CS209453B2 - Heat exchanger for transfer of apparent and for latent heat - Google Patents

Description

(54) Tepelný výměník pro přestup zjevného a/nebo skupenského tepla

Vynálezem se řeší problém zjednodušení konstrukce tepelného výměníku při současném zvýšení jeho tlakové odolnosti . a přestupu tepla.

Uvedený problém je vyřešen tepelným výměníkem podle vynálezu, který sestává z dvojic vlnitých fólií, které vymezují průchody pro plyn a kapalinu. Ve zvlněních každé dvojice fólií jsou vytvořeny jemné záhyby, které se navzájem kříží a fólie jsou na těchto jemných záhybech navzájem pevně spojeny.

Tepelný výměník podle vynálezu lze použít ke zpětnému získávání tepla v klimatizačních zařízeních a v řadě dalších aplikací.

Vynález se týká tepelného- výměníku propřestup zjevného ' a/nebo- . skupenského tepla - mezi plynnou a - kapalnou látkou, které nuceně procházejí příslušnými skupinami průchodů oddělenými od sebe fóliemi, které jsou opatřeny výstupky, . s výhodou zvlněními. Fólie vymezují průchody pro kapalinu, které jsou . opatřeny přívodem a odvodem pro kapalinu a jsou odděleny od průchodů pro plyn. Jednotlivé průchody prokapalinu .jsou na svých obvodech -s výhodou neprodyšně utěsněny.

Obdobný známý tepelný výměník je popsán v popisu vynálezu k USA patentu číslo 3 661 203. Jde o- desky tepelného- výměníku, ve kterých jsou vytvořena stromečkově uspořádaná zvlnění. Desky jsou uspořádány ve dvojicích tak, - že zvlnění desek - jedné dvojice se kryjí, zatímco zvlnění desek sousedních dvojic jsou na sebe kolmá. Zvlněné desky - - - Jedné dvojice - vymezují úzké průchody pro první médium, zatímco - mezi sousedními dvojicemi desek zůstávají širší průchody pro druhé médium. Ve hřebenech zvlnění jsou vytvořeny -příčné prolisy, které zvyšují průtočný odpor úzkých průchodů a vymezuj vzájemnou vzdálenost - desek jedné dvojice.

Nedostatek popsaného - uspořádání spočívá v tom, že stromečkově uspořádaná zvlnění se snadno zanášejí a nedostatečná pevnost desek ve - - dvojicích nedovoluje - zvýšení tlaku -média - proudícího průchody mezi deskami jedné dvojice.

Uvedené nedostatky odstraňuje tepelný výměník pro přestup . ' zjevného a/nebo skupenského tepla - mezi plynem a kapalinou, které proudí - skupinami průchodů oddělených vlnitými fóliemi, přičemž zvlnění lichých a sudých dvojic fólií probíhají vždy rovnoběžně, a tvoří tak průchody pro kapalinu s konstantní - šířkou a rozšířené průchody pro plyn s - proměnnou šířkou - .protože zvlnění dvojic - fólií se zde navzájem kříží, jehož podstata - spočívá podle vynálezu v tom, že ve zvlněních každé dvojice fólií, vymezujících průchody pro kapalinu, jsou vytvořeny jemné záhyby, které se navzájem kříží.

Fólie vymezující průchody pro kapalinu jsou na jemných - záhybech navzájem - pevně spojeny. Jemné - záhyby jsou uspořádány ve dvou rovnoběžných soustavách, které svírají ostré úhly s hřebeny zvlnění.

Na zvlněních jsou u okrajových hran, ve kterých jsou fólie - vymezující průchody pro kapalinu spojeny, - -vytvořena zkosená zploštění a průchody pro plyn vymezené sousedními dvojicemi - fólií jsou nejméně na dvou protilehlých okrajových hranách otevřeny.

Spoj dvojice fólií je - - na dvou protilehlých stranách fólií vlnitý a fólie jsou na straně průchodů pro- plyn opatřeny povlakem s hygroskopickými vlastnostmi.

