FI106223B - Lämmönvaihdin - Google Patents

Description

106223 Lämmönvaihdin Värmeväxlare 5

Keksinnön kohteena on lämmönvaihdin, etenkin paperi-, sellu- ja kartonkitehtaiden prosessipoistojen yhteydessä käytettäväksi, joka lämmönvaihdin käsittää: kanavaan järjestettyjä, useita olennaisesti yhdensuuntaisia putkia tai vastaavia, joiden läpi lämpöä luovuttava ilmavirta on sovitettu kulkevaksi ja joiden putkien lomitse 10 lämpöä vastaanottava ilmavirta on sovitettu kulkevaksi ristivirtaperiaatteen mukaisesti ja suihkutusjärjestelmän, jonka välityksellä lämpöä luovuttavan ilmavirran sekaan sumutetaan vettä ennen varsinaista lämmönvaihdinta lämmönsiirron tehostamiseksi sumutetun vesifaasin avulla, 15 ja jossa lämmönvaihtimessa putkien lämpöpintaa on lämpöä vastaanottavan virran puolella laajennettu rivoilla, lamelleilla tai vastaavilla.

Tekniikan tasosta tunnetusti lämmön talteenottojärjestelmien päätarkoitus on korvata primäärienergiaa taloudellisella tavalla. Lämmön talteenottojärjestelmissä käytetään 20 lämmönvaihtimia, joista tavallisimmat ovat levylämmönvaihdin ja putkilämmönvaihdin. Tekniikan tasosta tunnetuissa levylämmönvaihtimissa levyrakenne muodostaa kaksi toisiaan kohtisuorassa olevaa kanavistoa, joissa toisessa kulkee lämpöä luovuttava väliaine ja toisessa lämpöä vastaanottava väliaine, joka edelleen johdetaan uudelleen käyttöön. Putkilämmönvaihtimet on yleensä varustettu höyry- tai vesisyötöllä ja putket 25 on ympäröity rivoilla tai vastaavilla lämmönvaihtopinta-alan lisäämiseksi. Lamellipatte-reissa putket on yleensä sijoitettu levyrakenteen väliin, jossa levyrakenteen muodostavissa kanavissa kulkee yleensä vesi, esimerkiksi glykolivesi.

♦ * , .

Kun lämmönvaihdin käsittää suihkutusjärjestelmän, jonka välityksellä lämpöä luovutta-30 van ilmavirran sekaan sumutetaan vettä ennen varsinaista lämmönvaihdinta, on tarkoituksena sumutusvaiheessa siirtää ensin lämpöä luovuttavasta ilmavirrasta sumutettavaan veteen, joka edelleen luovuttaa lämpöä lämmitettävään ilmavirtaan valuessaan putken 2 106223 seiniä pitkin alas ja samalla putken seiniä pitkin valuvasta vesifilmistä irtoaa pisaroita, jotka myöhemmin taas palautuvat takaisin vesifilmiin, tällöin tehostuu lämmönsiirto lämpöä luovuttavasta ilmavirrasta.

5 Keksinnön päämääränä on esittää ilma-ilma-lämmönvaihdin, jolla aikaansaadaan tekniikan tasosta tunnettuihin ratkaisuihin verrattuna tehokkaampi lämmönsiirto.

Keksinnön lisäpäämääränä on aikaansaada kompakti lämmönvaihdin, joka ei lämmön-vaihtojärjestelmissä vie runsaasti tilaa.

10

Edellä esitettyjen ja myöhemmin esille tulevien päämäärien saavuttamiseksi on keksinnön mukaiselle lämmönvaihtimelle pääasiallisesti tunnusomaista se, että lämmönvaihtimessa lämpöä luovuttavana ilmavirtana on sovitettu käytettäväksi kylläistä tai lähellä kyllästys-käyrää olevaa ilmaa, että lämpöä luovuttava ilmavirta on sovitettu virtaamaan putkissa 15 olennaisesti ylhäältä alaspäin ja lämpöä vastaanottava ilmavirta olennaisesti vaakasuoraan putkien lomitse, jolloin putkissa kylläisestä tai lähellä kyllästyskäyrää olevasta lämpöä luovuttavasta ilmavirrasta kondensoituva vesi valuu putken sisäseinämiä alaspäin ja kerääntyy lämmönvaihtimen kanavassa olevaan altaaseen.

