss vorausgesetzt werden, dass die Ableitung 14 in der oberen Hälfte des Endes des Rohres 11 angebracht ist, so dass ein Abfliessen des Kältemittels verhindert wird.
Nach dem Unterbruch der Kältemittelzufuhr verdampft schliesslich das verbliebene flüssige Kältemittel. Sobald die Rohre ausgetrocknet sind, ist die Kristallisationsphase abgeschlossen. Wenn die Schmelze überhitzt ist, beginnt nun die Abschmelzphase, ohne dass zusätzlich etwas unternommen werden muss, wie beispielsweise eine Umschaltung des Kältemittelkreislaufs.
Eine Überhitzung der Schmelze, wenn auch nur eine geringe, ist somit für ein selbsttätiges Abschmelzen der Basisschicht von Vorteil. Darüberhinaus ist die Überhitzung auch deshalb von Vorteil, da sie das Wachstum der Kristallschichten 6 und 7 an den Rändern der Wärmetauscherplatten 2 (vergleiche Fig. 2) limitiert. Die Schmelze darf jedoch nicht zu stark überhitzt werden, da dann keine konstitutionelle Unterkühlung möglich ist. Diese Unterkühlung ist jedoch notwendig, um die Bildung einer kompakten Kristallschicht zu verhindern.
Ein konstanter Betrieb der Kältemaschine ist trotz intermittierender Betriebsweise des Schabwärmetauschers möglich, denn wenn jeweils nur einzelne der Wärmetauscherplatten abwechslungsweise sich in der Abschmelzphase befinden. Beispielsweise lässt sich der Schabwärmetauscher derart an die Kältemaschine anschliessen, dass nur jede zweite Platte des Stapels mit Kältemittel versorgt wird. Durch periodisches Umschalten kann dann in den einen Platten die Abschmelzphase abgebrochen und bei den andern - mit einer gewissen Verzögerung wegen noch vorhandenen flüssigem Kältemittel - die Kristallisationsphase abgeschlossen werden.
Im folgenden wird ein Zahlenbeispiel für einen Prozess angegeben, wie er in einem erfindungsgemässen Wärmetauscher durchgeführt werden kann.
Es wird von einer Schmelze ausgegangen, die eine Kochsalzlösung ist, die eine Gefriertemperatur von -1,5 DEG C oder, was gleichbedeutend damit ist, eine Salzkonzentration von 26 g/l aufweist.
Der Wärmeabfluss auf der Eiserzeugungsseite der Wärmetauscherplatten 2 hängt vom Wärmefluss durch diese Flächen und von der Abstreifgeschwindigkeit des Schabers 5 ab. Beispielsweise kann man bei einem Wärmefluss von 10 kW/m<2> mit einem Wärmeübergangskoeffizienten von rund 2 kW/m<2>K oder mehr rechnen; die Schaberwelle 4 muss dabei eine Umdrehungsgeschwindigkeit von mindestens 10 U/min haben. Bei einem grösseren Wärmefluss muss die Schaberwelle 4 schneller rotieren, um einen gleich guten Wärmeübergangskoeffizienten zu erzielen.
Für fluorierte Kohlenwasserstoffe als Kältemittel ist der innere Wärmeübergangskoeffizient nicht grösser als etwa 1 kW/m<2>K. Berücksichtigt man, dass die innere Oberfläche des Verdampferrohres etwa dreimal grösser ist als die äussere Oberfläche, auf der Eisbrei erzeugt wird, so findet man für den Wärmedurchgangskoeffizienten k der Wärmetauscherplatte einen Wert von ungefähr 1.2 kW/m<2>K. Bei der Wärmeflussdichte von 10 kW/m<2>, was einer stündlich erzeugten Eismenge von 108 kg/m<2> entspricht, lässt sich somit eine Verdampfungstemperatur von -10 DEG C abschätzen.
Es ist möglich, höhere Werte für den Wärmedurchgangskoeffizienten k als die oben angegebenen 1.2 kW/m<2>K zu gewinnen. Dazu sind zwei Massnahmen nötig: erstens Erhöhung der Schaberdrehzahl, zweitens Vergrösserung der inneren Oberfläche der Verdampferrohre. Die zweite Massnahme lässt sich auf einfache Weise ausführen, wenn man ein Verdampferrohr mit einem radial abgeplatteten Querschnitt wählt, ähnlich wie es für die Rohrspirale 11 in Fig. 3 der Fall ist. Eine andere Möglichkeit zur Oberflächenvergrösserung besteht darin, dass Rippen innerhalb des Rohres angebracht werden.
