CZ2007899A3 - Výmeník tepla - Google Patents

Abstract

Výmeník tepla, zejména výmeník deskového typu, kde sousední desky (1) mezi sebou vymezují kanály pro prutok teplého a studeného média, má prícný profil kanálu (3) pro prutok horkého média a/nebo podélný profil kanálu (2) pro prutok chladného média je ve smeru proudení promenný.

Description

VÝMĚNÍK TEPLA

Oblast techniky

Vynález se týká výměníku tepla deskového typu, kde sousední desky mezi sebou vymezují kanály pro průtok teplého a studeného média.

Dosavadní stav techniky

Deskové výměníky tepla sestávají ze vzájemně souběžné a v konstantním odstupu uspořádaných desek, vymezujících kanály pro průtok horkého a chladného media. V principu existují dvě základní konstrukce, první konstrukce se vyznačuje křížovým prouděním médií, druhá protiproudým prouděním, kde vstup a výstup druhého média jsou uspořádané buď na stejné straně výměníku nebo na jeho protilehlých stranách. První typ výměníku s protiproudým prouděním je označován jako U-typ, druhý jako Z-typ. Charakteristické konstrukce tohoto typu jsou známé např. ze spisu WO 92/09859, kde je popsán tepelný výměník s křižným prouděním médií, či spisu WO 96/19708, který popisuje tepelný výměník s protiproudým uspořádáním toku obou medií. Nevýhodou těchto provedení je nerovnoměrné rozděleni teplot na výstupu obou médií z výměníku. U konvečních výměníků mají kanály pro průtok horkého media konstantní průřez a průtoková množství obou krajních částí i středem kanálu jsou v podstatě stejná. Proud horkého média podél vstupu chladného media je ochlazován ještě neohřátým chladným mediem a proto více, než proud ve středu výměníku nebo proud na straně výstupu již ohřátého, původně chladného, media. Z výměníku vystupující ochlazené, původně horké medium, tak vykazuje nerovnoměrné rozložení teploty podél celého průřezu výstupu. Vzniká jednak tzv. studený kout v místě, kde se stýkají vstupující proud chladného média vystupující proud teplého média, jednak tzv. horký kout, který vzniká v protilehlém místě, tam kde vstupuje proud teplého média a vystupuje proud ohřátého média. Rozdíly mezi oběma okraji proudících médií jsou značné, teplota na jednom okraji může být i více než dvojnásobná, než je teplota na opačném konci výstupu.

Účelem tohoto vynálezu je zlepšit rozložení teplot uvnitř výměníku a dosáhnout větší účinnosti přenosu tepla mezi oběma medii.

Podstata vynálezu

Výše uvedeného účelu je dosaženo u výměníku tepla deskového typu, kde sousední desky mezi sebou vymezují kanály pro průtok teplého a studeného média v provedení podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že příčný profil kanálů pro průtok horkého média a/nebo podélný profil kanálů pro průtok chladného media je ve směru proudění proměnný. Ve výhodném provedení má příčný profil kanálů pro průtok horkého média na straně přivrácené ke vstupu chladného média větší průřez, než na straně přivrácené k výstupu ohřátého média a příčný profil kanálů pro průtok chladného media je na straně vstupu tohoto media do výměníku menší než na straně jeho výstupu z výměníku, Dále podle tohoto vynálezu má příčný profil kanálů pro průtok horkého média tvar ležatého lichoběžníku, jehož širší základna leží na straně vstupu chladného média, zatímco podélný profil kanálů pro průtok chladného média se zvětšuje směrem od vstupu chladného média k jeho výstupu z výměníku. Rovněž podle tohoto vynálezu může být příčný profil kanálů pro průtok horkého média a/nebo kanálů pro průtok chladného media tvořený uzavřenou křivkou.

Výhodou tohoto vynálezu je možnost dosáhnout libovolného rozložení teploty na výstupu ohřátého media z výměníku, především zcela rovnoměrného rozložení této teploty podél celého průřezu výstupu.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je dále podrobněji objasněn na příkladech jeho praktického provedení, uvedených na přiložených výkresech. Na obr. 1 je znázorněné rozložení teplot u konvenčního výměníku tepla s křížovým prodáním medií a na obr. 2 rozloženi teplot u konvenčního výměníku tepla s protisměrným prouděním. Na obr 3 je schematicky znázorněn tvar kanálů pro průtok medií u výměníku provedeného podle vynálezu a na obr. 4 je nakreslen tvar jednoho z dílů, z nějž je předmětný výměník složen. Obr. 5 představuje axonometrický pohled na část jádra výměníku tepla podle obr. 3.

»· · ··♦ »· ···♦

Příklad provedení

V dále uvedených popisech výměníků, kde je použito předmětné řešení, se pojmem teplosměnnná media rozumí studené medium a horké medium, která vstupují do výměníku a vycházejí jako ohřáté, resp. ochlazené medium. Pojmem teplé medium se dále rozumí původní studené medium, částečně ohřáté během průchodu výměníkem. Teplosměnnými medii může být plyn nebo voda, studeným mediem je jakékoliv medium, která má být ohřáté. Typickým horkým mediem je odpadní teplo, jehož energie je ve výměníku předávaná jinému mediu. Nerovnoměrné rozložení teplot u konvenčních výměníků je znázorněné na obr. 1 a obr. 2. Zcela jiný průběh teplot je u výměníku tepla podle tohoto vynálezu, jehož konstrukce je popsána dále.

