FI119897B - Järjestely lämmönsiirtimessä - Google Patents

Description

JÄRJESTELY LÄMMÖNSIIRTIMESSÄ Keksinnön käyttöala

Keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen järjestelyyn läm-5 mönsiirtimessä.

Tekniikan taso

Putki ja vaippa-lämmönsiirrin on eniten käytetty 1 ämmönsiirrintyyppi prosessiteollisuudessa. Putki ja vaippa-lämmönsiirtimien kustannus/tehosuhde on suhteellisen alhainen, ja niiden etuna on luotettavuus, kestävyys ja rakenteiden monipuolisuus.

10 Putkilämmönsiirtimet rakennetaan yleensä pyöreistä putkista, missä toinen aine virtaa putken sisäpuolella ja toinen ulkopuolella. Rakenteensa johdosta putkilämmönsiirtimet soveltuvat korkeita paineita ja lämpötiloja vaativiin käyttötarkoituksiin. Yleisimmät put-kilämmönsiirrintyypit ovat kaksoisputkilämmönsiirtimet sekä putki ja vaippa-lämmönsiirtimet.

15 Putki ja vaippa-lämmönsiirtimet koostuvat yleensä lieriömäisen vaipan sisään sijoitetus ta putkiryhmästä. Putket ovat kiinnitetty päistään putkilevyyn, joka erottaa putki- ja vaippapuolen ainevirrat toisistaan. Vaipan sisälle on kiinnitetty välilevyjä ohjaamaan vaippapuolen virtausta, lisäämään virtausnopeutta sekä tukemaan putkiryhmää.

Sopivissa olosuhteissa vaippapuolen virtaus indusoi värähtelyä putkimallisen lämmön-20 siittimen putkistoon. Värähtely on fysikaalisen systeemin liikettä tietyn tasapainoaseman ympärillä. Putken värähtelyille on olemassa erilaisia herätemekanismeja, kuten nesterakennejäijesteinään epästabiilisuus (fluid elastic instability), pyörrevanan heilahtelun aiheuttama heräte, akustinen resonanssi ja turbulenssin aiheuttama värähtelyheräte. Värähtelyt aiheuttavat lämmönsiirtimen kestoiän lyhenemistä, melua ja energiahäviöitä.

25 Tunnettu ratkaisu lämmönsiirtimen värähtelyjen hallintaan on tukea koko lämmönsiirrin tai lämmönsiirtimen putket mahdollisimman hyvin kiinnittämättä putkia kiinteästi tuki-levyihin. Tuenta voidaan tehdä esimerkiksi sijoittamalla välilevyjä lyhyen välimatkan 2 päähän toisistaan. Ratkaisujen haittana on lämmönsiirtimen valmistuskustannusten kasvaminen lisääntyneiden työvaiheiden ja materiaalikustannusten johdosta. Toinen mahdollisuus vähentää värähtelyjä on pitää virtausnopeudet, erityisesti vaippapuolen virtausnopeus putkien välissä, lämmönsiirtimen sisällä alhaisina. Tällöin lämmönsiir-5 timen koko kasvaa ja suuremmat materiaalikustannukset lisäävät valmistuskustannuksia.

Pyörivien sähkökoneiden jäähdytyksessä käytetään usein putki ja vaippa-lämmönsiirrintä, jossa sähkökoneessa lämmennyttä ilmaa jäähdytetään ulkoilman avulla. Toisinaan käytettävä ulkoilma voi olla hyvinkin likaista, jolloin etua saadaan putki ja 10 vaippa-lämmönsiirtimen helposta puhdistettavuudesta. Sähkökoneen jäähdytykseen käytettävältä lämmönsiirtimeltä halutaan pientä kokoaja suurta lämmönsiirtotehoa.

Kun pyörivää sähkökonetta käytetään säätökäytöllä vaihtelee sen jäähdytykseen tarvittava ilmavirta säädön mukaan. Tavallinen vaihteluväli on 0...130 % mitoitusilmavir-rasta. Tällöin sähkökoneesta lämmönsiirtimeen jäähdytettäväksi tulevan ilman virtaus-15 nopeus lämmönsiirtimessä vaihtelee vastaavasti. Jos lämmönsiirrin mitoitetaan siten, että suurimmillakin ilmavirroilla virtausnopeus on matala, tulee lämmönsiirtimestä suuri ja painava.

