DK159086B - Varmeveksler af plade/ribbetypen - Google Patents

Description

i

DK 159086 B

Opfindelsen angår en varmeveksler af den i krav l's indledning angivne type.

Varmevekslere af plade/ribbetypen er hovedsagelig af den kon-5 struktionstype, der består af kanaler og ribber. Oer kan opnås modstrømmende strøm, men den i forbindelse med en pladestabel anvendte forgrening, som skal adskille strømmene ved indløbet og udløbet, er yderst kompliceret. Som følge af, at forgreningen i forbindelse med tværstrømsvarmeveks1ere er forholds-10 vis enkel, er dette varmevekslersystem mere almindeligt an vendt, selv om det er mindre effektivt end modstrømssystemet, og det frembringer alvorlige termiske og mekaniske spændinger.

Et modstrømssystem, som har forsøgt at løse forgreningspro-15 blemet ved modstrømsvarmeveksleren, kendes fra U.S.A. patentskrift nr. 3.305.010 tilhørende Campbell m.fl.. Denne varmeveksler har oven på hinanden stablede plade- og ribbelementer og komplicerede forgreningsorganer til indføring af fluider med forskellige temperaturer ved modsatte ender af samlingen.

20 Det nævnte patentskrift viser imidlertid ikke en plade, som tjener som både plade og ribbe, og det viser heller ingen organer til indvendig forgrening inden for pladens plan.

Et andet modstrømssystem, fig. 1, er beskrevet af A1fa-Laval i 25 protokollen fra 5. OTEC-konference, Miami, Florida (februar 1978), siderne VI 288-320. Alfa-Laval-systemet indeholder hovedsageligt en pakning af tynde metalplader, en ramme og midler til at holde stykkerne sammen. Pladerne er ophængt imellem vandrette bærestænger ved toppen og bunden og presses sammen 30 imod den stationære rammeplade ved hjælp af fastspændingsbolte og en bevægelig trykplade. Rammepladen er udstyret med dyser til indløbs- og udløbsforbindelser. Hver plade er forseglet langs dens periferi ved hjælp af en pakning, som er fastklæbet i et spor. Strømporte ved hvert pladehjørne er individuelt 35 tætnet og opdeler mellemrummene imellem pladerne i to systemer af alternerende strømningskanaler. De to medier passerer igennem disse kanaler, idet det varmere medium afgiver varme 2

DK 159086B

til det koldere medium ved ledning igennem de tynde plader.

Dette pakningsarrangement eliminerer risikoen for lækage imellem medierne. Den plade, der er basiselementet i dette system, har et udstanset eller præget, korrugeret mønster. Disse kor-5 rugeringer kan være således arrangeret, at der frembringes et ubegrænset antal af plademønstre. Oet specielle mønster er et resultat af en omhyggelig afvejning imellem trykfalds- og varmeledningsoverførings-karakteristika.

10 Pakninger i Alfa-Laval-systemet er fremstillet af elastomermateriale, såsom naturgummi, nitril, butyj, neopren, viton, osv. Materialevalget afhænger af arbejdsforholdene. De øvre grænser er imidlertid ca. 25 kp/cm2 og 205eC.

15 Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe en varmeveksler af den indledningsvis nævnte type, som er enkel at sammenbygge og adskille, og hvis enkeltpaneler er således tildannet, at de kan fremstilles i en enkel operation, f.eks. ved støbning i en enkel støbeform. En varmeveksler kan fremstilles af sådanne 20 paneler ved at flere paneler anbringes oven på hinanden eller ved siden af hinanden med ribberne pegende i samme retning eller med panelerne alternerende i den ene og i den anden retning, hvorefter panelerne kan forbindes med hinanden, f.eks. ved sammenklemning ved hjælp af bolte. Der kan imidlertid også 25 anvendes andre forbindelsesmåder, såsom lodning eller svejsning.

Den indledningsvis nævnte varmeveksler ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at i det mindste de fleste af panelerne be-30 står af en plan plade, som udgør panelets bund eller top og som på sin ene plane side er tildannet med ud i ét tildannede udragende ribber eller finner, som over i det mindste en del af panelet mellem sig danner i det væsentlige parallelle kanaler, som i det mindste ved én ende er forbundet med hinanden 35 ved hjælp af endeforgreningsorganer med indløb eller udløb i panelets sider, og hvor ribberne, sidevæggene og forgreningsorganernes endevægge har i alt væsentligt samme højde. Fordelen 3 DK 159086 ved denne varmeveksler er blandt andet, at den er uafhængig af brugen af tætninger, som begrænser driftstrykket og driftstem- peraturen.

5

Andre formål, fordele og nye trask ved opfindelsen vil blive forklaret nedenfor under henvisning til tegningen, hvor samme henvisningstal anvendes til at betegne samme eller lignende dele, og hvor 10 fig. 1 viser den kendte teknik i form af den kendte korru-gerede Alfa-Laval-plade, set ovenfra, fig. 2a en perspektivisk afbildning af en ribbeplade med 15 indvendig forgrening og åben overflade, fig. 2b den indvendigt forgrenede ribbeplade med åben overflade vist skematisk, set ovenfra, 20 fig. 2c en plade med indvendig forgrening og åben overflade vist skematisk, set fra en åben ende, fig. 2d perspektivisk en pladestabel med indvendig forgrening og åben overflade vist skematisk, 25 fig. 3a en yderligere skematisk udførelsesform for den indvendige forgrening til en plade med åben overflade og indvendig forgrening, fig, 3b endnu en skematisk udførelsesform for den i.ndven-· 30 dige forgrening til en plade med åben overflade og indvendig forgrening, 35 4