Na obr. 3 je schematicky znázorněn tepelný výměník deskového typu s křížovým uspořádáním kanálů pro průtok teplosměnných medií, tzn., že oba toky jsou navzájem kolmé. Jednotlivé desky 1. mezi sebou vymezují střídavě uspořádané první kanály 2 pro průtok studeného media a druhé kanály 3 pro průtok horkého media. V souladu s principem předmětného řešení mají jak první kanály 2, tak druhé kanály 3 příčný průřez ve tvaru lichoběžníku. Jednotlivé desky 1 jsou uspořádány tak, že první kanál 2 se ve směru proudění rozšiřuje, zatímco druhý kanál 3 je na straně vstupu 4 studeného media širší než na straně výstupu 5 ohřátého media, jeho příčný průřez však ve směru proudění, od vstupu 6 horkého media k výstupu 7 ochlazeného media, zůstává neměnný. Proud horkého média podél vstupu 4 chladného media tak proudí větším průřezem, což znamená větší průtokové množství v této části druhého kanálu 3 a tím více tepelné energie předávané proudu chladného media, než je tomu na opačné straně, na straně výstupu 5 ohřátého media, kde k ohřevu již není potřeba tolik tepelné energie, jako je tomu u vstupujícího studeného media Původně horké medium tak při výstupu z výměníku tepla vykazuje rovnoměrné rozložení teploty podél celého výstupu Z ochlazeného media. Pokud se týká rozložení teploty napříč proudu vystupujícího ohřátého media, je jeho rozložení výrazně výhodnější než u stávajících konstrukcí s konstantním průřezem jednotlivých kanálů. Proud horkého média ve směru podél výstupu 5 ohřátého media proudí menším průřezem než podél vstupu 4 chladného média, takže proudu teplého, původně chladného media, předává ·· ···· ·· ♦ ··* méně tepelné energie, než je tomu na protilehlé straně výměníku, kde do výměníku vstupuje chladné medium. Vhodnou volbou průřezu druhého kanálu 3 lze dosáhnout rovnoměrného rozloženi teplot nejen na straně výstupu 7 ochlazeného media, ale i na straně výstupu 5 ohřátého media z výměníku.

Na obr. 4 je uveden tvar desky 1 pro jádro výměníku tepla podle předmětného vynálezu. Tato deska 1 je tvořená jediným kusem, výliskem plechu. Část jádra výměníku tepla složeného z těchto desek 1 je znázorněna na obr. 5. Vzájemné spojení jednotlivých desek 1 a vytvoření vlastního výměníku tepla je provedeno o sobě známým způsobem, popsaným např. ve spise WO 92/09859.

Výše popsaný výměník tepla s křižným prouděním má v podstatě tvar krychle či hranolu se čtvercovou základnou. Předmětný vynález však není omezen pouze na tento tvar výměníku.

Výše uvedený princip lze použít rovněž u výměníků s protiproudým uspořádáním proudů teplosměnných medií, ať U-typu nebo Z-typu. Provedeni prostředků pro usměrnění proudů obou medií u těchto výměníku jsou všeobecně známá a nejsou zde proto popsána. Jejich použití nijak neovlivňuje řešení kanálů pro průtok teplosměnných medií podle předmětného vynálezu. Výše popsané tvary prvních a druhých kanálů 2,3 mají v podstatě lichoběžníkový průřez.

Daného principu lze dále využít tak, že stěny obou kanálů 2,3 nejsou rovnými plochami, ale jejich povrch je zvlněný, takže příčný profil druhého kanálu 3 a/nebo prvního kanálu je tvořený uzavřenou křivkou, jak je znázorněno na obr. 6. To umožňuje dosáhnout libovolného rozložení teplot na jednotlivých výstupech 5,7 teplosměnných medií z výměníku. Vhodným zaoblením obrysu kanálu pro průtok teplého media, lze dosáhnout proudění chladného media obdobně jako je tomu u Venturiho trubice.

Výše popsaným provedením kanálů 2,3 pro průtok teplosměnných medií je vznik nadměrně teplých a nadměrně chladných míst ve výměníku odstraněn. Může však být, za určitých okolností, výhodné, dosáhnout právě nerovnoměrného rozdělení teplot ve výměníku. Pak stačí použít výše popsané provedeni v obráceném uspořádání, tj. že příčný profil kanálů 3 pro průtok teplého média má na straně přivrácené ke vstupu 4 chladného média menší průřez než na straně přivrácené k výstupu 5 ohřátého média.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Výměník tepla, zejména výměník deskového typu, kde sousední desky mezi sebou vymezují kanály pro průtok teplého a studeného média, vyznačující se tím, že příčný profil kanálů (3) pro průtok horkého média a/nebo podélný profil kanálů (2) pro průtok chladného media je ve směru prouděni proměnný.
2. 2. Výměník tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že příčný profil kanálů (3) pro průtok horkého média má na straně přivrácené ke vstupu (4) chladného média větší průřez než na straně přivrácené k výstupu (5) ohřátého média,
3. 3. Výměník tepla podle nároku 2, vyznačující se tím, že příčný profil kanálů (2) pro průtok chladného media je na straně vstupu (4) tohoto media do výměníku menší než na straně jeho výstupu (5) z výměníku.
4. 4. Výměník tepla podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že příčný profil kanálů (3) pro průtok horkého média má tvar ležatého lichoběžníku, jehož širší základna leží na straně vstupu (4) chladného média, zatímco podélný profil kanálů (2) pro průtok chladného média se zvětšuje směrem od vstupu (4) chladného média k jeho výstupu (5) z výměníku.
5. 5. Výměník tepla podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že příčný profil kanálů (3) pro průtok horkého média je tvořený uzavřenou křivkou.