FI84659B

FI84659B - VAERMEVAEXLARE.

Info

Publication number: FI84659B
Application number: FI895996A
Authority: FI
Inventors: Mauri Eino Olavi Kontu
Original assignee: Mauri Eino Olavi Kontu
Priority date: 1989-12-14
Filing date: 1989-12-14
Publication date: 1991-09-13
Also published as: WO1991009262A1; FI84659C; FI895996A; FI895996A0; EP0505420A1; AU6960191A

Description

1 84659 Lämmönsiirrin1 84659 Heat exchanger

Keksintö koskee lämmönsiirrintä, joka käsittää useita toisiinsa tiiviisti liitettyjä oleellisesti pyörei-5 tä, virtausrei'illä varustettuja levykomponentteja, jotka muodostavat ainakin yhden lämxnönsiirtoyksikön; levykom-ponenttien väliset välitilat lämmönsiirtimen ensiö- ja toisiovirtauksia varten; sisään- ja ulostulot ensiö- ja toisiovirtauksille; lämmönsiirtimen päissä olevat pääty-10 levyt, joiden kautta ainakin osa mainituista sisääntuloista on järjestetty.The invention relates to a heat exchanger comprising a plurality of tightly connected, substantially circular, perforated plate components forming at least one heat transfer unit; the spaces between the plate components for the primary and secondary flows of the heat exchanger; inputs and outputs for primary and secondary flows; end-10 plates at the ends of the heat exchanger through which at least some of said inlets are arranged.

Lämmönsiirtimellä siirretään energiaa väliaineesta toiseen. Yleisin lämmönsiirrin on ns. rekuperaattori, jossa lämmönsiirtopintojen läpi siirretään lämpöä väliainees-15 ta toiseen (neste/neste, neste/kaasu, kaasu/kaasu). Keksintö kohdistuu juuri tämän tyyppiseen lämmönsiirtimeen. Tässä lämmönsiirtimessä ensiöpuolen ja toisiopuolen olosuhteet (paine, lämpötila jne.) voivat olla toisistaan riippumattomia edellyttäen, että lämpöpinnat kestävät ko. 20 olosuhteet.The heat exchanger transfers energy from one medium to another. The most common heat exchanger is the so-called a recuperator in which heat is transferred from one medium to another (liquid / liquid, liquid / gas, gas / gas) through the heat transfer surfaces. The invention relates to this type of heat exchanger. In this heat exchanger the primary side and the secondary side conditions (pressure, temperature, etc.) may be independent of one another, provided that the heat resistant surfaces in question. 20 conditions.

Rekuperaattorit jaetaan kahteen yleisesti tunnettuun perustyyppiin, nimittäin putkisiirtimiin ja levyläm-mönsiirtimiin.Recuperators are divided into two commonly known basic types, namely tube heat exchangers and plate heat exchangers.

Putkisiirtimessä lämmönsiirtopintoina käytetään 25 putkia, joissa toinen virtausaine on putkien sisäpuolella ja toinen virtausaine kulkee putkien ulkopuolella, putkia ympäröivän vaipan sisäpuolella. Putkisiirtimen etuina ovat yksinkertainen rakenne, hyvä paineen ja lämpötilan kestävyys sekä mahdollisuus käyttää valmistuksessa standardi-30 osia. Haittapuolina ovat vastaavasti putken huonot lämmön siirto-ominaisuudet, jolloin riittävän lämpötehon aikaansaamiseksi tarvitaan paljon putkia, jolloin laitteesta tulee kallis ja suurikokoinen. Lisäksi standardiputket ovat paksuseinäisiä, jolloin laitteesta tulee painava.In the tube exchanger, 25 tubes are used as heat transfer surfaces, where one fluid is inside the tubes and the other fluid passes outside the tubes, inside the jacket surrounding the tubes. The advantages of the pipe conveyor are a simple structure, good pressure and temperature resistance, and the possibility to use standard-30 parts in the manufacture. Correspondingly, the disadvantages are the poor heat transfer properties of the pipe, in which case a large number of pipes are needed to obtain sufficient thermal power, whereby the device becomes expensive and large in size. In addition, the standard tubes are thick-walled, making the device heavy.

