FI97257B - Levylämmönvaihdin - Google Patents

Description

97257

Levylämmönvaihdin Tämän keksinnön kohteena on levylämmönvaihdin, joka käsittää joukon vastakkai-5 siä levymäisiä lämmönsiirtoelementtejä lämmön siirtämiseksi lauhdutettavasta höyrystä haihdutettavaan nesteeseen, kanavat haihdutettavan nesteen ja lauhdutettavan höyryn johtamiseksi vuorotellen elementtien joka toiseen levyväliin sekä kanavan syntyneen lauhteen poistamiseksi.

Levylämmönvaihtimen lämmönsiirtoelementit ovat tavallisesti keskenään samanlai-10 siä poimutettuja metallilevyjä, jotka on sidottu suuren määrän vastakkain asetettuja levyjä käsittäväksi paketiksi. Lämpöä luovuttavan ja lämpöä vastaanottavan aineen syöttö lämmönvaihtimen levyväleihin ja poisto niistä tapahtuu kanavista, jotka nykyisissä lämmönvaihtimissa sijaitsevat lämmönsiirtolevypaketin ylä- ja alapäissä. Lämpöä luovuttavan ja lämpöä vastaanottavan aineen virtaukset levyväleissä tapah-15 tuvat tällöin keskenään vastakkaisiin suuntiin.

Metallilevyistä muodostuvia levylämmönvaihtimia käytetään mm. kemian teollisuudessa ja elintarviketeollisuudessa liuosten konsentrointiin. Elintarviketeollisuudessa niiden etuna on hygieenisyys, mikä perustuu siihen, että levyjen muotoiluissa voidaan välttää vaikeasti puhdistettavat kuolleet kulmat ja alueet. Etuna on myös se, 20 että ne kestävät korkeissa kuiva-ainepitoisuuksissa tarvittavat suuret paine-erot. Tärkeitä levylämmönvaihtimien käyttöön perustuvien haihduttimien käyttökohteita ovat esim. mehujen ja maitopohjaisten liuosten haihdutus.

Koska haihduttimesta poistuvassa, lämpöä luovuttaneen höyryn lauhteessa on jäljel-1 lä arvokasta lämpöä, on se voitu ottaa talteen esilämmittämällä haihdutukseen tule- 25 vaa nestettä erillisessä lämmönvaihtimessa.

Varsinkin alipaineessa toimivien haihduttimien toiminta edellyttää, että järjestelmästä poistetaan sinne syöttöliuoksen ja vuotojen kautta tulevat lauhtumattomat kaasut. Lauhtumattomien kaasujen mukana haihduttimesta joudutaan myös poistamaan höyryä, sillä lauhtumattomat kaasut ja höyry ovat haihduttimessa seoksena osapainei-30 densa määrittelemässä suhteessa. Myös tämän kaasu-/höyryseoksen sisältämällä lämmöllä esi lämmitetään nykyisissä ratkaisuissa haihduttimeen syötettävää liuosta erillisessä lämmönvaihtimessa. Tässä esilämmityksessä kaasut jäähtyvät ja osa höyrystä lauhtuu, jolloin seoksen paine alenee. Tämä tehostaa lauhtumattomien kaasujen poistumista haihduttimesta.

2 97257

Valuva kalvo -tyyppisessä haihdutuksessa syntyvä höyry tehostaa nesteen jakautumista ja kalvon muodostumista lämmönvaihdinpinnalle, ja höyryn aiheuttama turbulenssi parantaa lämmönsiirtokerrointa. Tämän takia on edullista, että haihdutettava neste on lämmönvaihtopinnalle tullessaan ylikuumennettua. Haihduttimen vallitse-5 vaan matalampaan paineeseen purkautuessaan neste paisuntajäähtyy, jolloin syntyy höyryä, joka tehostaa haihduttimen toimintaa. Syöttöliuoksen ylikuumennus on nykyisissä haihduttimissa tehty erillisessä lämmönsiirtimessä.