Die für die Schabelemente 5 aufzuwendende mechanische Leistung ist, wie experimentell festgestellt worden ist, annähernd proportional zur Wärmeflussdichte durch die Wärmetauscherplatten 2 auf den Eiserzeugungsseiten. Bei der im erläuterten Beispiel verwendeten Kochsalzlösung beträgt diese für die Schabelemente 5 erforderliche Leistung etwa 20 W/m<2> bei einer Eiserzeugungsrate von 100 kg/m<2>h. Etwa die gleichen Werte für die aufzuwendende Schaberleistung sind auch mit einer weiteren Lösung erreicht worden, bei der durch Lösen von 25 g/l Äthanol eine Gefrierpunkterniedrigung auf etwa -1 DEG C erzeugt worden ist.
The invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1 and a method for operating this heat exchanger.
A somewhat modified embodiment of such a heat exchanger designed as a “melt crystallizer” is known, for example, from US Pat. No. 2,299,414.
Such heat exchangers are used for mixtures of substances in the molten state, in which during crystallization one of the substances solidifies on the heat exchanger surfaces in the form of crystallites or dentrites and forms a loose structure, the interstices of which are filled by the liquid melt.
Compared to a compact crystal layer, such a solidified material offers little resistance to a scraping device and can therefore be sheared off the heat exchanger surfaces with relatively little effort.
During the crystallization, the solute is not incorporated into the crystallites or is reduced to a greatly reduced extent in terms of the concentration in the melt. So-called constitutional hypothermia can occur with such melts. Here, the solutes accumulate on the surface of the growing crystal layer, which causes a lowering of the solidification temperature on the crystal surfaces. A heat dissipation directed from the melt to the crystal layer, which is accompanied by the lowering of the temperature, can result in hypothermia of the melt in the region of the crystal layer. If such a "constitutional" hypothermia occurs, the crystal growth with a flat front proves to be unstable.
Small bumps increase during growth, and the melt does not form a compact crystal layer when it solidifies, but individually growing crystallites or dentrites. The melt in the interstices of adjacent growing crystallites or dentrites have an increased concentration of the solute due to a growth in thickness.
Since the melting point is lowered by the increasing concentration in the area of the crystal layer, the growth in thickness of the crystallites quickly comes to a standstill. If the concentration of the dissolved substance is sufficiently large, the crystal structure remains loose enough so that the crystallized substance can easily be removed from the heat exchanger surfaces by means of a scraping device.
The resistance to shearing also depends on the shape of the crystallites. If, for example, a crystallite grows much more slowly in a crystal direction than in a plane perpendicular to this direction, platelet-shaped crystallites are formed which can be scraped off the heat exchanger surfaces with little mechanical effort.
The object of the invention is to design a heat exchanger for carrying out the method described above, which has large heat exchanger surfaces with the smallest possible space requirement and which, moreover, is not clogged by crystal slurry during operation.
This object is achieved according to the invention with the aid of the measures specified in the characterizing part of claim 1.
Advantageous embodiments or developments of the heat exchanger according to the invention are specified in the characteristics of claims 2 to 8.
Advantageous methods for the operation of a heat exchanger according to the invention are described in the characteristics of claims 9 to 17.
During a full revolution, each point of the edges of the scraper elements reaches the free, melt-filled space outside the surface of the heat exchanger at least once. There, the crystal sludge pent up in front of the scraping elements can detach from the scraping elements and be fed to the place of its use from the area of the heat exchanger surfaces.
The detachment of the crystal slurry from the scraping elements can take place, for example, on the basis of a difference in density which the crystal slurry generally has compared to the melt.
For example, in salt solutions or aqueous alcohol solutions in which pure water is crystallized out, the crystal slurry floats up due to its lower density.
It is also possible to remove the crystal slurry from the heat exchanger by flushing the accumulated crystal slurry out of the device by means of melt flowing transversely to the plates.
