Nachrüstung von bestehenden Wärmeaustauschern mit statischen Mischern

Rohrwärmeaustauscher (Rohrbündel- oder Doppelrohrwärmeüberträger) werden mit statischen Mischelementen bestückt, zur thermischen schonenden Wärmebehandlung von hochviskosen Flüssigkeiten.
Die Nachrüstung von bestehenden Wärmeaustauschern mit statischen Mischern ist ebenfalls ohne Probleme möglich. Statische Mischer werden so konstruiert, dass sie einem Produktstrom homogene physikalische und chemische Produkteigenschaften verleihen.

Problem: Bei herkömmlichen Wärmeaustauschern führen die durch Abkühlung oder Erhitzung hervorgerufenen Temperaturunterschiede und Viskositätsänderungen innerhalb des Produktstromes zu einer Tunnelbildung, durch erstarren des Produktes an der Austauschfläche. Folglich ergibt sich eine andere Fließgeschwindigkeit und eine gestörte Wärme- / Kälteübertragung. Da bei hochviskosen Fluiden laminare Strömung vorliegt, sind keine radialen Strömungskomponenten vorhanden.
Das Problem besteht im Bereich der Rohrwandung: Der Schaden entsteht am Produkt, es kommt zur Verkrustung bzw. Erstarrung (einfrieren) des Produktes an der Austauschfläche und Produktschädigung bis hin zur Verstopfung der Wärmeaustauscherrohre. 
Im Bereich der Rohrmitte wird beim Abkühlen/Aufheizen des Produktes die erforderliche Temperatur nicht erreicht, es entstehen große Temperaturgradienten über den Rohrquerschnitt.
Anhand des Beispiels "Kühlen von Schokoladenmasse" mittels Rohrwärmetauscher ohne Mischereinbauten wird das Problem in der folgenden Abbildung dargestellt:

Abb. 1:    Tunneleffekt mit Verkrustungen an der Rohrwand im    herkömmlichen Wärmeaustauscher

Die Schokoladenmasse würde an der Rohrwandung erstarren und eine zunehmend dicke feste Schicht der Schokolade an der Rohrwandung bilden.
Diese feste Schicht wirkt dann isolierend, so das, dass im Rohrzentrum in dem nun reduzierten Rohrquerschnitt strömende Produkt nur noch geringfügig gekühlt oder geheizt werden kann.

Abb. 2: Darstellung der Strömungsprofile

Lösung: Mit statischen Mischern kann dieses Problem erfolgreich gelöst werden.
Die (Abb.2) zeigt, dass die Verweilzeit des Produktes in einem Leerrohr durch die Reibkraft an der Rohrwandung im Außenbereich größer ist als im Kernbereich des Produktstromes.
Durch die Radialmischwirkung, wiederholte Stromteilungen und Drehrichtungsumkehr der Mischelemente wird das Produkt von der Rohrmitte zur Rohrwandung und von der Rohrwandung zur Rohrmitte bewegt, somit wird dass Produkt in Richtung des Wärmeflusses bewegt.

Abb. 3: Statischer Mischer als Wärmetauscher

Durch das Nachrüsten von statischen Mischern in Wärmeaustauschern (Abb. 3) ergeben sich große Vorteile: Die Leistung des Wärmeübertrags wird gegenüber einem herkömmlichen Wärmeaustauscher um das bis zu 6-fache gesteigert, die durch die statischen Mischelemente hervorgerufene radiale Strömungsführung bewirkt eine produktschonende Wärmeübertragung. Temperatur- und Strömungsgradienten werden durch die radiale Produktstromführung über dem Rohrquerschnitt abgebaut, außerdem wird das Produkt sehr homogen vermischt.
Die Mischelemente gibt es als herausnehmbare oder als spaltfrei, mit dem Rohr nickelverlötete Ausführung. Bei beiden Ausführungen werden die Mischelemente beim Nachrüsten von Wärmeaustauschern den vorhandenen Rohr-Maßen angepasst.

Abb. 4: Darstellung der herausnehmbaren Ausführung

Bei der herausnehmbaren Ausführung wird die statische Mischerkette so ausgeführt, dass zwischen dem Rohr und dem Mischelement ein Spalt besteht, der im Betrieb kontinuierlich frei gespült wird. Z. B. durch das Verrunden (in der Abb. 4 dargestellt) der Mischelemente-Außenflächen wird dieser Effekt noch weiter begünstigt.
Die in der Lebensmittelverarbeitung wichtige Reinigungsfähigkeit der Anlagen/Rohrsysteme ist durch die herausnehmbare Gestaltbarkeit der Mischelemente und durch die gute Zugänglichkeit der Wendelmischelemente gewährleistet.