Keksinnön kuvaus

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada järjestely lämmönsiirtimessä. 20 Tämän aikaansaamiseksi keksintö tunnetaan patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosan ominaispiirteistä. Keksinnön eräillä muilla edullisilla suoritusmuodoilla on epäitsenäisten patenttivaatimusten tunnusmerkit.

Keksinnön mukaisessa järjestelyssä lämmönsiirtimessä lämmönsiirrin käsittää vaipan ja putkia. Putket on sijoitettu vaipan sisään. Lämmönsiirtimeen on johdettavissa ensim-25 mäinen väliaine putkiin ja toinen väliaine vaipan sisäpinnan ja putkien ulkopinnan väliin, ja lämmönsiirtimestä on johdettavissa ensimmäinen väliaine pois putkista ja toinen väliaine pois vaipan sisäpinnan ja putkien ulkopinnan välistä. Lämmönsiirtimessä on ainakin kaksi putkiriviä, jotka ovat toisen väliaineen virtauksen suunnassa peräkkäin. Ensimmäisessä putkirivissä on ainakin kaksi putkea, joiden kahden vierekkäisen putken 3 välillä on ensimmäinen etäisyys, ja ensimmäisen rivin ensimmäisen vierekkäisen putken ja toisen rivin putken välillä on toinen etäisyys, ja ensimmäisen rivin toisen vierekkäisen putken ja toisen rivin putken välillä on kolmas etäisyys. Ensimmäinen, toinen ja kolmas etäisyys muodostavat kolmion, jonka kolmion jokainen kulma on pienempi kuin 5 90°. Toinen etäisyys on eri mittainen kuin kolmas etäisyys.

Keksinnön eräs sovellusmuoto on putki ja vaippa-lämmösiirtimissä, joissa lämmönsiir-timen sisällä olevat putket ovat ulkopinnaltaan olennaisesti sileitä. Ulkopinnaltaan sileä putki ei luontaisesti häiritse virtausta, ja keksinnön mukaisella ratkaisulla häiritään virtausta estäen sen tahdistuminen lämmönsiirtimen vaippapuolella.

10 Keksinnön eräs toinen sovellusmuoto on putki ja vaippa-lämmösiirtimissä, jossa lämmönsiirtimen vaippapuolella virtaa kaasu, kuten esimerkiksi ilma, ja lämmönsiirtimen putkipuolella virtaa myös kaasu, kuten esimerkiksi ilma. Putkipuolella virtaava kaasu ei vaimenna vaippapuolella virtaavan kaasumassan indusoimaa värähtelyä siten kuin tiheydeltään suurempi nestevirta, joka vaimentaa hieman värähtelyä.

15 Keksinnön eräs sovellusmuoto on putki ja vaippa-lämmösiirtimissä, joita käytetään sähkökoneen jäähdytyksessä. Sähkökoneen jäähdytysaine, tavallisimmin ilma tai kaasu, johdetaan sähkökoneesta lämmönsiirtimen vaippapuolelle, jossa se virtaa vaipan sisäpinnan ja putkien ulkopinnan välissä. Sähkökoneen jäähdytysaineesta lämpöä vastaanottava ainevirta virtaa putkien sisäpuolella. Keksinnön mukaisella ratkaisulla virtaus-20 nopeuksia lämmönsiirtimen vaippapuolella voi kasvattaa, jolloin lämmönvaihtimen koko pienenee.

Keksinnön vielä eräs sovellusmuoto on putki ja vaippa-lämmösiirtimissä, joita käytetään säätökäyttöisen sähkökoneen jäähdytyksessä. Säätökäyttöisen sähkökoneen pyörimisnopeus on muutettavissa, jolloin tarvittava jäähdytysaineen tilavuusvirta muuttuu 25 säädön mukana. Toisaalta sähkökoneesta voidaan tarvita nimellistä vääntömomenttia alhaisella pyörimisnopeudella, jolloin jäähdytysaineen tilavuusvirta kytketään seuraamaan vääntömomenttia. Tavallinen vaihteluväli säätökäyttöisen sähkökoneen jäähdy-tysilmavirralle on 0... 130 % mitoitusilmavirrasta.

