DK153770B - Fordampningsvarmeveksler - Google Patents

Description

DK 153770 B

Opfindelsen omhandler en fordampningsvarmeveksler af den i krav l's indledning angivne type, hvor en væske der skal afkøles eller fortættes, strømmer gennem en 1 en kanal anbragt røropbygning, og hvor en væske og 5 en gasart strømmer i modsat retning af hinanden hen over rørenes yderflader.

Fra beskrivelserne til USA-patenterne nr. 3 132 190, 3 265 372, 712 704, 2 076 119, 2 228 484, 2 454 883, 2 680 599, 2 840 352, 2 933 904 og 3 996 314 samt fransk 10 patentskrift nr. 2 134 231 kendes fordampningsvarmeveksle- re af denne art, hvor der overføres varme fra den gennem rørene strømmende væske gennem rørvæggene til det ned over rørene udsprøjtede vand, og hvor den opad strømmende luft bevirker en delvis fordampning af en del 15 af vandet og overføring af varme fra vandet til luften, der i opvarmet stand strømmer opad og ud fra varmeveksleren. Det resterende vand opsamles ved kanalens bund og pumpes tilbage til recirkulation.

Fra beskrivelserne til USA-patenterne nr. 2 752 124, 20 2 890 864, 2 919 559, 3 148 516 og 3 800 553 kendes fordampningsvarmevekslere af lignende art, hvor væsken og gasarten strømmer i samme retning hen over rørenes yderflader.

For begge typer varmevekslere er det hidtil antaget, 25 at varmeoverføringsevnen står i direkte forhold til rørenes totale overfladeareal. Derfor er røropbygningerne blevet udformet som tæt sammenpakkede rørbundter, hvorved også den mellem rørene strømmende lufts hastighed maksimeres og den store relative hastighed mellem 30 luften og vandet fremmer fordampningen og dermed varme-overføringen.

Opfindelsen har til formål at forøge nettoydelsen af varme-

DK 153770 B

2 overføringen pr. overfladeenhed af røroverfladerne i en fordampningsvarmeveksler med modstrøm ved en ændret udformning af røropbygningen, der tillige er mere økonomisk at fremstille og renholde.

5 Dette opnås for en fordampningsvarmeveksler af den i kravets indledning angivne art, hvor røropbygningen er udformet som angivet i kravets kendetegnende del.

En sådan udformning af rørslangeopbygningen kræver væsentligt færre rørlængder end for de konventionelle 10 kompakte røropbygninger, og det har overraskende vist sig, at nettoydelsen pr. overfladeenhed trods brutto-arealformindskelsen ikke formindskes, men oven i købet bliver forøget.

Opfindelsen forklares nærmere nedenfor i forbindelse 15 med tegningen, hvor: fig. 1 er en delvis gennemskåret afbildning fra siden af en fordampningsvarmeveksler for væske/gas med modstrøm ifølge opfindelsen, fig. 2 er en delvis gennemskåret afbildning set forfra af 20 varmeveksleren på fig. 1, fig. 3 er et snit igennem varmeveksleren på fig. 2 langs linien 3-3, visende en rørs langeopbygning, fig. 4 er et delvis gennemskåret snit igennem varmeveksleren på fig . 3 langs linien 4-4, 25 fig- 5 er en perspektivisk delafbildning, visende et rørsegmentarrangement dannende et parti af rørs langeopbygningen på fig. 3 og 4,

DK 153770 B

3 fig. 6 er et skematisk snit langs linien 6-6 på fig. 5> fig. 7 er en afbildning svarende til fig. 6 af et konventionelt rørsegmentarrangement, fig. 8 er en graf til sammenligning af varmeudvekslings-5 karakteristikker ifølge opfindelsen, og fig. 9 er en afbildning svarende til fig. 1 af en ændret udførelsesform for varmeveksleren.

Den på fig. 1-6 viste fordampningsvarmeveksler omfatter en i det væsentlige lodret kanal 10 af plademetal, i hvis indre 10 der i forskellige højder er monteret et øverste tågefjerne-organ 12, et vandfordelingsorgan 14, en rørslangeopbygning 16, et ventilatororgan 18 og et nederste vandtrug 20.

