HU195316B

HU195316B - Heat exchanger with several parallel tubes conducting first medium and ribs being on same

Info

Publication number: HU195316B
Application number: HU861962A
Authority: HU
Inventors: Roland Dietheim
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1985-05-15
Filing date: 1986-05-12
Publication date: 1988-04-28
Also published as: US4789027A; EP0201665A1; HUT41531A; DE3663589D1; CH666538A5; JPS61265498A; EP0201665B1

Description

A találmány tárgya hőcserélő, több, egymással párhuzamos első közeget vezető csövekkel, amelyek egymással párhuzamos sorokban vannak elhelyezve és hosszúk mentén elosztott, a csőtengelyre keresztirányban futó lemezből készült hullámos bordákkal vannak ellátva, amelyek a csövekkel hővezetőén vannak összekötve és a bordák között maradó térközökben második közeg áramlik.

A 23 05 056 sz. NSZK közrebocsátási iratból olyan hőcserélő ismerhető meg, amelynél a lemezbordák hullámosítva vannak és azonkívül lyukakkal vannak ellátva. A lyukak a bordák és a második közeg közötti hőátadás javítására szolgálnak, azáltal, hogy ezt a közeget örvénylő mozgásba hozzák és az a lemezbordák egyik oldaláról a másik oldalára áramlik. Bebizonyosodott azonban, hogy a hőátadásnak a javulása ebben az esetben nanyon nagy nyomásveszteségek árán valósítható csak meg.

Azonkívül az ismert hőátadóknak az előállítása a csövek áthatolási tartományában létrehozott hullámosítások miatt rendkívül nehézkes, mivel az említett tartományban a hullámosítást csak bonyolult formaszerszámokkal és több munkalépésben lehet elvégezni. A formaszerszámok előállítási költségei is nagyok.

A találmány feladata a bevezetőben ismertetett hőcserélő tökéletesítése olymódon, hogy viszonylag kis nyomásveszteség mellett ugyanolyan jó hőátadási tulajdonságai legyenek, mint az ismert megoldásoké és gyártása egyszerűbb és olcsóbb legyen.

Ezt a feladatot a találmány értelmében azáltal oldjuk meg, hogy az egyes bordák hullámosítása csak a hozzátartozó csövet körülvevő tartományon kívül található és ugyanazon esősor szomszédos csöve felé nyúlik és a hullámok áttörésmentesek. Azáltal, hogy a bordák a csövek áthatolási tartományában hullámoktól mentesek, a bordák előállítása sokkal egyszerűbb és olcsóbb, mint a mindenütt hullámosított lemezbordáké az ismert hőcserélőknél, amihez még az is hozzájárul, hogy a formaszerszám olcsóbb. További előnye annak, hogy a bordák hullámain nincsenek áttörések az, hogy a második közegnél a nyomásveszteségek sokkal kisebbek. Ez a jellemző azonkívül a második közegnél tiszta, áttekinthető áramlási képet ad, ami a találmány szerinti hőcserélőnél a fizikai folyamatok elméleti kiértékelését teszi lehetővé, úgyhogy a második közeg termodinamikai viselkedését könnyen ki lehet számítani, elleniében az ismert hőcserélőkével.

A találmány szerinti hőcserélő további előnye, hogy miután a hullámosított bordákban nincsenek lyukak, a hőcserélő szilárdsági tulajdonságai javulnak. Azonkívül kitűnt, hogy a hőcserélő hőátadási együtthatója a lyukak hiánya miatt nagyobb, mint az ismert hőcserélőké, ami arra vezethető vissza, hogy a hővezetést a bordáknál a lyukak hiánya nem zavarja. 2

Ilymódon a helyi hőtorlódások és az ebből következő hőfeszültségek elmaradnak.

A találmány egy rendkívül előnyös kivitelénél az egyes bordák hullámosított szakaszainak hullámhegyei a csövek hossztengelyére merőlegesek és valamennyi borda valamennyi hullámhegye azonos síkban fekszik.

Célszerűen mindegyik borda egyenes szakasza és hullámos szakasza különböző, egymással párhuzamos síkokban fekszik és lehajlítással van egymással összekötve. Ez rendkívül kis nyomásveszteségeket eredményez, mivel a lehajlítások következtében a bordáknak a csövekkel áthatolt tartományaiban a második közeg áramlása nem jön létre.

Célszerűen a bordák egyenes szakaszaiban gallérok vannak kialakítva, amelyek egy-egy csövet körülvesznek.

Egy további előnyös kialakítás szerint a bordák közötti térközök a csövek áthatolási tartományában töltőtestekkel vannak kitöltve, amivel ugyanaz az előny érhető el, mint a lehajlitásokkal, csak a bordák kialakítása még egyszerűbb.