4

Keksinnön eräs sovellusmuoto on virtaustavaltaan ristivirtalämmönsiirrin, jossa ensimmäisen väliaineen virtaussuunta ja toisen väliaineen virtaussuunta ovat olennaisesti kohtisuorassa.

5 Lämmönsiirron pitämiseksi hyvällä tasolla lämmönsiirtimessä pyritään putkijako, ts. putkien välinen etäisyys toisistaan, pitämään pienenä. Tällöin on edullista, että epä-symmetristenkään putkirivien putkijako ei ole liian harva. Edullisen sovellusmuodon mukaan toisen rivin putkien välinen etäisyys on enintään kaksi kertaa ensimmäisen rivin 10 putkien välinen etäisyys.

Erään sovellusmuodon mukaan ensimmäisen rivin kahden vierekkäisen putken välillä oleva ensimmäinen etäisyys on eri mittainen kuin ensimmäisen rivin ensimmäisen vierekkäisen putken ja toisen rivin putken välillä oleva toinen etäisyys.

Keksinnön mukaisella järjestelyllä lämmönsiirtimessä vaippapuolella virtaavalle väliai-15 neelle tarjotaan erilaiset rinnakkaiset virtaustiet muuallakin kuin virtaustilan reunoilla. Tällöin vierekkäiset virtaustiet eivät ole pelkästään toistensa peilikuvia. Erilaisten vir-tausteiden johdosta kulloinenkin maksimi väliaineen virtausnopeus vaippapuolella putkien välissä sijoittuu eri kohtiin putkistoa.

Keksinnön mukaisella ratkaisulla pienennetään värähtelyjä putki ja vaippa-20 lämmönsiirtimessä. Järjestely nostaa vaippapuolen virtausnopeutta, jolla putkiston itse-herätteinen epästabiili (fluid elastic instability) värähtely käynnistyy tai esiintyy. Tällöin lämmönsiirtimen kestoikä pitenee, melutaso laskee ja energiahäviöt pienenevät. Keksinnön mukainen epäsymmetrinen putkijako voidaan toteuttaa esimerkiksi siten, että putki ja vaippa-lämmönsiirtimessä peräkkäiset, tai joka 3.s, 4.s jne. putkirivit ovat 25 jaoltaan erilaisia, tai esimerkiksi osa jokaisesta putkirivistä on jaoltaan erilainen.

Keksinnön mukaisella järjestelyllä lämmönsiirtimen valmistuskustannukset eivät juuri kasva. Työvaiheiden määrä ei lisäänny eivätkä materiaalikustannukset kasva. Lämmönsiirtimen koko saattaa vähäisessä määrin kasvaa verrattuna perinteisellä kolmio-, neliö-, käännetyllä kolmio- tai käännetyllä neliöjaolla samalla putkimäärällä toteutet 5 tuun lämmönsiirtimeen riippuen valitusta putkijaosta. Keksinnönmukainen ratkaisu sallii kuitenkin perinteistä suuremmat vaippapuolen tilavuusvirrat, koska etenkin suurilla virtausnopeuksilla lämmönsiirtimen putkipuolella esiintyvää värähtelyä pienennetään tehokkaasti.

5 Piirustusten kuviot

Keksintöä kuvataan seuraavassa yksityiskohtaisemmin sen eräiden suoritusmuotojen avulla viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa - kuvio 1. esittää poikkileikkausta putki ja vaippa-lämmönsiirtimestä; - kuviot 2.a)-c) esittävät poikkileikkauksia epäsymmetrisistä putkijaoista: 10 - kuvio 3. esittää sähkökoneen jäähdytystä putki ja vaippa-lämmönsiirtimellä.