20 Keksinnön mukaisessa ilma-ilma-lämmönvaihtimessa lämpöä luovuttavana väliaineena käytetään kylläistä tai lähellä kyllästyskäyrää olevaa ilmaa, jollaista ilmaa on esim. paperi-, sellu- ja kartonkikoneiden prosessipoistojen ilma, etenkin kuivatusosien poistoilma. Tällöin lämpöä luovuttavan väliainevirran puolella lämmönsiirto on huomattavasti tehokkaampaa, koska putkissa kylläisestä tai lähellä kyllästyskäyrää olevasta 25 poistoilmasta kondensoituu vettä.

: - - Keksinnön mukaisesti käytetään seuraavaa järjestelyä tehokkaan ja kompaktin lämmön vaihtimen aikaansaamiseksi. Keksinnön mukaisessa lämmönvaihtimessa poistoilma virtaa ylhäältä alaspäin pyöreissä putkissa ja korvausilma virtaa vaakasuoraan putkien lomitse 30 ristivirtaperiaatteen mukaisesti. Korvausilmapuolella lämmönsiirtopintaa on suurennettu tekniikan tasosta tunnettuja ripaputkipattereista tai lamellipattereista tunnetun periaatteen 3 106223 avulla, jolloin pystytään hyödyntämään poistoilmapuolen tehokkaampi lämmönsiirto. Putkiin muodostuva lauhde valuu putkia alaspäin ja kerääntyy pohja-altaaseen. Pohja-altaaseen kerääntynyttä lauhdetta suihkutetaan takaisin lämmönvaihtimen yläosaan, jolloin putkien läpi valuu koko ajan tietynsuuruinen vesivirta. Tämän tarkoituksena on, 5 että poistoilmavirtauksen vaikutuksesta alaspäin valuvasta vesifilmistä irtoaa koko ajan pisaroita, jotka uudelleen törmäävät putkien seiniin. Poistoilmasta siirtyy pisaroihin tehokkaasti lämpöä ja edelleen putken seiniin, kun pisarat palautuvat alaspäin valuvaan vesifilmiin. Lisäksi suihkutettavan veden ja poistoilman välillä tapahtuu merkittävästi lämmönsiirtoa jo suihkutusvaiheessa ennen varsinaista lämmönvaihdinta. Kun tämä 10 lämmennyt vesi valuu putken seiniä alas, siirtyy sen välityksellä energiaa suoraan vedestä putken seinään. Lisäksi putken seiniä pitkin valuva vesifilmi on jossain määrin epätasainen ilmavirran ja vesifilmin nopeuserosta aiheutuvien leikkausvoimien vaikutuksesta, mikä edelleen tehostaa konvektiivista lämmönsiirtoa verrattuna sileään putkeen. Keksinnön mukaisessa järjestelyssä ei tarvita pesureita, koska veden suihkutusjärjestelmä 15 korvaa ne. Esimerkiksi paperikoneen viiraosien poistojen yhteyteen sovitettavissa keksinnön mukaisissa lämmönvaihtimissa ei tarvita edellisiä vedenerottimia, koska veden tuleminen poistoilman mukana on pelkästään suotavaa. Edullisesti keksinnön mukaisessa järjestelyssä lämmönvaihtimen jälkeen on pisaraloukut.

20 Keksinnön mukaista lämmönvaihdinta voidaan soveltaa mm. kosteuden poistossa huuvan tai viiraosan poistoilmasta tai sillä voidaan lämmittää tuuletusilmaa edellä mainittuja ilmavirtoja hyväksikäyttäen.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin oheisen piirustuksen kuvioihin 25 viitaten, joiden yksityiskohtiin keksintöä ei ole kuitenkaan tarkoitus mitenkään ahtaasti rajoittaa.

Kuviossa 1 on esitetty kaaviollinen periaatekuvio keksinnön mukaisesta lämmönvaihti-mesta.

30 106223 4

Kuviossa 2 on esitetty kaaviollisesti periaate ilman ja veden virtauksesta yksittäisessä ripaputkessa keksinnön mukaisessa lämmönvaihtimessa.

Kuviossa 3 on esitetty sovellus, jossa lämmönvaihdinta käytetään poistoilman kosteuden 5 erotukseen ja sumunpoistoon.

Kuviossa 4 on esitetty kaaviollisesti eräs toinen sovellusesimerkki keksinnön mukaiseksi lämmönvaihtimeksi.

10 Kuviossa 5 on esitetty kaaviollisesti eräs muu sovellusesimerkki keksinnön mukaiseksi lämmönvaihtimeksi.

Kuviossa 6 on esitetty kaaviollisesti eräs lisäsovellusesimerkki keksinnön mukaiseksi lämmönvaihtimeksi.