Ha a hőcserélő belépő és/vagy kilépő oldalánál a csövek áthatolási tartományában áramlástechnikailag előnyösen kialakított testet helyezünk el, akkor az áramlási visszonyokat tovább javítjuk és ez különösen akkor jelentős, ha a második közeget a hőcserélő előtt vagy mögött eltereljük.

A találmányt részletesebben a rajzok alapján ismertetjük, amelyek a találmány szerinti hőcserélő példakénti kiviteli alakját tüntetik fel.

Az 1. ábra a hőcserélő egy szakaszának keresztmetszetét ábrázolja.

A 2. ábra a hőcserélő egy részének perspektivikus nézete.

A 3. ábra a hőcserélő egy másik kiviteli alakjának keresztmetszete, ugyanolyan léptékben mint az 1. ábrán.

A 4. ábrán hűtőtorony vázlatos keresztmetszete látható, amelynek alsó részében vannak elhelyezve a találmány szerinti hőcserélők.

Az 5. ábrán a 4. ábra V-V vonala mentén, a hűtőtorony egyik felén át vett metszet.

A 6. ábra az 5. ábra A részlete metszetben.

A 7. ábra a hőcserélő egy további kivitelének a bordák hullámhegyein át vett hosszmetszete.

Az 1. és 2. ábrák szerinti hőcserélő több, egyenes 2 csőből áll, amelyek több, egymással párhuzamos sorban, egymás fölött vannak elhelyezve és egy első közeget, pl. forróvizet vezetnek. A 2 csöveket a 3 bordák kötik össze és az így kialakított hőcserélőn második közeg, pl. L hűtőlevegő áramlik át a esősorok irányában. A 3 bordák lemezből készülnek és egymással párhuzamosan, a 2 csövek hossza mentén elosztottan vannak elhelyezve.

Amint a 2. ábrából látható, mindegyik 3 bordának van egy nem-hullámos 3’ szakasza és két, ehhez kívülről csatlakoztatott hullámos 3” szakasza. A 3’ szakasz a 2 csövek áthatolási

-2195316 tartományában fekszik és a hullámos 3” szakasszal egy-egy 6 lehajlítás útján van összekötve. A nem-hullámos 3' szakaszban minden egyes 2 cső számára kiperemezett 7 gallér van kialakítva, amely a hőcserélő összeépített állapotában mindenkor egy csövet fog körül és amelynek révén a borda a csővel hővezető módon, pl. hegesztéssel van összekötve.

Mindegyik 3 borda hullámos 3” szakasza úgy van kialakítva, hogy a második közeg áramlási irányában állandó W hosszúságú hullámok csatlakozzanak egymáshoz. Az 5 hullámhegyek egy egyenest képeznek, amely a

2. ábrán a 6 lehajlítás felső élétől indul ki. A hullámhegyek azonkívül a 2 csövek hossztengelyére merőlegesek. A hullámoknak az 5 hullámhegyek között fekvő 5’ hullámvölgyei ugyancsak a 6 lehajlítások felső élétől indulnak ki és egy ívalaku átmenet után az 5 hullámhegyekkel párhuzamosan futnak. A 2. ábra elülső részében a hullámos 3” szakasz mintegy fele látható. A másik, nem ábrázolt fele szimmetrikusan van kialakítva és a szomszédos esősor megfelelő lehajlításának megfelelő felső élénél végződik. Valamennyi 3 borda azonos. A hőcserélőre való felszerelés céljából— a csövekre fel lesznek huzva és annyira össze lesznek tolva, hogy a 6 lehajlítások egymást érintsék. Mivel a 6 lehajlítások magassága mindenkor azonos, két egymással szomszédos borda között, a hullámos 3” szakaszokban, mindenkor 4 térközök, a nem hullámos, sík 3’ szakaszok között pedig 4’ térközök képződnek. Két egymással szomszédos 3” szakasz között lévő hullámok közötti távolság tehát állandó.

A 3 bordákat a hullámokkal, a 6 lehajlításokkal és a 7 gallérokkal együtt egyetlen munkamenetben, sík lemezcsíkból, megfelelő formaszerszám segítségével lehet előállítani.

A hőcserélő üzemelése alatt a hűtölevegő a és 4’ térközökben, a lehűtendő forróvíz pedig erre keresztirányban a 2 csövekben áramlik. A hő a 2 csövek falain keresztül a 3 bordákba oszlik el, amelyekben felhalmozódás nélkül, egyenes vonalban szétterjed. A hullámos 3” szakaszok közötti 4 térközökben az áttörések hiánya miatt gyakorlatilag a hűtőlevegő nem örvénylik, úgyhogy ezekben a térközökben nyomásveszteségek lényegében csak a súrlódásból származnak, amely nyomásveszteségek ilymódon igen csekélyek. Az átáramló levegőnek a 3” szakaszok hullámainak bekövetkező ismétlődő irányváltozásai kis nyomásingadozásokhoz vezetnek, ami a képződő határréteg állandó megszűnéséhez vezet, ez pedig a hullámos térközökben jó hőátadást biztosít.

