FI78983B - Plattvaermevaexlare. - Google Patents

Description

1 78983

Levylämmönvaihdin

Esillä olevan keksinnön kohteena on levylämmönvaihdin, jossa lämmönsiirto tapahtuu kaasumaisten väliaineiden kesken 5 patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa esitetyllä tavalla.

Tämäntapaisia levylämmönvaihtimia käytetään ensisijassa ilmastointilaitosten lämmön talteenottolaitteissa. Lämpöä siirretään tavallisesti poistoilmavirrasta tuloilmavirtaan siten, että kumpikin ilmavirta läpäisee lämmönvaihtimen eri 10 kanavia pitkin ns. ristivirtauksena.

Tällaisen lämmönvaihtimen tavanomainen rakenne koostuu ristikkäin asetetuista levyistä, jotka on varustettu välike-elimillä, jotka on muodostettu levystä ja ovat osa levyä ja jotka voivat olla pyöreitä nystyröitä tai virtaussuuntaan 15 ulottuvia pitkänomaisia kohoumia. Näiden välike-elinten välinen etäisyys on valittava suureksi suhteessa niiden korkeuteen, jotta voidaan välttää epäedullinen turbulenssin syntyminen lämmönvaihtimessa. Niinpä levyjen, jotka usein on valmistettu alumiinista, materiaalipaksuus on valittava suh-20 teellisen suureksi, jotta levyt kestävät niiden välillä tavallisesti vallitsevan suuren paine-eron ilman että ne taipuvat liikaa. Koska materiaalikustannukset muodostavat huomattavan osan valmiin lämmönvaihtimen kustannuksista, on suhteellisen suuri materiaalipaksuus siten merkittävä epäkohta tämän-25 tyyppisissä lämraönvaihtimissa.

Toinen tavanomainen ratkaisu lämmön talteenottoon tarkoitetuissa lämmönvaihtimissa muodostuu ristikkäin asetetuista tasaisista levyistä, joiden välissä on aallotettuja/ poimutettuja levyjä, jotka toimivat välike-eliminä tasai-30 sille levyille, jotka erottavat toisistaan kahta kaasuvirtaa. Tavanomaisessa sovellutusmuodossa poimutetut levyt muodostavat kolmiomaisia virtauskanavia ja sallivat pienten mate-riaalipaksuuksien käytön. Epäkohtana on kuitenkin, että kolmiomainen kanavamuoto yhdessä laminaarisen virtauksen 35 kanssa edellyttää suurta lämpöpintaa, mikä johtaa ahtaisiin kanaviin, jotta lämmönvaihtimen tilavuus ei muodostu liian 2 78983 suureksi. Ahtaat kanavat aiheuttavat mm. haitallisen suuren painehäviön kasvun, kun tapahtuu tiivistymistä.

DE-hakemusjulkaisusta 2 630 905 on edelleen tunnettua pelkästään ristikkäisistä tasaisista levyistä koostuvassa 5 lämmönvaihtimessa, jonka levyt on varustettu välike-elimillä, muodostaa viimeksi mainitut levyihin laskoksiksi, jotka ulottuvat virtaussuunnassa, jolloin muodostuu suorakulmaisia kanavia kaasun kulkua varten lämmönvaihtimen lävitse.

On tunnettua, että suorakulmainen poikkileikkausmuoto on 10 hyvin edullinen virtauksen kannalta, mutta myös tähän ratkaisuun liittyy se epäkohta, että tarvitaan suuri materiaali-paksuus, koska lujuus jää muutoin liian alhaiseksi. Esimerkkinä voidaan mainita, että materiaalin paksuus tämän tyyppisissä levyissä on yli 0,3 mm ja välike-elinten/laskosten 15 etäisyys on jopa 100 mm. Lisäksi eräs epäkohta on se, että tasaisten levyjen väliin muodostuva laminaarinen virtaus johtaa myös tässä tapauksessa ahtaisiin kanaviin.