Nový a vyšší účinek vynálezu spočívá v tom, že tepelník - - má - široké průchody provzduch, což - je - výhodné - z - hlediska zamezení zanášení a snadného čištění.

Konstrukce tepelného- výměníku podle vynálezu je přes - - velké průchody pro plyn kompaktní a dovoluje použití součástí vyrobených - z materiálu o- nízké tepelné vodivosti.

Další výhodou konstrukce tepelného výměníku podle vynálezu je jeho vysoká kapacita a účinnost, při současné - jednoduchosti a levné výrobě.

Další výhoda konstrukce tepelného výměníku podle vynálezu spočívá - v -tom, že tepelný výměník odolává poměrně vysokému tlaku kapaliny v průchodech pro kapalinu, - aniž by došlo k deformacím, které by porušily průběh proudění, a to i v případě, kdy tloušťka fólií je malá.

Vynález umožňuje dimenzovat šířky průchodů pro -kapalinu a pro plyn s ohledem na velké rozdíly v hodnotách měrného- tepla těchto látek. Průchody pro kapalinu jsou ve srovnání s průchody pro plyn úzké, což však- nebrání tomu, aby bylo zajištěno rozložení proudění kapaliny po· celém povrchu fólií. Plochy přestupu tepla na - straně plynu- a na straně kapaliny jsou přibližně stejné2 a fólie oddělující průchody pro plyn - od průchodů pro - kapalinu - , mohou - být tenké.

Podstata vynálezu bude v dalším objasněna na příkladech jeho provedení, které jsou popsány pomocí - výkresů, které znázorňují na obr. 1 perspektivní pohled na část tepelného výměníku podle vynálezu, obr. 2 ve značně zvětšeném měřítku perspektivní pohled na dvě fólie, které vymezují průchod pro kapalinu, obr. 3 boční pohled na tepelný výměník, obr. 4 ve zvětšeném - měřítku řez tepelným výměníkem z obr. 3 v rovině IV—IV, a obr. 5 a 6 perspektivní - pohledy na hrany fóliového prvku tvořícího průchod pro kapalinu, ve dvou provedeních.

Na - - obr. 1 jsou znázorněny dvojice 10 fólií 14, 16, na kterých jsou vytvořena zvlnění 18 o poměrně značné hloubce, -například - od 5 mm - do 15 až 25 mm. Zvlnění -18 ’ na obou fóliích - 14, 16 ' probíhají souběžně a zapadají do sebe -tak, - že mezi fóliemi 14, 16 je vymezen průchod 20 pro kapalinu, který má přibližně stejně zvlněný profil jako vlastní fólie 14, 16. Fólie 14, 16 jsou dále opatřeny jemnými záhyby 22, 24, což je podrobněji znázorněno na obr. 2 a je patrné -také na obr. 5 a 6.

Hloubka a rozteč jemných záhybů 22, 24 představuje pouze malou část odpovídajících rozměrů zvlnění 18. . Jestliže Je tedy hloubka zvlnění 18 12 mm, je hloubka jemných záhybů 22, 24 s výhodou nejvýše 1 až 2 mm. Hloubka jemných záhybů 22, 24 Je s výhodou v rozmezí -od 0,5 do 3 mm, nebo ne více než jedna čtvrtina až třetina hloubky uvlnění- 18. Šířka - průchodů 20 pro kapalinu se volí malá, což má na straně plynu příznivý vliv na snížení odporu proudění, přičemž úzké průchody 20 pro kapalinu ma209453 jí dostatečný odpor pro proudění kapaliny, což zajišťuje dostatečné rozložení proudění kapaliny.

