DK171188B1 - Anordning til varmegenvinding - Google Patents

Description

DK 171188 B1

Den foreliggende opfindelse angår en varmeveksler, især en pladevarmeveksler i et luftkonditioneringssystem med to hinanden krydsende gasformige medier, hvor det ene medium overfører varme til det andet medium, f.eks. til- og fra-5 luft i en beboelsesbygning.

Pladevarmevekslere af denne type anvendes især i varmegen-vindingsaggregater i ventilationsanlæg. Et eksempel er vist i den vedføjede fig. 1. Varmeveksleren består af et stort 10 antal lameller anbragt med et bestemt mellemrum. I hvert andet mellemrum strømmer fra-luft og i hvert andet mellemrum strømmer til-luft. Sædvanligvis overføres varmen fra en fra-luftstrøm til en til-luftstrøm ved, at de pågældende strømme passerer varmeveksleren i adskilte kanaler.

15 Lamellerne er ofte fremstillet af aluminium, og afstanden mellem dem kan opretholdes på forskellig måde, f.eks. ved hjælp af indpresninger i lamellerne.

Som alle andre typer varmevekslere har pladevarmevekslere 20 både fordele og ulemper. En af de største ulemper for pladevarmevekslere er stor risiko for tilfrysning ved faldende udelufttemperatur til under 0*C. I de såkaldte rekuperative varmevekslere køles en fra-luft, der sædvanligvis er en varm og fugtig luft, af en af friskluft 25 bestående eller af en lignende tilstedeværende kold luftstrøm. Disse luftstrømme udveksler varme i veksleren uden at komme i direkte berøring med hinanden. Den kølende strøm af friskluft eller lignende optager varme fra fra-luf ten og sænker derved dennes temperatur. Herved sker der 30 en udfældning eller kondensering af fugtighed på fra- luf tkanalernes varmevekslerflader. Dette fører i forbindelse med lave udelufttemperaturer (under 0*C) til rim-og isdannelse. En sådan isdannelse formindsker varmevekslerens varmeoverføringstal, hvilket giver en forringet 35 varmeoverf ør ing og forårsager, at man nedregulerer tempera turvirkningsgraden af veksleren ved f.eks. at by-passe en del af til-luften. Der findes et antal metoder til at forhindre isbelægning og tilfrysning af fra-luf tkanalerne.

DK 171188 B1 2

Man kan f.eks. ved hjælp af en trykovervåger afføle, når trykfaldet på fra-luftsiden på grund af is er øget og derefter i en bestemt tid lade til-luften strømme gennem by-pass-spjældet. Den tid, det tager at smelte isen, kan 5 imidlertid blive meget lang. En anden måde er kontinuer ligt at regulere by-pass-spjældet, således at isdannelse aldrig opstår. Dette kan ske ved hjælp af en temperaturgiver, der placeres der, hvor fra-luften forlader varmevekslerens kolde kant. Samtlige metoder til at forhindre 10 isbelægning forårsager, at den maksimale virkningsgrad af varmeveksleren derfor ikke kan udnyttes i vinterhalvåret. Dette bliver særlig mærkbart i koldt klima. Alle metoder til at forhindre isdannelse og tilfrysning medfører et ekstra tab af kostbar energi.

15

Temperaturen af den luft, som forlader pladevarmeveksleren, varierer fra kant til kant på denne. Et eksempel herpå kan man se i fig. 2. En ujævn luf ttemperatur fordeling ved udløbet på fra-luftsiden forårsager, at et hjørne (mærket 20 "A" på fig. 2) har betydelig lavere temperatur end det andet hjørne i denne side. A-hjørnet kaldes det kolde hjørne. Dette er særlig udsat for tilfrysning.