DK 159086 B

fig. 4a endnu en skematisk udførelsesform for ribbe-kanal-formen, 5 fig. 4b en yderligere skematisk udførelsesform for ribbe-kanalformen, set ovenfra, fig. 4c en tredje skematisk afbildning af en ribbe-kanal-form, set ovenfra, 10 fig. 5 skematisk en ribbeplade med åben overflade og indvendig forgrening med forskellige kanal- og ribbegeometrier, set fra enden, 15 fig. 6a en ribbeplade med åben overflade og indvendig forgrening, og som har ud i ét tildannede udvendige side-og endeforgreninger, vist skematisk set ovenfra, fig. 6b skematisk en anden afbildning af en ribbeplade med 20 åben overflade og indvendig forgrening og med ud i ét tildannede indre side- og endeforgreninger, set ovenfra, fig. 6c perspektivisk en yderligere udførelsesform med en ribbeplade med åben overflade og indvendig forgrening og 25 med ud i ét tildannede indvendige hjørneforgreninger, fig. 6d en yderligere udførelsesform for strømningsføringerne for den i fig. 6c viste ribbeplade, set ovenfra, 3 0 fig. 7a et forstørret perspektivisk vist brudstykke, som viser ribbernes og kanalernes relative proportioner, fig. 7b skematisk pladestabelen med finnerne forskudt for hinanden, set i lodret retning, 35 5

DK 159086B

fig. 8a en perspektivisk afbildning af en enkelt indvendigt og udvendigt forgrenet plade, 8b en perspektivisk afbildning af en stabel af plader med åben overflade og indvendig forgrening, hvilken stabel har 5 side- og endeforgreninger, som er forbundet ud i ét med de indvendigt forgrenede plader med åben overflade, fig. 8c perspektivisk og i større målforhold et brudstykke, som viser ribbernes, kanalernes og forgreningsorganernes relative proportioner, 10 fig. 9a skematisk en ringformet konstruktion med åben overflade og indvendig forgrening, hvor hver ringformet konstruktion omfatter flere plader, fig. 9b en ringformet stabel af indvendigt forgrenede ringkonstruktioner med åben overflade, og hvor hver ring-15 konstruktion omfatter flere plader, vist perspektivisk med dele for tydeligheds skyld skåret væk, fig. 9c en perspektivisk afbildning, set i større målforhold af et brudstykke af fig. 9a, og som viser ribbernes og kanalernes relative proportioner, 20 fig. 10a en udstrømningsplade til en ringformet indvendigt forgrenet plade med åben overflade, vist skematisk set ovenfra, fig. 10b en indstrømningsplade til en ringformet indvendigt forgrenet plade med åben overflade, vist skematisk set 25 ovenfra, fig. 11 en grafisk afbildning, som viser virkningen af strømningsarrangementet på varmevekslerydeevnen,

DK 159086 B

6 fig. 12a skematisk arrangementet af en modstrømsvarmeveksler med bølgeformede vægge, fig. 12b skematisk arrangementet af en modstrømsvarmeveksler med ribbede plader, 5 fig. 12c skematisk arrangementet af en modstrømsvarmeveksler med en pladestabel, fig. 13 en grafisk afbilding af grænser for udviklet varmeveksler-vægtykkelser, fig. 14 en grafisk afbildning af forøgelsesforhold som 1Q funktion af forhold imellem ribbehøjde og -bredde, fig. 15 en grafisk afbildning af den udviklede, indvendigt forgrenede pladestabels (IMPS) totale filmkoefficient som funktion af gasfilmkoefficienten, og fig. 16 en grafisk afbildning af ydeevnefaldet som funktion 15 af biottallet.

Som nævnt viser fig. 1 en tidligere kendt varmevekslerplade. I fig. 2a, 2b og 2c er der vist en ud i ét tildannet ribbeplade 10 eller et panel, som omfatter en åben overflade 12 og i tværretningen orienterede sideporte 14 igennem ribbepladens 10 topkant 17. Sideportene 14, 14 er tildannet ud i ét, i ti 1 -stødning til og i forbindelse med et indvendigt forgreningsorgan 16. I tilstødning til og langs siden af den bageste ende af det indvendige forgreningsrør 16 er der en lukket ende 18.

I tilstødning til og på tværs af den forreste ende af forgre-2^ ningsrøret 16 er der tildannet kanaler (20) ved hjælp af ribber 22, hvilke kanaler 20 er indrettet til at dirigere flui-dumstrømme til endeporte 24. Pladens bund 26 tilvejebringer en varmeovergangsoverf1ade til forbindelse med ribber 22 på en 7

DK 159086 E

tilstødende plade samt et middel til at adskille fluider, såvel som et middel til forseglende at forbinde ribbepladerne i en pladestabel. Det skal bemærkes, at pladestabelen kan anvendes til høj- eller lavtrykssituationer, og at indvendige 5 lækagebaner er ikke-kritiske. Et pladedæksel 15 kan enten være massivt som vist eller blot en anden fundamental ribbeplade 10. Fig. 2b viser endvidere valgfrie forgreningsribber 28. Forgreningsribberne 28 tilvejebringer yderligere understøtning og ekstra midler til varmeoverføring.