15

Kuviossa 7 on esitetty kaaviollisesti edelleen eräs lisäsovellusesimerkki keksinnön mukaiseksi lämmönvaihtimeksi.

Kuviossa 8 on esitetty kaaviollisesti lämmönvaihtimen periaate lämmönsiirron lasken-20 nallista tarkastelua varten.

Kuvion 1 mukaisesti lämmönvaihtimen 10 läpi johdetaan ristivirtaperiaatteen mukaisesti poistoilmaa 23 ja korvausilmaa 21. Lämmönvaihdin 10 muodostuu useista ripaputkista 11, joiden putkien 11 läpi johdetaan poistoilma 23 ja joiden välistä kulkee korvausilma 25 21, eli ilmavirrat 23,21 on johdettu ristivirtaperiaatteen mukaisesti. Poistoilman 23 - joukkoon sumutetaan kosteutta esim. lauhdetta sumuttimilla 17, jonka jälkeen poistoilma * ‘ - 23 ja lauhde kulkevat lämmönvaihtimen 10 läpi olennaisesti ylhäältä alaspäin. Putkissa 11 kondensoituva vesi valuu kanavan 12 pohja-altaaseen 13, josta vesi poistetaan poisto-kanavaa 14 pitkin tai sitä käytetään uudelleen suihkutusjärjestelmän sumuttimissa 17, 30 jolloin se johdetaan kanavaan 18, jossa on pumppu 30 tai vastaava toimielin vesivirran syöttämiseksi sumuttimiin 17. Pisaroita sisältävä lämmönvaihtimen 10 läpi kulkenut 106223 5 kulkenut poistoilma 23 johdetaan pisaraloukun 15 läpi poistokanavaan 16 virtaukseksi 25. Lämmönvaihtimen 10 läpikulkenutta lämmitettyä korvausilmaa on merkitty vii-tenuolella 22. Kuten kuviosta 1 käy ilmi poistoilma 23 tuodaan lämmönvaihtimen 10 yläosaan, jossa siihen sumutetaan pohja-altaasta 13 otettavaa lauhdetta. Poistoilma 23 ja 5 lauhde virtaavat tämän jälkeen lämmönvaihtimen 10 läpi, jolloin poistoilma ja lauhde lämmittävät korvausilmaa 21, jolloin saadaan lämmitettyä korvausilmaa. Lämmönvaihtimen 10 alaosassa putkien 11 seinillä filminä valuva lauhde putoaa suurimmaksi osaksi pohja-altaan 13 pohjalle. Poistoilman 24 mukanaan tempaamat pisarat erotetaan pisara-loukussa 15.

10

Kuviossa 2 on esitetty kaaviollisesti yksittäinen ripaputki 11. Putken 11 seinämiä on merkitty viitenumerolla 19 ja putken 11 seinämään lämmönvaihtopinta-alan lisäämiseksi muodostettuja ripoja viitenumerolla 20. Kun poistoilma 23 ja siihen sumuttimella 17 tuotu lauhde tai vastaava johdetaan ripaputken 11 läpi, muodostuu putken 11 seinämille 15 19 vesikalvo 31 ja osa kosteudesta kulkee pisaroina 32 ripaputken 11 keskellä.

Kuviossa 3 on esitetty lämmönvaihtimen 10 käyttö poistoilman 23 kosteuden erotukseen ja sumun poistoon, jossa kylmä ulkoilma 21 johdetaan lämmönvaihtimen 10 läpi, jolloin aikaansaadaan lämmitettyä ulkoilmaa 22. Prosessipoistoista saatava kostea poistoilma 23 20 johdetaan lämmönvaihtimen 10 putkien 11 läpi pisaraloukun 15 kautta siten, että se yhdistyy lämmitettyyn ulkoilmaan 22. Kuviossa 3 on kylmää ulkoilmaa merkitty viitenuolella 21 ja lämmitettyä ulkoilmaa viitenuolella 22. Poistoilma 23 johdetaan lämmönvaihtimen 10 läpi ja siihen sekoitetaan sumuttimilla 17 lauhdetta tai vastaavaa kosteutta, jolloin lämmönvaihtimessa 10 saadaan kylmä ulkoilma lämmitettyä. Pisaroita 25 sisältävä lämmönvaihtimen 10 läpi johdettu poistoilma 24 johdetaan pisaraloukun 15 läpi ___ yhdistymään lämmitettyyn ulkoilmaan 22. Lämmönvaihtimessa 10 suuri osa poistoilman Λ - 23 kosteudesta kondensoituu vedeksi. Tämä sekä lämmenneen ulkoilman 22 sekoittami nen poistoilmavirtaan 24 vähentävät sumun muodostumista ja siitä aiheutuvia ongelmia johdettaessa poistoilman ja lämmenneen ulkoilman seos 25 ulos. Lämmönvaihdinkanavan 30 12 pohja-altaaseen 13 muodostuva vesi johdetaan uudelleen kiertoon kanavaa 18 pitkin edelleen sumuttimella 17 ja ylimäärä poistetaan poistokanavan 14 kautta.