Betegnelserne i fig. 2 har følgende betydning: 25 tfjn - fra-lufttemperatur ind tt5n - til-lufttemperatur ind 30 t, - fra-lufttemperatur efter veksling i det koldeste hjørne i en konventionel varmeveksler t2 - fra-lufttemperatur efter veksling i det koldeste hjørne i den nye varmeveksler 35 tj - fra-lufttemperaturen efter vekslingen i det varmeste hjørne i en konventionel varmeveksler DK 171188 B1 3 t4 - fra-lufttemperaturen efter veksling i det varme ste hjørne i den nye varmeveksler a - fordelingen af til-lufttemperaturen efter veks- 5 ling i en konventionel varmeveksler b - fordelingen af fra-lufttemperaturen efter veks ling i en konventionel veksler 10 c - fordelingen af fra-lufttemperaturen efter veks ling i den nye veksler

At1 - forskel i fra-lufttemperatur mellem det koldeste og det varmeste punkt efter varmeveksling, 15 konventionel type

At2 - forskellen i fra-lufttemperatur mellem det koldeste og det varmeste punkt efter varmeveksling, den nye varmeveksler.

20

Til- og fra-lufttemperaturniveauet påvirker og bestemmer et folietemperaturniveau. Når temperaturen af folien, som adskiller de to luftstrømme, er under O'C, optræder der isdannelse fra kondensvand i varmevekslerens kolde hjørne.

25 En jævnere til-lufttemperaturfordeling ved udløbet på fra- luftsiden medfører en jævnere folietemperaturfordeling på den samme side af veksleren. En forhøjet fra-lufttemperatur i det såkaldte kolde hjørne forøger således folietemperaturen i dette hjørne.

30

Temperaturen i det koldeste hjørne er den væsentligste og afgørende set ud fra et synspunkt om nedregulering af temperaturvirkningsgraden. Temperaturen i det koldeste hjørne indvirker derfor på den tid, i hvilken man udnytter 35 varmeveksleren 100%, hvilket igen er meget vigtig set ud fra et energibesparelsessynspunkt.

Den foreliggende opfindelse har til formål at formindske DK 171188 B1 4 ulemperne ved det i det foregående omtalte kolde hjørne. Dette sker ifølge opfindelsen ved at indrette en anordning ved en varmeveksler som angivet i krav 1.

5 Ved at tilvejebringe flanger eller indpresninger, der afviger fra en kanals længderetning, bliver det muligt at få gennemstrømmende luft til at turbulere. Varmeoverføringen i den nævnte pladevarmeveksler bringes til at stige, ved at kanalerne for til-luft er udformet på en sådan måde, 10 at hver kanal i sin strømningsretning bibringes en forøget evne til at optage varme. Dette opnås ved succesivt at tilvejebringe yderligere flader i form af indpresninger, som udelukkende kan være langsgående eller have en retning, som afviger fra kanalens længderetning. I stedet for 15 indpresninger kan man naturligvis også anvende indadrettede flanger både i længderetningen og i derfra afvigende retninger.

Til opbygning af en varmevekslerstabel kræves der følgelig 20 to typer af lameller, som lægges oven på hinanden, således at der opnås krydsgennemstrømning.

Hensigtsmæssige udførelsesformer for den foreliggende opfindelse fremgår af de efterfølgende afhængige patent-25 krav.

Et udførelseseksempel for opfindelsen vil herefter blive beskrevet nærmere i forbindelse med de vedføjede yderligere fem figurer, hvor 30 fig. 3 perspektivisk og skematisk viser tre varmeveks lerlameller anbragt oven på hinanden, fig. 4 skematisk viser et endebillede af tre varmeveks- 35 lerlameller, 1 5 skematisk viser en til-luftlamel, DK 171188 B1 5 fig. 6 skematisk viser en fra-luftlamel, og fig. 7 skematisk viser seks forskellige prægemønstre.

5 I fig. 3 er der vist tre ovenpå hinanden lagte lameller 1,2 og 3. Hver lamel har en plan bund, der danner gennemstrømningskanalernes bund, og hver lamel er forsynet med et antal ved siden af hinanden anbragte parallelle opadrettede flanger 4,5,6,7 og 8. Lamelbund og flanger kan være 10 fremstillet ved en sprøjtestøbning, eller de kan være fremstillet af en enkelt plade eller folie, fortrinsvis af metal som f.eks. aluminium, hvilken folie bukkes på en måde, som fremgår af fig. 4. Samtlige lameller i fig. 3 har plane bunde. Fordelen ved lameller af den art, der er vist 15 i fig. 3, er, at man til opbygning af en pladevarmeveksler kun behøver at have en enkelt lameltype, hvor man stabler lamellerne oven på hinanden og skiftevis drejet 90* i forhold til hinanden. Hver lamel danner til sine kanaler bund og sidevægge og får loft til kanalerne fra den ovenpå 20 liggende lamel. Lameller ifølge fig. 3 finder især an vendelse til fremstilling af pladevarmevekslerstabler, der ikke har de problemer, som forårsages af et koldt hjørne.