Haittapuolena erillisten lämmönvaihtimien käytössä esilämmittämiseen ja syöttö-liuoksen ylikuumentamiseen on se, että laitteistosta tulee monimutkaisempi ja kal-10 liimpi.

Tämän keksinnön tarkoituksena on muodostaa levylämmönvaihdin, jossa edellä mainittu, nykyisiin lämmönvaihtimiin liittyvä haitta on eliminoitu. Keksinnön mukaiselle levylämmönvaihtimelle on tunnusomaista se, että haihdutettavan, so. lämpöä vastaanottavan, nesteen syöttökanava läpäisee lämmönsiirtoelementit poikittais-15 suuntaisesti niiden alaosassa ja että haihdutuspuolen kuhunkin levyväliin, joihin nesteensyöttökanava avautuu, on tiivisteiden avulla rajattu keskeinen pystysuuntainen kolonni syötetyn nesteen nostamiseksi levyvälin yläpäähän, josta neste levittäytyy alaspäin valuvaksi kalvoksi elementtien vastakkaisille lämmönsiirtopinnoille.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa on aikaisemmin tunnetusta poiketen lämmön-20 vaihtimeen syötettävän haihdutettavan nesteen esilämmitys järjestetty tapahtumaan vastakkaisista levymäisistä lämmönsiirtoelementeistä muodostuvan paketin sisällä. Lämmönsiirtoelementtien läpi johdettu nesteensyöttökanava on lämmönsiirtoyhtey-dessä levypaketista poistumassa olevaan lämpöä luovuttavan aineen, so. lämmitys-höyrystä lauhtuneen nesteen virtaukseen, jolloin viimeksi mainittu luovuttaa jäljellä 25 olevan talteenotettavan lämpönsä ennen poistumistaan lämmönvaihtimesta. Myös lauhtumattomat kaasut poistetaan lauhdekanavan kautta, jolloin lämmön talteenotto kaasu-/höyryseoksesta tapahtuu tässä levyvälissä. Erillistä lämmönsiirtolevypaketin ulkopuolista esilämmitintä ei näin ollen lainkaan tarvita.

Nestettä levyväleissä ylöspäin johtavien kolonnien merkitys on edelleen siinä, että 30 niitä myöten virtaava neste ylikuumenee, koska lämpöä siirtyy siihen höyrypuolelta. Lämmönvaihtimen yläosassa neste purkautuu matalampaan paineeseen, jolloin se paisuntajäähtyy ja syntyvä höyry tehostaa nesteenjakautumista ja kalvon muodostumista sekä lisää turbulenssia ja parantaa lämmönsiirtoa.

: «H * »Id I | · rt 97257 3

Keksinnön mukainen lämmönvaihtimen lämmönsiirtolevypaketin sisällä tapahtuva esilämmitys on erityisen tehokasta, kun lämmönvaihtimen läpäisevän poikittaissuuntaisen nesteensyöttökanavan viereen on järjestetty samansuuntainen, lämmönvaihtimen läpäisevä lauhteenpoistokanava, joka on yhteydessä lauhdutuspuolen levyvälei-5 hin. Nämä vierekkäiset kanavat toimivat tällöin levypaketissa yksinkertaisena sisäänrakennettuna esilämmittimenä sisääntulevalle nesteelle.

Levylämmönvaihtimen levyväleihin syötetystä haihdutettavasta nesteestä tyypillisesti ainoastaan osa haihtuu lämmönsiirtopinnoilla osan kertyessä nesteenä lämmönvaihtimen alapäähän. Nesteitä konsentroitaessa pyritäänkin vain nesteen osittaiseen 10 haihdutukseen. Kuitenkin lämmönvaihtimeen on edullista järjestää haihtumatta jääneelle nesteelle kierrätyskanava, joka keksinnön mukaan voidaan johtaa nesteensyöttökanavan tapaan poikittaissuuntaisesti lämmönsiirtoelementtien läpi siten, että siitä avautuu yhteys haihdutuspuolen levyväleihin syötettävää nestettä varten muodostettuihin kolonneihin. Keksinnön mukainen levylämmönvaihdin voi täten käsit-15 tää kolme poikittaissuuntaista kanavaa, jotka sijaitsevat edullisesti päällekkäin levymäisten lämmönsiirtoelementtien pystyakselilla siten, että haihdutettavan nesteen syöttökanava sijaitsee alimmaisena, lauhteenpoistokanava keskimmäisenä ja haihtu-mattoman nesteen kierrätyskanava päällimmäisenä.