35 Levylämmönsiirtimessä lämmönsiirtopintoina ei käy- 2 84659 tetä putkia vaan ohutseinäisiä (0,4-1,0 mm) aallotettuja levyjä, jotka ovat yleensä suorakulmaisia. Levyt on yhdistetty tiiviisti toisiinsa kumitiivisteiden välityksellä ja niiden ylä- ja alapäässä on yhdereiät sekä ensiö- että 5 toisiovirtaukselle. Ensiö- ja toisiovirtaukset pääsevät virtaamaan levyjen välissä kumitiivisteiden ohjaamina toisiinsa sekoittumatta. Levyt on puristettu kahden pääty-levyn väliin erillisillä kiristyslaitteilla. Päätylevyjen paksuus on yleisesti 20-40 mm.35 In a plate heat exchanger, 2 84659 pipes are used as heat transfer surfaces, but thin-walled (0.4-1.0 mm) corrugated plates, which are generally rectangular. The plates are tightly connected to each other by means of rubber seals and at their upper and lower ends there are single holes for both primary and secondary flow. Primary and secondary flows are allowed to flow between the plates under the control of rubber seals without mixing. The plates are pressed between two end plates with separate tightening devices. The thickness of the end plates is generally 20-40 mm.

10 Levylämmönsiirtimen etuna on ensinnäkin yleensä vähintään kaksinkertaiset lämmönsiirto-ominaisuudet put-kisiirtimeen verrattuna. Hyvät lämmönsiirto-ominaisuudet on aikaansaatu sillä, että kapeassa raossa on huomattavasti enemmän lämmönsiirtopintaa kuin vastaavan poikkipinnan 15 omaavassa putkessa. Lisäksi levyn aallotus tai poimutus saa aikaan pyörteilevän virtauksen, jolloin lämmönsiirto on tehokkaampaa verrattuna putkisiirtimen tasaiseen virtaukseen. Lisäksi levylämmönsiirrin on putkisiirtimeen verrattuna kevyt ja pienikokoinen.First, the advantage of a plate heat exchanger is generally at least twice the heat transfer characteristics of a tube heat exchanger. Good heat transfer properties are achieved by the fact that the narrow gap has considerably more heat transfer surface than a pipe having a corresponding cross-sectional surface 15. In addition, the corrugation or corrugation of the plate results in a swirling flow, making heat transfer more efficient compared to the steady flow of the tube converter. In addition, the plate heat exchanger is light and compact compared to a tube exchanger.