I fig. 4,5 og 6 er der vist lameller forsynet med drøv-25 linger, og hvor drøvelerne i fig. 4 har henvisningsbe tegnelserne 9 og 10. Også lamellerne i fig. 5 og 6 har drøveler, men i fig. 5 er de forsynet med henvisningsbetegnelsen 11. Drøvelerne ifølge de nævnte tre figurer er tilvejebragt ved indpresninger i bagsiden af kanalernes 30 bunde. Derved fremkommer der forhøjninger i kanalerne, som udgør drøveler. Forhøjningerne kan have en hvilken som helst form under forudsætning af, at de tilvejebringer en drøvling. I fig. 7 er der vist flere forskellige slags forhøjninger.

I fig. 4 er det vist, at en oppresning kan have højden h, og en flange kan have højden H. Højden H kan have en værdi, som ligger mellem 2 og 10 mm, og en kanal har en bredde L, 35 DK 171188 B1 6 der ligger mellem 30 og 100 mm. En fordelagtig bredde er en bredde, der ligger mellem 33 og 39 mm. Højden h af en prægning kan have en værdi, som ligger mellem 0,1 og 3 mm.

5 I fig. 5 er vist en til-luftlamel 2 med forhøjninger 11.

Hver kanal har et antal forhøjninger, og disse er anbragt i kanalens længdeudstrækning. I hver kanal har forhøjningen ved indløbsåbningen for til-luft den største højde. Derefter aftager forhøjningernes højde succesivt i retning 10 mod til-luftlamellens udløbsåbning. I fra-luftlamellen 3 (fig. 6) har ikke alle kanaler forhøjninger 9. I den enkelte kanal har forhøjningerne samme højde i kanalens længdeudstrækning, men forhøjningerne i de fire forskellige kanaler er af forskellig størrelse. Således er forhøj-15 ningerne størst i de øverste kanaler og aftager derefter successivt ned mod den nederste kanal.

En varmevekslerstabel med lameller ifølge fig. 5 og 6 har den fordel, at kanalerne skaber den samme turbulensregu-20 lering, hvilket forøger varmeovergangskoefficienten, der har betegnelsen «, og som giver et mål for varmeoverføringen mellem en flade og dennes omgivende medium, og som afhænger af overfladens temperatur, overfladematerialet samt mediets temperatur og bevægelse. Det er netop mediets 25 (luftens) bevægelse, som ændres ved hjælp af alle drøveler- ne i kanalens overflade. Varmeovergangskoefficienten angives i W/m2K.

Den overførte effekt i pladevarmevekslere kan defineres 30 som: P = k · A · Δυ^, hvor

k = varmegennemgangskoefficienten, W/m2 K

A * varmeoverføringsfladen, m2 35 7 DK 171188 B1 ΔϋΜ « den såkaldte logaritmiske middeltemperaturdifferens K, * = “i-3-Γ ' hv01 —i- + -p + —±- αΐ λ α2 5 el * varmeovergangstallet (varmeovergangskoefficien-

ten) ved den ene side af lamellen (f.eks. fra-luft-aluminiumsfolie), W/m* K

a2 - varmeovergangstallet på den anden side af lamel- 10 len (f.eks. til-luft-aluminiumsfolie), W/ml K, d * lamellens tykkelse, m λ = lamellens varmeledningsevne (lamellens varmekon-

15 duktivitet), W/mJ K

Dette fører derpå til en forøgelse af temperaturvirkningsgraden, der for pladevarmevekslere kan defineres som η = h.-h , hvor c3 - cx 20 t, = til-lufttemperaturen før veksling t2 = til-lufttemperaturen efter veksling 25 t3 = fra-lufttemperaturen før veksling

Temperaturvirkningsgraden er et mål for varmeoverførings-ef fektiviteten.