Yksityiskohtainen kuvaus

Kuviossa 1. on esitetty poikkileikkaus vaippa ja putki-lämmönsiirtimestä, jota käytetään sähkökoneen jäähdyttämisessä. Putki ja vaippa-lämmönsiirrin 1 muodostuu lieriömäisen 15 vaipan 2 sisään sijoitetusta pyöreistä putkista 3a-3g. Virtaustavaltaan lämmönsiirrin on ristivirtalämmönsiirrin, jossa virtaukset kulkevat lämpöä siirtävän putken eri puolilla kohtisuoraan toisiaan vastaan. Vaipan rakenne on yksivetoinen ja vaippapuolen ainevir-ta tuodaan sisään lämmönsiirtimen ensimmäisessä päässä olevasta yhteestä 5 ja se virtaa lämmönsiirtimen läpi sen toiseen päähän, josta se poistetaan. Putkipuolen ainevirta tuo-20 daan sisään lämmönsiirtimen ensimmäisessä päässä olevasta yhteestä 6, se virtaa ensimmäisen putkirivin 10 putkien 3e-h sisäpuolella lämmönsiirtimen toiseen päähän, jossa se kääntyy kääntökammiossa ja virtaa toisen putkirivin 11 putkien 3a-d sisäpuolella lämmönsiirtimen ensimmäiseen päähän, josta se poistetaan yhteestä 7. Putket 3a-3h ovat kiinnitetty päistään putkilevyyn 4, joka erottaa putki- ja vaippapuolen ainevirrat 25 toisistaan. Jos putkipuolen jäähdytysainekierto on avoin käytetään jäähdytysaineena tavallisimmin ilmaa. Suljetussa putkipuolen jäähdytysainekierrossa käytetään useammin myös muita kaasuja sekä nesteitä. Yksinkertaisuuden vuoksi kuviossa 1 on esitetty 6 vain kaksi riviä putkia 10, 11. Käytännössä yhden putki ja vaippa-lämmönsiirtimen sisällä on yli 1000 putkea useassa rivissä, ja putkimäärä voi kohota 15000:een.

Vaipan 2 sisälle on kiinnitetty välilevyjä 8 ohjaamaan vaippapuolen virtausta. Välilevyt 8 ovat vuorotellen kiinnitetty vaipan sisälle sen ylä- tai alaosaan. Ne ohjaavat vaippa-5 puolen ainevirtaa 9 virtaamaan putkirivien lomitse vaipan yläosasta vaipan alaosaan ja edelleen vaipan alaosasta vaipan yläosaan. Ristivirtalämmönsiirtimessä putkipuolen virtaus ja vaippapuolen virtaus ovat oleellisesti toisiinsa nähden kohtisuorassa. Koh-tisuoruutta saavutetaan asettamalla välilevyjen 8 jako tiheäksi. Kuviossa 1. näkyy vaipan yläosan sulkeva välilevy 8. Se ohjaa lämmönsiirtimeen 1 vaipan 2 yläosaan tuodun 10 leveillä nuolilla kuvatun vaippapuolen ainevirran 9 virtaamaan kahden putkirivin 10, 11 lomitse lämmönsiirtimen alaosaan. Seuraava välilevy (ei esitetty kuviossa 1.) puolestaan ohjaa ainevirtaa 9 virtaamaan putkirivien lomitse vaipan yläosasta vaipan alaosaan.

Putkirivit 10, 11 on limitetty epäsymmetrisesti. Alemman putkirivin 10 putkien 3e-h välinen etäisyys toisiinsa Li, L2, L3 on vakio. Ylemmän putkirivin 11 putkien 3a-d väli-15 nen etäisyys toisiinsa L4, L5, Le on vakio. Alemman 10 ja ylemmän 11 putkirivin välinen etäisyys L9 on myös vakio koko putkirivin pituudelta. Etäisyys alemman rivin putken 3e-h ja ylemmän rivin putken 3a-d välillä ei ole vakio, koska ylemmän rivin putket 3a-d eivät osu vaakasuunnassa alemman rivin putkien 3e-h välien keskelle vaan hieman välin toiseen reunaan. Jos alemman putkirivin 10 putkien 3e-h välinen etäisyys toisiinsa 20 Li, L2, L3 on sama kuin ylemmän putkirivin 11 putkien 3a-d välinen etäisyys toisiinsa L4, L5, Le, muodostuu alemman rivin putken 3e-h ja ylemmän rivin putken 3a-d välille kahta erimittaista etäisyyttä L7, L8, jotka vuorottelevat vaakasuunnassa.

Kun vaippapuolen ainevirta 9 virtaa vaipan 2 alaosaan välilevyn 8 alitse se kääntyy virtaamaan poikittain putkiriveihin 10,11 nähden kohti vaipan yläosaa. Ainevirta 9 jakau-25 tuu alimman putkirivin 10 putkien 3e-h väleihin. Ainevirran nopeus putkien välissä vaihtelee riippuen sähkökoneen tarvitsemasta jäähdytysainevirran määrästä.