Abb. 5: Darstellung der nickelverlöteten Ausführung

Die Abbildung 5 zeigt den Querschnitt durch einen statischen Mischer zur Darstellung der nickelverlöteten Ausführung. Lotdepots, die in das Mischelement eingearbeitet werden, sorgen für ein gleichmäßiges Fließen und Verteilen des Nickellots, wodurch eine spaltfreie Verbindung der Mischelemente mit der Rohrwandung gewährleistet ist. Bei 1050 °C fließt das Nickellot aus dem Lotdepot in den Lotspalt. Dieser Lotspalt zwischen dem Mischelement und dem Produktrohr beträgt 0,04 mm.
In Verbindung mit oberflächenvergüteten Rohrinnenwandungen, z.B. durch Honen und/oder Polieren, das spaltfreie Nickelverlöten der Mischelemente mit der Rohrinnenwand und die optimale Gestaltung der An- und Abströmflächen, gewährleistet das Produktablagerungen praktisch ausgeschlossen werden können.
Dadurch wird der Reinigungsaufwand auf ein Minimum reduziert, bzw. gar nicht erforderlich, und ein homogenes Produkt erzeugt.

Folgende Oberflächenbeschaffenheiten der Mischelemente stehen zur Auswahl: Elektropolierte, mechanisch polierte, glasperlgestrahlte, gebeizte, emaillierte oder mit PTFE (oder anderen Kunststoffen) beschichtete Mischelemente.

Bei der Herstellung und Weiterverarbeitung von Nahrungsmitteln sind zum Beispiel hochviskose Produkte wie Käseschmelzen, Pasten, Soßen, Butter, Mayonnaisen, Joghurt und Schokoladenprodukte durch Wärme- oder Kältebehandlung zum Beispiel durch:
Homogenisieren, Pasteurisieren, Sterilisieren und Kühlen zu behandeln.

Abb. 6: Wärmetauscher mit ausbaubaren Wendel-Mischelementen

Die (Abb. 6) zeigt einen Wärmetauscher mit Wendel-Mischelementen. Der eingesetzte Haltering (totraumfrei gestaltet) dient als Anschlag für die herausnehmbaren Mischelemente. 

Zur totraumfreien Gestaltbarkeit ist der Wendelmischer besonders gut geeignet, da die Gestaltbarkeit der An- und Abstömflächen an die produktspezifischen Anforderungen auf verschiedene Art angepasst werden kann.
In (Abb. 7) sind Probleme bei standardmäßiger Gestaltung dargestellt. Pos. A: Gefahr eines Produktaufbaus auf der Anströmfläche bei starken Anpresskräften (produktspezifisches Problem). Pos. B: Gefahr von Produktablagerung in den Toträumen, da hier keine kontinuierliche Strömung vorherrscht.

Abb. 7: Problematik und Gestaltbarkeit der An- und Abströmflächen der Mischelemente

Des Weiteren zeigt die Abbildung 7 zwei Ausführungsbeispiele der An- und der Abströmfläche, um die Probleme des Produktaufbaus auf der Anströmfläche und der Produktablagerung in den Toträumen der Abströmfläche zu beseitigen. Die Außenkanten der Flächen sind gerundet bzw. schneidenförmig ausgeführt.
Produktschädigungen können somit an den Anströmflächen durch zu große Scherkräfte vermieden werden. An der Abströmfläche verhindern strömungsgünstige Formgebungen das Ablagern von Produkt. Produktablagerungen könnten sich mit fortlaufender Produktion wieder lösen und den Produktionsprozess negativ beeinflussen und/oder die Qualität des Produktes verschlechtern.
Neben der Ausführung der Mischelemente sichern die jeweils um 90° gegeneinander verdreht angeordneten Mischelemente mit abwechselnder Drehrichtung (rechtsdrehend, linksdrehend) eine totraumfreie Vermischung. Der Ausschluss von Toträumen verhindert das Ablagern von Produkt, wodurch eine gleichbleibende Qualität des Gesamtdurchsatzes gewährleistet ist.

Dipl.-Ing. Alexander Schmidt
U+A Process Engineering GmbH