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Schonende Erwärmung - homogenes Mischen

Wärmetauscher

Rohrwärmeaustauscher 

mit statischen Mischelementen bestückt zur thermischen schonenden Wärmebehandlung von hochviskosen Flüssigkeiten.

Die häufigsten Anwendungen ergeben sich im Bereich der nahrungsmittelverarbeitenden, chemischen und der polymer verarbeitenden Industrie.

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.

Bei der Herstellung von Folien, Platten, Profilen und Fasern aus  Werkstoffen wie Polypropylen, Acryl- ,Polyester-, Nylon- und Polyesterfasern, Cellulose-Fasern, extrudiertem PVC-C Polymer, Polyester, PE, PP und PES werden statische Mischer in Wärmetauschern, zum Abbau von Temperaturgradienten und zum homogenen Einmischen von Farbstoffen, eingesetzt.

Beim Einsatz von Koaxialrohr– und Rohrbündelwärmeaustauschern, müssen in den genannten Industriebereichen bei vielen Herstellungsprozessen hochviskose Fluide erwärmt werden, um chemische und oder physikalische Umsetzungen zu realisieren.

Es können verschiedene Typen statische Mischer eingesetzt werden. Welcher Typ für die jeweilige Anwendung der geeignete ist, hängt von den Einbau-, Betriebs-, Reinigungs- und Energiebedingungen des Anlagenbetreibers ab. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit verschiedene statische Mischertypen miteinander zu kombinieren und somit Synergieeffekte zu erzielen.

So kann zum Beispiel bei der Aufgabenstellung, schnelles homogenes vermischen verschiedener Flüssigkeiten mit nachfolgender Wärmebehandlung, wie folgt hervorragend gelöst werden:

Die reine Mischaufgabe wird zunächst vom statischen Mischer Typ MX übernommen.

Vorteil: Intensives homogenes Vermischen in kürzester Zeit auf kurzer Baulänge. Jedoch mit sehr hohem Druckverlust, daher nicht für die gesamte Wärmeaustauschstrecke geeignet. 

Die lange Rohrstrecke, die zum Wärmeaustausch erforderlich ist, wird mit dem statischen Mischer Typ Wendel aufgefüllt.

Vorteil: Gute Radialvermischung zum Abbau ( bzw. Entstehungsverhinderung ) von  Temperaturgradienten bei gutem Wirkungsgrad. (Geringster Druckverlust.)

 

Anwendungsfälle:

  • Polyester auf 290 °C kühlen mittels Thermoöl.
  • Polymere begleitbeheitzen und homogenisieren nach dem extrudieren.
  • Paraffin kühlen mittels Wasser.
  • Butter kühlen mittels Wasser.
  • Ketchup / Gemüsepasten erwärmen mittels Dampf.? Wärmetauscher? oder Injektor?
 
 

Problem:

Da bei hochviskosen Fluiden laminare Strömung vorliegt, wodurch das Problem entsteht, dass keine radialen Strömungskomponenten vorhanden sind, besteht die Gefahr der thermischen Produktschädigung im Bereich der Rohrwandung, dies führt zu Verkrustungen der Austauschflächen und Produktschädigung bis hin zur Verstopfung der Wärmeaustauscherrohre.

Im Bereich der Rohrmitte wird beim aufheizen des Produktes die erforderliche Temperatur nicht erreicht, es entstehen große Temperaturgradienten über den Rohrquerschnitt.

Beispiel | Paraffin kühlen mittels Rohrwärmetauscher ohne Mischereinbauten.

Das Paraffin würde an der Rohrwandung erstarren und eine zunehmend dicke feste Schicht Paraffins 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 werden kann.  Mittels statischer Mischer wird dies Problem unterbunden.

Lösung:

Mit statischen Mischern wird dieses Problem erfolgreich gelöst. Durch die Radialmischwirkung, wiederholte Stromteilungen und Drehrichtungsumkehr der Mischelemente wird das Produkt von der Rohrmitte zur Rohrwandung und von der Rohrwandung zur Rohrmitte bewegt, so das, dass Produkt in Richtung des Wärmeflusses bewegt wird.

Somit können Temperaturgradienten abgebaut und Produktanbackungen an der Rohrwand vermieden werden, außerdem wird das Produkt sehr homogen vermischt.