20 Vastaavasti levylämmönsiirtimellä on myös seuraavia huonoja ominaisuuksia. Koska levyjen ylä- ja alapäässä on yhteensä ainakin neljä yhdereikää, menetetään runsaasti hyvää ja kallista lämmönsiirtopintaa. Keskimäärin yhde-reikien ottama pinta-ala on 20-30 % koko levyn pinnasta. 25 Kumitiivisteiden johdosta levylämmönsiirtimen käyttöikä on lyhyt, koska kumi vanhenee nopeasti ulkoilman vaikutuksesta ja menettää samalla kimmoisuutensa, jolloin lämmön-siirrin menettää paineenkestävyytensä eli alkaa vuotaa. Lisäksi suorat päätylevyt ovat erittäin paksuja, jolloin 30 laitteesta tulee raskas etenkin jos käyttöpaine on korkea tai levyn koko on suuri.20 Similarly, a plate heat exchanger also has the following disadvantages. Since there are at least four single holes in the upper and lower ends of the plates in total, a large amount of good and expensive heat transfer surface is lost. On average, the area taken up by one of the holes is 20-30% of the total surface of the plate. 25 Due to the rubber seals, the service life of the plate heat exchanger is short, because the rubber ages rapidly under the influence of outdoor air and at the same time loses its elasticity, whereby the heat exchanger loses its pressure resistance, ie starts to leak. In addition, the straight end plates are very thick, making the device heavy, especially if the operating pressure is high or the plate size is large.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada kokonaan uusi lämmönsiirrin, jossa ei ole putkisiirtimen eikä levylämmönsiirtimen huonoja ominaisuuksia. Tä-35 hän tavoitteeseen päästään keksinnön mukaisella lämmön- 3 84659 siirtimellä, jolle on tunnusomaista, että kukin levykom-ponentti on aallotettu ja niissä kussakin on ainoastaan kaksi virtausreikää, jotka toimivat ensiövirtauksen yhde-reikinä ja muodostavat yksikköön pelkästään kaksi yksikön 5 pituussuuntaista ensiövirtauksen virtauskanavaa, joiden sisään- ja ulostulo on järjestetty päätylevyjen kautta; yksikön levykomponenttien joka toinen välitila on suljettu, jolloin nämä välitilat muodostavat ensiövirtauksen poikittaiset virtauskanavat; että edellä mainittujen vä-10 litilojen viereiset välitilat ovat avoimia ensiövirtauksen pituussuuntaiset kanavat osaksi muodostavien yhdeosien ulkopuolella; ja yksikkö on ympäröity oleellisesti lieriömäisellä vaipalla, jossa on toisiovirtauksen sisääntulo ja ulostulo, jolloin mainitut avoimet välitilat ja yksikön ja 15 vaipan välinen tila muodostavat virtaustilan toisiovir-taukselle.The object of the present invention is to provide a completely new heat exchanger which does not have the poor properties of a tube heat exchanger or a plate heat exchanger. This object is achieved by a heat exchanger according to the invention, which is characterized in that each plate component is corrugated and each has only two flow holes which act as primary holes in the primary flow and form only two longitudinal primary flows in the unit. having inlets and outlets arranged through end plates; every other intermediate space of the plate components of the unit is closed, these intermediate spaces forming the transverse flow channels of the primary flow; that the intermediate spaces adjacent to the aforementioned spaces are open outside the connecting portions forming part of the primary flow longitudinal channels; and the unit is surrounded by a substantially cylindrical jacket having a secondary flow inlet and outlet, said open spaces and the space between the unit and the jacket forming a flow space for the secondary flow.

Keksinnön mukainen ratkaisu perustuu ajatukseen korvata putkisiirtimen putkistot yksinkertaistetulla ja uudella tavalla muotoillulla levylämmönsiirtimellä, jol-20 loin on saatu yhdistetyksi levylämmönsiirtimen hyvät lämpötekniset ominaisuudet ja putkisiirtimen yksinkertaisuus. Lämmönsiirtoyksikön levykomponenttien yhdereiät vähenevät puoleen, sillä niitä tarvitaan ainoastaan kaksi kussakin komponentissa; näin lämmönsiirtopinta-ala kasvaa myös le-25 vylämmönsiirtimeen verrattuna. Myös päätylevyjen ohentaminen on mahdollista, sillä voidaan käyttää putkisiirtimen päätelevyjä.The solution according to the invention is based on the idea of replacing the piping of the tube exchanger with a simplified and redesigned plate heat exchanger, whereby the good thermal technical properties of the plate heat exchanger and the simplicity of the tube exchanger have been combined. The single holes in the plate components of the heat transfer unit are halved, as only two of them are needed in each component; thus, the heat transfer surface area also increases compared to the le-25 heat exchanger. It is also possible to thin the end plates, as the end plates of the pipe conveyor can be used.

Lämmönsiirron tehostamiseksi edelleen, on mahdollista, että vaipan ja lämmönsiirtoyksikön väliseen oleel-30 lisesti rengasmaiseen tilaan on sovitettu oleellisesti lämmönsiirtimen pituussuuntaisia virtauksenohjauslevyjä toisiovirtauksen ohjaamiseksi.To further enhance the heat transfer, it is possible that substantially longitudinal flow control plates of the heat exchanger are arranged in the substantially annular space between the jacket and the heat transfer unit to control the secondary flow.

Edullisimmin levykomponentit on liitetty toisiinsa hitsaamalla, jolloin hitsisaumat muodostavat tarvittavan 35 tiivistyksen ja rajaavat levykomponenttien kanssa ensiö- 4 84659 virtauksen virtauskanavat. Näin lämmönsiirtimestä saadaan sekä paineen että lämpötilankeston suhteen erittäin pitkäikäinen ja toimintavarma rakenne.Most preferably, the plate components are joined together by welding, whereby the weld seams form the necessary seal 35 and delimit the flow channels of the primary flow with the plate components. In this way, the heat exchanger has a very long-lasting and reliable construction in terms of both pressure and temperature resistance.