10 I fig. 2d er der skematisk vist en indvendigt forgrenet pladestabel 30, som omfatter flere invendigt forgrenede ribbeplader 10. I den foretrukne operationstilstand er ribbepladerne stablet på en over for hinanden beliggende måde i alternerende rækkefølge. Selvom ribberne 22 er vist 15 rettet ind efter en lodret linie, kan de også være anbragt forskudt i forhold til hinanden, således som vist i fig.

7b. Selvom ribbepladerne i de foretrukne operationstilstande er ens, kan den indvendige konstruktion på alternerende ribbeplader varieres for at opnå ønskede termodynamiske 20 effekter. I den foretrukne rækkefølge ledes der et første fluidum ind igennem sideporte 14 på alternerende ribbeplader og ind i indvendige forgreningsorganer 16, hvorfra det ledes langs kanaler 20, som dannes ved hjælp af ribberne 22 for til sidst at strømme ud igennem endeporte 24. Et andet 25 fluidum med enten højere eller lavere temperatur ledes tilsvarende ind igennem sideporte 14 i nærliggende alternerende ribbeplader, hvorved opnås en modstrømsst.røm. Selvom dette udgør den foretrukne strømningsretning ligger det inden for opfindelsens ide at have strømningen forløbende i 30 modsat retning, idet fluidet passerer ind igennem endeportene 24, strømmer videre igennem kanalerne 20 og ind i den indvendige forgrening 16 og strømmer ud igennem sideporten 14. Strømmen kan også være parallelt forløbende ved, at det 35 8

DK 159086B

ene fluidum ledes ind igennem sideporten 14, og det andet fluidum igennem endeporten 24 på den nærliggende ribbeplade.

Det skal bemærkes, at det første og det andet fluidum kan være samme fluidum eller forskellige fluider, og at der 5 afhængig af termodynamiske krav kan anvendes to fluider.

' I fig. 3a og 3b er der vist' to yderligere udførelsesformer for indvendige forgreningsorganer 16. Det indvendige forgreningsorgan 16 kan have en tilspidset geometri, der 10 afgrænses ved hjælp af en vinkel 33. I fig. 3a har den indvendige forgrening 16 to sideporte 14, 14, og tilspidsningen indsnævres, efterhånden som fluidet når frem til midtpunktet 32. Ved midtpunktet 32 kan der efter ønske, være indsat en afgrænsning. I fig. 3b har udførelsesformen en 15 indvendig forgrening 16 bestående af en sideport 14 og en tilspidsning, der strækker sig over hele ribbepladens fulde bredde, idet den indsnævres, efterhånden som den nærmer sig den lukkede side 23. Selvom der kun er vist tre indvendige forgrenings-geometriformer, kan der naturligvis også 20 anvendes andre former, som kan kanalisere fluidet fra en sideport 14 til kanalerne 20, uden at man herved afviger fra opfindelsens ide.

I fig. 4a, 4b og 4c er der vist yderligere geometrier for 25 ribber 22 og kanaler 20. I fig. 4a er der vilkårligt anbragt ribber 22 og kanaler 20 inden for hovedkanalen 20 i den fundamentale ribbeplade 10. I modsætning hertil viser fig. 4b og 4c en ribbegeometri med intermitterende ribbegeometrier anbragt på linie med hinanden. En intermitterende 30 ribberække kan enten være anbragt alternerende som vist i fig. 4b eller på linie, som vist i fig. 4c. Kanaloverfladen kan enten være glat eller ru afhængig af de specielle konstruktionskrav, og der skal bemærkes, at ligegyldigt 35

DK 159086B

9 hvilken ribbegeometri, der anvendes, er ribberne og kanalerne konstrueret til at øge den konstruktionsmæssige integritet, såvel som den samlede varmeoverføringsydeevne.

5 Kanalerne kan også være tilspidset både i højderetningen og bredderetningen.

I fig. 5 er der vist flere kanal- og ribbeformer. Den mest almindeligt anvendte kanal- og ribbeform er den, der er iø vist ved hjælp af kanalen 20 og ribben 22. Kanaler med forskellige former, såsom dem med afrundede hjørner 36, U-form 38, V-form 40 og trapezform 42 sammen med disses tilhørende ribbeformer, ligger også inden for opfindelsens ide. Et kritisk træk ved den foreliggende opfindelse er, at i5 kanalerne og ribberne forenes til at forøge varmeoverfør-slen og den konstruktionsmæssige integritet, mens selve kanalen har en åben overflade eller side, således at den er let at fremstille. Endvidere skal det bemærkes, at selve kanalerne kan være glatte eller rug eller korrugerede eller 2ø have en hvilken som helst anden overfladegeometri, som vil fremme strømning og varmeoverføring.

I fig. 6 er der vist en ribbeplade med åben overflade og indvendig forgrening og hjælpeforgrening. Ribbepladen 62 er 25 i princippet den samme som ribbepladen 10. Derudover har ribbepladen 62 et udvendigt forgreningsorgan 64 med lukket ende, et udvendigt forgreningsrør 66 med åben ende og to par af sideforgreningsorganer 68, 70. Hvert par af sideforgreninger omfatter et sideindløbs forgreningsorgan 68 og et 30 diagonalt placeret aflukket sideforgreningsorgan 70. Alle udvendige forgreningsorganer er tildannet ud i ét og i tilstødning til ribbepladen 10. Selvom den udvendige forgreningsorganer er vist med rektangulære former, kan der 35

DK 159086B

10 anvendes en hvilken som helst geometrisk form til at overføre fluidum til og fra ribbepladen.