Jedním z důvodů použití jemných záhybů 22, 24 je jejich využití jako distančních prvků, které udržují požadovanou vzájemnou vzdálenost fólií 14, 16. Jemné záhyby 22, 24 také výrazně přispívají ke zvýšení tuhosti fólií 14, 16, což umožňuje, že fólie 14, 16 odolávají poměrně vysokému vnlitrnímu tlaku v průchodech 20 pro kapalinu, aniž by přitom došlo ke změnám rovnoměrné ' šířky těchto· průchodů 20 pro kapalinu v tepelném výměníku, což má značný význam z hlediska zajištění rovnoměrného· rozložení a průtokové rychlosti kapaliny v úzkých průchodech 20 pro kapalinu.

Jemné záhyby 22, 24 probíhají jako souvislé hřebínky ve dnech a po úbočích zvlnění 18, s výhodou také po· hřebenech těchto· zvlnění 18. Ve znázorněném provedení se jemné záhyby 22, 24 navzájem kříží, přičemž na nejméně jedné z fólií 14, 16 svírají s hřebeny zvlnění 18 ostrý úhel, což je důležité, mají-li fólie 14, 16 na sebe přiléhat v místech křížení jemných záhybů 22, 24 a současně umožňovat volný průchod kapaliny ve všech směrech.

Možnost proudění kapaliny všemi směry je zvláště důležitá u provedení znázorněného na obr. 3, kde musí být umožněno·, aby kapalina mohla proudit jak rovnoběžně, tak i kolmo a v jakémkoli úhlu vůči směru proudění vzduchu.

Fólie 14, 16 mohou být zásluhou své konstrukce vyrobeny z tenkého materiálu, například umělé hmoty nebo hliníku, a mohou přitom přesto odolávat působení značného vnitřního tlaku v průchodech 20 pro kapalinu. Tloušťka fólií 14, 16 z umělé hmoty může být například v rozmezí několika desetin mm až 1 mm nebo více. Tuhost fólií 14, ' 16 dosažená popsanou konstrukcí se dále podstatně zvýší, jestliže jsou jemné záhyby 22, 24 dvojic 10 v bodech 26 navzájem spojeny [obr. 2). Tohoto spojení se s výhodou dosáhne nanesením rozpouštědla nebo lepidla na vrcholy jemných záhybů 22, 24. Tímto způsobem dosáhne dvojice 10 tuhosti dostačující k tomu, aby odolávala · působení vnitřního tlaku 50 000 Pa a více, aniž by došlo k deformacím, které by znatelně změnily vzdálenost mezi dvěma fóliemi 14, 16 tvořícími dvojici 10.

Zvlnění 18 fólií 14, 16 jsou na straně kapaliny souběžná a souhlasná, zatímco zvlnění 18 kterýchkoli dvou sousedních dvojic 10 tvořících průchod 28 pro· plyn se navzájem křižují. Zvlnění 18 svírají se směrem proudu vzduchu ostrý úhel, což je · zřetelněji patrné na obr. 3. Tento úhel může být v rozmezí od 15 do 30°, popřípadě až do 90°. Jestliže všechny dvojice 10 fólií 14, 16 mají stejnou konstrukci, dosáhne se křížení střídavým otočením dvojic 10 o 180°. Dvojice 10 na sebe navzájem přiléhají v průsečících zvlnění 18. Vzálenost mezi dvěma fó liemi 14, 16 vymezujícími průchod 23 pro plyn se v důsledku toho ve všech směrech mění od nuly do dvojnásobku hloubky zvlnění 18, což vytváří příznivé podmínky pro přestup tepla mezi plynem a · povrchem fólie 14, 16. Jestliže je tedy hloubka zvlnění 18 12 mm, jak již bylo uvedeno, mění se šířka průchodů 23 pro plyn v rozmezí od 0 do 24 mm, což představuje průměrnou šířku 12 mm.