Jo højere en forhøjning er, desto større α-værdi opnås der, og det omvendte er tilfældet, såfremt højden af forhøj- 30 DK 171188 B1 8 ningerne aftager. Fra-luftlamellerne har varierende a-værdi fra kanal til kanal takket være disses forhøjninger. I kanaler med lavere α-værdi (der også omfatter glatte kanaler) afgiver passerende fra-luft mindre varmemængde til 5 kanalens vægge i kanalens længderetning. På grund af dette beholder fra-luften en højere temperatur ved udløbet fra kanalen end luft, som har passeret fra-luftkanaler med forhøjninger og altså med større α-værdi. Til-luftlamellerne er anderledes ved, at den del af lamellerne, som er 10 forsynet med forhøjninger, ligger neden under fra-luft- kanalerne med større α-værdi. Til-luftkanalerne medvirker således til en højere varmeafgivelse fra fra-luften ved kanalernes udløb.

15 I den del af lameller med maksimal forhøjning tilvejebrin ger man en relativ stor α-værdi, der medfører høj temperaturvirkningsgrad. Takket være dette kan man opnå en middeltemperaturvirkningsgrad for hele varmeveksleren på et forholdsvis højt niveau.

20

Forhøjningerne i de forskellige kanaler forårsager også ekstra trykmodstand, der på sin side medfører ujævn luftstrømning i de pågældende kanaler. I kanaler med glatte udformninger har den passerende luft en højere hastighed 25 end i kanaler med forhøjninger. Lufthastigheden aftager med stigende forhøjninger i de pågældende kanaler. Den varme fra-luft passerer altså de glatte kanaler i løbet af en kortere tid end de andre kanaler. På grund af de korte gennemstrømningstider afgiver fra-luften mindre varmemængde 30 til den omgivende kanals vægge. Dette medfører, at fra- luften ved udløbet fra veksleren har en højere temperatur i glatte kanaler, og at temperaturen aftager med stigende forhøjninger i de pågældende kanaler.

35 En varmevekslerstabel ifølge den foreliggende opfindelse muliggør forskellig varmeoverføring i de forskellige kanaler. Forskellig grad af varmeoverføring i de pågældende kanaler medfører følgelig forskellige lufttemperaturniveau DK 171188 B1 9 er ved udløbet. Ved dimensionering af de forskellige kanaler er målsætningen den, at temperaturen ved udløbet fra samtlige fra-luftkanaler skal være af tilnærmelsesvis samme værdi. Dimensioneringen sker ad eksperimentel vej.

5 I fig. 2 viser den optrukne linie c den ønskede temperaturfordeling i varmeveksleren ifølge den foreliggende opfindelse, hvor den nævnte temperaturfordeling er opnået ad eksperimentel vej. De fuldt optrukne linier a og b svarer 10 til temperatur fordel ingen i en på konventionel måde opbygget pladevarmeveksler. Af linien c fremgår det således, at temperaturen får en høj værdi i det koldeste hjørne i varmeveksleren, hvilket er opfindelsens formål.

Den nævnte temperaturforøgelse forlænger i væsentlig grad 15 en 100% udnyttelse af pladevarmeveksleren ifølge den foreliggende opfindelse. På denne måde er der tilvejebragt en varmeveksler, der kan udnyttes vekselvis ved lavere udelufttemperaturer end konventionelle varmevekslere.

20 Betragtes fig. 2, viser det sig, at man ved en pladevarme veksler ifølge den foreliggende opfindelse kan opnå følgende værdier af de angivne størrelser, nemlig:

tfin - 22' C

25 ttin = -2‘C

t, » 3 * C

t2 = 8 · C

t3 = 11,6*C

t4 = 8,2 ’ C

30 Åt, = 8,6 * C

Åt2 = 0,2 *C

I nedenstående tabel vises de energibesparelser, der kan opnås ved hjælp af en varmeveksler ifølge den foreliggende 35 opfindelse.