I fig. 6b er der vist en ribbeplade 63 med indvendig forgrening og åben overflade. Denne plade 63 er i prin-5 cippet den samme som ribbepladen 62, men har derudover en hjælpeforgrening 64 ved den lukkede ende, en hjælpeforgrening 66 ved den åbne ende, to par indvendige sideforgreninger 68, 70, samt et par indre indløb 65. Hvert par indre sideforgreninger omfatter en sideindløbsforgrening 68 samt 10 en diagonalt placeret, lukket sideforgrening 70.

I fig. 6c er der vist en perspektivisk afbildning af endnu en udførelsesform for den indvendigt forgrenede ribbeplade, der her er forsynet med det generelle henvisningstal 67. Ribbepladen 67 er i princippet den samme som ribbepladen 15 63. Ribbepladen 67 omfatter imidlertid et indre hjørneind løb 69 og et par indre hjørneforgreninger, hvor hvert par omfatter en indre hjørneindløbsforgrening 71, som er placeret ved det indre hjørneindløb 69, og en indre hjørneudløbsforgrening 73, som er placeret ved den samme side som 20 indløbsforgreningen 71, men ved den modsatte ende af Dladen 67. Når et varmevekslerfluidum strømmer ind på ribbepladen 67, strømmer den igennem den åbne forgrening 71 og indløbet 69, langs indre strømføringer 75, ned langs kanaler 77, som afgrænses ved hjælp af ribber 79, ud igennem en åben 25 endeport 81 og ud igennem den indre hjørneudløbsforgrening 73. Det skal bemærkes, at strømføringerne er magen til forgreningsribberne 28 og tjener samme konstruktionsmæssige og termodynamiske formål, bortset fra at efterhånden som forgreningsbanen tiltager i længde, vokser forgreningsstrøm-30 ningskanalerne 83 i bredden. Denne konstruktion giver optimal strømfordeling hen over pladens 67 overflade.

IX

DK 159086 B

En anden form for strømføring 75, som vil tilvejebringe optimal strømfordeling hen over ribbepladen 67, indebærer som vist i fig. 6d, brugen af strømføringer 75, der er konstrueret til at føde hver enkelt kanal 77 ved, at 5 strømføringerne 75 er tildannet ud i ét med ribberne 79.

Ligesom ved det sæt af strømføringer, der er afbildet i fig. 6c, vil afstanden 83 imellem strømføringerne 75 vokse med afstanden hen til ribberne 79 og kanalerne 77. Et par lukkede forgreningsorganer 85 og 87 er placeret ved de 1Q resterende to hjørner af ribbepladen 67, med et ved hvert hjørne. Disse lukkede forgreningsorganer 85 og 87 tilvejebringer de nødvendige sammenhængende strømningspassager for ribbeplader 67, når disse er stablet på overfor hinanden beliggende måde i alternerende rækkefølge.

15 I fig. 7a og 7b og fig. 8a, 8b og 8c er der vist forskellige afbildninger af en indvendigt forgrenet ribbeplade og en piadestabelsamling 72. I den foretrukne anvendelsessituation er ribbepladerne stablet på over for hinanden beliggende måde i alternerende rækkefølge. Et første 20· fluidum ledes til indløbssideforgreningen 68, i hvilken fluidet strømmer ind igennem sideporten 14 langs det indvendige forgreningsorgan 16 og vendes, således at det strømmer ned igennem de kanaler 20, der dannes, af ribberne 22. Dette første fluidum strømmer derefter ud igennem 25 endeporten 24 og ind i hjælpeforgreningen 66 ved den åbne ende. Fra hjælpeforgreningen 66 ledes det første fluidum derpå til et passende sted. Et andet fluidum, som enten er varmere eller koldere end det første fluidum transporteret ind i de tilstødende ribbeplader igennem disses respektive 50- sideindløbs forgreninger 68, hvorfra det andet fluidum ligesom den første fluidumsstrøm ledes ind igennem indgangsporten 14 langs det indre forgreningsorgan 16, ind i kanalerne 20 og langs med· ribberne 22. Herfra strømmer det andet fluidum ind i den enkelte anden forgrening 66 ved den

DK 159086B

12 åbne ende, hvorfra det ledes til et hvilket som helst passende sted. Sekundære forgreninger 64 med lukkede ender og lukkede sideforgreninger 70 anvendes til at fremstille sammenhængende, sekundære forgreninger imellem alternerende 5 ribbeplader. Det skal bemærkes, at selvom side- og endefor greningerne er vist i rektangulær form, kan de om ønsket have en hvilken som helst form. Yderligere kan varmevekslerfluiderne være væske eller luftarter eller kombinationer af væsker og luftarter.

IQ I fig. 9a er der vist en yderligere udførelsesform for en indvendigt og sekundært forgrenet ribbeplade med åben overflade. Ribbepladerne 74 og 76 er kileformede og er via forseglelige forgreninger kombineret til fremstilling af en ringformet konstruktion 72. Det skal bemærkes, at selvom 15 den mest foretrukne ringformede konstruktion 72 er cirkulær, kan der anvendes en hvilken som helst regelmæssig ringformet geometrisk konstruktion med et lige sideantal, og en sådan hvilken som helst ringformet geometrisk konstruktion vil ligge inden for opfindelsens ide. Repræsen- 20. tative ringformede konstruktioner omfatter et kvadrat, en sekskant, en.ottekant, osv. Selvom der i den mest foretrukne udføreisesform forefindes seks ind i hinanden gribende ribbeplader, vil systemet arbejde lige så godt sammen med en eller flere ribbeplader. Nogle ribberplader kan endvi-25 dere ikke blot bære et fluidum, men tjener som afstandsor ganer og lignende. I den foretrukne udførelsesform omfatter den ringformede konstruktion 72 i det mindste en udløbsribbeplade 74 og en indløbsribbeplade 76. Under brug strømmer et første fluidum igennem en sideindløbsforgrening 82 og 30· ind igennem en sideport 84, hvorfra det strømmer langs det indvendige forgreningsorgan 84 og vendes, således at det strømmer videre langs kanaler 88, som dannes af ribberne 90. Det første fluidum strømmer derefter ud af endeporten 92 på den ydre periferi og ind i det åbne, sekundære