Ainevirran 9 ohitettua ensimmäisen putkirivin 10 se osin yhdistyy ja jakaantuu uudestaan ohittaakseen toisen putkirivin 11. Koska ensimmäisen rivin 10 putken 3e-h ja toisen rivin 11 putken 3a-d välinen etäisyys vaihtelee, vaihtelee ensimmäisen putkirivin 10 30 putkien 3e-h välistä virtaavan virtauksen käytössä oleva virtauspoikkipinta. Virtaus- 7 poikkipinta määrittyy kahden putken välisestä etäisyydestä L7, L8 ja putkien pituudesta matkalta, jonka välilevyt 8 rajaavat. Kahden ensimmäisen rivin putken 3e-h välistä tuleva virtaus ei jakaudu tasaisesti kahteen osaan toisen rivin putken 3a-d molemmille puolille, koska tarjolla olevat virtauspoikkipinnat ovat eri kokoisia. Tämä häiritsee ai-5 nevirtausta 9 niin, ettei ainevirtaus 9 pääse tahdistumaan virratessaan putkirivien ohi ja ilmamassan aiheuttama värähtely lämmönsiirtimen 1 putkissa pienenee.

Ainevirtauksen 9 tahdistumista voidaan edelleen häiritä väliseinän 8 putkiaukoista vir-taavan vuotoainevirran kasvattamisella.

10 Kuvioissa 2. a) - e) on esitetty poikkileikkauksia epäsymmetrisistä putkijaoista.

Kuviossa 2.a) on esitetty putkijako, jossa kaikissa kolmessa putkirivissä 10a, 11a, 12a kahden putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Li0, L2o, L30 on yhtä-pitkä. Putkirivien välinen etäisyys L40, L50 on vakio. Toista putkiriviä 11a on limitetty 15 vaakasuunnassa siten, että kahden vierekkäisen ensimmäisen rivin 10a putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Li0, ensimmäisen rivin 10a ensimmäisen vierekkäisen putken ja toisen rivin 11a putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Ln ja ensimmäisen rivin 10a toisen vierekkäisen putken ja toisen rivin 1 la putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Li2 ovat eri mittaisia. Ensim-20 mäisen rivin 10a ensimmäisen vierekkäisen putken ja toisen rivin 11a putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Ln on lyhyempi kuin ensimmäisen rivin 10a toisen vierekkäisen putken ja toisen rivin 11a putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Li2. Kahden vierekkäisen ensimmäisen rivin 10a putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys L10, ensimmäisen rivin 10a ensimmäisen 25 vierekkäisen putken j a toisen rivin 11a putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Ln ja ensimmäisen rivin 10a toisen vierekkäisen putken ja toisen rivin 1 la putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys L12 muodostavat kolmion, jonka kaikki kulmat ovat teräviä.

30 Yhteen ensimmäisen putkirivin kahden putken väliin jäävään vapaaseen tilaan virrannut ainevirta 9 jakaantuu useampaan osaan 9a,b virratessaan kohti toisen putkirivin putkien 8 väliin jäävää vapaata tilaa. Ensimmäisen ja toisen putkirivin 11a, 12a putkien väliset etäisyydet muodostavat erisuuruisia virtauspoikkipintoja, jolloin ainevirran 9 jakautuminen osiin 9a,b tapahtuu epätasaisesti.

5 Kuvion 2.a) epäsymmetrisessä putkijaossa käytetään putkijakoa, jossa kaikki putkirivit on toteutettu samalla jaolla, ts. putkien välisien etäisyyksien pituus on yhtäsuuri kaikissa putkiriveissä. Epäsymmetrisyys saavutetaan, kun yhden putkirivin aloitusta sisennetään tai loitonnetaan siten, että edellisen putkirivin kahden vierekkäisen putken etäisyys Ln, L12 sisennetyn tai loitonnetun putkirivin samaan putkeen on erisuuri, jonka jälkeen si-10 sennetyn tai loitonnetun putkirivin putket eivät osu pystysuunnassa päällekkäin sen ala-ja yläpuolella olevien putkirivien putkien kanssa eivätkä ala- ja yläpuolella olevien put-kijakojen puoleenväliin.