Den lodrette kanal 10 har et rektangulært og i det væsentli-15 ge ensartet tværsnitsprofil og omfatter lodrette for- og bagvægge 24 og 22 (fig. 1) og lodrette sidevægge 26 og 28. (fig. 2). En diagonal væg 30 strækker sig nedad fra forvæggen 24 til bunden af bagvæggen 22 til afgrænsning af vandtruget 12. Ventilatororganet 18 er anbragt bag og under dia-20 gonalvæggen 30 og omfatter et par centrifugalventilatorer med hver især et udløbsvindfang 34, der rager frem igennem diagonalvæggen 30 og ind i kanal 10 over vandtruget 12 og under røropbygningen 16. Som vist på fig. 2 deler ventilatorerne en fælles drivaksel 36, som drives rundt af en 25 remskive 38, som er forbundet med en rem 40 med en drivmotor 42.

En recirkulationsledning 44 strækker sig igennem sidevæggen 26 af kanalen 10 nær ved bunden af truget 20 og strækker sig fra dette til en recirkulationspumpe 46 og derfra 30 op til vandfordelingsorganet 14.

4

DK 153770B

Vandfordelingsorganet 14 omfatter en vandkasse 48, der strækker sig langs sidevæggen 26, og et par fordelingsrør 50, der strækker sig vandret fra vandkassen 48 igennem det indre af kanalen 10 til dennes modstående sidevæg 28. Hvert 5 af rørene 50 er forsynet med et antal dyser 52, der udsender indbyrdes skærende ventilatorformede vandfordelingsprofiler til dannelse af en jævn fordeling af vand over hele slangeopbygningen 16.

Tågefjerneorganet 12 omfatter et antal tæt liggende 10 langstrakte strimler 54, som er bøjet i længderetningen til dannelse af bølgeformede adgangsveje fra området for vandfordelingsorganet 14 og ud gennem det øverste af kanalen 10. Det bemærkes, at tågefjerneorganet 12 strækker sig over i det væsentlige hele tværsnittet af 15 kanalen 10, og da dette er i det væsentlige jævnt, optager tågefjerneorganet i det væsentlige det samme tværsnitsareal af kanalen 10 som slangeopbygningen 16.

Slangeopbygningen 16 omfatter et øverste indgangsgrenrør 56 og et nederste udgangsgrenrør 58, der strækker sig vand-20 ret igennem det indre af kanalen 10 op imod sidevæggen 26.

Som vist på fig. 3 holdes grenrørene 56 og 58 på plads ved hjælp af vinkeljern 60 på sidevæggen 26. Indløbs- og udløbsvæskerør 62 og 64 strækker sig igennem sidevæggen 26 og står i forbindelse med henholdsvis det øverste og det neder-25 ste grenrør 56 og 58. Disse væskeledninger er forbundet til optagelse af en væske, der skal afkøles eller kondenseres, eksempelvis kølemidlet fra en kompressor i et ikke vist luftkonditioneringsanlæg.

Et antal kølerør 66 er forbundet imellem det øverste og det 30 nederste grenrør 56 og 58. Hvert af rørene 56 er slangeformet ved hjælp af 180° bøjninger 68 og 70 (fig. 4) nær ved sidevæggene 26 og 28, så at forskellige segmenter af hvert rør strækker sig i det væsentlige vandret igennem det indre

DK 153770 B

5 af kanalen 10 og frem og tilbage imellem sidevæggen 26 og 28 i forskellige højder i kanalen langs et lodret plan parallelt med og i ringe afstand fra planet for hvert af dé andre rør.

Det bemærkes også, at rørene 66 er arrangeret i skiftevis 5 forsatte rækker med hvert rør lokaliseret en lille afstand over eller under rørene på begge sider. Det ses på fig. 4, at hvert af grenrørene 56 og 58 er forsynet med en øverste række og en nederste række af åbninger til at optage rørene 66 i disse to forskellige højder. I en foretrukken udførel-10 sesform har rørene en udvendig diameter på 2,67 cm. Hver 180° bøjning har fortrinsvis en radius på 5>32 cm, så at segmenterne af hvert rør vil være lodret adskilt fra hverandre med en afstand på 10,64 cm. Endvidere bør de tilsvarende højder af segmenterne af hosliggende rør forsættes lod-15 ret indbyrdes med en afstand lig med eller større end rørdiameteren, og en forsætning på 5>33 cm foretrækkes.