Jemné záhyby 22, 24 jsou přirozeně patrné také na straně plynu, jejich vliv na šířku průchodů 28 pro plyn je však nevýrazný. Na straně kapaliny však tyto jemné záhyby 22, 24 určují šířku průchodů 20 pro kapalinu. Jestliže je tedy hloubka jemných záhybů 22, 24 2 mm, bude se šířka průchodů 20 pro· kapalinu měnit od 0 do 4 mm se střední hodnotou 2 mm. Protože tlak plynu, například vzduchu, uvnitř průchodů 28 pro plyn je zanedbatelný, mohou dvojice 10 na sebe navzájem v průsečících zvlnění 18 pouze přiléhat, ačkoli i v tomto případě by bylo možno fólie 14, 16 navzájem pevně spojit.

Průchody 28 pro- plyn jsou otevřené, aby plyn, například vzduch, mohl procházet celým vnitřkem soustavy fólií 14, 16, což je na obr. 1 označeno šipkou 30. Při použití tepelných výměníků jako větracích výměníků bude zařízení sestávat ze dvou výměníků. Čerstvý venkovní vzduch je pomocí ventilátoru proháněn jedním výměníkem, zatímco zatuchlý vzduch zevnitř je proháněn druhým výměníkem. K výměně tepelného· obsahu dochází mezi těmito dvěma proudy vzduchu prostřednictvím kapaliny obíhající trubicemi, spojujícími průchody 20 pro kapalinu těchto dvou výměníků.

Průchody 29 pro kapalinu jsou při hranách neprodyšně utěsněny, takže dvě fólie 14, 16 tvořící jednu dvojici 10 jsou spolu spojeny spojem, který je pro kapalinu nepropustný. Tento spoj může být proveden tak, že okrajové hrany 32 · obou fólií 14, 16 nejsou vlnité, nýbrž ploché, což umožňuje, aby okrajové hrany 32 těchto dvou fólií 14, 16 mohly být spolu spojeny svařením nebo slepením.

Aby se snížil tlakový gradient při vstupu plynu do průchodů 23 pro plyn a výstupu z těchto průchodů · 28 pro plyn, · mohou být na zvlněních · 18 v těchto místech vytvořena zkosená zploštění 34 — obr. 6. Je však samozřejmě možné, aby zvlnění 18 pokračovala až ke hraně, kde by byla spojena spojem 36 sledujícím profil zvlnění 18. V tomto případě je tlakový gradient při průchodu vzduchu kolem hran fólií 14, 16 dále snížen.

Všechny průchody 20 pro kapalinu jsou spojeny se společným přívodem 38 a odvodem 40. Dvojice 10 fólií 14, 16 jsou za tím účelem opatřeny kroužky 42 uspořádanými přesně nad sebou, jejichž středové otvory jsou souosé s přívodem, 38 a odvodem

40. Kroužky 42 tvoří distanční vložky, jejich axiální délka je rovna hloubce zvlnění 18. Fólie 14, 16 jsou opatřeny otvory pro kroužky 42 tak, že každá z fólií 14, 16 tvořících průchod 20 pro kapalinu přesahuje na jednu čelní stranu kroužku 42 a přiléhá na ni. Radiální otvory 46 'tvoří spojení mezi průchody 20 pro kapalinu a středovými otvory - 44 kroužků 42. ' Kroužky 42 mohou být na jedné čelní straně opatřeny středovými kuželovitými výstupky 48, které zapadají do odpovídajících středových kuželovitých vybrání 49 v druhé čelní straně, čímž je definováno vzájemné umístění a utěsnění kroužků 42.

Dvojice 10 musí být navzájem utěsněny tak, aby byly vodotěsné, čehož se dosahuje sevřením vnějších kroužků 42. V tomto případě se musí věnovat pozornost tomu, že kroužky 42 musí být -konstruovány tak, aby se tlačná síla přenášela jejich plochými čelními stranami a nikoli jejich kuželovitými výstupky 48, takže vložené fólie 14, 16 dvou sousedních fóliových prvků 10 jsou k sobě navzájem- přitisknuty. Mezi svírané fólie 14, 16 z umělé - hmoty je také možno vložit těsnění z jakéhokoli vhodného materiálu, například pryže.