6 106223

Kuviossa 4 esitetty sovellusesimerkki vastaa kuvion 1 mukaista sovellusesimerkkiä, mutta tässä sovellusesimerkissä lämmönvaihtopinta-alan lisäämiseksi on lämmönvaihtimen 10 ripaputket 11 asetettu kulmaan ilmavirtausten suuntiin nähden, kulma pystysuuntaan nähden a = 0 - 45°, sopivimmin 0 - 15°.

5

Kuvioiden 1-4 mukaisesti ilma-ilma-lämmönvaihtimessa lämpöä luovuttavana väliaineena käytetään kosteaa kylläistä tai lähellä kyllästyskäyrää olevaa ilmaa, jollaista ilmaa on esim. paperi-, sellu- ja kartonkikoneiden prosessipoistojen ilma, etenkin kuivatusosien poistoilma. Tällöin lämpöä luovuttavan väliainevirran puolella lämmönsiirto on huomat-10 tavasti tehokkaampaa, koska kosteasta poistoilmasta kondensoituu vettä. Lämmönvaihti-messa 10 poistoilma 23 virtaa ylhäältä alaspäin sopivimmin pyöreissä putkissa 11 ja kor-vausilma 21 virtaa vaakasuoraan putkien 11 lomitse ristivirtaperiaatteen mukaisesti. Korvausilmapuolella lämmönsiirtopintaa on suurennettu tekniikan tasosta tunnettuja ripaputkipattereista tai lamellipattereista tunnetun periaatteen avulla eli putkeen 11 on 15 muodostettu ripoja 20. Putkissa 11 lauhde 31 valuu alaspäin ja kerääntyy pohja-altaaseen 13. Pohja-altaaseen 13 kerääntynyttä lauhdetta suihkutetaan sumuttimilla 17 takaisin lämmönvaihtimen 10 yläosaan, jolloin putkien 11 läpi valuu koko ajan tietynsuuruinen vesivirta. Tämän tarkoituksena on, että poistoilmavirtauksen 23,24 vaikutuksesta alaspäin valuvasta vesifilmistä 31 irtoaa koko ajan pisaroita 32, jotka uudelleen törmää-20 vät putkien 11 seiniin 19. Poistoilmasta 23 siirtyy pisaroihin 32 tehokkaasti lämpöä ja edelleen putken 11 seiniin 19, kun pisarat 32 palautuvat alaspäin valuvaan vesifilmiin 31. Lisäksi sumuttimilla 17 suihkutettavan veden ja poistoilman 23 välillä tapahtuu merkittävästi lämmönsiirtoa jo ennen varsinaista lämmönvaihdinta. Kun tämä lämmennyt vesi 31 valuu putken 11 seiniä 19 alas, siirtyy sen välityksellä energiaa suoraan vedestä 25 31 putken 11 seinään 19. Lisäksi putken 11 seiniä 19 pitkin valuva vesifilmi 31 on . jossain määrin epätasainen ilmavirran 23 ja vesifilmin 31 nopeuserosta aiheutuvien « : - · leikkausvoimien vaikutuksesta, mikä edelleen tehostaa konvektiivista lämmönsiirtoa verrattuna sileään putkeen.

30 Kuviossa 5 esitetty keksinnön sovellusesimerkki vastaa pääpiirteiltään kuvioissa 1 ja 3 esitettyjä keksinnön sovellusesimerkkejä, mutta tässä sovellusesimerkissä on otettu « 7 106223 huomioon se, että kuvioiden 1 ja 3-4 mukaisilla lämmönvaihtimilla on mahdollista tuottaa lämmitettyä korvausilmaa 22 ainoastaan silloin, kun lämmönvaihtimelle 10 syötetään paperikoneelta lämmintä ja kosteaa poistoilmaa 23. Katkojen ja seisokkien aikana poistoilman 23 syöttö lämmönvaihtimelle 10 voidaan pysäyttää, koska poistoilman 5 23 lämpötila ja kosteus ovat huomattavasti tuotantotilannetta alempia. Mikäli lämmitettyä korvausilmaa 22 pitää tuottaa myös katkojen ja seisokkien aikana, tarvitaan varalämmi-tysjärjestelmä 29.