For at understøtte rørene 66 ved bøjningerne 68 og 70 er der tilvejebragt vandret forløbende støttestænger 72, som er monteret på væggen 26 imellem vinkeljernene 60 og på væggen 28 20 imellem vinkeljern 74.

Der er også tilvejebragt et antal lodrette afstandsstænger 76, der strækker sig imellem de hosliggende rør 66 tæt ved støttestængerne 72. Afstandsstængerne 76 holder de hosliggende rør 66 i en kort indbyrdes afstand i sideretningen som 25 vist på fig. 5, og de holdes på plads ved friktionen imellem rørene. Afstandsstængerne 76 har fortrinsvis en diameter på 0,61 cm.

Som vist på fig. 6 har slangeopbygningen 16 i et tværsnitsprofil rækker af rørsegmenter 66a, 66b, 66c og 66d opstillet 30 i forskellige højder som følge af forsætningsarrangementet af de hosliggende rør. Endvidere er den vandrette afstand S imellem rørsegmenterne i hver højde større end rørdiameteren, nemlig rørdiameteren D plus to gange tyk- 6

DK 153770B

kelsen t af hver af de to afstandsstænger 76 imellem de hosliggende rørsegmenter i hver højde. Dette er en afvigelse fra den kendte teknik med helt sammenpakkede slanger som vist på fig. 7, hvor der ikke anvendes afstandsstænger.

5 Som vist på fig. 7 er den vandrette afstand imellem hosliggende rørsegmenter i hver højde ikke større end rørdiameteren D. Det ses også på fig. 5 og 6, at den lodrette stabling af de hosliggende bølgeformede rør 66 resulterer i en stabling af rørsegmenterne i hosliggende højder således, at 10 rørene i den ene højde er i det væsentlige centreret imellem rørene i de næstfølgende større og mindre højder. Det bemærkes også, at afstandsstængerne 76 danner frigange, der strækker sig lodret ned igennem slangeopbygningen med en bredde lig med deres tykkelse t. Tykkelsen t af hver af-15 standsstang 76 skal være væsentlig, men ikke væsentlig større end halvdelen af diameteren af rørene 66. De bedste resultater er opnået med en afstandsrørdiameter lidt mindre end en fjerdedel af rørdiameteren. Med dette afstandsrørarrangement optager rørsegmenterne i hver højde mindre 20 end 50%, men ikke væsentlig mindre end 25% af slangeopbygningens tværsnitsareal og fortrinsvis 40% af slangeopbygningens tværsnitsareal.

I visse tilfælde er det hensigtsmæssigt at anvende rør med et ikke-cirkulært tværsnitsprofil. Betegnelsen "diameter" i 25 sådanne tilfælde skal da forstås som diameterafstanden tværs over rørets tværsnitsprofil i en vandret retning.

Under drift af varmeveksleren på fig. 1-6 strømmer en væske, der skal afkøles eller kondenseres, såsom et kølemiddel fra et luftkonditioneringsanlæg, ind i varmeveksleren 30 igennem indløbsrøret 62 og fordeles derefter gennem det øverste grenrør 56 til de øverste ender af kølerørene 66 og strømmer ned igennem disse frem og tilbage tværs over det indre af kanalen 10 i forskellige højder i denne, indtil væsken når frem til det nederste grenrør 58, hvor den 7

DK 153770B

opsamles og føres ud af varmeveksleren igennem udløbsrøret 64. Under strømningen af den afkølede væske igennem rørene 66 sprøjtes der vand ud fra dyserne 52 og ned over rørenes yderflader, og der blæses luft op imellem rørene fra ventilato-5 rerne 52. Det udsprøjtede vand opsamles i truget 20 og recirkuleres igennem dyserne 52. Den opadstrømmende luft passerer op igennem tågefjerneorganet 12 og ud af appara-tet.