DK 159086 B

13 forgreningsområde 78, hvor en opsamlingsindretning vil være tilstrækkelig. Det første fluidum ledes derfra videre til et hvilket som helst passende sted. Et andet fluidum, som enten er varmere eller koldere end det første fluidum, 5 ledes ind i den nærliggende ribbeplade 76 ved at strømme igennem en sideindløbsforgrening 94, igennem en sideport 96, langs det indvendige forgreningsorgan og videre langs kanaler 100, der dannes af ribber 102. Herfra strømmer det andet fluidum ud igennem en udgangsport 104 langs den indre periferi og ind i den tilhørende sekundære forgrening 80 med åbnet ende. Med denne specielle udførelsesform viser fig. 9b et udsnit af en indvendigt forgrenet pladestabel til frembringelse af modstrøms strømning. Denne strøm opnås ved alternerende anbringelse af ribbeplader 74 oven på 15 ribbeplader 76. Et hvilket som helst antal af ringformede konstruktioner 72 kan stables oven på hinanden, afhængig af varmevekslerens ønskede kapacitet. For at fuldende stabelen af ringformede konstruktioner er der oven på den ringformede konstruktion bestående af den indvendigt forgrenede, 2Q ringformede pladestabel· anbragt en ringformet dækselplade, som forseglende er forbundet hermed. Denne dækselplade kan blot være endnu en varmeoverførende, ringformet konstruktion 72. Derefter er der fastgjort hvilke som helst passende indretninger til ledning af varmeoverføringsfluidum til 25 og fra varmeveksleren af piade/ribbe-typen. Fig. 9c er en perspektivisk afbildning af et brudstykke set i større målforhold, hviilken afbildning viser de omtrentlige indbyrdes proportioner af ribberne og kanalerne.

Foretrukne operationstilstand er den ringformede konstruk-3(1 tion 72 fremstillet af flere ringformede cementer. I andre funktionstilstande kan den ringformede konstruktion udgøre en ud i ét tildannet konstruktion, som er indrettet til at bære et eller flere fluider. Endvidere kan den ringformede stabel være konstrueret til at rotere omkring dens akse,

DK 159086 B

14 hvis de nævnte specielle konstruktionsparametre gør det muligt.

I fig. 10a er der vist endnu en udførelsesform‘for den indvendigt forgrenede ribbeplade med åben overflade og 5 ekstra indvendig forgrening. Selvom den ringformede ribbeplade 106 er cirkulær, vil en hvilken som helst geometrisk tildannet regelmæssig ringformet plade falde inden for opfindelsens ide. Selvom den ringformede konstruktion 72 er magen til ribbepladen 106, skal det bemærkes, at konstruk-10 tionen 72 er fremstillet af flere ribbepladecementer. I

modsætning hertil er ribbepladen 106 ifølge fig. 10a en ud i ét tildannet udstrømningsplade. Under brug strømmer et første fluidum igennem en indløbsåbning 108 og langs det indvendige forgreningsorgan 110. Herfra drejes det første 15 fluidum således, at det strømmer langs kanaler 112, som dannes af ribber 114. Dette første fluidum strømmer derpå ud af en endeport 116 langs den ydre· periferi og ind i et åbent, sekundært forgreningsområde 118. En indre port 120 er placeret inden for den ydre periferi af udstrømningerib-20 bepladen 106, så at der tilvejebringes et middel til at kanalisere det andet fluidum til en anden plade. I fig. 10b er der vist en indstrømningsribbeplade 122. Et andet fluidum, som enten er varmere eller koldere end det første fluidum, ledes ind i ribbepladen 122 igennem en åbning 120.

25 Herfra strømmer det andet fluidum langs et forgreningsorgan 124 og vendes således, at det strømmer ned igennem kanaler 126, der dannes af ribber 128. Herfra strømmer det andet fluidum ud igennem udgngsporte 130 langs den indre periferi og ind i det tilhørende sekundære forgreningsområde med 20 åben ende. En indvendig port 108 er placeret inden for den indre periferi af ribbepladen 122, så at der tilvejebringes midler til kanalisering af det første fluidum til en anden plade. I denne specielle udførelsesform tilvejebringes der en indvendigt forgrenet stabel af plader med ringformet 15

DK 159086B

konstruktion ved, at indstrømningsribbeplader 122 og udstrømningsribbeplader 106 anbringes oven på hinanden i alternerende rækkefølge, så at den ønskede pladestabelhøjde dannes. Det skal bemærkes,'at der kan være anbragt flere 5 indstrømningsåbninger og udstrømningsåbninger inden for hver plade, hvis det ønskes.For at fuldende pladestabelen anbringes der forseglet forbundet en ringformet dækselplade oven på den øverste plade i den indvendigt forgrenede, ringformede pladestabel. Det skal bemærkes, at dækselpladen 10 blot kan være en anden ringformet plade eller være en solid plade. Derpå kan der tilknyttes hvilke som helst .konventionelle indretninger til at transportere varmeoverføringsflui-der til og fra en varmeveksler af plade/ribbetypen.