Seuraavassa keksintöä selitetään lähemmin eräiden 5 edullisten esimerkkitoteutusten avulla viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön mukaista lämmönsiirrintä kaaviomaisesti pitkittäisenä poikkileikkauksena, kuvio 2 kuvion 1 mukaista laitetta leikattuna ja 10 päädyn suunnasta nähtynä, kuviot 3a-3d kuvioiden 1 ja 2 mukaisen lämmönsiir-timen levykomponenttien liittämistapoja, ja kuvio 4 erästä keksinnön mukaista levylämmönsiir-timen toista toteutusta.In the following, the invention will be described in more detail by means of some preferred exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings, in which Fig. 1 shows a heat exchanger according to the invention in schematic longitudinal section, Fig. 2 a section of the device according to Fig. 1 and and Fig. 4 shows another embodiment of a plate heat exchanger according to the invention.

15 Kuvioissa 1-3 kuvattu lämmönsiirrin käsittää toi siinsa tiiviisti liitetyistä levykomponenteista la muodostetun lämmönsiirtoyksikön 1, tätä ympäröivän vaipan 2 ja vaipan 2 päädyt sulkevat päätylevyt 3.The heat exchanger illustrated in Figures 1 to 3 comprises a heat transfer unit 1 formed of tightly connected plate components 1a, the end plates 3 enclosing the ends of the jacket 2 and the jacket 2 enclosing it.

Levykomponentit la, jotka ovat edullisimmin vals-20 sattua 0,3-0,7 mm:n vahvuista ohutlevyä, toimivat lämmön-siirtimen lämmönsiirtopintoina ja ne ovat muodoltaan aal-lotettuja tai poimutettuja ja oleellisesti pyöreitä. Kussakin levykomponentissa la on kaksi yhdereikää 4 ja 5 en-siövirtausta varten. Yhdereiät 4 ja 5 muodostavat kaksi 25 lämmönsiirtimen ja vastaavasti lämmönsiirtoyksikön 1 pituussuuntaista virtauskanavaa 6 ja 7 ensiövirtaukselle. Ensimmäinen kanava 6 toimii tällöin sisäänvirtauskanavana ja toinen kanava 7 ulosvirtauskanavana. Ensiövirtaukselle on järjestetty sisääntulo 8 ja ulostulo 9 toiseen pääty-30 levyyn 3. Lämmönsiirtoyksikön 1 joka toiseen levyväliin on muodostettu lämmönsiirtimen suhteen poikittaiset ensiö-virtauksen virtauskanavat 10, jotka ovat yhteydessä ainoastaan pituussuuntaisiin virtauskanaviin 6 ja 7. Edellä mainittujen levyvälien viereiset avoimet levyvälit muodos-35 tavat puolestaan poikittaiset virtauskanavat 11 toisiovir- 5 84659 taukselle, jolle on järjestetty sisääntulo 12 ja ulostulo 13 vaippaan 2.The plate components 1a, which are most preferably a 0.3-0.7 mm thick sheet of Vals-20, act as heat transfer surfaces for the heat exchanger and are corrugated or corrugated in shape and substantially round. Each plate component 1a has two connecting holes 4 and 5 for primary flow. The joint holes 4 and 5 form two longitudinal flow channels 6 and 7 of the heat exchanger and the heat transfer unit 1, respectively, for the primary flow. The first channel 6 then acts as an inflow channel and the second channel 7 as an outflow channel. An inlet 8 and an outlet 9 are arranged for the primary flow in the second end plate 30 3. Every second plate gap of the heat transfer unit 1 is formed with primary heat flow channels 10 transverse to the heat exchanger, which communicate only with the longitudinal flow channels 6 and 7. in turn, provide transverse flow channels 11 to the secondary flow background, on which an inlet 12 and an outlet 13 are arranged in the jacket 2.