Under sin nedadgående strømning igennem kølerørene 66 afgiver væsken under afkøling varme til rørvæggene, hvilken var-10 me passerer udad igennem rørvæggene til det vand, der strøm- mer ned over rørenes yderflade. Når det nedadstrømmende vand møder den opadstrømmende luft, afgiver vandet varme til luften, både ved en mærkbar varmeudveksling og ved en latent 15 varmeudveksling, det vil sige ved delvis fordampning. Det resterende vand falder tilbage igen i truget 20, hvor det opsamles til recirkulation. Når den opad strømmende luft møder det nedad strømmende vand og udtrækker varme fra dette, medfører luften også en vis vandmængde i form af smådråber, 20 som føres op igennem slangeopbygningen 16 og op igennem vandfordelingsorganet 14. Under luftens passage igennem tågefjerneorganet 12 ændres dens strømningsretning i-midlertid hurtigt i tværgående retninger, og de af luften medførte smådråber adskilles fra luften og aflægges på ele-25 menterne af tågefjerneren. Derefter falder dette vand tilbage på sprøjte- og slangeopbygningerne. I mellemtiden føres luften med den resulterende høje fugtighed, men i det væsentlige uden smådråber, op igennem toppen af kanalen 10 til atmosfæren.

30 Det antages, at varmeudvekslingen fra det nedadstrømmende vand til den opadstrømmende luft fremmes af den store relative hastighed imellem vandet og luften, fordi luften opskærer hinden af det over hvert rør nedstrømmende vand.

8

DK 153770B

Denne opskæring antages at fremme varmeudvekslingen ved forøgelse af vandoverfladearealet, brydning af overfladespændingen og nedsættelse af det lokale omgivende tryk.

Det antages også, at opskæringsvirkningen bliver effektiv, 5 når den opadgående hastighed af luften i omegnen af rørene er i det mindste 122 m/min.

Af ligningerne i de kendte håndbøger for varmevekslings-processer fremgår det, at den maksimale varmeveksling vil optræde, når der anvendes et stort antal tætliggende rør i 10 slangeopbygningen, idet en sådan anbringelse maksimerer såvel røroverfladearealet som luftstrømningshastigheden omkring rørene. Imidlertid har det vist sig, at varmevekslingen i en fordampningsvarmeveksler med modstrøm kan forbedres ved opfindelsen, idet varmevekslingen kan forøges, når 15 antallet af rør i slangeopbygningen nedsættes, og når luftstrømningshastigheden i omegnen af rørene ligeledes nedsættes .

Dette fremgår af diagrammet på fig. 8, der viser varmeaf-visningén som en funktion af rørafstanden, udtrykt som en 20 procentdel af rørdiameteren, for en slangeopbygning som vist på fig. 5-7· De forskellige rørafstande opnås ved fjernelse af rør fra slangeopbygningen og genanbringelse af de tilbageblevne rør til opretholdelse af det samme totale rør-opbygningstværsnitsareal. I det viste eksempel er den mini-25 male rørafstand lig med en rørdiameter, hvilket svarer til afstanden på fig. 7. Tre forskellige kurver A, B og C repræsenterer varmeafvisningen for forskellige strømningshastigheder af det over rørene påsprøjtede vand, hvor kurven 2 A svarer til 122 1/m af påsprøjtet slangeopbygningsareal 2 30 pr. minut, kurven B svarer til 183 1/m og kurven C svarer

O

til 244 l/m pr. minut. Som vist på fig. 8 vil mængden af varmeoverføring, hvor rørafstanden forøges fra 10090 af rørdiameteren (ifølge den kendte teknik), faktisk vokse op til et maksimum, hvor rørafstanden svarer til 120% af rør-

DK 153770 B

9 diameteren. Dette svarer til en nedsættelse på omkring 20% af det totale røroverfladeareal af slangeopbygningen og en væsentlig nedsættelse af anlægsomkostningerne for spoleopbygningen. Ved en yderligere tilvækst af rørafstanden og 5 en tilsvarende nedsættelse af det totale rørantal aftager også den samlede varmeveksling fra røropbygningen, men forbliver dog højere end for de tætpakkede slangeopbygninger ifølge den kendte teknik, indtil rørafstanden er ca. 130% af rørdiameteren. Dette svarer til en nedsættelse på ca. 30% 10 af det totale røroverfladeareal af røropbygningen. Selv ved en yderligere forøgelse af rørafstanden forbliver mængden af varmeoverføring pr. overfladeenhed af kølerørsoverfladen .større end for de kendte tætpakkede slangeopbygninger. Imidlertid falder den totale varmeoverføring af hele slangeopbyg-15 ningen ned under praktiske grænser, når størrelsen af rørafstanden er. ca. 200% af rørdiameteren, d.v.s., når afstanden i hver højde af ledningen er ca. 2 gange rørdiameteren. Det forstås, at med en voksende rørafstand forøges tykkelsen af afstandsstængerne 76 tilsvarende.