Kuviossa 2.b) on esitetty putkijako, jossa jokatoisessa putkirivissä 10b, 12b kahden put-15 ken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Lio, L30 on yhtäpitkä. Toisen putkirivin kahden putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys L20 on vakio, ja pidempi kuin ensimmäisen 10b ja kolmannen 12b putkirivin. Putkirivien välinen etäisyys L40, L50 on vakio.

Kahden vierekkäisen ensimmäisen rivin 10b putken pituussuuntaisten keskiakseleiden 20 välinen etäisyys Li0 on eri mittainen kuin ensimmäisen rivin 10b ensimmäisen vierekkäisen putken ja toisen rivin 1 Ib putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Li 11 - Li 14. Ensimmäisen rivin 10b ensimmäisen vierekkäisen putken ja toisen rivin 11b putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Lm - Ln4 on eri mittainen kuin ensimmäisen rivin 10b toisen vierekkäisen putken ja toisen rivin 11b putken 25 pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Lm - Lm.

Kahden vierekkäisen ensimmäisen rivin 10b putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Li0, ensimmäisen rivin 10b ensimmäisen vierekkäisen putken ja toisen rivin 11b putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Lm - Li14 ja ensimmäisen rivin 10b toisen vierekkäisen putken ja toisen rivin 11b putken pituussuun-30 täisten keskiakseleiden välinen etäisyys Lm - Lm muodostavat kolmion, jonka mikään kulma ei ole tylppä, ts. jokainen kolmion kulma on pienempi tai yhtäsuuri kuin 90°.

9

Kuviossa 2.c) on esitetty putkijako, jossa ensimmäisessä ja kolmannessa putkirivissä 10c, 12c kahden putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Li0, L30 on yhtäpitkä. Toisen putkirivin Ile kahden putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys L21 - L24 ei ole vakio, vaan etäisyys pitenee putkirivin Ile reunaa koti men-5 täessä. Putkirivien välinen etäisyys pystysuunnassa L40, L50 on vakio.

Kahden vierekkäisen ensimmäisen rivin 10c putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Li o on erimittainen kuin ensimmäisen rivin 10c ensimmäisen vierekkäisen putken ja toisen rivin 1 le putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Li 15 - Li is. Ensimmäisen rivin 10c ensimmäisen vierekkäisen putken ja toisen rivin 1 le 10 putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Li 15 - Lm on erimittainen kuin ensimmäisen rivin 10c toisen vierekkäisen putken ja toisen rivin Ile putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys L125 - L128.

Kahden vierekkäisen ensimmäisen rivin 10c putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys L10, ensimmäisen rivin 10c ensimmäisen vierekkäisen putken ja toisen 15 rivin 11c putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Li 15 - Lm ja ensimmäisen rivin 10c toisen vierekkäisen putken ja toisen rivin Ile putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys Lm - Lm muodostavat kolmion, jonka jokainen kolmion kulma on pienempi tai yhtäsuuri kuin 90°. Kolmion kulma muodostuu suoraksi kulmaksi kun ensimmäisen rivin 10c putki ja toisen rivin Ile putki osuvat satunnai-20 sesti pystysuunnassa päällekkäin.

Epäsymmetrinen putkijako voidaan toteuttaa myös esimerkiksi siten, että toisen putkirivin kahden putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys on vakio, ja lyhyempi kuin ensimmäisen ja kolmannen putkirivin kahden putken pituussuuntaisten keskiakseleiden välinen etäisyys.

25 Kuviossa 3. on esitetty poikkileikkaus sähkökoneen jäähdytyksestä vaippa ja putki-lämmönsiirtimellä. Sähkökoneen 14 päällä on putki ja vaippa-lämmönsiirrin Ib. Sähkökone 14 on ilmajäähdytteinen. Putki ja vaippa-lämmönsiirrin Ib muodostuu suorakulmaisen, kulmistaan pyöristetyn vaipan 2b sisään sijoitetusta pyöreistä putkista 3i. Virtaustavaltaan lämmönsiirrin on ristivirtalämmönsiirrin, jossa virtaukset kulkevat 30 lämpöä siirtävän putken eri puolilla kohtisuoraan toisiaan vastaan. Putkipuolen ainevir- 10 ta 13a johdetaan lämmönsiirtimen Ib vasemmasta päästä putkien 3h muodostamaan putkipatteriin ja se tulee lämmenneenä ulos koneen oikeasta päästä 13b. Vaippapuolen ainevirta 9 johdetaan lämmönsiirtimen Ib oikeaan päähän sähkökoneen keskeltä 9c ja sähkökoneen oikeasta päästä 9d. Putket 3i ovat kiinnitetty päistään putkilevyihin 4, joka 5 erottavat putki- ja vaippapuolen ainevirrat toisistaan.

