专利名称：用于加热对温度和停留时间敏感的产品的换热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对温度敏感的和/或可聚合的产品的换热器。
背景技术：
从文献中可知许多不同的换热器实施方式。例如形式为板式换热器 或微型换热器的换热器有利于短暂的停留时间。然而这些换热器具有缺 点，即由于狹窄的流动间隙，它们只适用于低粘性的产品。对于更高粘 性的产品，经过换热器的压力降可能会很高。对于倾向于聚合的产品， 例如单体或还含有单体的聚合糖浆，在工作或停止期间单体在换热器中
会有聚合的危险。从板式换热器或微型换热器中去除聚合糖浆是很复杂
的，甚至是不可能的。对于特别是多帕(Pas)的高粘性物质和高于10 巴的高压力，由于制造方法和出现的力，不能提供板式换热器。
US-PS 1.961.卯7描述了一种管束式换热器，它具有在管中的螺旋形 的带凹槽的排挤体。由于螺旋状流动达到了特别有效的热传递。但由于 待调温的介质在排挤管内部的流动，会产生额外的压力损失和额外的停 留时间，这对产品可能有害。此外复杂的设计还会导致成本高、可拆卸 性差和清空工作困难。
DE-G 87 12 815 (VIA方法技术协会)描述了一种用于压缩空气干 燥器的管束式换热器。为节省材料，导入管中的排挤体自身也由在进入 侧封闭的管构成。排挤管可以具有带凹槽的表面。然而，这种并非为温 度敏感的产品而设计的构造具有很大的被产品填充的容积，由于没有使 用带有很小支撑(Hold-up)的底部并且排挤棒在底部没有封闭。另夕卜， 排挤管是不可拆卸的，这对温度敏感的聚合体来说是很大的缺点。
DE-G89 03 349 (VIA方法:技术协会)描述了一种特别用于压缩空 气干燥器的管束式换热器。为了使得传热介质尽可能均匀地流过装置，
3在装置中设置有一多孔板，其确保朝向管的均匀的流动。然而，在这种 管束式换热器中温和的传热是没有必要的，所以对排挤棒的横截面没有 特别的要求并且不需要任何带有最小支撑的排挤棒或平底。此外，排挤 棒是不能拆卸的。
仏；.-.，I
即使在高縣度产品的情况下也具有很低的压力降的换热器通常例如 是管束型的。在这个实施例中，产品流过多个平行设置的管。然而它的 缺点是，该管束式换热器通常具有小的比换热面。该比换热面在此由换 热表面与管中容积的比定义，所述管中填充产品。由于换热表面很小， 通常因此需要大的具有大的管中支撑的换热器。停留时间因此在该管束 式换热器中会很高。
发明内容
针对已讨论的现有技术，现在的目的是开发一种换热器，其使在换 热器中待加热或冷却的产品的停留时间尽可能短。换热器应该更进一步 这样设计，即低粘性产品和高粘性产品都能被加热或冷却。
按换热器的实施例力图实现
在压力降4艮小的同时，还可实现很短的停留时间； 容易清洁； 容易制造； 容易密封；
能用于4艮宽的温度、压力和粘性范围；和 能4艮好地处理在产品腔与加热或冷却腔之间的温度差异。 此目的通过这样的管束式换热器实现，其具有在填充产品的管中特 别设计的排挤棒。这些排挤棒这样设计，即它们占超过40%的管中容积, 优选占超过50%的管中容积，更特别优选占超过60%的管中容积。为了 将装置中的被产品填充的容积保持较小，有利的是， 一个或多个排挤体 ，没置在装置的换热器罩内或4吏用至少一个平底。
图1换热器的纵向剖视图2换热器的横向剖视图3图4的横向剖视图4排挤棒的视图5图6的横向剖视图6氺夂挤棒的视图；以及
图7和8示出排挤体的特殊设置。
具体实施例方式
1.管束式换热器的设计 描述
管束式换热器包含外壳(4)和管束，该管束是由一个或多个被待调 温的产品穿流的、基本平4亍i殳置的管构成。管可相互对齐地、偏置地或 在同心的孔圆上设置。优选最小的且基;^目同的管间隔，因而实现很小 的被产品填充的容积(6)。特别优选把管设置在同心圆上，以《更实现朝 向管的均匀流动并且^J^部区域中的死区很小。
产品流过所述管并且通过管壳体,皮加热或冷却。加热或冷却^h质(5) 穿流这些管的外壳体。加热或冷却介质(5)可与产品流交叉地、反向或 同向地流向管。调温优选基本上以交叉反向流进行，因为在调温介质(5) 与产品腔(6)之间小的温度梯JLAA够的。为了可筒单地进行清空工作， 产品优选从上往下流过换热器。为了可筒单地实现加热或冷却介质(5) 的通风，调温介质(5)优选从下往上流过换热器。