The heat exchanger can continuously produce crystal slurry over a long period of time. However, it turns out that resistance to scraping is gradually increasing. The reason for this is a base layer of the crystal base, which adheres to the heat exchanger surfaces and is not sheared off by the scraping elements. Since the substances dissolved in the melt diffuse out of the spaces between the crystallites, the base layer grows slowly.
As is well known, heat exchangers with phase changes are characterized by good heat transfer. In the production of ice pulp, values were measured for the heat transfer coefficient alpha, which are of the order of magnitude of at least 1 kW / m 2 K. Because of the growing base layer, the value of alpha decreases. In order to achieve good heat transfer, it is therefore advantageous if the base layer is removed intermittently.
For example, an interruption in the cooling in the case of rotating rotating scraper elements can suffice for the base layer to detach from the heat exchanger surfaces. As described in claims 13 and 14, the detachment of the base layer can be accelerated in that the base layer is removed from the superheated melt by supplying heat or in that the crystal deposit is removed by supplying heat from a heating medium flowing through the heat exchanger plates.
The invention is explained below with reference to exemplary embodiments shown in the drawing.
Fig. 1 shows a perspective view of a heat exchanger with the container surrounding it, and
Fig. 2 shows a schematic representation of a horizontal section of the heat exchanger.
3 shows the top view of an embodiment of a heat exchanger plate, while FIGS. 3a to 3c show this heat exchanger plate in a cross section, in a side view and in a longitudinal section through the unwound tube of this heat exchanger plate.
4a shows a perspective view of a scraping element with a holder on the shaft and
Fig. 4b the scraping element in a cross section.
1 and 2, in addition to the structural elements relevant for the dimensioning of the heat exchanger, geometrical variables are entered, the meaning of which will be explained in detail below.
In a cylindrical container 1 there is a stack of spaced-apart heat exchanger plates 2, only two of which are shown in FIG. 1. The stack is held together by means of two cover plates, not shown, which are not designed as heat exchangers. The stack is arranged in a stationary manner in the container 1 and fastened to the container wall by means of holders 3, these holders being tubular in the exemplary embodiment and serving as supply and discharge lines for a coolant which flows through the plates 2.
A drive shaft 4 for the scraping elements 5 is arranged concentrically in the container 1. The axis of the shaft 4 is identical to the longitudinal axis of the container 1, while the longitudinal axis of the plate stack extends eccentrically to the shaft axis 4, such that there is a distance epsilon between the shaft or container axis and the stack axis. Apart from the top and the bottom plate of the stack, where the scraping elements rest only on one side, the scraping elements 5 are formed in the spaces between the individual plates 2 in such a way that they simultaneously have the crystal layer on the surface of an upper plate and that on the surface of one Shear off the adjacent lower plate.
An advantageous embodiment of the scraper elements 5 is shown in FIGS. 4a and 4b and will be explained later.
In addition to epsilon, the geometric variables R, ri and ra are entered in FIG. 1, R denoting the radius of the scraping elements 5, ri the inner radius and ra the outer radius of the annular plates 2.
In Fig. 2 further geometric sizes are entered, the meaning of which is explained below with reference to the description of FIG. 2.
Since only a plate 2 and a scraper element 5 are visible in FIG. 2, the functioning of the heat exchanger is explained on the basis of this illustration.
The scraper shaft 4 has a diameter d and is perpendicular and eccentric to the heat exchanger plate 2 in the container 1, wherein - as already mentioned - the center Z of the plate 2 and the shaft axis 4 are separated by the distance epsilon. The scraper element 5 attached to the shaft 4 sweeps over a circular area with the radius R. The area which the scraper element 5 must sweep is given on the one hand by the heat exchanger plate 2 and on the other hand by two edge zones 6 and 7. These edge zones, both of which are shown with the same thickness delta 1 in FIG. 2, consist of crystallized melt which has attached to the side surfaces of the heat exchanger plate and which is not removed by the scraping element.
The heat exchanger surface of the plate 2, including the two edge zones 6 and 7, is divided into two areas by a circular ring 8, which is shown by dash-dotted lines. The area outside the circular ring 8 comprises the area a from which the sheared-off crystallites are conveyed through the scraping element 2 into the outer space of the plate stack. The crystal slurry produced in the complementary area b is conveyed into the inner opening of the heat exchanger plate 2. The surface of the circular ring 8 itself belongs partly to the inside and partly to the outside.