Tätä tunnettua tyyppiä olevissa lämmönvaihdinlevyissä muodostetaan levyjen välinen tiivistys tavallisesti erään-20 laisen tiivistysmassan avulla tai vaihtoehtoisesti taittamalla toisen levyn reuna viereisen levyn reunan ympäri, jolloin saadaan riittävä tiivistys edellä mainittua paksuutta oleville tasaisille levyille.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on saada aikaan 25 lämmönvaihdin, jolla ei ole ennestään tunnettujen lämmön-vaihtimien haittapuolia vaan joka on valmistettu levyistä, jotka muodostuvat olennaisesti ohuemmasta materiaalista samalla, kun lämmönsiirtokyky on parempi. Lisäksi tulee virtausvastuksen eli painehäviön lämmönvaihtimen lävitse 30 pysyä riittävän alhaisella tasolla sekä lämmönsiirtopintojen ollessa kuivat että silloin, kun tapahtuu tiivistymistä. Edelleen tarkoituksena on saada aikaan tehokas tiivistys eri kaasukanavien välille lämmönvaihtimessa, mikä edellyttää tehokasta ja valmistuksen kannalta järkevää vierekkäisten 35 levyjen yhteenliittämistä.

Nämä tarkoitusperät saavutetaan mm. patenttivaati- 3 78983 muksen 1 tunnusmerkkiosan mukaisella sovellutusmuodolla. Keksintö perustuu ajatukseen, että hienorakenteella saadaan aikaan kitkapainehäviö, joka tehokkaasti parantaa lämmönsiirtoa ilman, että virtausvastus kasvaa mainittavasti, mikä 5 johtuu siitä, että kanavassa voidaan ylläpitää edullinen turbulenttisuus. Hienorakenne muodostaa samalla vahvan jäykistyksen levyihin, jotka keksinnön ansiosta voidaan valmistaa materiaalipaksuudella (ja täten kokonaismateriaalin-kulutuksella), joka on ainoastaan 20-30 % tavanomaisten levy-10 jen paksuudesta. Edelleen keksintö perustuu tietoon, että levyjen kaksin kerroin taitettujen liitäntäreunojen pitkittäisellä poimutuksella estetään taitetun levynosan taipuminen takaisin eli näin saadaan liitäntäreuna lukkiutumaan. Lisäksi keksintö perustuu havaintoon, että hienorakenteella saadaan 15 aikaan kitkapainehäviö, joka tehokkaasti parantaa lämmönsiirtoa ilman, että virtausvastus kasvaa merkittävästi. Tämä johtuu siitä, että kanavissa voidaan ylläpitää edullinen turbulenttisuus. Hienorakenne muodostaa samalla vahvan jäykistyksen levyihin, jotka keksinnön ansiosta voidaan valmistaa 20 materiaalipaksuudella (ja täten kokonaismateriaalinkulutuk-sella), joka on ainoastaan 20-30 % tavanomaisten levyjen paksuudesta. Levyjen kaksin kerroin taitetut reunat on lisäksi varustettu pitkittäisellä poimutuksella. Levyt on täten voitu yhdistää lämmönvaihdinpaketiksi, jolla on hyvä lämmön-25 siirtokyky, pieni painehäviö, suuri kanavatiheys ja vakaat paketin sivupinnat ja joka kestää suuria paine-eroja kanavien välillä, ja kaikki nämä seikat saavutetaan yhdistämällä ohuiden levyjen hienorakenne keksinnön mukaiseen ratkaisuun, jolla eri levyt liitetään yhteen.

30 Muita lämmönvaihtimen tarkoituksenmukaisia sovellu- tusmuotoja on esitetty oheisissa alivaatimuksissa.

Keksintöä kuvataan nyt lähemmin oheisten piirustusten avulla, joissa kuvio 1 esittää kaaviomaisena perspektiivikuvantona 35 kolmea lämmönvaihdinlevyä, jotka on asetettu päällekkäin, esittämättä välineitä, joilla ne on liitetty yhteen, 4 78983 kuvio 2a esittää kaaviomaista päätykuvantoa kahdesta lämmönvaihdinlevystä, jotka on sijoitettu päällekkäin, kuvio 2b esittää kaaviomaista leikkausta kahdesta lämmönvaihdinlevystä, jotka on sijoitettu päällekkäin, 5 kuvio 3 esittää läromönvaihdinpakettia ja kuvio 4 esittää kaaviomaisesti yksityiskohtia liitäntätavasta, jolla kaksi lämmönvaihdinlevyä on kiinnitetty toisiinsa.