Vaipan 2b sisälle on kiinnitetty välilevy 8a ohjaamaan vaippapuolen virtausta. Välilevy 8a on umpinainen, ts. se on kiinnitetty kaikkiin putkiin 3i ja vaippapuolen ainevirran kierto hoidetaan vaipan 2b kautta. Tällöin välilevy 8a ohjaa vaippapuolen ainevirtaa 9 virtaamaan koko putkirivistön läpi vaipan alaosasta vaipan yläosaan ja edelleen vaipan 10 yläosasta vaipan alaosaan. Näin putkipuolen virtaus ja vaippapuolen virtaus ovat oleellisesti toisiinsa nähden kohtisuorassa.

Kun vaippapuolen ainevirta 9 virtaa vaipan 2b alaosaan putkilevyn 4 alitse se kääntyy virtaamaan poikittain putkiriveihin nähden kohti vaipan yläosaa. Ainevirta 9 jakautuu putkien 3i väleihin. Koska putkien 3i jako on toteutettu epäsymmetrisesti lämmönsiir-15 timessä Ib vaippapuolella virtaavalle väliaineelle 9 on tarjolla erilaisia rinnakkaisia vir-tausteitä ja virtauksen tahdistuminen häiriintyy. Tällöin vaippapuolen virtausnopeus, jolla putkiston itseherätteinen epästabiili (fluid elastic instability) värähtely käynnistyy tai esiintyy, nousee.

Ainevirran nopeus lämmönsiirtimessä putkien välissä vaihtelee riippuen sähkökoneen 20 tarvitsemasta jäähdytysainevirran määrästä. Usein sähkökoneessa jäähdytysainevirtaa kierrättävä tuuletin on sijoitettu roottorin akselille, jolloin se pyörii samalla pyörimisnopeudella kuin roottori, ts. pyörimisnopeussäädetyssä sähkökoneessa sen pyörimisnopeus seuraa roottorin pyörimisnopeuden vaihteluita. Tuuletin voi olla myös erillinen, jota ohjataan sähkökoneen pyörimisnopeuden tai momentin perusteella. Erillinen tuuletin 25 on esimerkiksi tarpeen mikäli nimellistä vääntömomenttia tarvitaan alhaisella pyörimisnopeudella, jolloin koneen akselille kiinnitetty puhallin ei riitä tuottamaan riittävän voimakasta pakotettua virtausta. Kuvion 3. kytkennässä on erillispuhallin 15 tehostamassa väliainekiertoa. Tavallinen vaihteluväli jäähdytysainevirralle sähkökoneessa on 0... 130 % mitoitusainevirrasta. Yleisin jäähdytysaine sähkökoneessa on ilma tai kaasu.

11 Lämmönsiirtimessä Ib jäähtynyt sähkökoneen 14 jäähdytysaincvirta 9e johdetaan sähkökoneen 14 vasempaan päähän. Sieltä jäähdytysainevirta 9e virtaa staattorin 16 ja roottorin 17 läpi koneen keskelle 9d ja koneen toiseen päähän 9c.

5 Kuviossa 3. nuolet on piirretty siten, että kylmemmän ilman nuolet ehyellä viivalla ja kuumemman ilman nuolet katkoviivalla.

Epäsymmetrisyyden muodostavien putkirivien määrä lämmönsiirtimessä valitaan halutun värähtelyjen pienentämisen mukaan. Suuri värähtelyjen pienennys saavutetaan 10 lämmönsiirtimen putkijaon epäsymmetrisyyttä lisäämällä.

Kuvioissa on yksinkertaisuuden vuoksi esitetty lämmönsiirtimen putket ulkopinnaltaan sileinä putkina. Lämmönsiirtimen putket voivat olla myös esimerkiksi ulkopinnaltaan rivoitetut, laipoitetut tai kierteytetyt, tai esimerkiksi poikkileikkaukseltaan ulkopinnal-15 taan tähden muotoisia. Tällöin putkien välisien etäisyyksien pituuksia määritetään putkien ulkopintojen välille muodostuvilla etäisyyksillä.

