CS219973B1

CS219973B1 - Recuperative heat exchanger

Info

Publication number: CS219973B1
Application number: CS351181A
Authority: CS
Inventors: Petr Moravek
Original assignee: Petr Moravek
Priority date: 1981-05-13
Filing date: 1981-05-13
Publication date: 1983-03-25

Abstract

Rekuperační výměník tepla se týká recyklace odpadního tepla při větrání. Jeho účelem je zjednodušení konstrukce, snížení hmotnosti a ceny současných deskových kovových výměníků. Jeho podstatou je, že průtokové kanálky probíhají v rovině jednotlivých desek v inverzních křivkách. Tenkostěnné desky jsou vytvořeny z nekovových hmot s jednostrannými nebo oboustrannými žebry a mezilehlými fóliemi. Ve variantě jsou desky s velmi nízkou ohybovou tuhostí profilovány do vlnovek s vyztuženými obrubami. Těsnění jednotlivých sekcí modulů desek je vloženým tyčovým profilem nebo slepením obrub z čel, nebo po obvodě obrub.The heat recovery exchanger concerns the recycling of waste heat during ventilation. Its purpose is to simplify the design, reduce the weight and price of current plate metal exchangers. Its essence is that the flow channels run in the plane of individual plates in inverse curves. Thin-walled plates are made of non-metallic materials with single-sided or double-sided ribs and intermediate foils. In a variant, plates with very low bending stiffness are profiled into corrugated lines with reinforced edges. The sealing of individual sections of the plate modules is by an inserted bar profile or by gluing the edges from the ends, or around the perimeter of the edges.

Description

Vynález řeší deskový rekuperační výměník pro zpětné získávání tepla z odpadního vzduchu při větrání a teplovzdušném vytápění halových objektů průmyslové a zemědělské výstavby.The invention solves a plate heat recovery exchanger for recovering heat from exhaust air during ventilation and hot-air heating of industrial and agricultural buildings.

Současné efektivní deskové rekuperační výměníky tepla systému „vzduchu—vzduch“ se navrhují převážně jako sendvičové konstrukce, sestávající z paralelních oddělujících desek a mezilehlých desek, tvarovaných pro účinný přenos tepla do hustě zvlněných žeber. Vysoce výkonné výměníky se navrhují s vysokou plošnou hustotou žeber, s nízkými hydraulickými průměry, případně s prolisováním průtokových kanálů do vírových buněk pro zvýšení turbulizace proudění. Tenkostěnná žebra i desky výměníků je nutno navrhovat z kovů s vysokou tepelnou vodivostí a odolností proti korozi. Pro dokonalý přestup tepla mezi jednotlivými vrstvami musí být desky se žebry dokonale vzájemně spájené. Výměníky jsou poměrně drahé, těžké a vysoce náročné z hlediska výrobní pracnosti a spotřeby deficitních barevných kovů se značnou energetickou výrobní náročností. Při prostorovém sestavení výměníků do vícestupňových celků jsou z hlediska výroby obtížné boční směrové uzávěry vrstev kolmých na směr proudění a přechodové tvarovky vnitřní nebo vnější, pro změnu směru proudění o 90° nebo o 180°. Problematické je čištění kompaktních nerozebíratelných výměníků v prašném a aerosolovém prostředí průmyslových provozů. Výměníky krabicové konstrukce jsou výrobně ještě náročnější a jejich čištění je prakticky nemožné. Hydraulické odpory a celkové tlakové ztráty vysoce výkonných výměníků, pro používané rychlosti proudění vzduchu, dále značně narůstají u složitých vícestupňových konstrukcí výměníků, s nezbytnými náhlými změnami směrů průtokových kanálků.Current efficient air-to-air heat recovery plate heat exchangers are designed primarily as sandwich structures, consisting of parallel separating plates and intermediate plates, shaped to efficiently transfer heat to densely corrugated fins. The high-performance heat exchangers are designed with high areal density of ribs, low hydraulic diameters, and possibly with flow channels into vortex cells to increase flow turbulization. Thin-walled fins and heat exchanger plates must be made of metals with high thermal conductivity and corrosion resistance. For a perfect heat transfer between the layers, the fin plates must be perfectly soldered to each other. Exchangers are relatively expensive, heavy and highly demanding in terms of manufacturing effort and consumption of deficit non-ferrous metals with considerable energy production demands. In the spatial assembly of heat exchangers into multistage units, lateral directional closures of the layers perpendicular to the direction of flow and transition fittings internal or external are difficult to manufacture to change the direction of flow by 90 ° or 180 °. The cleaning of compact non-removable exchangers in dusty and aerosol environments of industrial plants is problematic. Box-type heat exchangers are even more demanding in terms of production and are virtually impossible to clean. The hydraulic resistances and total pressure losses of the high-performance exchangers for the air flow rates used are further increasing considerably in complex multi-stage exchangers, with the necessary sudden changes in flow channel directions.