Kuviossa 1 on esitetty, kuinka kolme lämmönvaihdin-10 levyä 1a, 1b ja 1c on asetettu päällekkäin ja kierretty 90° toistensa suhteen. Tässä kuviossa ei näy välineitä, joilla levyt on liitetty toisiinsa. Jokainen levy on varustettu pitkittäisillä välike-elimillä 2, jotka muodostuvat levyissä olevista laskoksista. Näin muodostuu pitkittäisiä suora-15 kulmaisia kanavia 3a, 3b ilmalle, joka siten saatetaan kulkemaan ristivirtauksessa. Ilmavirrat on merkitty nuolilla A ja B. Kanavien leveys "b" (kuvio 2a) on 10-50 mm, sopivimmin 20-30 mm, ja niiden korkeus "h", joka vastaa välike-elinten laskosten korkeutta, on suurempi kuin 1,5 mm, sopivimmin 20 2-10 mm. On havaittu, että tämä kanavamuoto on edullinen lämmönsiirron, painehäviön, lujuuden ja valmistustekniikan kannalta. Lämmönvaihdinlevyt valmistetaan sopivimmin alumiinista.

Keksinnön mukaan levyt on varustettu kitkapainehäviötä 25 aiheuttavalla hienorakenteella 4, joka muodostuu poimutuk-sesta, kuten on esitetty kuvioissa 2a ja 2b. Poimutus on järjestetty sopivimmin kohtisuoraan välike-elimiä vastaan.

Myös välike-elimet on mahdollista varustaa hienorakenteella. Hienorakenteen tarkempi muoto käy selville kaavio-30 maisesta kuviosta 2b, joka esittää kohtisuoraa leikkausta kosketuslevystä. Hienorakenteen poimutuksen poimukorkeus S on välillä 0,1-1 mm. Levyn 1b hienorakenteen aallonpituus v on lisäksi välillä 1-5 mm, sopivimmin 3 mm ja sen muoto on kolmiomainen, kuten kuviossa. Myös sini-käyrän muotoa 35 tai jotakin välimuotoa voidaan käyttää. Hienorakenteella varustetun levyn ainepaksuus (t) on alle 0,1 mm ja levyjen 5 78983 hienorakennepaksuus (T), joka määritellään levyjen niiden osien kokonaispaksuudeksi, joissa on deformoimaton hienorakenne (4), eli S + t, on välillä 0,1-1 mm, sopivimmin 0,5 mm.

5 On havaittu, että hienorakenteella saadaan kanavaan muodostumaan edullista turbulenttisuutta, joka parantaa lämmönsiirtokykyä ilman, että painehäviö kasvaa aiheettoman suureksi. Keksintö perustuu siten osittain havaintoon, että em. hienorakenne yhdessä kanavamuodon kanssa saa aikaan 10 edullisen turbulenssin muodostuksen kanavassa ja tunnetuista rakenteista poiketen ei synnytä erkaumavirtauksia. Hienorakenteen aikaansaaman jäykistävän vaikutuksen ansiosta voidaan levyjen ainepaksuus valita niin pieneksi kuin 0,1 mm tai pienemmäksi. Tämän vuoksi kokonaismateriaalinkulutus on 15 suuruusluokkaa 25 % verrattuna materiaalinkulutukseen tavanomaisessa lämmönvaihtimessa, jolla on sama lämmönsiirtokyky ja painehäviö.

Kuviossa 2a on esitetty yksityiskohtaisesti ja kaavio-maisesti kahden lämmönvaihdinlevyn 1a ja 1b päätykuvanto.

20 Alemmassa levyssä olevan kahden välike-elimen 2 ja ylemmän levyn väliin muodostuu ilmakanava 3, joka siis on esitetty poikkileikkauksena. Välike-elimen 2 sivut 5a ja 5b on eräässä sovellutusmuodossa puristettu yhteen toisiaan vasten, jolloin levyn alapuolelle muodostuu kapea rako 6. Raon eräs vaikutus 25 on se, että se edistää turbulenssin muodostusta ilmassa levyn alapuolella, jolloin turbulenttisuus on riittävän suuri kasvattaakseen lämmönsiirtokerrointä mutta ainoastaan vähäisessä määrin kasvattaa painehäviötä kanavassa. Levyn 1b hienorakenteen aallonpituus v on välillä 2-5 mm, sopivimmin 30 3 mm, ja sen muoto on sini-käyrän mukainen, kuten kuviossa.

Kuviossa 3 on esitetty, kuinka useita lämmönsiirto-levyjä yhdistetään lämmönvaihdinpaketiksi. Lämmönvaihdin-paketti sijoitetaan yleensä siten, että lämmönsiirtolevyt ovat pystysuorassa. Lämmönvaihdinpaketti kallistetaan vaaka-35 tasoon nähden siten, että kanavissa muodostuvan lauhdeveden ulosvirtaus helpottuu.