Kuvion 5 mukaisessa sovellusesimerkissä lisälämmitys on toteutettu lämmittämällä 10 vesivirtaa kanavassa 18 eli lämmitetään vesivirtaa, joka sumutetaan sumuttimilla 17 lämmönvaihtimen 10 yläosaan. Lämmitys on toteutettavissa esim. höyrylämmönvaihti-mella 29, joka lämmittää pohja-altaasta 13 otettavaa kanavassa 18 kulkevaa vesivirtaa tai yksinkertaisimmillaan ejektoimalla höyryä suoraan tähän vesivirtaan. Kun poistoilman 23 syöttö on kokonaan pysäytettynä, korvausilman 21 lämmitys on tällöin pelkästään 15 vesikierron varassa, jolloin veden lämpötila säädetään lämmitystarpeen mukaan höyry-lämmönvaihtimen 29 yhteyteen järjestettyjen säätöelimien 36 välityksellä. Hönkimisen eli kostean ilman ulospursuamisen ja energiahäviöiden välttämiseksi on lämmönvaihtimelle 10 tuleva ja/tai siitä lähtevä poistoilmakanava 26,16 mahdollista sulkea säleiköllä 27,28, kun poistoilman 23 syöttö on pysäytettynä.

20

Kuviossa 6 esitetty keksinnön sovellusesimerkki vastaa pääperiaatteiltaan kuviossa 1 esitettyä sovellusesimerkkiä, mutta tässä lämmönvaihdinkanavan 12 yläosa on jaettu kahteen osaan seinämällä 33 siten, että veden sumutus sumuttimilla 17 tapahtuu vain korvausilman 21 tulosuunnan puoleisessa osassa. Tämä sovellus on edullinen, koska 25 tietyissä olosuhteissa on tällöin mahdollista saavuttaa korkeampi loppulämpötila kor-vausilmalle.

«

Kuvio 7 vastaa pääperiaatteiltaan edellisissä kuvioissa esitettyjä sovellusesimerkkejä, mutta keksinnön tässä sovellusesimerkissä on lämmönvaihdinkanavaan 12 lämmön-30 vaihtimen 10 jälkeen sijoitettu skrubberi 35 eli suihku vesitorni, jossa lämmönvaihtimen yläosaan suututettava vesi esilämmitetään. Kanava 18 haarautuu skrubberikanavaksi 34, 106223 8 johon on sijoitettu sumuttimet 35. Keksinnön tässä sovellusesimerkissä nostetaan pohja-altaasta pumpattavan veden lämpötilaa käyttämällä hyväksi ulospuhallettavan poistoilman energiaa.

5 Keksinnön mukainen lämmönvaihdin soveltuu lämmönvaihtimeksi esimerkiksi paperikoneen korvausilmaa varten tai muuhun lämmön talteenottosovellukseen. Erittäin edullisesti keksinnön mukaista lämmönvaihdinta voidaan käyttää paperi-, sellu- ja kartonkikoneiden prosessipoistoissa, etenkin kuivatusosan prosessipoistoissa.

10 Keksinnön mukaisessa järjestelmässä sumutetaan erittäin hienojakoista sumua ja käytetään erillistä sumutustilaa lämmönvaihtimen 10 yläpuolella tai veden sumutus voidaan tehdä myös lämmönvaihtimelle tulevassa ilmakanavassa. Keksinnön mukaisessa järjestelmässä on aikaansaatu lämmönsiirtopinnan kasvattaminen kun suorassa tai vinossa olevat metalliset putket on varustettu rivoilla, jotka muodostavat kierteen tai spiraalin 15 putkien ympärille. Voidaan käyttää myös lamellipattereista tunnettua tekniikkaa kor-vausilmapuolen lämpöpinnan suurentamiseen. Koska keksinnön mukaisessa järjestelyssä käytetään suurta vesimäärää lämmönvaihtimessa, on se helppo pitää puhtaana, jolloin sen puhdistustarve ei ole niin suuri, mikä myöskin helpottaa sitä, että poistopuoli ei mene helposti tukkoon.

20

Optimaalinen veden ja lämpöä luovuttavan ilmavirran massavirtojen suhde riippuu m lämpöä luovuttavan ilmavirran lämpötilasta ja kosteudesta, sekä lämpöä vastaanottavan ilmavirran alkulämpötilasta ja halutusta loppulämpötilasta ja massavirrasta eli löytyy optimaalinen ihvesj/riipnjstnj|ma, jonka suhteen suuruus riippuu monista tekijöistä.