管束的至少一个端部通过一底部包围，产品通过该底部进入或出来。 这个底部可以设计成薄壁的换热器罩(2)，或设计成厚壁但紧凑的平底 (17)。该底部优选具有一装置法兰，因此该底部能够法兰连接在换热器 的主要部件上或再次拆卸下来。该底部优选可具有位于轴线上的套管， 产品可通过该套管ii^或出来。也可考虑的是，在轴线附近设置多个套 管，产品可通过这些套管出来。该底部优选设计成可用调温介质来加热 或冷却。但也可考虑、电加热。也可考虑的是，换热器直接连接到其它装置上，因此在这一侧上可 省略相应的底部。
为补偿膨胀，在需要时在外壳体中安装补偿器，以便补偿管束和外 壳体之间的不同热膨胀。
优点
换热器管中的压力降通过选择合适的管直径可控制用于较高粘度的 产品。
2.排挤棒的设计 描述
为了减少产品(6)在换热器管中的容积和提高传热，排挤棒(7、 10、 12、 15)被导入管中。排挤棒(7、 10、 12、 15)能够部分地伸进换 热器罩(2)中。排挤棒(7、 10、 12、 15)这样设计，即它们排挤了换 热器管中超过40%的容积。优选的是，管中超过60%的空容积通过排挤 棒(7、 10、 12、 15)排挤。优选少于95%的容积被排挤，以便获得换热 器的紧凑设计以及较小的压力降。排挤棒(7、 10、 12、 15)的外部轮廓 设计成使得排挤棒(7、 10、 12、 15)的轴线定心于管中心，以便避免死 区并且获得在换热器管的横截面上的均匀的流动。产品流在排挤棒(7、 10、 12、 15)和换热器管的内壁之间的间隙(11)中流动。
为了将排挤棒(7、 10、 12、 15)以规定的间隙居中地位于管中，排 挤棒(7、 10、 12、 15)可如下i殳计，例如
两侧封闭的管、封闭的空心体或实心体(15),其横截面(14、 16) 沿着其轴线在至少两个分区(14、 16)中变形，以居中定心在管(9) 内(见图2和5-6);
两侧封闭的管、封闭的空心体或实心体(12)，其具有至少在两个 轴向位置上在外部设置的元件(13 )，以居中定心在管内(见图3-4);
沿着管轴线偏置的板，其具有排挤容积的特性。
排挤棒(7、 10、 12、 15)优选被插入管(9)中，因此必要时它们 能为清洁和检测目的又能再次取出。排挤棒(7、 10、 12、 15)也可以由 多个单个依次相连的#^组成。还可考虑的是，使用空心的排挤棒，其
6内填充有可改善热传递的介质。例如可包含水，其在热区域蒸发，在冷 区域凝结，因此热量就在轴向上传递。还可考虑的是，借助于 充经排挤 管的传热介质额外传递热量。另一可能性是，使用电加热的排桥棒，从 而可进一步提高比换热面，还可进一步减少停留时间。同样还可考虑的 是，应用以上提到的排挤棒的组合。
排挤棒优选在管的加热部分产生一个狭窄的横截面，在入口区域内 可设置一个扩张的横截面以减小在管底区域的压力损失。
优点
通过排挤棒(7、 10、 12、 15)减少了产品在管道(6)中的支撑， 同时增加了比换热面。经由带有排捐二棒(7、 10、 12、 15)的管束式换热 器的压力降与在具有同样热功率和管数量的孩史型换热器和板式换热器中 相比要小。在微型换热器和板式换热器的情况下，只能通过在这些换热 器类型中明显增加管的数量，压力降才能下降到具有排挤棒的管束式换 热器的水平。很小的管直径和较大量的管数量会大大加剧换热器的清洁 困难。
在带有排挤棒的管束式换热器中的停留时间当然比同样直径的不带
排挤棒的管束式换热器中更短。只有对具有显著较小直径的但其长度明 显更长的空管而言，其停留时间才能调整到与带有排挤棒的管束式换热 器的相同水平。
3. 换热器罩中的排^F体 描述
为了最小化在换热器罩(2)里的支撑，排挤体(3)安装在换热器 罩(2)中。换热器罩(2)同样也可被加热或冷却。为实现对中，换热 器罩可以在外侧上具有例如金属薄片或针。为了使换热器管均匀地涂有 液体，面向换热器管的一侧优选是圆锥形的，见图7。
优点
在换热器罩(2)中的停留时间更短，因此产品的热负荷更低。
4. 平底
用于产品入口 (l)和产品出口 (8)的区域也能设计成具有凹部(低容积头部)的平底(见图8)。该凹部的尺寸可以这样设定，4吏得在全负 荷的情况下，产品在平底中的停留时间在0.5秒到20秒之间，优选在1.5 秒到15秒之间，或在部分负荷的情况下是在1秒到40秒之间，优选是 在1.5秒到30秒之间。该凹部可例如通过镗或铣制成。平底的凹部可以 设计成圆锥形的。