6 78983

Kuvioissa 4, 5a ja 5b on esitetty yksityiskohtaisesti, kuinka keksinnön mukainen alempi lämmönvaihdinlevy liitetään ylempään lämmönvaihdinlevyyn sen päätyreunasta. Tehokas liitos, sekä puhtaasti mekaanisesti että tiiveyden kannalta, 5 on välttämätön lämmönvaihdinpaketin hyvän toiminnan kannalta. Eri kanavien välinen vuoto tulee välttää mahdollisimman hyvin ja se voi tietyissä sovellutuksissa olla suorastaan vahingollinen. Kuviossa 6 on esitetty, kuinka lämmönvaihdin-levyssä on sen kahdella välike-elinten suuntaan avautuvalla 10 päätysivulla 10a,b pitkittäinen reunusosa 11a,b. Jokaisessa kosketuslevyssä on sen kahdella välike-elimiin nähden poikit-taissuuntaan avautuvalla päätysivulla 20a,b lisäksi pitkittäinen osa 21a,b, johon on järjestetty taitereuna 22a,b.

Levyn kulmissa on viisteet 26. Reunat 22a,b on tarkoitus 15 liittää viereiseen levyyn siten, että ne taivutetaan viereisen levyn reunaosan ympäri, jolloin muodostuu kaksin kerroin taitettu reuna 23. Taitereunassa 22a,b on lisäksi välikeosa 25, joka suuruudeltaan vastaa vierekkäisten levyjen välistä etäisyyttä, joka määräytyy laskoksen korkeuden perusteella 20 ja joka välikeosa muodostaa sivutiivistyksen vastaaville kanaville 3a,b levyjen päätysivuilla. Kaksin kerroin taitettu reuna 23 ulottuu koko vastaavalle reunaosalle ja ympäröi tätä. Reunassa 23 ja ympäröivässä materiaalissa on lisäksi pitkittäinen poimutus 24, joka ulottuu levyn koko leveydelle 25 ja jonka tarkoituksena on lukita reuna 23 siten, että taite-reunan 22a,b mahdollinen takaisin taipuminen estetään. Poimu-tuksessa on molempien levyjen hienorakenne puristettu osittain deformoidusti kokoon ja se muodostaa tehokkaan tiivistyksen levyjen välille. Yhteen puristettaessa ei syntyvä 30 paksuus yleisesti ottaen muodostu suuremmaksi kuin kuviossa 2b määritelty levypaksuus T.

Keksinnön mukaisessa erittäin tarkoituksenmukaisessa sovellutusmuodossa taivutetaan välike-elin kuviossa 5a esitetyllä tavalla alaspäin ja peitetään sitten alapuolisen 35 levyn reunalla 23. Molempien päällekkäisten levyjen (mukaan lukien taitereuna 22a,b ja reuna 23) hienorakenne on tällöin 7 78983 deformoitunut siten, että kokonaispaksuus mahtuu pääasiassa kuviossa 2b määriteltyyn levypaksuuteen T. Tämä ehto voidaan täyttää myös silloin, kun välike-elinten 2 kaksi sivua 5a,b on varustettu hienorakenteella.

5 Poimutuksella 24 on keksinnön mukaan aallonpituus Y

ja aallonkorkeus y, jotka on mitoitettu siten, että ne aikaansaavat materiaalille venymän, joka vastaa ainakin sitä pinnan-suurenemista, joka syntyy poimutuksen hienorakenteen defor-moituessa. Poimutuksen aallonpituus Y on n. 10 mm ja sen 10 aallonkorkeus y on n. 2 mm. Hienorakenteen pinnansuureneminen on välillä 1-10 %, sopivimmin 3 %.

Tällä menettelyllä saadaan hyvin tehokas tiivistys eri kanavien välille. Kaksin kerroin taitetun reunan 23 venyminen, jonka pitkittäinen poimutus 24 aiheuttaa tasoittaa 15 hienorakenteen reunassa 23 ja muodostaa laskostetun, sileän ja tiiviin liitoksen. Lisäksi voidaan joissakin tapauksissa alaspäin taitetut välike-elimet 2 sisällyttää levyjen paksuuteen T hienorakenteen ansiosta. Kaksin kerroin taitetun reunan 23 kokoonpuristuksessa voidaan hienorakennetta verrata 20 tiivisteen vaikutukseen.