25 . Seuraavassa on esitetty ilma-ilma-lämmönsiirtimen lämmönsiirron perusteita viittaamalla - kuvioon 8.

106223 9 1. Energiataseet

Oletetaan lämmönvaihdin, jossa poistoilman avulla lämmitetään korvausilmaa. Lämmön-vaihtimessa siirretty lämpöteho on yhtä suuri kuin poistoilman energiasisällön muutos tai 5 korvausilman energiasisällön muutos. Jos kummassakaan ilmavirrassa ei tapahdu faasinmuutoksia, siirretty lämpöteho voidaan esittää seuraavasti Q = riip Op (Tp ^ - Tp out) = mj, Cjj. (¾ out - 10 missä riip = poistoilman massavirta (kg/s)

Cp = poistoilman lämpökapasiteetti (J/kg/°C)

Tp in = poistoilman lämpötila ennen lämmönvaihdinta (°C)

Tp out = poistoilman lämpötila lämmönvaihtimen jälkeen (°C) 15 sekä vastaavat merkinnät korvausilmalle alaindeksillä k.

Sama asia voidaan esittää myös ilmavirtojen entalpiamuutosten avulla, mikä kaava on voimassa myös tapauksissa, joissa tapahtuu faasinmuutoksia ^ Q = ™p (^p,in ' ^p,out) = ™k ^k,out ~ hk,in^ • ' missä h = ilmavirran entalpia (J/kg). Ilmavirtojen yhteydessä käytetään usein kuivan ilman massavirtoja m^ (kgk.i./s) ja siihen pohjautuvaa entalpiaa i (J/kgk.i), jolloin energiatase on 25 - ·. Q = “Ηΰ,ρ (*p,in " *p,ouP = ™ki,k ^k,out “ *k,in^ * 2. Lämmönsiirto 30 Lämpövirta poistoilmasta korvausilmaan noudattaa seuraavaa kaavaa 106223 10 dQ = atot dA (Tp - Tk) missä dQ = lämpövirta (W) 9 atot = kokonaislämmönsiirtokerroin (W/m /°C) 5 dA = lämpöpinta (mr)

Tp = poistoilman lämpötila (°C)

Tk = korvausilman lämpötila (°C).

Koska ilmavirtojen lämpötilat muuttuvat niiden kulkiessa lämmönvaihtimen läpi, kaava 10 on korrekti vain tarkasteltaessa pientä pinta-alaelementtiä lämmönvaihtimesta dA, ja jossa ilmavirtojen lämpötilaero ei oleellisesti muutu.

Tarkasteltaessa kokonaista lämmönvaihdinta, ylläoleva kaava pitää integroida joko numeerisesti tai yksinkertaisemmissa tapauksissa myös analyyttisesti. Esimerkiksi 15 tavanomaiselle vastavirtalämmönsiirtimelle saadaan tällöin Q = atot A Δ Tln missä ATjn = logaritminen lämpötilaero.

20 3. Lämmönsiirto, kun lämpöä luovuttavalla puolella tapahtuu kondensoitumista

Edellä tarkasteltiin ns. kuivaa lämmönsiirtoa, jossa kummallakaan lämpöpinnalla ei tapahdu faasimuutoksia. Paperikoneen poistoilman ollessa kosteaa, usein merkittävä osa 25 lämmönsiirrosta tapahtuu poistoilman kosteuden kondensoituessa kylmälle lämpöpinnalle.

Kondensoituminen voidaan laskea perustuen lämmön- ja massansiirron väliseen analogi-« — aan seuraavasti 11 106223

drilkond = jtdA (Xp -P

missä Q!p = lämmönsiirtokerroin poistoilmapuolella (W/m2/°C)

Cp = poistoilman ominaislämpökapasiteetti (J/kgk.i./°C) 5 Xp = poistoilman kosteus (kgl^O/kgk.i.) xw = lämmönsiirtimen seinän lämpötilaa vastaava kyllästyskosteus (kgH20/kgk.i.)

Kondensoitumisen aiheuttama lämpöteho on 10 ^Qkond = ^kond ^vap missä Ahyap = vesihöyryn höyrystymisentalpia (J/kg).

15 Vertaillaan kuivan ja kostean lämmönsiirron välistä eroa, kun lämmönsiirtopinnan lämpötila on Tw.

dQ = apdA (Tp - TJ a dA Δh dQ = ocpdA (Tp - TJ + --=E (Xp - XJ kostea

Cp Näistä kahdesta kaavasta voidaan laskea havainnollisempi esitys siitä, miten kondensoituminen tehostaa lämmönsiirtoa verrattuna kuivaan lämmönsiirtoon.