Weitere Optimierung der Wärmeaustauscher ergeben sich durch: 

  • Einsatz von Koaxialrohrwärmeaustauschern. Durch hintereinanderschalten von verschiedenen Heiz- oder Kühlmodulen  können die Produkte einer präzise geführten Wärmebehandlung unterzogen werden.
  • Einbau von spaltfreien Mischelementen d.h. die Mischelemente stehen in direktem Kontakt mit der Rohrwand dies wird durch Nickelverlöten der Mischelemente mit der Rohrwand, oder einschrumpfen erreicht. Das Produkt kann daher nicht zwischen den Mischelementen und der Rohrwandung strömen ( keine Leckströmung).
  • Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche durch statische Mischer. Die bei den statischen Mischern vorhandenen Kontaktflächen dienen als Heiz-, Kühlrippen dem Wärmetransport.
  • Der Wärmeübergang kann mittels statischer Mischer je nach Produkteigenschaften um das 4-8 fache verbessert werden.

Heißwasserstation

Unsere Heißwasserstation empfiehlt sich überall da, wo ein Produktstrom in einer Rohrleitung innerhalb kürzester Zeit größtmöglich erhitzt werden soll.

Diese bietet U+A Kundenspezifisch mit definiertem Leistungsumfang und kompletter Regeleinrichtung mit und ohne Hilfsenergie an.

Die Heißwasserstation besteht aus mehreren Dampfinjektoren, einem Regelthermostat, einem Stellventil wahlweise ohne oder mit Hilfsenergie sowie den notwendigen Verbindungen und Anschlüssen.

Als komplette Einheit ist die Heißwasserstation bis zu einem Nenndurchmesser von 250 mm lieferbar, Sonderanfertigungen sind aber möglich.

Diese Baugruppe arbeitet, nach der Installation in die Anlage, völlig autark und ist nicht auf Energiezufuhr von außen, abgesehen von dem Dampf, angewiesen.

Trotz der Bezeichnung „Heißwasserstation“ können selbstverständlich auch andere geeignete Medien aufgeheizt werden. Die Anzahl und die Baugröße der Dampfinjektoren wird in Abhängigkeit der Anforderungen, bezüglich der Durchflussmenge und der zu erreichenden Temperatur, individuell bestimmt.

Durch die Verbindung der Heißwasserstation mit der Regeleinrichtung lässt sich die zu erreichende Temperatur, bis ca. 220°C, sehr genau einstellen.

Bei der Ausführung  ohne Hilfsenergie ergeben sich weitere Vorteile,

da hier der Regelthermostat und das Stellventil ohne Hilfsenergie arbeiten ist eine Beeinflussung, z.B. durch Spannungsspitzen,  der  Messwerte nicht zu befürchten. Auch teure und, gerade bei hohen Temperaturen, anfällige Verkabelungen zu Schaltschränke entfallen.

Bei der Regeleinrichtung finden Gusswerkstoffe und Edelstähle Verwendung. Die Dampfinjektoren bestehen aus Stählen oder Edelstählen. Weitere Werkstoffe, wie z.b. Hasteloy, PTFE und Nickel, können bei Bedarf eingesetzt werden. Für abrasive Medien kann die Innengarnitur emailliert oder mit besonders gut geeigneten Spezialbeschichtungen versehen werden.

Durch die geringen Folgekosten amortisieren sich die Investitionen in Dampfinjektoren oder Heißwasserstationen wesentlich schneller als andere Verfahren. 

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Wärmetauscher

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Wärme­tauscher

Prozess-Daten

PRODUKT

Temperatur [°C]
* Bei mittlerer Temperatur

Prozess-Daten

WÄRMETRÄGER

Temperatur
* Bei mittlerer Temperatur

Verlauf der Viskosität


Produkt Viskosität [Pa.s] bei jew. Temperatur


Ausführung

Wärmetauscher - Statische Mischer von U & A GmbH
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Injektor

Bei Kreislauf:

Heizdampf

Werkstoff

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Statische Mischer

Komponente 1

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Durchsatz in [m³/h]

Komponente 2

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Durchsatz in [m³/h]

Komponente 3

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Durchsatz in [m³/h]

Mischung

Durchsatz in [m³/h]

Mischergebnis

Betriebsbedingungen und Ausführung

MX Mischer - Statische Mischer von U & A GmbH
Kunststoff - Mischer
Zeichnung - Statische Mischer von U & A GmbH
Stahl - Mischer mit Reduzierung