Levylämmönvaihtimen esitetty sovellutusmuoto liittyy ensi sijassa ilmastointilaitoksissa esiintyviin sovellutuksiin, mutta keksintö ei tietenkään rajoitu tähän sovellutus-muotoon .

Claims (14)

1. Levylämmönvaihdin, jossa lämmönsiirto tapahtuu kaasumaisten väliaineiden kesken, jotka lämmönvaihtimessa 5 pidetään toisistaan erillään ja jotka ovat sopivimmin ilmaa, joka lämmönvaihdin muodostuu joukosta päällekkäin pinottuja ohuita levyjä (la-c), jotka on varustettu virtaus-suuntaan kulkevilla välike-elimillä (2), jotka muodostuvat laskoksista ja jotka on muodostettu levyistä ja ovat osa 10 niitä, jolloin joka toinen levy on kierretty 90° viereisen levyn suhteen läpi kulkevien kanavien (3a,b) muodostamiseksi, jotka ovat poikkileikkaukseltaan pääasiassa suorakulmaisia, jolloin levyt (la-c) on pitkittäisten välike-elinten väleistä varustettu kitkapainehäviöitä aiheuttavalla hieno-15 rakenteella (4), joka muodostuu poimutuksesta, tunnet-t u siitä, että jokaisessa kosketuslevyssä on sen kahdella välike-elinten suuntaan avautuvalla päätysivulla (10a,b) pitkittäinen reunusosa (11a,b), että jokaisessa kosketuslevyssä on sen kahdella välike-elimiin nähden poikittaissuun-20 taan avautuvalla päätysivulla (20a,b) pitkittäinen osa (21a, b), johon on järjestetty taitereuna (22a,b), että mainitut reunat (22a,b) on viereiseen levyyn liittämistä varten taitettu viereisen levyn reunaosan ympäri, jolloin muodostuu kaksin kerroin taitettu reuna (23), joka ulottuu vastaavan 25 reunaosan ylitse ja ympäröi sitä, ja että kaksin kerroin taitetussa reunassa (23) ja ympäröivässä materiaalissa on pitkittäinen poimutus (24), joka ulottuu koko levyn leveydelle taitereunan (22a,b) lukitsemiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen levylämmönvaihdin, 30 tunnettu siitä, että molempien levyjen hienorakenne on pitkittäisessä poimutuksessa (24) osittain deformoidusti puristettu toisiaan vasten kokoon, jolloin muodostuu tehokas tiivistys levyjen väliin.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen levylämmönvaihdin, 35 tunnettu siitä, että hienorakenne on sijoitettu olennaisesti kohtisuoraan välike-elimiä vastaan. 9 78983

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että välike-elimissä (2), mukaan lukien niiden sivut (5a,b), on hienorakennetta (4).

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen levylämmönvaihdin, 5 tunnettu siitä, että välike-elinten (2) sivut (5a, 5b) on puristettu yhteen toisiaan vasten.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että välike-elimissä (2) on reunus-osassa (11a,b) alaspäin taitettu osa, jota ympäröi kaksin 10 kerroin taitettu reuna (23).

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että poimutuksella (24) on aallonpituus (Y) ja aallonkorkeus (y), jotka on siten mitoitettu, että ne antavat materiaalille venymän, joka vastaa ainakin 15 sitä pinnansuurenemista, joka tapahtuu poimutuksen hienorakenteen deformoituessa.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että aallonpituus (Y) on n. 10 mm ja aallonkorkeus (y) n. 2 mm.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että pinnansuureneminen hienorakenteessa on välillä 1-10 %, sopivimmin 3 %.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että hienorakenteen (4) poi- 25 munkorkeus (S) on välillä 0,1-1 mm.

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että muodostettujen kanavien (3a,3b) leveys on välillä 10-50 mm, sopivimmin 20-30 mm.

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen levylämmönvaih- 30 din, tunnettu siitä, että levyjen (la-c) ainepak- suus (t) on alle 0,1 mm.

13. Patenttivaatimuksen 1 mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että levyjen hienorakennepak-suus (T), joka määritellään levyjen deformoimattoman hie- 35 norakenteen (4) omaavien osien kokonaispaksuudeksi eli S+t, on välillä 0,1-1 mm, sopivimmin 0,5 mm. 10 78983

14. Patenttivaatimuksen 1 mukainen levylämmönvaih-din, tunnettu siitä, että kokoonpuristettujen levyjen kokonaispaksuus poimutuksessa (24) ei yleisesti ottaen ylitä hienorakennepaksuutta (T). il 78983