Afhængig af den endelige anvendelse og den ønskede varmeover-15 føringshastighed kan der anvendes forskellige pladertykkelser, kanal- og ribbeforhold, længde- og breddeforhold og forskellige termisk ledende materialer. De følgende materialer er angivet som eksempler og ikke på nogen som en begrænsning: Metaller, keramiske materialer, polymere, osv.

2Q Den ovenfor beskrevne konstruktion er den første virkeligt automatiserede indretning til fremstilling af varmevekslere. Den vil reducere de arbejdstimer, der er involveret i tilskæring, lodning, svejsning, lækagekontrollering, osv., i sammenligning med varmevekslere med rør i en kappe og 25 plade/ribbevarmevekslere. Derudover muliggør konstruktionens mulige graduering, at der kan anvendes mange forskellige størrelser, materialer og fluider. Den følgende beskrivelse angiver i store træk IMPS-konstruktionens fundamentale termiske fortrin, set i forhold til tidligere kendte 3Q konstruktioner.

Den fundamentale tekniske-fordel, der tilvejebringes ved hjælp af konstruktionen, der er vist i fig. 8c, er, at den

IS

DK 159086B

muliggør en modstrømsvarmevekslerkonstruktion, hvori alle arbejdsflader af samme ΔΤ til den nærliggende overflade.

Som det kan ses har hver passage (kold eller varm) en nærliggende passage (varm eller kold) på hver side. Forbun-5 det forbindelse 11 imellem pladerne 10 muliggør termisk ledning fra plade til plade og derved øges varmevekslerevnen betydeligt i forhold til den ikke i kontakt værende forbindelse, som foreligger i Alfa-Laval-konstruktionen. Skrædersyningen af køle middelpassagerne for at tilveje-1Q bringe variabelt strømningsareal er mulig i denne konstruktion, både i bredden og højden, ved en passende ændring af væg- og felttykkelserne. I den fundamentale varmevekslingsproces opnås den bedste varmevirkningsevne med en ren friktionsmæssig strømningsproces. En hvilken som helst 15 turbulens som følge af bølgedannelser, fremspring eller ruheder resulterer i et ineffektivt trykfelt og et aktuelt fald i den samlede varmeoverføring. Hvis det ønskes varmeveksler kompakthed, kan der indbygges varmevekslerfordele i form af bølger, ruhed, afbrudte ribber, osv. i IMPS-konstruk-20. tionen ved prægning, ætsning, fræsning, osv. på bekostning af strømtrykstab. Den tilføjede fordel ved en anden rillestørrelsesgeometri ved blot bearbejdningsændringer er et tilføjet træk ved konstruktionen.

Det indvendige forgrenings trask, som er vist på figurerne, 25 muliggør både et minimalt strømadgangs tab og varmeveksling inden for forgreningssektionen, således at der sikres den størst mulige effektivitet inden for en given konstruktionslængde .

Under normale omstændighed opnås den bedste termiske 30 effektivitet eller virkningsgrad med en god modstrømskonstruktion. Fig. 11 viser en fundamental sammenligning imellem parallelstrøms-, tværstrøm- og modstrømskonstruktioner. Det ses, at virkningsgraden for parallelstrømning 17

DK 159086B

nærmer sig 50%, tværstrømning 80% og modstrømning 90% med tilstrækkelig længde, Da størstedelen af ribbepladevarmevek-slere er tværstrømstyper som følge af forgreningsmæssige årsager udviser den foreslåede konstruktion en begyndende 5 10-15% fordel alene som følge heraf.

Muligheden for håndtering af enten tværstrøm- eller parallelstrømstilfældet er imidlertid ikke udelukket ved IMPS-kon-struktionen, og som en anden mulighed kan der også tillades anvendelse af tilsatte tværstrøm-modstrømsfluider og 10 -baner.

Tre forskellige varmeveksler eksempler er vist i fig. 12a, 12b og 12c, der alle er modstrømskonstruktioner, som, som nævnt, udviser den bedste varmeoverføringsvirkningsgrad.

I en konstruktion med korrugeret eller bølgetformet væg, 15 som den der er vist i fig. 12a, vil virkningen af bølgerne være tilføjelsen af turbulens, som vil øge varraeoverførin-gen, men på kraftig bekostning af trykfaldet som følge af aerodynamiske trykfald i stedet for ren friktion. Med mindre overfladeopretningen og afstanden er ensartet 2Q tilpasset imellem kolde og varme sideflader på korrekt måde, vil. der, som det også ses, forekomme utilsigtede tryktab og ueffektiv varmeoverføring. Derudover kan der ikke forekomme ledning fra plade til plade i samlingen ifølge denne konstruktion.

25 i fig. 12b er der vist en modstrømsribbeplade. Denne har fordelen ved større ribbeflader, men ikke virkningen med hensyn til termisk ledning fra plade til plade. Afstanden imellem passagerne er endvidere sådan, at kun lavtryksforskelle kan opretholdes imellem pladerne, og som følge heraf 30. varierer varmeoverføringshastighederne fra plade til plade

DK 159086B

18 og på langs og på tværs af en hvilken som helst given plades overfladeareal.

Den foreslåede stabelkonstruktion med den varmeveksler, der er vist i fig. 12c, tilvejebringer optimal modstrømskonstruk-5 tion samtidigt med udvidet ribbeoverfladekonstruktion uden nogen korrugeringer (hvis der ønskes minimalt trykfald). Derudover er det en væsentlig fordel, at der foreligger intim termisk forbindelse i pladestabelen, hvilket sikrer termiske forbedringer under (næsten) alle omstændigheder.