20 Den opadgående hastighed af luften imellem rørene 66 skal være mindst 122 m/min,r men mindre end 427 m/min og fortrinsvis ca. 303 m/min for at udnytte fremgangsmåden ifølge opfindelsen. Det har vist sig, at når der blæses luft ind i kanalen 10 med en hastighed på ca. 183 m/min, kan de på fig.

25 8 viste ydelseskarakteristikker forventes. Det forstås, at for en given luftstrømningshastighed ind i ledningen 10 vil hastigheden af luften i området af rørene forøges omvendt proportionalt med afstanden imellem rørene, så at lufthastigheden i en tætpakket slangeopbygning i almindelighed vil 30 være større end i en slangeopbygning med adskilt beliggende rør.

Det har også vist sig, at anvendelsen af slangeopbygningen ifølge opfindelsen med afstand mellem rørene muliggør at opnå yderligere forbedringer i varmevekslingen med en for- 10

DK 153770B

øget vandpåsprøjtning. Som vist yderst til højre på fig. 8, hvor kurverne A, B og C i det væsentlige løber sammen, har mængden af det på den tætpakkede slangeopbygning ifølge den kendte teknik påsprøjtede vand ingen betydelig virkning på 5 varmevekslingen, medens denne ved benyttelse af rørslange-opbygningen ifølge opfindelsen kan forøges væsentligt ved at forøge mængden af det over slangeopbygningen påsprøjtede vand. Anvendelsen af en stor kølevandsstrømningshastighed tilvejebringer en yderligere fordel ved, at den forbedrer.

10 vaskevirkningen af kølevandet og nedsætter kedelstensdannelsen på rørene.

Den opnåede forøgelse af varmevekslingen ifølge opfindelsen kan antages at skyldes følgende to faktorer:

For det første forhindrer den nedsatte lufthastighed· som 15 følge af den forøgede rørafstand luften i af skrubbe det nedadstrømmende vand fra røroverfladerne, så at det totale røroverfladeareal, igennem hvilket varmen kan overføres direkte til det nedadstrømmende vand, maksimeres. Selv om den opadrettede hastighed af luften imellem rørene skal 20 være tilstrækkelig stor til at frembringe en forskydning af vandhinderne, der strømmer over rørene, og endog en medføring af smådråber, der føres op og ud af slangeopbygningen, må den opadgående hastighed af luften ikke være så stor, at den faktisk afstryger hinden fra røroverfladen.

25 Det antages, at såfremt lufthastigheden er for stor, vil luften afskrubbe vandhinden fra røroverfladen og effektivt nedsætte varmetransmissionsoverfladearealet, så at varmevekslingen fra røret vil blive svækket. Det antages også, at lufthastigheden i omegnen af rørene skal være mindre end 30 427 m/min.

Den anden faktor til fremme af varmevekslingen i appara-tet ifølge opfindelsen er den større strømningshastighed, som den afkølede eller kondenserede væske må underkastes 11 ">'·

DK 155770 B

under passagen igennem et nedsat antal rør. For at kunne afkøle en given væskemængde med en slangeapbygning med færre kølerør end i de kendte slangeopbygninger er det nødvendigt, at den afkølede væske strømmer med en større hastighed 5 igennem kølerørene end igennem de kendte tætpakkede rør-spolearrangementer. Denne større hastighed fremmer varmevekslingen fra den afkølede væske til rørvæggene.

Disse to faktorer antages at samvirke i kombination til at tilvejebringe en modstrømsvarmeveksler med en større 10 varmevekslingskapacitet og mindre anlægsudgift end ifølge den kendte teknik.