The effective surface of a heat exchanger plate is given by the surface from which a scraping element must shear off crystals. This effective heat exchanger surface has the following radii:
r min i = ri - delta 1, r min a = ra + delta 1
The circular ring surface 8 has its center on the shaft axis and is given by points of contact with the limitation of the effective heat exchanger surface: the inner circle of the surface 8 touches the circle with the radius r min a in the outer region, and the outer circle of the surface 8 touches the circle the radius r min i indoors. The width delta 2 of the circular ring 8 can be predetermined as desired.
The radii r min i and r min a of the effective heat exchanger surface and the eccentricity epsilon must satisfy the following relationships:
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Fig. 3 shows an advantageous embodiment of a heat exchanger plate 2, which is designed as an evaporator of a conventional refrigerator or heat pump. The heat exchanger surfaces are formed by the surfaces of a double-layered washer 2. Here, a spiral wound tube is connected at its inner end via a seam 12 to a second, similarly shaped tube spiral 11. At the outer end of the spiral tube 10 there is a supply line 13 for the liquid refrigerant 16 - e.g. Ammonia or a fluorocarbon, such as difluorodichloromethane - connected, while at the end of the spiral tube 11 a drain 14 for the evaporated refrigerant 17 is attached. The lines 13 and 14 must be routed so that the scraping element 5 is not blocked.
For constructional reasons, it can make sense to surround the two tube spirals 10 and 11 with a tire 15. This tire 15 can serve to absorb restoring forces that remain after winding the tubes. 15 fastening elements can also be attached to the tire for fastening to the container wall.
FIG. 3a shows a cross section III-III of FIG. 3. The pipe cross sections are advantageously square or rectangular. Such cross-sectional shapes result in flat heat exchanger surfaces 18 and 19, which is advantageous for good heat transfer. It is advantageous to choose a larger cross section for the second spiral tube 11, as shown in FIGS. 3a to 3c. As a result, the refrigerant vapor 17 that forms is available to draw off.
3b shows a side view of the heat exchanger plate with the tire 15 cut away, the view falling vertically onto the refrigerant connections 13 and 14.
Fig. 3c shows a longitudinal section through the unwound pipe spirals 10 and 11. This shows how the liquid refrigerant 16 enters the pipe 10 through the supply line 13, evaporates during the passage through the two pipes 10 and 11 and as steam 17 through the Lead 14 exits.
4a and 4b show an advantageous embodiment of a scraping element 5. The scraping element 5 simultaneously strips off the crystal slurry on two adjacent, parallel-oriented heat exchanger plates 2. This construction is designed in such a way that the scraper element 5 can easily be replaced. The scraping element 5 consists of a two-part holder 31 and 32 and a stripping part 33. This stripping part, which is made of plastic, e.g. a polyoxymethylene or a polyamide, has a groove 34, by means of which it is placed on the holder part 32. The holder part 32 is in a slotted tube piece 31 which is permanently attached to the shaft 4. The stripping part 33, which is subject to wear, can now be replaced with little effort.
A U-shaped spring element 37 is inserted in a second groove 35 of the stripping part 33, by means of which the two scraping edges 36 and 36 'are pressed against the heat exchanger surfaces 18 and 19 of adjacent plates 2.
The scraped-off crystal slurry builds up in front of the stripping part 33 during operation. One leg of the spring element 37 is extended and bent at the front, so that crystal slurry is prevented from penetrating into the groove 35. The pent-up crystal sludge can detach itself from the scraper element 5 as soon as it, thanks to the eccentric arrangement of the scraper shaft 4, reaches the outside or the free interior of the plate stack (see FIG. 2). As already mentioned, the detachment can be caused by a difference in density between the crystal slurry and the melt. Another possibility is to rinse the crystal slurry away from the scraping elements 5 with melt.
Instead of a refrigerant that evaporates within a heat exchanger plate 2, a coolant, e.g. in the production of ice pulp, a glycol-water mixture can be used with which the cooling with the chiller is carried out in an indirect manner. However, it is more energy efficient to perform the cooling directly, i.e. with heat exchanger plates designed as evaporators, since in this case the evaporation temperature of the refrigeration machine and thus its performance figure is higher.