Průchody 20 pro kapalinu jsou tedy pomocí kroužků 42 spojeny se společnou přívodní rozváděči trubicí a společnou výstupní sběrnou trubicí. První konce těchto trubic jsou spojeny s přívodem 38 a odvodem 40, zatímco druhé konce (nejsou znázorněny) jsou utěsněny. Aby se dosáhlo rovnoměrného rozdělení proudění kapaliny po celé ploše průchodů 20 pro kapalinu, a tedy optimálního přestupu tepla mezi kapalinou a plynem v průchodech 28 pro plyn, mohou být dvě fólie 14, 16 vymezující průchod 29 pro kapalinu navzájem spojeny ve švech 50 vybíhajících napříč fóliemi 14, 16 z protilehlých hran, přičemž v těchto švech 50 mohou být mezery 54, to jest nespojená místa fólií 14, 16. Kapalina potom mezi přívodem 38 a odvodem 40 proudí po klikaté dráze 52 — obr. 3. Mezery 54 umožňují únik vzduchu z prostoru mezi švy 50 a odvod vzduchu zachyceného- popřípadě mezi těmito švy 50.

Dráha 56, po které kapalina proudí a na níž dochází k opakovanému navzájem kolmému styku proudění, přispívá k dosažení stavu, který se podobá protiproudému styku kapaliny a vzduchu.

Kapalinou může být voda, do- které může být přidána nemrznoucí přísada, jestliže výměník má být provozován při nízkých teplotách plynu, například při teplotách venkovního vzduchu.

Vynález samozřejmě není omezen na znázorněné provedení, ale může být v . rámci základní myšlenky v mnoha směrech modifikován. Tepelný výměník se může například použít také v chladicích věžích, to jest pro ochlazení vody pomocí proudu vzduchu, jakož i v klimatizačních zařízeních. V tomto případě mohou být - stěny - průchodů 28 pro plyn známým způsobem opatřeny povrchem absorbujícím vodu, který při občasném přívodu vody zůstává vlhký. Při proudění vzduchu průchody 28 pro plyn se voda odpařuje, takže váže teplo a ochlazuje kapalinu nebo vodu proudící v průchodech 20 pro kapalinu. V - chladném období roku může potom· být tepelný výměník provozován jako tak zvaná suchá chladicí věž, to jest bez přívodu vody do průchodů 28 pro plyn. Chladicí věž pracující tímto způsobem má zvláštní výhodu spočívající v tom, že ohřátý vzduch, opouštějící průchody 28 pro plýh, není zakalen mlhou, neboť nedochází - ké změně jeho- absolutní vlhkosti. Tepelné výj měníky mohou být konstruovány také prd vysoušení plynu, například vzduchu. Stěny průchodů 28 pro plyn jsou v tomto případě opatřeny vrstvou s hygroskopickými vlastnostmi. Tato vrstva má s výhodou absorpční vlastnosti a je napuštěna hygroskopickou kapalinou, například roztokem chloridu lithného. Při průchodu vlhkého vzduchu průchody 28 pro plyn je část vlhkosti, nacházející se v tomto - vzduchu, zachycena hygroskopickou látkou, současně může být řízena teplota vzduchu, to jest může být - kapalinou protékající průchody 20 pro kapalinu snížena. Za účelem regenerace hygroskopické látky, to jest vypuzení zachycené vlhkosti, se občas do průchodů 20 pro - kapalinu pouští horká kapalina, například voda, která hygroskopickou vrstvu vysuší. --V zájmu dosažení dostatečného- vysušení - musí proud vzduchu proudit průchody 28 přó plyn při sušení v opačném směru než proud vzduchu odevzdávající vlhkost a musí být vypouštěn do atmosféry nebo do srážníkú.