20 12 106223 dQ = k Op dA (Tp - Tw) missä kerroin k riippuu pääasiassa poistoilman kosteudesta. Kylläiselle poistoilmalle saadaan seuraavat arvot kertoimelle k, riippuen lämpötilaerosta Tp - Tw: 5

Tp - Tw = 10 20 30 °C

Tp = 20 °C k = 2,6 2,3 2,0 30 3,8 3,2 2,8 40 5,7 4,8 4,0 10 50 8,7 7,2 6,1 60 13,5 11,1 9,3 70 21,4 17,4 14,5 80 36,1 28,4 23,2 15 Koska poistoilman märkälämpötilat lämmöntalteenoton eri vaiheissa ovat tyypillisesti luokkaa 40 - 60 °C, niin käytännössä kondensoituminen tehostaa poistoilmapuolella lämmönsiirtoa 5 - 15-kertaiseksi. Tällöin on selvää, että kuiva lämmönsiirto korvausil-mapuolella muodostuu lämmönsiirtoa rajoittavaksi tekijäksi.

20 Lämpöpinnan suurentamisella korvausilmapuolella saadaan tällöin merkittävää tehostumista. Ripaputkipatteri-tekniikalla korvausilmapuolen lämpöpinta on tyypillisesti 8-12-kertainen poistoilmapuolen lämpöpintaan verrattuna. Lamellipatteri-tekniikalla korvausilmapuolen lämpöpinta on tyypillisesti 20 - 30-kertainen.

25 4. Lämmönsiirto putkessa alaspäin valuvasta vesifilmistä putken seinään

Vesifilmin ja putken seinän välisen lämmönsiirron osalta voidaan arvioida, että se on noin kaksi dekadia suurempi kuin ilmavirtauksen kuiva lämmönsiirto.

30 13 106223 5. Kokonaislämmönsiirtokertoimen laskenta 5.1 Molemmat lämpöpinnat yhtä suuret 5 Tavanomaisessa levylämmönsiirtimessä tai putkilämmönsiirtimessä lämpöpinta on molemmilla puolilla yhtä suuri. Tällöin poisto- ja korvausilman välinen kokonaisläm-mönsiirtokerroin voidaan esittää yksinkertaisesti cc = - ** J_ + S_ + J_ λ α* 10 missä Op = lämmönsiirtokerroin poistoilmapuolella (W/m^/°C) = lämmönsiirtokerroin korvausilmapuolella (W/m^/°C) s = levyn tai putken seinän paksuus (m) λ = levyn tai putken seinän lämmönjohtavuus (W/m/°C) 15

Levyn tai putken seinän aiheuttama lämmönsiirron vastus voidaan usein jättää huomioitta, jolloin kaava yksinkertaistuu muotoon

““ X7T

cc oc, p k : 20 5.2 Korvausilmapuolen lämpöpinta suurennettu Lämpöpinta otetaan poistoilmapuolen mukaan, A = Ap. Korvausilmapuolen lämpöpintaa merkitään A^. Kokonaislämmönsiirtokerroin on tällöin 25 106223 14 e- = 1 7~ ^ ctp λ Akr] ak missä η = lämpöpintahyötysuhde s = ydinputken seinämän paksuus (m) λ = ydinputken lämmönjohtavuus (W/m/°C) 5 Lämpöpintahyötysuhde on tyypillisesti suuruusluokkaa 0,8 - 0,95.

Koska ripojen lämpötila jää helposti hieman alemmaksi kuin ydinputken pintalämpötila, on määritelty ripahyötysuhde ντ[ρΆ· Tällöin kaavat voidaan johtaa perustuen olettamuk-10 seen, että ripojen lämpötila on sama kuin ydinputken, mutta lämmönsiirto kerrotaan ripahyötysuhteella. Koska lämmönsiirtoa korvausilmaan tapahtuu sekä rivoista että ydinputken paljaaksi jäävistä osista, on määritelty vielä yllä olevassa kaavassa esiintyvä lämpöpintahyötysuhde, joka lasketaan ripahyöty suhteesta i?ripa, korvausilmapuolen kokonaislämpöpinnasta ja korvausilmapuolen ripojen lämpöpinnasta Afjpa 15 1 _ Kipa (1 _ j i 1 λ x 1 npa'