5.运行^t
描述
运行温度T= -20 。C至+400 °C 。
在管(6)和罩(2)的产品腔中的压力？=-0.95&狂^至+10( ^巧。
传热介质(5)的空间中的压力可在P-,0.95barg至+50barg之间。 传热介质(5)的温度可以是T"20。C至+400。C。
传热介质(5)可呈液体或蒸汽形式输入。按本发明描述的换热器适 合加热或冷却的粘性为t]= 0.1 mPas到500 Pas的产品。产品在换热器中 的停留时间可以是1秒到300秒。
优点
该换热器允许在广泛的温度、压力、粘度范围内进行调节。 在现有技术的常规换热器和带有环状间隙的换热器之间进行比较 以下表格总结了质量平衡和能量平衡以及在管与环状间隙中的流动 及热传递计算的结果。压力损失的计算是基于用于被层流的管(哈根平 衡流Hagen-Poiselle flow )或用于被层流的环状间隙的脉冲守恒方程的分 析方案。热传递计算是基于用于水力或热量不成型的层流的半经验的努 塞尔数(Nusselt number)关系。除非另有说明，质量流量是1.000kg/h， 在管中的停留时间为60秒，待加热介质的温度上升是IOOK，并且在传 热介质(5)与待加热介质之间的对数温差是30K。最后两个数值可以通 过组合形成商数3.33。此外，使用0.15W/mK的导热性、1000kg/m3的密 度、2200J/ kgK的比热容和l Pas的恒定的动力粘度作物材料数值，也 就是i兑采用牛顿介质。此外前提是，在传热面上的热传输阻抗和通过管 壁的传导阻抗是可忽视的。管 例子A管 例子B管 例子C管 例子D管 例子E管 例子F管 例子G管 例子H柳司隙 侈仔I
停留时间/#'602560580605606060
33333312.7333() 8033323.7333333
压力斷巴4.44.44.44.44.4444.40.0694.4
170鹏2120186扁6610136040
管锁米4.72.02.045514.60.41.40.63.0
管直掛毫米523322161615155224/20
例子A示出，在常规管束式换热器的情形下要求很狭窄和很长的管， 以便达到给定的条件。然而，它们制造起来很困难，且几乎不可能进行 清洁。
例子B和C示出，更短的管可能使停留时间更短(例子B)或改变 热量条件(例子C)。同时，然而管直径不再减少，且管数量显著地增加， 因此不能看作是例子A的替代方案。
例子D和E示出，更大管直径可通过更长的停留时间(例子D)或 更高的壁温度(由于更大的对数温差；例子E)来实现。然而，由于大 直径带来的更好清洁的优点被显著增长的管长度抹消了 ，其使得制造更 困难，同时由于增加了停留时间和壁温度而使产品品质变坏。此外，在 建筑物中，这么长的装置在建筑物中的空间要求也成问题。
例子F和G示出了，更小的管直径由于更短的停留时间(例子F) 或变化的热量条件(例子G)导致管的数量非常大。由于管束的装置必 须暴露在高压和高温下，考虑到高压和高温，无法制出这么大数量的精 致管。
不可忽略的管长度还使装置的内部无法进行清洁。
例子H示出了 ，减小的压力降由于管数量增加和长度缩短不会导致 较小的管直径。同时由于具有不可忽略的长度的大量薄管，因此可清洁 性以及可制造性也几乎是不可能。
9按本发明的设计(例子I)与常规的管束式换热器(例子A-H)的 相对照
例子I通过示范方式示出按照本发明的具有排挤棒的换热器的设计。 考虑到停留时间、热量条件和压力降，它与常规的管束式换热器(例子 A-H)的例子相比具有很大的管直径，其保证了良好的可清洁性。另夕卜， 与例子A、 D和E相比，管长度保持在一定限度内，因此具有良好的可 制造性和可清洁性，同时只要求^f艮少的空间。而且，与例子A-C和F-H 相比，管的数量很少，以致可实现简单和经济的生产。
按本发明的管束式换热器可特别有利地应用在聚合物合成方面，因 为在进行有效地热传递的同时，短暂的停留时间使产品承受较小的热负 荷并且避免不期望的聚合。
计算方法
从管壁的热平衡
<formula>formula see original document page 10</formula>出发
在预先规定三个几何参数(间隙的外直径《，间隙的内直径",、管 长度丄)中的两个的情况下，就能计算出第三个几何参数。