V porovnání se systémy kapalinových výměníků s oběhovými čerpadly a náplní nemrznoucí směsí jsou deskové výměníky výhodnější z hlediska pořizovacích i provozních nákladů. Efektivní systémy rekuperátorů z gravitačních tepelných trubic jsou, přes své nesporné výhody v jednoduchosti provedení, náročnější z hlediska spotřeby deficitních kovů a problematické hygienicky při porušeni těsnosti trubic s náplní čpavku nebo freonů. Výměníky regenerativního typu pro přenos citelného i latentního tepla jsou při vysoké účinnosti poměrně složité a nezabraňují nežádoucí kontaminaci čerstvého vzduchu v prostředí se zvýšenými nároky na čistotu ovzduší. Výše uvedené systémy jsou však hospodárné pouze pro centrální větrací systémy se značnými průtoky vzduchu, což omezuje jejich použitelnost pro efektivní decentralizované systémy, zaváděné dnes pro racionální oblastní úpravu mikroklimatu průmyslových objektů, případně pro jednoduchou adaptaci na stávající teplovzdušné systémy.In comparison with liquid exchanger systems with circulation pumps and antifreeze, plate heat exchangers are more cost-effective. Effective heat recovery systems from gravity heat tubes are, despite their indisputable advantages in simplicity of design, more demanding in terms of consumption of deficient metals and problematic in terms of hygiene in breakage tightness of ammonia or freon-filled tubes. Regenerative-type heat exchangers for transferring both sensible and latent heat are relatively complex at high efficiency and do not prevent unwanted contamination of fresh air in environments with increased air purity requirements. However, the above systems are only economical for centralized ventilation systems with high airflows, which limits their applicability to efficient decentralized systems introduced today for the rational regional adaptation of industrial microclimate, or for simple adaptation to existing hot-air systems.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje deskový rekuperační výměník tepla, skládaný ze soustavy paralelních profilovaných tenkostěnných desek z nekovových hmot, jehož podstatou je, že průtokové kanálky probíhají v rovině desek v křivkách s proměnnou křivostí, přičemž průběh kanálků po délce modulu desek je po výšce vrstev vzájemně inverzní. Jednotlivé desky jsou tvářeny jako rovinné s jednostrannými žebry, nebo oboustrannými žebry s mezilehlou dělicí fólií. Desky přímo profilované do vlnovek s nízkou ohybovou tuhostí vln jsou opatřeny vyztuženým obvodovým žebrem, jehož výška je nižší vůči vlnám desek. Jednotlivé sekce modulů desek jsou vzájemně těsněny proti směšování obou proudů vzdušiny, vkládaným profilem do prolisů v obvodových žebrech, nebo lepením styčných, případně ložných spár mezi obrubami, přičemž žebra nebo vlny zůstávají v ploše desek nespojená.The above mentioned drawbacks are eliminated by a plate heat recovery exchanger, consisting of a system of parallel profiled thin-walled plates made of non-metallic materials, whose principle is that the flow channels run in the plane of the plates in curves with variable curvature. . The individual plates are formed as planar with one-sided ribs or double-sided ribs with an intermediate separating foil. The plates directly profiled into wavy lines with low bending stiffness are provided with a reinforced circumferential rib whose height is lower relative to the waves of the plates. The individual sections of the plate modules are sealed to each other against mixing of both air streams, by an inserted profile into the embossments in the circumferential ribs, or by gluing joints or bed joints between the skirts, while the ribs or waves remain unconnected in the plate surface.