Keksinnön mukaisessa lämmönvaihtimessa levymäisten lämmönsiirtoelementtien 20 muoto on edullisesti kärjelleen asetettu neliö tai vinoneliö. Syötetylle haihdutettavalle nesteelle tiivisteiden avulla rajatut kolonnit voivat tällöin sijaita elementtien halkaisijalla, joka muodostaa elementtien pystyakselin. Tällä muotoilulla haihdutettava neste saadaan leviämään elementtien vinosti alaspäin viettävien poimujen kaut-. ta tasaisesti lämmönsiirtopintojen koko pinta-alalle. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Keksinnön mukaisessa lämmönvaihtimessa levyvälit voidaan jättää osittain avoimik 2 si niin, että haihdutuspuolen levyvälit ovat avoinna alaosastaan syntyneen haihde- 3 höyryn kokoojatilaan ja lauhdutuspuolen levyvälit ovat avoinna yläosastaan niiden 4 yläpuolella olevaan lauhdutettavan höyryn syöttötilaan. Tällainen järjestely, jossa 5 :· levyvälit ovat osaksi avoimia ja osaksi tiivisteiden sulkemia, on toteutettavissa hyvin 6 yksinkertaisesti edellä mainituissa neliön tai vinoneliön muotoisia lämmönsiirtoele- 7 menttejä käsittävissä lämmönvaihtimissa. Kun mainittu haihdehöyryn kokoojatila 8 yhdistetään kompressorilla varustetulla kanavalla lauhdutettavan höyryn syöttötila 9 na, mahdollistetaan haihdehöyryn käyttö lauhdutuspuolella lämmityshöyrynä niin, 10 että lopputuotteena oleva lauhde on haihdutukseen syötetystä nesteestä saatua tislet- 11 tä.

4 97257

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisemmin esimerkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää erästä keksinnön mukaista levylämmönvaihdinta, jossa vastakkaisista levymäisistä lämmönsiirtoelementeistä muodostuva levypaketti on 5 sijoitettuna lieriömäiseen säiliöön ja joka on varustettu kanavin haihtu matta jääneen nesteen kierrättämiseksi ja haihdehöyryn käyttämiseksi lauhdutuspuolella lämmityshöyrynä, kuvio 2 esittää lämmönvaihtimen yksittäistä lämmönsiirtoelementtiä nestettä haihduttavan levyvälin puolelta nähtynä ja 10 kuvio 3 esittää lämmönsiirtoelementtiä höyryä lauhduttavan levyvälin puolelta nähtynä.

Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukainen levylämmönvaihdin 1, joka käsittää joukon esim. ruostumatonta terästä olevia levymäisiä lämmönsiirtoelementtejä 2, jotka 15 on sidottu toisiinsa suuren määrän vastakkaisia levyjä käsittäväksi levypaketiksi 3, joka on sijoitettuna sylinterimäiseen säiliöön 4. Lämmönvaihdin 1 on järjestetty toimimaan tislaimena, jossa levypaketin 3 joka toiseen levyväliin johdetaan haihdutettavaa nestettä ja joka toiseen levyväliin lauhdutettavaa höyryä, joka on mainitusta nesteestä saatua haihdehöyryä, jota on välillä puristettu sen paineen ja lämpötilan 20 nostamiseksi. Tämän mukaisesti lämmönvaihdin 1 käsittää joka toiseen levyväliin johtavan haihdutettavan nesteen syöttökanavan 5, syntyneen haihdehöyryn kokooja-tilan 6, joka on säiliön 4 alaosassa, kompressorilla 7 varustetun kanavan 8 haihde-höyiyn syöttämiseksi kokoojatilasta 6 paineistettuna säiliön 4 yläosassa olevaan lauhdutettavan höyryn syöttötilaan 9 sekä levypaketin 3 joka toisesta levyvälistä 25 ulosjohtavan lauhteenpoistokanavan 10. Lisäksi lämmönvaihtimeen 1 kuuluu pumpulla 11 varustettu kierrätyskanava 12 haihtumatta jääneen nesteen kierrättämiseksi levypaketin 3 ao. levyväleihin uutta haihdutusta varten. Kärjelleen asetetun vinoneliön muotoisista lämmönsiirtoelementeistä muodostuva levypaketti 3 on sivuiltaan 13 kiinnitettynä tiiviisti säiliön 4 sisäseinämiin siten, että haihdehöyryn kokoojatila 30 6 ja lauhdutettavan höyryn syöttötila 9 ovat eristettyinä toinen toisistaan.