DK 171188 B1 10

Sum af aradtimer/år ved eftervarmning af til-luft til +20*0

Normaltemperatur 8*C 5* C 0*C

A En konventionel veksler 36200 50400 79300 5 B Den nye veksler 34500 45100 66600

Forskellen ml. A og B 1700 5300 12700 C Varmeveksler uden til- 34200 44200 60800 I frysning

Forskellen ml. A og C 2000 6200 18500 10

Til beregning af energibehovet til blandt andet opvarmning af luft anvendes begrebet gradtimer, der har enheden *Ch.

Gradtimer angiver det specifikke varmebehov, d.v.s. summen 15 af temperaturdifferensen mellem til-lufttemperaturniveauet efter varmeveksleren og det ønskede til-lufttemperaturni-veau i de benyttede lokaler multipliceret med den tid, i hvilken temperaturdifferensen hersker. Antallet af gradtimer regnes for hele fyringssæsonen og udtrykkes derfor i 20 gradtimer/år.

Den foregående tabel viser antallet af gradtimer/år for eftervarmning af til-luft til +20’C for pladevarmevekslere med en temperaturvirkningsgrad på 60% med afrimning og 25 virkningsgradsregulering. Værdierne er beregnet ved hjælp af varighedsdiagrammer og gælder for fra-lufttemperaturer +22*C og en relativ fugtighed på 25%.

Af tabellen fremgår det, at antallet af gradtimer for 30 eftervarmning ved anvendelsen af den nye type varmeveksler aftager meget kraftigt og ikke ligger langt fra antallet af gradtimer ved anvendelse af vekslere uden tilfrysning (f.eks. roterende varmevekslere). I det følgende anskueliggøres det nærmere, hvor stor besparelse, der opnås ved DK 171188 B1 11 anvendelse af veksleren ifølge opfindelsen contra en konventionel pladevarmeveksler.

Eksempel: til-luftstrøm *= 5m3/S

antal gradtimer - fra den foregående 5 tabel energipris 0.3kr/KWh

Beregning af energibesparelse: 10 Normaltemperaturen er årsmiddelteroperaturen for en bestemt lokalitet. I eksemplet er der valgt tre forskellige lokaliteter i Sverige med tilsvarende normaltemperatur (fra WS handbok): 15 +8*C svarer til Malmo +5*C svarer til Gavle 0 * C svarer til Pajala.

Energibehovet defineres på følgende måde: 20 Q =g*p«C«åt· drifttid (At · drifttid * gradtimer) q = til-luftstrøm, der skal opvarmes i m3/S p = luftens vægtfylde (ved 20“C = 1,2 kg/m3)

Cp = luftens specifikke varmefylde (ved 20"C= l,007kJ/kg K) 25 At = temperaturdifferensen mellem til-lufttemperaturniveau- et efter varmeveksleren og det ønskede til-lufttem-peraturniveau i de betjente lokaler.

Fra tabel nr. 1 tages sparet antal gradtimer ved anvendelse 30 af den nye veksler (forskellen A - B).

For normaltemperatur +8”C: Q = 5 · 1,2 · 1 · 1700 = 10200 kWh.

Årlig omkostning = energibehov · energipris: altså 10200 kWh · 0,3 kr/kWh = 3060 kr/år.

35 DK 171188 B1 12

For normaltemperatur + 5'C: ς=5·1,2·1· 5300 = 31800 kWh; 31800 kWh · 0,3 kr/kWh = 9540 kr/år.

5

For normaltemperatur 0*C: Q—5·1,2·1· 12700 = 76200 kWh; 76200 kWh · 0,3 kr/kWh = 22860 kr/år.

10

Energibesparelsen ved anvendelsen af varmevekslere ifølge den foreliggende opfindelse er meget stor og stiger ved faldende normaltemperatur.

15 Ved sammenligning mellen en på konventionel måde opbygget varmeveksler og en varmeveksler ifølge den foreliggende opfindelse finder man således, at udjævning af temperaturfordelingen ved udløbet fra fra-luftsiden samt forhøjelse af temperaturen af det såkaldte kolde hjørne i væsentlig 20 grad forlænger udnyttelsestiden for varmeveksleren, hvilket samtidig giver en stor energibesparelse.