Rekuperační výměník sestavený z tenkostěnných profilovaných desek z umělých hmot, s libovolnou tepelnou vodivostí použitého materiálu je v porovnání s běžnými kovovými výměníky výrobně jednodušší a levnější, při shodné účinnosti rekuperace tepla. Jeho hmotnost je asi o 40 % nižší vůči běžným výměníkům z hliníkových tenkostěnných lamel; výrobní energetická náročnost se potom snižuje až o 60 %. Z jediného modulu sériově tvářených desek lze sestavit kombinovaný protiproudový výměník tepla s dostatečnou plošnou hustotou, v libovolném rozsahu, tvaru a účinnosti i přímo na stavbě, nebo osazovat celé prefabrikované moduly sekcí výměníků. Vůči používaným konstrukcím zcela odpadá náročné vzájemné spájení jednotlivých vrstev výměníku; tím je umožněna jednoduchá demontáž a vyčištění desek v prašných provozech. Odpadají zvláštní čelní uzávěry vrstev kolmých na směr proudění, které jsou vytvořeny přímo okrajovými obrubami v deskách. Vůči používaným konstrukcím jsou úplně vypuštěny vnitřní a vnější směrové přechodové tvarovky pro změnu směru proudění vzduchu po délce výměníku, neboť jsou vytvořeny přímo konstrukcí a charakterem zakřivení kanálků jednotlivých desek. Relativní drsnost povrchu kanálků z desek plastických hmot je několikanásobně nižší vůči povrchům kovů, tím se pro dané průměry a charakter proudění vzduchu snižuje součinitel tření a klesají hydraulické odpory výměníku. Při velmi malém ekvivalentním průměru kanálků jsou i pro nejmenší poloměry zakřivení zcela zanedbatelné vřazené odpory při změně směru proudění. Tím klesají celkové tlakové ztráty výměníku a celé sestavy, nutný dopravní výkon a spotřeba energie pro transport vzduchu. Vzhledem k nízkým pořizovacím nákladům lze nekovové výměníky navrhovat rozměrnější při nižší rychlosti proudění, čímž dále kle21S973 sají tlakové ztráty a stoupá energetická účinnost rekuperace. U výměníků s deskami vytvarovanými do vlnovek je destabilizace proudu vzduchu v jednotlivých kanálcích a permanentního přerušování mezní vrstvy dosaženo prouděním pres zvlněnou plochu sousedící desky a přes deformační příčná žebra, vytlačená do vrcholů vln při montáži v nepravidelných roztečích, při pro? měnném úhlu souběhu obou soustav kanálků jednotlivých vrstev. Pro snížení hydraulického odporu při kontrakci proudu vzduchu ve vstupu a výstupu do zúženého profilu kanálků, jsou obruby mezilehlých vrstev výměníků tvarovány se zaoblením. Deskový rekuperační výměník dokonale těsněný mechanickým -ztažením nebo slepením obvodových obrub, zcela zamezuje nežádoucí kontaminaci odpadního a čerstvého vzduchu, při zvýšených požadavcích na čistotu ovzduší.The recuperation exchanger made of thin-walled profiled plastic sheets with any thermal conductivity of the used material is simpler and cheaper to manufacture than conventional metal exchangers, with the same heat recovery efficiency. Its weight is about 40% less than conventional thin-walled aluminum heat exchangers; production energy intensity is then reduced by up to 60%. From a single module of series-formed plates it is possible to assemble a combined counter-current heat exchanger with sufficient surface density, in any range, shape and efficiency directly on site, or to install whole prefabricated modules of section heat exchangers. Complex construction of the exchanger layers is eliminated with respect to the constructions used; this allows easy disassembly and cleaning of the boards in dusty operations. There are no special end caps of the layers perpendicular to the flow direction, which are formed directly by the edge flanges in the plates. The internal and external directional transition fittings are completely omitted to the designs used to change the air flow direction along the length of the exchanger, as they are created directly by the design and the curvature of the channels of the individual plates. The relative surface roughness of the plastic plate channels is several times lower than that of metal surfaces, thus reducing the coefficient of friction and reducing the hydraulic resistance of the exchanger for given diameters and air flow characteristics. With very small equivalent channel diameters, even the smallest radii of curvature, the integrated resistors are completely negligible when the flow direction is changed. This reduces the total pressure losses of the exchanger and the whole assembly, the necessary transport performance and the energy consumption for air transport. Due to the low cost of purchase, non-metal heat exchangers can be designed to be larger at a lower flow rate, thereby further sucking in pressure losses and increasing energy recovery efficiency. In waveguide plate exchangers, destabilization of the airflow in the individual channels and permanent interruption of the boundary layer is achieved by flowing through the undulating surface of the adjacent plate and through the deformation transverse ribs, pushed to the wave peaks when mounted at irregular spacing, for why? the angle of convergence of both sets of channels of individual layers. To reduce the hydraulic resistance when contracting the air flow at the inlet and outlet to the tapered channel profile, the flanges of the intermediate coils of the exchangers are shaped with a fillet. The plate heat exchanger perfectly sealed by mechanical retraction or gluing of peripheral flanges, completely prevents undesirable contamination of waste and fresh air, with increased requirements for air purity.