Vaipan 2 poikkileikkaus (kuvio 2) vastaa levykom-ponenttien la muotoa, ts. vaipan muoto on oleellisesti 5 lieriömäinen. Vaipan 2 ja lämmönsiirtoyksikön välissä on rengasmainen tila 14, johon on edullisesti sovitettu pääasiassa lämmönsiirtimen pituussuuntaisia virtauksenohjaus-levyjä 15 toisiovirtauksen ohjaamiseksi. Toisiovirtaus ohjataan siis virtauksenohjauslevyjen 15 avulla poikittai-10 sesti lämmönsiirtoyksikön 1 läpi.The cross-section of the sheath 2 (Fig. 2) corresponds to the shape of the plate components 1a, i.e. the shape of the sheath is substantially cylindrical. There is an annular space 14 between the jacket 2 and the heat transfer unit, in which the longitudinal flow control plates 15 of the heat exchanger are preferably arranged to control the secondary flow. The secondary flow is thus guided transversely through the heat transfer unit 1 by means of flow control plates 15.

Levykomponentit la on liitetty toisiinsa edullisimmin hitsaamalla (ks. kuviot 3a ja 3b). Liittäminen on tehty avoimeksi jätettävien levyvälien, ts. toisiovirtauksen virtauskanavien 11 kohdalla yhdereikien 4 ja 5 ympäriltä. 15 Näitä hitsisaumoja on merkitty viitenumeroilla 16 ja 17. Ne levykomponentit la, joiden välissä taas ensiövirtauksen poikittaiset virtauskanavat 10 sijaitsevat, on puolestaan hitsattu toisiinsa hitsisaumalla 18, joka sijaitsee lähellä levykomponenttien la reunoja. Hitsisaumat 16-18 on teh-20 ty tällöin sellaisiksi, että ne muodostavat myös tarvittavan tiivistyksen. Hitsisaumat 16-18 rajaavat samalla myös levykomponenttien la kanssa ensiövirtauksen virtauskanavat 6, 7 ja 10.The plate components 1a are most preferably connected to each other by welding (see Figures 3a and 3b). The connection is made at the plate gaps left open, i.e. at the secondary flow channels 11 around the single holes 4 and 5. These welds are denoted by reference numerals 16 and 17. The plate components 1a, between which the transverse flow channels 10 of the primary flow are located, are in turn welded to each other by a weld 18 located close to the edges of the plate components 1a. The weld seams 16-18 are then made in such a way that they also form the necessary seal. At the same time, the weld seams 16-18 also delimit the primary flow flow channels 6, 7 and 10 together with the plate components 1a.

Hitsisaumat 16-18 voidaan korvata myös kumitiivis-25 teillä, jolloin on edullisinta käyttää kuvioiden 3c ja 3d mukaisia kaksoistiivisteitä 19-21, joilla taataan, etteivät ensiö- ja toisiovirtaukset pääse missään tilanteessa sekoittumaan keskenään. Mikäli vuotovirtausta tapahtuu, se kulkeutuu kaksoistiivisteiden 19-21 välissä, levykomponen-30 teissä la olevien reikien 22 ja 23 kautta seuraavaan levy-väliin ja edelleen päätylevyssä olevan reiän (ei esitetty) kautta ulos lämmönsiirtimestä.The weld seams 16-18 can also be replaced by rubber seals, in which case it is most advantageous to use double seals 19-21 according to Figures 3c and 3d, which ensure that the primary and secondary flows do not mix with each other under any circumstances. If a leakage flow occurs, it passes between the double seals 19-21, through the holes 22 and 23 in the plate component-30s to the next plate gap and further through a hole (not shown) in the end plate out of the heat exchanger.