Kuviosta 1 nähdään, että haihdutettavan nesteen syöttökanava 5, lauhteenpoistoka-nava 10 ja haihtumatta jääneen nesteen kierrätyskanava 12 sijaitsevat päällekkäin lämmönsiirtoelementtien 2 pystyakselilla niin, että kukin kanavista kulkee poikit-taissuuntaisesti elementeistä muodostuvan levypaketin 3 alemman osan läpi. Järjes-35 telyn tarkoituksena on aikaansaada syöttökanavaa 5 myöten lämmönvaihtimeen I tulevan haihdutettavan nesteen ja kanavaa 10 myöten poistuvan lauhteen välinen 1 ia i lii» I I t « : 5 97257 lämmönsiirto siten, että haihdutettavan nesteen esiläinmitys tapahtuu levypaketin 3 sisällä.

< Lämmönvaihtimen haihdutuspuolen levyvälien rakenne käy selville piirustusten kuviosta 2. Haihdutettavan nesteen syöttökanava 5 ja kierrätyskanava 12 ovat avoi-5 mena näihin levyväleihin kun taas lauhteenpoistokanava 10 on tiivisteen 14 sulkema. Kanavaa 5 myöten sisään tulevan nesteen ja siihen kanavasta 12 liittyvän kierrätetyn nesteen ohjaamiseksi on levyväliin tiivisteiden 15 avulla muodostettu pystysuuntainen, elementin 2 pystyakselilla sijaitseva kolonni 16, joka johtaa levyvälin yläpäähän 17. Täältä haihdutettava neste levittäytyy elementeissä 2 olevien poimu-10 jen 18 ohjaamana alaspäin valuvaksi kalvoksi elementtien vastakkaisille lämmönsiir-topirmoille. Elementtien sivujen suuntaiset poimut 18 ovat levyvälin vastakkaisilla lämmönsiirtopinnoilla toisiinsa nähden ristissä (vrt. kuviot 2 ja 3). Haihdutuspuolen levyväleissä elementtien 2 ylemmät sivut on koko pituudeltaan suljettu tiivisteillä 19, kun taas elementtien alemmat sivut 20 on jätetty avoimiksi. Syntyvä haihdehöy-15 ry pääsee täten vapaasti purkautumaan säiliön 4 alaosassa olevaan kokoojatilaan 6 samalla kun nesteen ja haihdehöyryn pääsy säiliön yläosassa olevaan paineistettua höyryä sisältävään tilaan 9 on estetty.