Ak

Keksintöä on edellä selostettu vain eräisiin sen edullisiin sovellusesimerkkeihin viitaten, joiden yksityiskohtiin keksintöä ei ole kuitenkaan tarkoitus mitenkään ahtaasti rajoittaa. Monet muunnokset ja muunnelmat ovat mahdollisia seuraavien patenttivaatimusten : 20 määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (7)

1. Lämmönvaihdin, etenkin paperi-, sellu- ja kartonkitehtaiden prosessipoistojen yhteydessä käytettäväksi, joka lämmönvaihdin käsittää: 5. kanavaan (12) jäljestettyjä, useita olennaisesti yhdensuuntaisia putkia (11) tai vastaavia, joiden läpi lämpöä luovuttava ilmavirta (23) on sovitettu kulkevaksi olennaisesti ylhäältä alaspäin, ja joiden lomitse lämpöä vastaanottava (21) ilmavirta on sovitettu kulkevaksi olennaisesti vaakasuoraan ristivirtaperiaatteen mukaisesti ja • suihkutusjäijestelmän (17,18),, 10 ja jossa lämmönvaihtimessa (10) putkien (11) lämpöpintaa on lämpöä vastaanottavan virran puolella laajennettu rivoilla (20), laulelleilla tai vastaavilla, tunnettu siitä, suihkutusjäijestelmän (17, 18) välityksellä lämpöä luovuttavan ilmavirran (23) sekaan sumutetaan vettä ennen varsinaista lämmönvaihdinta (10) lämmönsiirron tehostamiseksi sumutetun vesifaasin avulla, että lämmönvaihtimessa (10) lämpöä 15 luovuttavana ilmavirtana (23) on sovitettu käytettäväksi kylläistä tai lähellä kyllästys-käyrää olevaa ilmaa, jolloin putkissa (11) kylläisestä tai lähellä kyllästyskäyrää olevasta lämpöä luovuttavasta ilmavirrasta (23) kondensoituva vesi valuu putken (11) sisäseinämiä (19) alaspäin ja kerääntyy lämmönvaihtimen (10) kanavassa (12) olevaan altaaseen (13). 20

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmönvaihdin, tunnettu siitä, että osa altaaseen (13) kerääntyneestä vedestä johdetaan suihkutusjäijestelmän syöttökanavaan (18) ja suihkutetaan suihkutusjäijestelmän sumuttimilla (17) takaisin lämmönvaihtimen (10) yläosaan lämpöä luovuttavan ilmavirran (23) sekaan veden samalla lämmetessä 25 sumutusvaiheessa jo ennen varsinaista lämmönvaihdinta, jolloin putkien läpi valuu koko • ajan halutun suuruinen vesivirta, josta putkien (11) seinämiä (19) pitkin alaspäin valuvasta vesikalvosta (31) poistoilmavirtauksen (23) vaikutuksesta irtoaa pisaroita (32), jotka törmäävät putken (11) seiniin (19), jolloin lämpöä luovuttavasta ilmavirrasta (23) siirtyy pisaroihin (32) tehokkaasti lämpöä ja edelleen putken (11) seiniin (19) ja siitä edelleen 3. lämpöä vastaanottavaan ilmavirtaan (21). 106223

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen lämmönvaihdin, tunnettu siitä, että lämmönvaihdin (10) käsittää edelleen putkien (11) jälkeen sijoitetun pisaraloukun (15) poistoilmavirtaukseen (24) mahdollisesti jääneiden pisaroiden poistamiseksi.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen lämmönvaihdin, tunnettu siitä, että putket (11) ovat kulmassa lämpöä luovuttavaan ilmavirtaan (23) nähden.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen lämmönvaihdin, tunnettu siitä, että lämmönvaihdin (10) käsittää edelleen lämmitysjäxjestelmän (29), jolla sumuttimien (17) 10 kautta sumutettavaa vettä on sovitettu lämmitettäväksi poistoilman (23) lämpötilan ja kosteuden poiketessa olennaisesti lähellä kyllästyskäyrää olevista arvoista.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen lämmönvaihdin, tunnettu siitä, että lämmönvaihtimen (10) lämmönvaihdinkanavan (12) ennen lämmönvaihdinta (10) sijaitseva 15 osa on jaettu seinämällä (33) kahteen osaan siten, että sumuttimilla (17) sumutetaan vettä vain korvausilman (21) tulosuunnan puoleisessa osassa.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen lämmönvaihdin, tunnettu siitä, että lämmönvaihdinkanavassa (12) lämmönvaihtimen (10) jälkeen on skrubberi, jolla on 20 sovitettu lämmitettäväksi lämmönvaihtimen (10) yläosaan sumutettava vesi. ! ϊ 106223 A,