Kuvioissa 4 on esitetty keksinnön mukaisen lämmönsiirtimen toteutusmuoto, jossa yhteisen vaipan 2' sisälle 35 on sovitettu kaksi toisiinsa liitettyä lämmönsiirtoyksik- 6 84659 köä 1' ja 1", joiden kuminankin sisällä kulkee itsenäiset, toisistaan eristetyt virtaukset. Vaipan 2' sisällä ja läm-mönsiirtoyksiköiden 1' ja 1” läpi kulkeva lämmitys voi esimerkiksi lämmittää edellä mainittua kahta lämmönsiirto-5 yksiköissä virtaavaa virtausta. Vaipan 2' sisällä kulkevaa virtausta voidaan ohjata välilevyillä 15'.Figures 4 show an embodiment of a heat exchanger according to the invention, in which two interconnected heat transfer units 1 'and 1 "are arranged inside the common jacket 2', both of which have independent, mutually isolated flows inside the jacket. Inside the jacket 2 'and the heat transfer units The heating through 1 'and 1 "can, for example, heat the above-mentioned two flows flowing in the heat transfer units 5. The flow inside the jacket 2' can be controlled by spacers 15 '.

Keksintöä on edellä selostettu vain muutaman edullisen esimerkkirakenteen valossa. Yksityiskohdiltaan keksinnön mukainen lämmönsiirrin voi kuitenkin vaihdella 10 oheisten patenttivaatimusten rajoissa. Esimerkiksi materiaalien suhteen voidaan todeta, että levykomponentit ja vaippa voidaan tehdä kummatkin samasta tai eri materiaalista. Esimerkiksi vaippa voidaan tehdä muovista ja levy-komponentit metallista tai esim. vaippa ja levykomponentit 15 kumpikin muovista. Näillä ratkaisuilla voidaan oleellisesti säätää kokonaispainoa.The invention has been described above in light of only a few preferred exemplary structures. However, the details of the heat exchanger according to the invention may vary within the limits of the appended claims. For example, with respect to materials, it can be said that the sheet components and the sheath can both be made of the same or different materials. For example, the sheath can be made of plastic and the plate components of metal or e.g. the sheath and the plate components 15 can each be made of plastic. With these solutions, the total weight can be substantially adjusted.

Claims

7 84659

A heat exchanger comprising - a plurality of tightly connected substantially circular plate components (1a) with flow holes (4, 5) forming at least one heat transfer unit (1; 1 '; 1 "), - intermediate spaces (10, 11) between plate components (1a) for primary and secondary flows of the heat exchanger, 10. inlets and outlets (8, 9, 12, 13) for primary and secondary flows, - end plates (3) at the ends of the heat exchanger, through which at least a part of said inlets (8, 9, 12, 13) is provided, characterized in that - each plate component (1a) is corrugated and each has only two flow holes (4, 5) which act as one hole of the primary flow and form a unit ( 1; 1 '; 1 ") only two longitudinal primary flow channels (6, 7) of the unit, the inlet and outlet of which are arranged via end plates (3), - the plate components (la) of the unit (1; 1'; 1") ) jo and the second intermediate space (10) is closed, these intermediate spaces (10) forming transverse flow channels (10) of the primary flow, - that the intermediate spaces (11) adjacent to the above-mentioned intermediate spaces (10) are open parts (16-) forming part of the primary flow longitudinal channels. 18, 19-21), and the 30th unit (1; 1 '; 1 ") is surrounded by a substantially cylindrical jacket (2; 2 ') having a secondary flow inlet (12) and an outlet (13), said open spaces (11) and the space between the unit and the jacket forming a flow space for the secondary flow. 35 β 84659

Heat exchanger according to Claim 1, characterized in that substantially longitudinal flow control plates (15) of the heat exchanger are arranged in the substantially annular space (14) between the jacket (2) and the heat transfer unit (1) to control the secondary flow.

Heat exchanger according to Claim 1 or 2, characterized in that the plate components (1a) are connected to one another by welding, the weld seams (16-108) forming the necessary seal and delimiting the primary flow channels (6, 7, 10) with the plate components (1a). ).

Heat exchanger according to Claim 1 or 2, characterized in that the plate components (1a) are connected to one another by means of rubber seals (19-21) which, together with the plate components (1a), delimit the primary flow channels (6, 7, 10).

Heat exchanger according to Claim 4, characterized in that the rubber seals (19-21) are double seals, the plate components (1a) being provided with channel-forming holes (22, 23) leading out of the heat exchanger between the sealing halves. 9 84659