Kuviossa 3 nähdään levypaketin lauhdutuspuolen levyväli, josta on avoin yhteys lauhteenpoistokanavaan 10 samalla kun yhteydet haihdutettavan nesteen syöttökana-20 vaan 5 ja kierrätyskanavaan 12 on suljettu tiivisteillä 21, 22. Lauhdutuspuolella kunkin levyvälin ylemmät sivut 23 on jätetty avoimiksi siten, että kompressorin puristama lauhdutettava höyry pääsee vapaasti siirtymään tilasta 9 levyväleihin, samalla kun levyvälin alemmat sivut on suljettu tiivisteillä 24 lauhteen pääsyn estämiseksi haihdehöyryn kokoojatilaan 6. 1

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön erilaiset sovellutukset eivät rajoitu edellä esimerkkinä esitettyyn vaan voivat vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (9)

1. Skivvärmeväxlare (1) omfattande ett antal motstäende skivaktiga värmeöverfö- ringselement (2) för att överföra värme frän den änga som skall kondenseras tili den vätska som skall indunstas, kanaler (5, 8, 12) för att leda vätskan som skall indunstas och ängan som skall kondenseras växelvis i vartannat skivmellanrum i elementen samt för att avlägsna det kondensat som uppkommit i kanalen (10), kännetecknad av 25 att kanalen (5) för införsel av vätska som skall indunstas passerar genom värmeöver-: föringselementen (2) transversalt vid deras nedre del, och att i varje skivmellanrum pä indunstningssidan, i vilken vätskeinförselkanalen mynnar, har med hjälp av tätningar (15) avgränsats en central vertikal kolonn (16) för att lyfta den inmatade vätskan tili övre änden (17) av skivmellanrummet, varifrän vätskan sprider sig nedät i form av ett 30 flytande membran pä elementens motstäende värmeöverförande ytor.

1. Levylämmönvaihdin (1), joka käsittää joukon vastakkaisia levymäisiä lämmön-siirtoelementtejä (2) lämmön siirtämiseksi lauhdutettavasta höyrystä haihdutettavaan nesteeseen, kanavat (5, 8, 12) haihdutettavan nesteen ja lauhdutettavan höyryn joh- 5 tamiseksi vuorotellen elementtien joka toiseen levyväliin sekä kanavan (10) syntyneen lauhteen poistamiseksi, tunnettu siitä, että haihdutettavan nesteen syöttökana-va (5) läpäisee lämmönsiirtoelementit (2) poikittaissuuntaisesti niiden alaosassa ja että haihdutuspuolen kuhunkin levyväliin, joihin nesteensyöttökanava avautuu, on tiivisteiden (15) avulla rajattu keskeinen pystysuuntainen kolonni (16) syötetyn nes-10 teen nostamiseksi levyvälin yläpäähän (17), josta neste levittäytyy alaspäin valuvaksi kalvoksi elementtien vastakkaisille lämmönsiirtopinnoille.

2. Skivvärmeväxlare enligt patentkrav 1, kännetecknad av att värmeväxlaren (1) omfattar en kanal (10) för utförsel av kondensat ansluten tili skivmellanrummen pä kondensationssidan soin passerar transversalt genom vänneöverföringselementen (2) 35 och ligger invid den transversala vätskeinförselkanalen (5).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että läm-mönvaihdin (1) käsittää lämmönsiirtoelementit (2) poikittaissuuntaisesti läpäisevän, 15 lauhdutuspuolen levyväleihin yhteydessä olevan lauhteenpoistokanavan (10), joka sijaitsee poikittaissuuntaisen nesteensyöttökanavan (5) vieressä.

3. Skivvärmeväxlare enligt patentkrav 2, kännetecknad av att kondensatutföisel-kanalen (10) ligger pä elementens (2) vertikalaxel omedelbart ovanför vätskeinförselkanalen (5). 97257 8

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että lauh-teenpoistokanava (10) sijaitsee elementtien (2) pystyakselilla välittömästi nesteen- 20 syöttökanavan (5) yläpuolella.

4. Skivvärmeväxlare enligt nägot av föregäende patentkrav, kännetecknad av att värmeväxlaren (1) omfattar en kanal (12) för att cirkulera oevaporerad vätska, soin letts transversalt genom värmeöverföringselementen (2) och som mynnar i kolonner (16) bildade i skivmellanrummen pä indunstningssidan ovanför vätskeinförselkanalen 5 (5).