A sík 3’ szakaszok közötti, csövekkel áthatott 4’ térközök viszonylag kicsik és csak csekély nyomásveszteséget okoznak. A 6 lehajlítások ezeket a 4’ térközöket hatékonyan választják el a hullámos 4 térközöktől.

A 3. ábra szerinti hőcserélőnél a hűtendő melegvizet egyenes, négyszögletes keresztmetszetű 12 csövekben vezetjük, amelyek min4 denkor egy soron belül egymással érintkeznek. Ennek az elrendezésnek a következtében a sík 3’ szakaszok közötti térközökben a nyomásveszteségek még kisebbek, mint az 1. és 2. ábra szerinti kivitelnél. A 12 csövek alakja azért is előnyös, mert ilymódon hosszanti oldaluk és a szomszédos hullámos 3’ szakasz közötti távolság kisebb, mint az 1. és 2. ábrák szerinti kivitelnél, úgyhogy jobb hőátadási viszonyok adódnak. A 3. ábra szerinti hőcserélő termodinamikai előnyei kitűnnek, ha ezt az 1. ábra szerinti hőcserélővel összevetjük, mivel mindkét hőcserélő hőteljesítménye azonos és azonos léptékben vannak ábrázolva. Látható tehát, hogy a 3. ábra szerinti hőcserélő sokkal kompaktabb kivitelű.

A 4., 5. és 6. ábrákon hiperbola alakú 15 hűtőtorony látható, amelynek alsó tartományában függőleges, gyürüalakú légbeömlőnyílás és felső tartományában vízszintes, köralakú légkiömlőnyílás van. A 15 hűtőtorony légbeömlőnyílása körül delta alakban harminckét

1. és 2. ábra hőcserélő van elhelyezve. Ezeknek az 1 hőcserélőknek a 2 csöveiben pl. egy erőműből lehűtendő forró víz áramlik, úgyhogy a hűtőtoronyban belépő hfitőlevegő felmelegszik. A 6. ábra értelmében mindegyik 1 hőcserélőnek a 4’ térközök tartományában rááramló 8 test és elvezető 9 test van elhelyezve. Ezek a 16 hűtőlevegő áramlási profilját javító 8 és 9 testek határolófelületükkel a 6 lehajlításokkal egy vonalba esően vannak elhelyezve.

A 7. ábra értelmében az 1 hőcserélő függőleges sorokban elhelyezett, az első közeget vezető, egyenes 22 csövekből áll, amelyekből a 7. ábrán csak egyetlen egyet ábrázoltunk. A 22 csövek vízszintes, ugyancsak egymással párhuzamos, lemezből készült 23 bordákkal vannak ellátva..A 23 bordák 24 térközöket határoznak meg, amelyekben a rajz síkjára merőlegesen a második közeg áramlik. A 23 bordáknak van egy hullámos 23” szakasza és ennek két oldalán lévő egyenes 23’ szakasza, amelyek lehajlítás nélkül, közvetlenül egymásba mennek át. A 23” szakaszok 25 hullámhegyei ugyanabban a síkban fekszenek mint a 23’ szakaszok. A 23’ szakaszokban lévő 27 gallérok mindenkor egy 22 csövet vesznek körül és egyben meghatározzák az egymással szomszédos bordák közötti távolságot. Az egyenes 23’ szakaszok és közvetlenül ehhez csatlakozó térközök egy része közötti térközök, nevezetesen a síkból a hullámos szakaszba való átmeneti tartományok, 26 töltőtestekkel vannak kitöltve. Ezek a töltőtestek a rajz síkjára merőlegesen a hőcserélő teljes mélysége mentén végigfutnak. Különböző anyagokból, úgymint gumiból, műanyagból, epoxiból, aluminiumöntvénybői készülhetnek és mindegyik esősor egy vagy több tagból állhat.

A 7. ábrán ábrázolt megoldásoknak a következő előnyei vannak:

— Előállítása egyszerűbb.

— A második közeg a 22 csövek által áthatolt térközökből tökéletesen távoltartható, ugyanígy távoltartható a hullámos szakaszok3

-3195316 •γ· ba való keskeny átmeneti tartományokból, ahol a hőátadás számára még viszonylag kevés hullámos felület van. A 23 bordák és a második közeg közötti hőcsere ilymódon kizárólag az áramlástechnikailag előnyös hullámos tartományban jön létre.