这里，丄是管或环状间隙的长度，、是停留时间，《是间隙的外直径
或管直径，",是环状间隙的内部直径(管",=0), p是密度，cp是比热 容，Az;、是糖浆的温度升高，4是液压直径，A是热传导率，A;是在加热 介质(5)与糖浆之间的对数温差。
在考虑到水力的和热的启动的情况下按照Baehr/Stefan ( Warme-und Stofftibertragung, Springer-Verlag Berlin, 1994,第381-382页) 计算用于管的努塞尔数(Nusselt number)的平均值A^借助如下关系式 算出
<formula>formula see original document page 10</formula>这里，C是普朗特数，z是无尺寸长度
<formula>formula see original document page 11</formula>
借助K =《/《，下列适用于计算在外部加热的环状间隙的努塞尔数的 平均值
A^mKS = 3.657 +1.2. K1/2 + (iV&胁—3.657).(1 + 0.14.K,/3) °
根据Martin ( WSrmeiibertrager， Georg Thieme Verlag Stuttgart, 1988年，第24页)，下列适用于环状间隙或管(《=o)中的压力损失
<formula>formula see original document page 11</formula>附图标记清单
1. 产品入口
2. 换热器罩
3. 排挤体
4. 换热器壳体
5. 在换热器管周围的加热和/或冷却介质
6. 换热器管内的产品腔
7. 在管束的各管中的排挤棒
8. 产品出口
9. 换热器管(示意性的)
10. 排挤棒
11. 排挤棒与换热器管之间的自由容积
12. 排挤棒
13. 间隔装置，用来使排挤棒在换热器管中居中布置
14. 在排挤棒的部分区域中的中心区域
15. 排挤棒
16. 在排挤棒的部分区域中的中心区域
17. 平底(低容量头部)
权利要求
1. 在温度敏感的和/或可聚合的介质的情况下用于热传递的管束式换热器，其特征在于，一管束设置在一具有一个或多个产品出口(8)和一个或多个产品入口(1)的壳体(4)中，在管束的各管中设置排挤棒(7、10、12、15)，并且管束式换热器的至少一个换热器罩填充有排挤体(3)，以减少被产品填充的容积。
2. 按照权利要求l所述的管束式换热器，其特征在于， 为了清洁目的，排挤棒(7、 10、 12、 15)构成为可移除的。
3. 按照权利要求l所述的管束式换热器，其特征在于， 排挤棒(7、 10、 12、 15)具有自动对中的横截面。
4. 按照权利要求l所述的管束式换热器，其特征在于， 排挤棒(7、 10、 12、 15)填充大于40%的管容积。
5. 按照权利要求l所述的管束式换热器，其特征在于， 排挤棒(7、 10、 12、 15)填充大于50%的管容积。
6. 按照权利要求l所述的管束式换热器，其特征在于， 排挤棒(7、 10、 12、 15)填充大于60%的管容积。
7. 按照权利要求l所述的管束式换热器，其特征在于， 排挤棒(7、 10、 12、 15)填充最高95%的管容积。
8. 按以上任一权利要求所述的管束式换热器在合成聚合物时的应用。
9. 在温度敏感的和/或可聚合的介质的情况下用于热传递的管束式 换热器，其特征在于， 一管束设置在一个基本上圆柱形的壳体(4)中， 该壳体具有一个或多个产品出口 (8)和一个或多个产品入口 (1)，在管 束的管中设置排挤棒(7、 ，10、 12、 15)，并且管束式换热器的至少一个 底部构成为平底(17)，以减少被产品填充的容积。
10. 按照权利要求9所述的在温度敏感的和/或可聚合的介质的情况 下用于热传递的管束式换热器，其特征在于，产品在平底(17)的凹部 中的停留时间在0.5秒和40秒之间。
全文摘要
本发明描述了一个用于加热对温度和停留时间敏感的产品的换热器，其能够以温和并快速的方式冷却或加热对温度敏感的和/或可聚合的产品。
文档编号F28D7/00GK101532792SQ200910007748
公开日2009年9月16日 申请日期2009年2月24日 优先权日2008年2月27日
发明者J·海德, O·皮肯埃克尔, R·卡洛夫 申请人:赢创罗姆有限责任公司