As already mentioned, an intermittent mode of operation is advantageous, in which a crystallization phase alternates with a short melting phase. The cooling is interrupted during the melting phase. A supply of heat from the environment, if the melt is overheated, or heating by means of the heat transport medium causes the base layer of the crystal batch to melt, so that the heat exchanger surfaces are completely free. The further rotating scraping elements 5 accelerate the removal of the base layer. If the heat exchanger plates are designed as evaporators, the melting can also be carried out with compressed refrigerant vapor. This is done by a corresponding switch in the refrigerant circuit, the heat exchanger plates 2 being switched as a condenser.
Intermittent operation can also be used to advantage in other ways. If it is assumed that the heat exchanger plates are designed as evaporators of a refrigeration machine, that they continue to be oriented horizontally, and that the refrigerant feed lines 13 take place in the upper tube spirals 10, the refrigerant can be supplied in excess. The excess, not yet evaporated refrigerant then collects in the lower tube 11. It must be assumed here that the discharge line 14 is attached in the upper half of the end of the tube 11, so that the refrigerant does not flow away.
After the refrigerant supply has been interrupted, the remaining liquid refrigerant evaporates. As soon as the tubes have dried out, the crystallization phase is complete. If the melt is overheated, the melting phase begins without any additional action, such as switching the refrigerant circuit.
Overheating the melt, even if only slightly, is therefore advantageous for the base layer to melt automatically. In addition, the overheating is also advantageous because it limits the growth of the crystal layers 6 and 7 at the edges of the heat exchanger plates 2 (see FIG. 2). However, the melt must not be overheated too much, since then constitutional hypothermia is not possible. However, this supercooling is necessary to prevent the formation of a compact crystal layer.
Constant operation of the chiller is possible despite the intermittent mode of operation of the scraping heat exchanger, because if only a few of the heat exchanger plates are alternately in the melting phase. For example, the scraping heat exchanger can be connected to the refrigeration machine in such a way that only every second plate of the stack is supplied with refrigerant. The melting phase in one plate can then be interrupted by periodic switching, and in the other - with a certain delay due to the liquid refrigerant still present - the crystallization phase can be completed.
The following is a numerical example for a process as it can be carried out in a heat exchanger according to the invention.
A melt is assumed which is a saline solution which has a freezing temperature of -1.5 ° C. or, which is synonymous with this, a salt concentration of 26 g / l.
The heat flow on the ice production side of the heat exchanger plates 2 depends on the heat flow through these surfaces and on the scraping speed of the scraper 5. For example, with a heat flow of 10 kW / m 2, a heat transfer coefficient of around 2 kW / m 2 K or more can be expected; the scraper shaft 4 must have a speed of rotation of at least 10 rpm. With a greater heat flow, the scraper shaft 4 must rotate faster in order to achieve an equally good heat transfer coefficient.
For fluorinated hydrocarbons as refrigerants, the internal heat transfer coefficient is no greater than about 1 kW / m 2 K. If one takes into account that the inner surface of the evaporator tube is approximately three times larger than the outer surface on which ice pulp is produced, the heat transfer coefficient k of the heat exchanger plate has a value of approximately 1.2 kW / m 2 K. With the heat flow density of 10 kW / m <2>, which corresponds to an hourly amount of ice of 108 kg / m <2>, an evaporation temperature of -10 ° C can be estimated.
It is possible to obtain higher values for the heat transfer coefficient k than the 1.2 kW / m 2 K given above. Two measures are necessary for this: firstly increasing the doctor speed, secondly increasing the inner surface of the evaporator tubes. The second measure can be carried out in a simple manner if one selects an evaporator tube with a radially flattened cross section, similar to the case for the tube spiral 11 in FIG. 3. Another possibility for enlarging the surface is to attach ribs inside the tube.
The mechanical power to be expended for the scraping elements 5 is, as has been experimentally determined, approximately proportional to the heat flux density through the heat exchanger plates 2 on the ice-making sides. In the saline solution used in the example explained, this power required for the scraping elements 5 is approximately 20 W / m 2 at an ice production rate of 100 kg / m 2 h. Approximately the same values for the scraping performance to be used have also been achieved with a further solution in which a freezing point reduction to approximately -1 ° C. has been produced by dissolving 25 g / l of ethanol.