Z hlediska termodynamického- provedení popsaných dvou zařízení — odpařováním chlazené chladicí věže a vypouštěčky —- - je velmi důležité, že fólie 14, 16 oddělující průchody 20 pro kapalinu od průchodů - 28 pro plyn, mají malý odpor pro průchod tepla, neboť množství tepla přenášeného ' ’ - --v těchto aplikacích je podstatně - větší než množství tepla přenášeného větracími výměníky. ’

Zvláště důležité je, že tepelný odpor - fólií 14, 16 nepřekračuje podstatně tepelný přestupní odpor mezi plynem a povrchem fólií 14, 16. 3

Proudy plynu a kapaliny mají být 'samozřejmě odděleny. V některých případech však není nutné utěsňovat průchody 20' pro kapalinu v - jednotlivých dvojicích 10 'na všech stranách, nýbrž tyto průchody 20 pro kapalinu v jednotlivých dvojicích 10 .' na což umožňuje, aby jimi voda protékala svisle dolů, zatímco- vzduch prochází průchody 28 pro plyn ve vodorovném směru, aniž - by přišel ve styk s vodou.

Dává -se přednost vlnitému nebo do - zátiybý skládanému tvaru fólií 14, 16, ačkoli··- - je možné na fóliích 14, 16 vytvořit také vý209453 pouklá místa, například kulovitě vyvýšená místa, která jsou po povrchu fólií 14, 16 rozmístěna takovým způsobem, že dvojice 10 fólií 14, 16 mohou tvořit průchody 20 pro kapalinu, zatímco vyvýšená místa na straně plynu způsobují turbulentní proudění plynu a slouží jako distanční vložky na straně plynu. Na obr. 3 je zřetelně patrné, že plyn v průchodech 28 pro plyn prochází podél švů 50, kde jsou zvlnění 18 stejně jako ve zkosených zploštěních 34 — obr. 6 — zkosena, což eliminuje tlakové ztráty v proudu plynu.

Claims (6)

1. PŘEDMĚT vynálezu

   1. Tepelný výměník pro přestup zjevného a/nebo skupenského tepla mezi plynem a kapalinou, které proudí skupinami průchodů oddělených vlnitými fóliemi, přičemž zvlnění lichých a sudých dvojic fólií probíhají vždy rovnoběžně, a tvoří tak průchody pro kapalinu s konstantní šířkou a rozšířené průchody pro plyn s proměnnou šířkou, v nichž se zvlnění dvojic fólií navzájem kříží, vyznačující se tím, že ve zvlněních (18) každé dvojice (10) fólií (14, 16), vymezujících průchody (20) pro kapalinu, jsou vytvořeny jemné záhyby (22, 24), které se navzájem kříží.
2. 2. Tepelný výměník podle bodu 1, vyznačující se tím, že fólie (14, 16), vymezující průchody (20) pro kapalinu, jsou na jemných záhybech (22, 24) navzájem pevně spojeny.
3. 3. Tepelný výměník podle bodů 1 nebo 2, vyznačující se tím, že jemné záhyby (22,

   24) jsou uspořádány ve dvou rovnoběžných soustavách, které svírají ostré úhly s hřebeny zvlnění (18).
4. 4. Tepelný výměník podle bodů 1 a 3, vyznačující se tím, že na zvlněních (18) jsou u okrajových hran (32), ve kterých jsou fólie (14, 16) vymezující průchody (20) pro kapalinu spojeny, vytvořena zkosená zploštění (34) a průchody (28) pro plyn, vymezené sousedními dvojicemi (10) fólií (14, 16), jsou nejméně na dvou protilehlých okrajových hranách (32) otevřeny.
5. 5. Tepelný výměník podle bodů 1 a 3, vyznačující se tím, že spoj (36) dvojice (10) fólií (14, 16) je na dvou protilehlých stranách fólií (14, 16) vlnitý.
6. 6. Tepelný výměník podle bodů 1, 2, 4 a 5, vyznačující se tím, že fólie (14, 16) jsou na straně průchodů (28) pro plyn opatřeny povlakem s hygroskopickými vlastnostmi.