Při nižších teplotách venkovního vzduchu a vyšší relativní vlhkosti odpadního vzdu j chu, kdy dochází ke kondenzaci par na povrchu desek při současném zvýšení účinnosti rekuperace tepla, slouží montážní a dilatační spáry mezi jednotlivými moduly desek pro odvedení kondenzátu do sběrače.At lower outdoor air temperatures and higher relative humidity of the exhaust air, where condensation of the vapors on the surface of the boards occurs while increasing the heat recovery efficiency, mounting and expansion joints between the individual modules of the boards serve for condensate drainage into the collector.

Na připojených výkresech jsou znázorněny příklady různých variant provedení deskových rekuperačních výměníků. Na obr. 1 je montážní schéma sestavy rekuperátoru z jednotlivých rovinných desek s jednostrannými žebry v základním délkovém momodulu. Oerchovaně jsou vyznačeny obrysy pevné skříně a potrubí. Na obr. 2 je montážní schéma sestavy z oboustranně inverzně žebrovaných desek s mezilehlou fólií. Na obr. 3 je montážní schéma sestavy z desek tvářených do vlnovek s dvojnásobným délkovým modulem. Na obr. 4 je v axonometrii detailní výřez A—A‘ výměníku z desek tvá-i řených do vlnovek. Na obr. 5 je v půdorysu průběh kanálků v základním modulu desky výměníku. Na obr. 6 je schéma ležaté teplovzdušné jednotky s rekuperací tepla s vestavěným deskovým výměníkem.The accompanying drawings show examples of various variants of plate heat recovery exchangers. Fig. 1 is an assembly diagram of a recuperator assembly of individual planar plates with one-sided ribs in a basic longitudinal module. The outline of the fixed cabinet and the piping are marked in bold. Fig. 2 is an assembly diagram of an assembly of inverted ribs on both sides with intermediate film. Fig. 3 is an assembly diagram of a double-waved length-wavy plate assembly. FIG. 4 is a detailed axial view of the exchanger A-A z of the waveguide plates. Fig. 5 is a plan view of the channels in the base module of the exchanger plate. Fig. 6 is a diagram of a horizontal heat recovery unit with a built-in plate heat exchanger.

Rekuperační deskový výměník podle obr. 1 tvoří soustava kanálků 1 vymezených rovinnými tenkostěnnými deskami 2, 2‘ z umělé hmoty, s inverzním průběhem zakřivených jednostranných žeber v délce základního modulu M. Desky 2 jsou podle diagonály opatřeny zesílenými obrubami 3 s prolisy 4, do kterých je při montáži zasunut těsnicí a spojovací tyčový profil 5. Mebi deskami 2 a jejich zrcadlovými obrazy 2‘ je v podélném směru modulové sestavy vol9 ná montážní a odvodňovací spára D. Výměník podle obr. 2 tvoří soustava rovinných tenkostěnných desek 6 a 6‘ s oboustrannými vzájemně inverzními žebry a vystřídanými obrubami 3. Mezi desky 6, 6' jsou osazeny mezilehlé vlnité fólie 7 z umělé hmoty. Montážní spára S je slepena ve styku obrub 3. Výměník podle obr. 3 a 4 tvoří soustava shodných, vzájemně vystřídaných desek 8 z umělé hmoty s velmi nízkou ohybovou tuhostí, profilovaných do vlnovek, v dvojnásobnému délkovém modulu 2 x M. Okraje desek 8 jsou vyztuženy výškově sníženými oválnými obrubami 9 s prolisy 4 pro těsnicí profil 5. Při rovnoměrném montážním stlačení krycí deskou 20 se do převýšených vrcholů 10 vln vtlačí tužší žebra 11 vln a vytvoří deformační příčná žebra 12 v obou směrech vln. Vyústění kanálků 1 mezi obruby 9 je přechodovým náběhem 13 vespod vln. Teplovzdušnou rekuperační jednotku podle obr. 6 tvoří moduly M desko-, vého výměníku, filtr 14, ventilátor 15 na přívodu odpadního vzduchu, zdvojená klapka 16 pro recirkulaci vnitřního vzduchu a topný registr 17. Na přívodu venkovního vzduchu je osazen filtr 18 a ventilátor 19.The recuperative plate heat exchanger according to FIG. 1 comprises a set of channels 1 delimited by planar thin-walled plastic plates 2, 2 'with an inverse course of curved one-sided ribs in the length of the basic module M. The plates 2 are provided with reinforced flanges 3. The assembly and drainage joint D is free in the longitudinal direction of the module assembly. The heat exchanger according to FIG. 2 forms a system of planar thin-walled plates 6 and 6 'with double-sided plates. mutually inverted ribs and alternate flanges 3. Intermediate corrugated plastic sheets 7 are fitted between the plates 6, 6 '. The assembly joint S is glued in contact with the flanges 3. The exchanger according to FIGS. 3 and 4 consists of a set of identical, mutually alternating plates 8 of very low bending stiffness, profiled into wavy lines, in a double length module of 2 x M. reinforced by the height-lowered oval bead 9 with embossments 4 for the sealing profile 5. With uniform mounting compression by the cover plate 20, stiffer ribs 11 are pressed into the elevated wave peaks 10 to form deformation transverse ribs 12 in both wave directions. The opening of the channels 1 between the flanges 9 is a transition tread 13 underneath the waves. The hot-air recovery unit of FIG. 6 comprises the plate heat exchanger modules M, the filter 14, the exhaust air inlet fan 15, the double air recirculation flap 16 and the heating register 17. A filter 18 and a fan 19 are mounted on the outside air inlet.