Det har i alle tilfælde vist sig, at den forbedrede varmeveksling opnås, når rørafstanden opretholdes således, at de hosliggende rørsegmenter i hver højde af slangeopbygningen 15 er adskilt med mere end én rørdiameter, men ikke væsentligt mere end to rørdiametre, og når hastigheden af luften i omegnen af rørene opretholdes på mindst 427 m/min, men ikke væsentligt mindre end 183 m/min, og det har vist sig, at den maksimale varmeveksling opnås, når de hosliggende rørseg-20 menter er indbyrdes adskilt med en afstand på 1,5 gange rørdiameteren, og når hastigheden af luften i omegnen af rørene opretholdes på ca. 305 m/min.

Ifølge opfindelsen anvendes der luft-hastigheder på ca.

305 m/min i området for kølerørene, og for at muliggøre en 25 fjernelse af det medførte vand fra luften skal tågefjerne-organet 12 strække sig over i det væsentlige det samme tvsrsnitsareal som slangeopbygningen 15. På denne måde vil lufthastigheden i området for tågefjerneorganet 12 ikke være væsentlig større end i området for slangeopbyg-30 ningen, og tågefjerneorganet vil effektivt fjerne størstedelen af det medførte vand fra den udtrædende luft.

Fig. 9 viser en ændret udførelsesform for apparatet ifølge 12

DK 153770B

opfindelsen, hvor der er tilvejebragt en propelopbygning 118 til erstatning for ventilatoren 18 i den tidligere udførelsesform for opfindelsen. Propelopbygningen 118 blæser luft ind i kanalen 10 over et vindfang 134 på 5 samme måde som de tidligere centrifugalblæsere 32. Propelopbygningen 118 kan bevæge en lige så stor luftmængde som centrifugalventilatorerne 32, men med en væsentlig mindre effekt end påkrævet for disse. For at en propel skal kunne arbejde virksomt til fjernelse af store luftmængder, er 10 det imidlertid vigtigt, at den statiske trykdifferens imellem propellens indløb og udløb minimeres. Med den åbne rørslangeopbygning ifølge opfindelsen minimeres tryktabet igennem slangen, og det bliver derfor muligt ifølge opfindelsen at anvende propeldrift til køleluften på en meget 15 effektiv måde.

Det har også vist sig, at den lodrette frigang imellem hosliggende rør i rørslangeopbygningen ifølge opfindelsen tilvej ebringer adgang for renseredskaber til alle røroverfladerne og derved letter vedligeholdelsen af slangeopbygnin-20 gen.

Claims (1)

1. DK 153770B Patentkrav : Fordampningsvarmeveksler med modstrøm og omfattende en lodret kanal (10) med et i det væsentlige konstant tværsnitsareal, en i kanalen anbragt rørslangeopbygning 5 (16), et over denne anbragt væskefordelingsorgan (50, 52. til fordeling af væske ned igennem kanalen og over rørslangeopbygningen, et ventilatororgan (18) til at transportere en luftart op igennem kanalen mellem rørslangeopbygningen i modstrøm til væsken med en tilstrækkelig 10 stor relativ hastighed til at opsplitte og medføre noget af væsken fra rørslangeopbygningen og transportere denne væske op forbi væskefordelingsorganet, idet væsken fordeles nedad med en tilstrækkelig stor strømningshastighed til opretholdelse af vandhinder på i det væsentlige 15 alle røroverfladerne, og luftartens relative hastighed er utilstrækkelig til at føre vandet bort fra røroverfladerne, samt et tågefjernelsesorgan (12) anbragt oven over væskefordelingsorganet og strækkende sig tværs over i det væsentlige hele kanalens tværsnitsareal, 20 kendetegnet ved, at rørslangeopbygningen (16) omfatter indløbs- og udløbsgrenrør, (56,58) og et antal rør (66) forbundne imellem grenrørene og udformet som fra hinanden vandret adskilt beliggende, lodrette serpentiner, hvis enkelte rør strækker sig i det 25 væsentlige vandret tværs over kanalen (10) og lodret over hinanden i forskellige højder i kanalen, og at de hosliggende lodrette serpentiner er indbyrdes lodret forsatte og beliggende i samme indbyrdes vandrette afstand således, at den vandrette afstand (S) mellem to 30 vilkårlige hosliggende rør i samme højde er større end rørdiameteren (D), men mindre end det dobbelte af rørdiameteren.