1Q Ved konstruktioner med stor passagehøjde, hvor varmeoverføringskoefficienterne er små i sammenligning med forholdet imellem materialets termiske ledningsevne og den gennemsnitlige karakteristiske højde (dvs. Nsi^1,0), vil plade til plade kontakten betyde fordelen ved stor termisk ledning af metallet, ikke blot imellem to nærliggende plader, men fra 15 andre plader langt væk fra den direkte termiske forbindelse. På denne måde skyldes konstruktionens tilføjede eyne til forbedret varmeledning, den tredimensionale termiske ledning, inden for pladestabelen. Den bedre 3D-termiske ledning inden for konstruktionen reducerer også termiske 2Q spidsspændinger ved den proportionale reduktion i spidsoverfladetemperaturer inden for varmeveksleren.

Fordelen ved plade til plade kontakt kan udtrykkes i et forøgelsesforhold: 5 = ET- Ligning 1 1

25 hvor K er materialets ledningsevne, h er den gennemsnitlige varmeovergangskoefficient eller varmeovergangstal, L er feltbredden og W kanalbredden. Værdien s' er omtrent vægtykkelsen S plus halvdelen af kanalhøjde. Ud fra den nævnte formel kan det ses, at 6 -værdier større end 1,Q

DK 159086 B

19 viser en fordel ved fastgørelse af plade imod plade. I praksis kan der realiseres δ-værdier på op til 10 gange ved passende konstruktionsgeometri. Dette er især vigtigt, når varmeoverføringskoefficienten ønskes at være lav for at 5 spare trykfald og pumpeeffekt.

Fig. 13 viser kravene til S1 som funktion, af varmeoverføringskoefficienten. For alle bortset fra de højeste varme-overgangs-hastighedsforhold kan der findes en praktisk tykkelse til brug i IMPS-pladestabelen.

Den totale varmeoverføringshastighed q/A for pladestabelvarmeveksleren på basis af en overfladearealenhed imellem plader kan udtrykkes som (tilnærmelsesvis):

Ligning 2

Hu ΔΤ q/A = —-—-- <r ><££> +1rf > + ί 13 + 1/4 (hh + hc>> c h h+w h med mere detaljerede analyser udført ved hjælp af computer-15 løsning. Til en speciel pumpeeffekt, idet varmeovergangsko- efficienterne på den kolde side og den varme side (H^ og H ) specificeret kan vægvarmestrømmen optimaliseres ved

C

hjælp af den valgte geometri og det valgte materiale.

Forholdet imellem varmen, der overføres til en pladestabel-2a varmeveksler og en reference plan vægkonstruktion (ligning 2, rør i en kappe) er :

Ligning 3 (^/^o . L+W , Hh .L+W. ~ Hh (S + 1/4 ^h^c^

( h+W V H lh+W; K

h c c

DK 159086 B

20

For omtrent samme værdier af kold (c) og varm (h) varmeover-føringskoefficienter og en høj ledningsevne (K) i væggen reduceres dette forhold (φ) til:

Ligning 4 φ = , 1+L/W . . ,1+L/W. ' Hh^Hc 1,0

* 1+h/W J + ll+h/W;h K = M

c 5 Med ens kolde og varme sidegeometrier og smalle felter imellem kanalerne, set i forhold til kanalernes bredder, bliver derefter:

Ligning.5 ^MAX = + §* (maksimal φ-værdi)

En følge heraf er, at grænsen for det teoretiske varmevek-1Q slerforøgelsesforhold bindes således, som det vil blive vist nedenfor.

For forskellige variationer af kolde og varme overgangskoefficienter og materialer og realistiske geometrier kan der enten drages brug af ligning 3 eller nøjagtige computerløs-15 ninger.

Det maksimale teoretiske, termiske forøgelsesforhold, som kan tilvejebringes ved hjælp af pladestabelen, kan ses i fig. 14. Værdien ψ repræsenterer den forøgelse, der kan opnås ved hjælp af et kraftigt ledende materiale (kobber 20- eller sølv) som et eksempel. En værdi på φ = 1,0 udgør en normal (f.eks. rør i kappe) basislinie-varmevekslerkonstruktion. Yderligere grænseværdier er vist for den teo-

DK 159086B

21 retiske bedste linie og en (typisk) fremstillingsgrænselinie. Det ses, at typiske værdier på 3-4 gange varmeover-gangskoefficienter for rør i kappe vil optræde med en typisk konstruktion med samme varmeovergangskoefficient

(samme pumpeeffekt). Værdier for φ ved 10 gange eller S

større basislinie-varmevekslerværdierne kan forventes under visste planlagte omstændigheder med ens effekttab.

Fig. 15 viser for et specielt konstruktionseksempel ved en rekuperatorgeometri en pladestabel-computerkonstruktions-analyse med en nominel φ-værdi på 1,4, dvs. 40% bedre end rør i kappe. Som vist kan pladestabelkonstruktionen alternativt reducere den krævede varmeoverføringskoefficient på den kolde side til 50% af rør i kappeværdien (25% af den oprindelige pumpeeffekt).