Deskové rekuperační výměníky tepla lze ekonomicky uplatnit především pro malé a střední průtoky vzduchu, decentralizované oblastní vzduchotechnické systémy, pro místní odsávání exhalací a odpadního tepla, kde jsou ostatní systémy zpětného získávání tepla neefektivní. Vzhledem k snadné čistitelnosti hladkých povrchů, chemické odolnosti umělých hmot a nízkým pořizovacím nákladům na výměnu desek je systém vhodně použitelný i do provozů s vyšším znečištěním ovzduší aerosoly a prachem, případně i do objektů zemědělské živočišné výroby s vysokou vlhkostí a agresivitou. Výměníky lze také jednoduše dodatečně instalovat do stávajících vzduchotechnických systémů. Vzhledem k velmi nízkým pořizovacím nákladům výměníků z tenkostěnných desek z umělých hmot lze podle zkušeností nahradit náročné čištění efektivní výměnou a náhradou nových vložek výměníku.Plate recuperation heat exchangers can be used economically mainly for small and medium air flows, decentralized regional air-conditioning systems, for local exhaust and waste heat exhaust where other heat recovery systems are inefficient. Due to easy cleaning of smooth surfaces, chemical resistance of plastics and low purchase costs for plate replacement, the system is suitable for use in plants with higher air pollution by aerosols and dust, or even in livestock buildings with high humidity and aggressiveness. Heat exchangers can also be retrofitted to existing ventilation systems. Due to the very low purchase costs of thin-walled plastic plate heat exchangers, experience can be replaced by demanding cleaning by efficient replacement and replacement of new coil inserts.

Jednotlivé desky rekuperátoru lze vyrábět tvářením za tepla z tenkostěnných desek plastických hmot na bázi houževnatého polystyrenu, polyvinylchloridu apod., případně z lepenek vrstvených plastickými hmotami, nebo měkkých vložek z oboustranným impregnačním nástřikem odolným proti působení vlhkosti a ostatním vlivům prostředí.Individual heat exchanger plates can be produced by thermoforming of thin-walled plastic sheets based on tough polystyrene, polyvinyl chloride, etc., or cardboard laminated plastic, or soft inserts with double-sided impregnation coating resistant to moisture and other environmental influences.

Claims

Recuperative heat exchanger, consisting of a set of parallel profiled thin-walled plates of non-metallic materials, characterized in that the flow channels (1) run in the plane of the plates (2, 6, 8) in curves of variable curvature, The heat exchanger layers are inversely mutually inverted in the module length (M).

Recuperative heat exchanger according to claim 1, characterized in that the channels (1) are defined by planar thin-walled plates (2) with one-sided ribs.

Recuperative heat exchanger according to claim 1, characterized in that the channels (1) are defined by planar thin-walled plates (6) with double-sided fins and intermediate corrugated foils (7).

Recuperative heat exchanger according to Claim 1, characterized in that the channels (1j) are defined by thin-walled plates (8j profiled into wavy lines with very low flexural stiffness), wherein the peaks (10) of the waves exceed the oval reinforced flanges (9).

Recuperative heat exchanger according to Claims 1 to 4, characterized in that the joints (DJ of the individual sections of the modules (Mj) are sealed by a profile (5) inserted into the recesses (4).

Recuperative heat exchanger according to Claims 1 to 4, characterized in that the joints (S) of the individual sections of the modules (M) are glued.

Recuperative heat exchanger according to Claims 1 to 4, characterized in that the flanges (3, 9) of the individual plates (2, 6, 8) are glued together.