Keksintö on edellä kuvattu sen eräiden suoritusmuotojen avulla. Esitystä ei kuitenkaan ole katsottava patentin suojapiiriä rajoittavaksi, vaan keksinnön toteutusmuodot voivat vaihdella seuraavien patenttivaatimusten määrittämissä rajoissa.

20 Osaluettelo: 1, Ib lämmönsiirrin; 2, 2b vaippa; 3a-i putki; 4 putkilevy; 5 yhde; 6 yhde; 7 yhde; 8, 8a välilevy; 9, 9a-e vaippapuolen ainevirta; 10, lOa-b, lla-b, 12a-b putkirivi; 11 putkirivi, 13 a, b putkipuolen ainevirta, 14 sähkökone, 15 puhallin, 16 staattori, 17 roottori. Li- Lio, L20, L30, L40, L50, Lm- Lns, L121- L128 etäisyys.

Claims (7)

1. 5 1. Järjestely lämmönsiirtimessä lämmönsiirtimen vaippapuolen virtausnopeuden nostamiseksi, jolla virtausnopeudella putkiston itseherätteinen epästabiili värähtely käynnistyy, jossa järjestelyssä lämmönsiirrin (1) käsittää vaipan (2) ja putkia (3a-h), jotka putket (3a-h) on sijoitettu vaipan (2) sisään, ja johon lämmönsiirti-meen (1) on johdettavissa ensimmäinen väliaine (13a-b) putkiin (3a-h) ja toinen 10 väliaine (9) vaipan (2) sisäpinnan ja putkien (3a-h) ulkopinnan väliin, ja josta lämmönsiirtimestä (1) on johdettavissa ensimmäinen väliaine pois putkista (3a-h) ja toinen väliaine (9) pois vaipan (2) sisäpinnan ja putkien (3a-h) ulkopinnan välistä, tunnettu siitä että, lämmönsiirtimessä (1) on ainakin kaksi putkiriviä (10, 11), jotka putkirivit (10, 11) ovat toisen väliaineen (9) virtauksen suunnassa pe-15 räkkäin, ja että ensimmäisessä putkirivissä (10) on ainakin kaksi putkea (3a-h), joiden kahden vierekkäisen putken välillä on ensimmäinen etäisyys (L2), ja ensimmäisen rivin (10) ensimmäisen vierekkäisen putken ja toisen rivin (11) putken välillä on toinen etäisyys (L8), ja ensimmäisen rivin (10) toisen vierekkäisen putken ja toisen rivin (11) putken välillä on kolmas etäisyys (L7), ja että ensimmäi-20 nen, toinen ja kolmas etäisyys muodostavat kolmion, jonka kolmion jokainen kulma on pienempi kuin 90°, ja että toinen etäisyys (L8) on eri mittainen kuin kolmas etäisyys (L7).
2. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä että, ensimmäinen etäisyys (L2) on eri mittainen kuin toinen etäisyys (L8). 25 3.Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä että, toisen putkirivin (11) kahden vierekkäisen putken välinen etäisyys (L4) on enintään kaksi kertaa ensimmäisen putkirivin (10) kahden vierekkäisen putken välinen etäisyys (L2).
3. 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä että, lämmönsiirtimeen (1) johdettavissa oleva toinen väliaine (9) on sähkökoneen (14) jäähdytysaine.
4. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestely, tunnettu siitä että, sähkökone (14) on säätökäyttöinen, jonka säätökäyttöisen sähkökoneen pyörimisnopeus on muutetta- vissa, ja että jäähdytysaineen tilavuusvirta muuttuu pyörimisnopeutta muutettaessa.
5. 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä että, lämmönsiirtimeen (1) johdettavissa oleva ensimmäinen ja toinen väliaine (9) on kaasu.
6. 7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä että, lämmönsiirrin on ristivirtalämmönsiirrin, ja että ensimmäisen väliaineen virtaussuunta (13a-b) ja toisen väliaineen (9) virtaussuunta ovat olennaisesti kohtisuorassa. 10