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että lämmönvaihdin (1) käsittää haihtumatta jääneen nesteen kierrätyskanavan (12), joka on johdettu poikittaissuuntaisesti lämmönsiirtoelementtien (2) läpi ja joka 25 avautuu haihdutuspuolen levyväleihin muodostettuihin kolonneihin (16) nesteensyöttökanavan (5) yläpuolella.

5. Skivvärmeväxlare enligt nägot av föregäende patentkrav, kännetecknad av att värmeöverföringselementen (2) har formen av kvadrater eller romber placerade pä sin spets och att kolonnema (16) för den inmatade vätskan ligger pä elementens diameter, 10 som bildar elementens vertikalaxel.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että lämmönsiirtoelementit (2) ovat kärjelleen asetettujen neliöiden tai vinone- 30 liöiden muotoisia ja että syötetylle nesteelle muodostetut kolonnit (16) sijaitsevat elementtien halkaisijalla, joka muodostaa elementtien pystyakselin.

6. Skivvärmeväxlare enligt patentkrav 5, kännetecknad av att skivmellanrummen pä indunstningssidan slutits med tätningar (19) pä en sträcka motsvarande längden av värmeöverföringselementens (2) övre sidor och lämnats öppna mot de undre sidoma 15 (20).

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että haihdutuspuolen levyvälit on lämmönsiirtoelementtien (2) ylempien sivujen pituudelta 35 suljettu tiivistein (19) ja alempien sivujen (20) puolelta jätetty avoimiksi. ;l IH Htlll I H*· ' ! 7 97257

6 97257

7. Skivvärmeväxlare enligt patentkrav 5 eller 6, kännetecknad av att skivmellanrummen pä indunstningssidan slutits med tätningar (24) pä en sträcka motsvarande längden av värmeöverföringselementens (2) undre sidor och lämnats öppna mot de 20 övre sidoma (23).

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että lauhdutuspuolen levyvälit on lämmönsiirtoelementtien (2) alempien sivujen pituudelta suljettu tiivistein (24) ja ylempien sivujen (23) puolelta jätetty avoimiksi.

8. Skivvärmeväxlare enligt nägot av föregäende patentkrav, kännetecknad av att skivmellanrummen pä indunstningssidan vid sin nedre del (20) mynnar i kammaren (6) för uppsamling av alstrad indunstningsänga, att skivmellanrummen pä kondensa- 25 tionssidan vid sin övre del (23) mynnar i kammaren (9) för inmatning av änga som : skall kondenseras, och att nämnda kammare förbundits med en kanal (8) försedd med en kompressor (7), sä att industningsängan pä kondensationssidan kan användas som uppvärmningsänga, som kondenseras tili det distillat som erhälls som slutprodukt.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että haihdutuspuolen levyvälit ovat alaosastaan (20) avoinna syntyneen haihde-höyryn kokoojatilaan (6), että lauhdutuspuolen levyvälit ovat yläosastaan (23) avoinna lauhdutettavan höyryn syöttötilaan (9) ja että mainitut tilat on yhdistetty toisiinsa kompressorilla (7) varustetulla kanavalla (8) siten, että haihdehöyry on käytettävissä 10 lauhdutuspuolella lämmityshöyiynä, joka lauhtuu lopputuotteena saatavaksi tisleeksi.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että läm-mönsiirtoelementit (2) ovat sijoitettuina säiliöön (4), joka on jaettu alempaan haihde-höyryn kokoojatilaan (6) ja ylempään lauhdutettavan höyryn syöttötilaan (9). 15

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen levylämmönvaihdin, tunnettu siitä, että lämmönsiirtoelementit (2) ovat metallia, kuten ruostumatonta terästä.

9. Skivvärmeväxlare enligt patentkrav 8, kännetecknad av att värmeöverförings elementen (2) placerats i en behällare (4), som uppdelats i en nedre kammare (6) för uppsamling av indunstningsänga och en övre kammare (9) för inmatning av änga som skall kondenseras. 1 il , ia i iin 111 ti ; K). Skivvärmeväxlare enligt nägot av föregäende patentkrav, kännetecknad av att värmeöverföringselementen (2) är av metall, säsom rostlritt stäl.