En pladevarmeveksler ifølge den foreliggende opfindelse kræver således to typer lameller.

25

For at tilvejebringe en formindskelse af nedkølingen i det kritiske hjørne ved fra-luftens højre udstrømningskant og til-luftens højre indstrømningskant er det i det foregående entydigt beskrevet, at formålet med den foreliggende 30 opfindelse er at regulere temperaturen i det nævnte kritiske hjørne, således at en tilfrysning undgås. Dette kan også udtrykkes på den måde, at temperaturen i fra-luften omfordeles ved fra-luftens udløb på en sådan måde, at nedkøling mindskes, og det varmeoptagende mediums 35 varmeoptagelse stiger fra det varmeoptagende mediums indløb og til dets udløb. Den nævnte temperaturomfordeling kan også ske ved, at tilløbsluften før indløbet til lamellerne for fra-luft gives forskellige hastigheder. Inde i lamel- DK 171188 B1 13 lerne kan fra-luften gives en gennemstrømning, der afviger fra en laminar gennemstrømning. Fra-luften kan også give anledning til temperaturomfordeling, når lamellerne for fra-luft ændres på en sådan måde, at de får en forøget 5 overflade, hvilket kan ske ved nedpresninger eller op- presninger.

Det turde også være klart, at lamellerne for til-luft kan anvendes og udformes på samme måde som nævnt i det fore-10 gående for fra-luft-lamellerne.

Både fra-luftlameller og til-luftlameller kan udnytte to eller flere af de foranstaltninger, som er nævnt i det foregående.

15

Claims (5)

1. Anordning ved en varmeveksler af stabel form i et luftkonditioneringssystem, hvor varmeveksleren består af et 5 antal rektangulære lameller, der er stablet ovenpå hveran dre og tilsammen danner et parallellepipedisk legeme, og hvor hver lamel består af en plan del, fortrinsvis en plade, og en del til dannelse af ved siden af hverandre anbragte parallelle strømningskanaler, hvilke to dele kan 10 være sammenhængende eller separate, og hvor hver anden lamel er rettet i den samme retning, og de mellemliggende lameller er rettet i en retning, som er 90* vinkel forskudt i forhold til de førstnævnte lameller således, at der tilvejebringes to hinanden krydsende kanalsystemer til 15 transport henholdsvis af et varroeafgivende gasformigt medium og af et varmeoptagende, gasformigt medium, til ved varmevekslerens udløb for det varmeafgivende, gasformige medium at forhindre isdannelser ved lave temperaturer i det varmeoptagende, gasformige medium, idet sådanne isdannelser 20 opstår i en varmeveksler, der består af ensartede lameller, kendetegnet ved, at kanalerne til det varmeafgivende, gasformige medium omfatter flader, der har karakteren af langsgående indadvendte flanger eller indpresninger, således at de i dette medium tilvejebringer 25 en varmeafgivende evne, som øges fra kanal til kanal regnet fra indløbet for det varmeoptagende medium.

2. Anordning ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hver strømningskanal i en lamel (2) til det varmeopta- 30 gende medium langs sin udstrækning fra indløb til udløb har en sådan mekanisk udformning, at mediet får en stigende varmeoptagningsevne under gennemstrømningen.

3. Anordning ifølge et eller flere af de foregående krav, 35 kendetegnet ved, at den enkelte kanal er forsynet med et antal drøveler af ens eller forskellig størrelse. DK 171188 B1 15

4. Anordning ifølge et eller flere af de foregående krav, hvor hver kanals bund består af tynd plade, kendetegnet ved, at hver drøvel (9) udgøres af en eller flere oppresninger i kanalens bund. 5

5. Anordning ifølge et eller flere af de foregående krav, kendetegnet ved, at hver lamel med eller uden drøvlinger er fremstillet af en rektangulær plade eller folie, fortrinsvis af metal, hvor pladen eller folien er 10 bukket, således at kanalernes bund og sidevægge (4-8) dannes af pladen eller folien.