— A 26 töltőtestek egyszerű módon növelik a hőcserélő szilárdságát úgy, hogy a 22 csövek és a 27 gallérok közötti szilárd kapcsolat elmaradhat.

— További előny, hogy a fent leirt áramláskép a korrózió veszélyének csökkentéséhez is nagymértékben hozzájárul.

A 7. ábra szerinti hőcserélőnél is előnyösen lehet alkalmazni a 6. ábra szerinti áramlást elősegítő 8 és 9 testeket.

Az ismertetett kiviteli példáktól eltérően a bordák közötti távolság pl. az egyes bordák magassági helyzetével is variálható és a borda-hosszaknak nem kell okvetlenül állandónak lenniök. Az átmenetet a sík szakaszból a hullámos szakaszba is ki lehet alakítani másképpen, pl. úgy, hogy a hullámos szakaszokat a lehajlításokhoz hegesztjük, vagy odaragasztjuk. A lehajlításoknak nem kell okvetlenül síknak lenni vagy függőlegesen futni. A csövek vízszintes vagy ferdén is futhatnak és nem kell okvetlenül egyenesnek lenniök. A bordáknak a csövek áthatolási tartományában nem kell okvetlenül síknak lenniök és a csövek hossztengelye a bordákhoz képest döntött lehet. A csövek hossztengelyére keresztirányú metszetben a négyszögletestől eltérő mátrixot is lehet alkalmazni. A csövek a kör vagy négyszögletes keresztmetszettől eltérő pl. ovális keresztinetszetűek is lehetnek, vagy a keresztmetszet a csövek hossztengelye mentén változó is lehet. Szilárdsági és hőtechnikai szempontból rendkívül jó érintkezés miatt ugyanazon hőcserélőn belül lehet különböző falvastagságú csöveket és/vagy bordákat alkalmazni. Adott esetben a 7 és 27 gallérokat egymással tömítetten pl. forrasztással lehet összekötni úgy, hogy ezek maguk képezzék a csöveket.

Claims

SZABADALMI IGÉGYPONTOK

1. Hőcserélő, több, egymással párhuzamos, első közeget vezető csövekkel, amelyek egy6 mással párhuzamos sorokban vannak elhelyezve és hosszúk mentén elosztott, a csőtengelyre keresztirányban futó lemezből készült hullámos bordákkal vannak ellátva, amelyek

5 a csövekkel hővezetőén vannak összekötve és a bordák között maradó térközökben második közeg áramlik, azzal jellemezve, hogy az egyes bordák (3, 23) hullámosítása a hozzátartozó csövet (2, 22) körülvevő térközön (4*) kívül

10 esik és ugyanazon^-esősor szomszédos csöve felé nyúlik és a hullámok áttörésmentesek.
2. Az 1. igénypont szerinti hőcserélő, azzal jellemezve, hogy mindegyik borda (3, 23) hullámos szakaszának (3”, 23”) hullámhegyei

15 (5, 25) a csövek (2, 22) hossztengelyére merőleges és valamennyi borda (3, 23) hullámhegye (5, 25) azonos síkban fekszik.
3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti hőcserélő, azzal jellemezve, hogy a bordáknak (3,

20 23) 3 csövekkel (2, 22) áthatott térköze (4’) sík és a csövek (2, 22) hossztengelyére merőlegesen helyezkedik el.
4. Az 1,-3. igénypontok bármelyike szerinti ²⁵ hőcserélő, azzal jellemezve, hogy valamennyi borda (3, 23) hullámainak hullámhossza (W) állandó.
5. A 3. vagy 4. igénypontok szerinti hőcserélő, azzal jellemezve, hogy valamennyi borda

30 (3) sík szakasza (3’) és hullámos szakasza (3”) különböző, egymással párhuzamos síkokban fekszik és lehajlítások (6) útján van egymással összekötve.
6. A 3.-5. igénypontok bármelyike szerinti

35 hőcserélő, azzal jellemezve, hogy a bordák (3, 23) sík szakaszaiban (3’, 23’) egy-egy csövet (2, 22) körülvevő gallérok (7, 27) vannak kialakitva.
7. Az 1.-6. igénypontok bármelyike szerinti ⁴θ hőcserélő, azzal jellemezve, hogy a bordák (23) közötti térközök (24) a csövek (22) áthatolási térközében (24) töltőtestekkel (26) vannak kitöltve.
8. Az 1.-7. igénypontok bármelyike szerinti

45 hőcserélő, azzal jellemezve, hogy a hőcserélő ráömlő és leömlő oldalánál a csövek (22) áthatolási térközében (4’) áramlástechnikailag előnyösen profilozott test (8,9) van elhelyezve.