15

For materialer med en lavere termisk ledningsevne vil der ske en forringelse af effekten, således som vist i fig. 16. For ψ-værdier (reduktionsfaktor) liggende i intervallet fra 0 4 ψ i 0,1, er der vist en minimal forringelse, dette indebarer di-20 mensioner ingen af pladestabel varmeveksleren, således at det valgte materiale og tykkelsesvardierne er tilfredsstillende sammenlignet med den laveste varmeoverføringskoefficient i stabelen (den kolde eller den varme side).

25 For f.eks. ens pladegeometrisituationer på den kolde og den varme side kan brugen af flere udledte parametre være af betydning.( Disse kan også udledes i situationer med uens geometri). Disse er følgende: 30

Overfladeareal pr. volumenenhed β = - (i + Ligning 6 35

Claims (11)

1. Varmeveksler omfattende mindst én panelstabel med et antal oven på hinanden placerede paneler (10), som er således tildannet, at de imellem sig danner lag. eller sæt med kanaler til mindst ét varmevekslerfluidum, og hvor kanalerne i forskellige lag, fortrinsvis i hvert andet lag, står i forbindelse med hinanden, kendetegnet ved, at i det mindste de fleste af panelerne (10) består af en plan plade (26), som udgør panelets bund eller top, og som på dens ene plane side er udformet med ud i ét tildannede udragende ribber (22) eller finner, som over i det mindste en del af panelet mellem sig danner i det væsentlige parallelle kanaler (20), som i det mindste ved én ende er forbundet med hinanden ved hjælp af endeforgreningsorganer (16) med indløb eller udløb (14) i panelets sider (17), og hvor ribberne (22), sidevæggene (17) og forgrenings-organernes endevægge (18) har i det væsentlige samme højde.

23 DK 159086 B

2. Varmeveksler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at kanalernes (20) bort fra endeforgreningsorganerne (16) vendende ender slutter med endeåbninger (24) i panelets (10) og 5 pladens (26) endeplan og tjener som udløbsåbninger.

3. Varmeveksler ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at endeforgreningsorganernes (16) tværsnit varierer fra udløbsåbningen (14) mod lsngdemidten eller mod den anden ende. 10 (Fig. 3a, b).

4. Varmeveksler ifølge krav 1, 2 eller 3, kendetegnet ved, at endeforgreningsorganerne (16) har bare en indløbsåbning. Fig. 3b, 6c). 15

5. Varmeveksler ifølge et eller flere af kravene 1-4, kendetegnet ved, at panelet (62, 63) ved forgreningsorga-nernes ende (16) har en ydre lukket hjælpeforgrening (64) og ved kanalåbningsenden en ydre, åben hjælpeforgrening (66),som 2q står i forbindelse med alle kanalåbningerne (24), at ydre åbne sideforgreninger (68) er indrettet på den udvendige side af panelpladens sider (62a, 63a) ved enderne af og. i forbindelse med de indre endeforgreningsorganer (16), og at ydre lukkede sideforgreninger (70) er indrettet på tilsvarende steder ved 25 de modsatte ender af sidevæggene (62, 63a). (Fig. 6 og 8).

5 Disse parametre er vigtige for konstruktionen af varmveksler-hastigheden, pumpeeffekten henholdsvis vægten (omkostninger) for at hjælpe til under konstruktionsspecificeringen. Opfindelsen er falevet beskrevet under henvisning til foretrukne udførelsesformer. Der kan foretages mange ændringer, uden at 10 man herved afviger fra opfindelsens ide. Patentkrav.

6. Varmeveksler ifølge et eller flere af kravene 1-4, kendetegnet ved, at panelets (67) endepartier ved begge ender af ribber (79) henholdsvis kanaler (77) har indre ende- 3Q forgreningsorganer (83) med indløb (71) og udløb (73) inden for panelets ved enderne udvidede bundplade, og hvor hvert endeparti er udført med en fortykket sektion, som indeholder en ydre, "lukket" forgreningsorganåbning (85, 87), som er isoleret fra endeforgreningsorganerne, idet endepartisektio-35 nens tykkelse er omtrent lig »ed ribbernes (79) højde. (Fig. 6c). ί DK 159086 Β

7. Varmeveksler ifølge krav 6, kendetegnet ved, at ribberne (79) henholdsvis kanalerne (77) er forlænget (ved 75) frem til indløbet/udløbet (71, 73), som derved virker som in-5 dre endeforgreningsorganer (som 16). (Fig. 6d)..

8. Varmeveksler ifølge et eller flere af kravene 1-4, kendetegnet ved, at panelet er i det væsentlige cirkelformet eller mangekantformet og eventuelt består af et antal panelsegmenter, og at panelet har en central åbning (80), der virker som forgreningsorganernes ydre udløb/indløb, og hvor ribber (90) og kanaler (8) forløber i det væsentlige radialt imellem forgreningsorganerne og vinkelret på panelbundpladen eller panel toppladen (74, 76). 15

9. Varmeveksler ifølge krav 8, kendetegnet ved, at panelpladen (74) med de ud i ét tildannede ribber (90) er delt op i segmenter, hvis indre endeforgreningsorganer (86, 98. er anbragt skiftevis ved den radialt indad og den radialt 20 udadrettede ende.

10. Varmeveksler ifølge krav 9, kendetegnet ved, at i nogle af segmenterne har de indre forgreningsorganer (86, 98. en endevæg (indre henholdsvis ydre periferivæg 92, 104). 25

11. Varmeveksler ifølge krav 9 eller 10, kendetegnet ved, at der imellem segmenterne er anbragt radiale, ydre forgreningsorganer, og at der imellem de indre og ydre forgreningsorganer er anbragt ydre forgreningssektioner (94, 30 84). (Fig'. 9, 10). 35