NO163346B - Varmeveksler. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en varmeveksler for gjennomstrømning av to medier og varmeveksling via varmevekslende flater slik at mediene ikke direkte berører hverandre, idet varmeflåtene er anordnet rotasjonssymmetrisk i forhold til en aksel og idet medienes hovedstrømningsretning er parallell med nevnte aksel og varmeflatene er anordnet i et ringformet område om nevnte aksel slik at der dannes et sentralt hulrom rundt sentrumaksen uten varmevekslingsflater, idet varmevekslingsflåtene består av parvis til lameller sammensatte, plane, foldede plater.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å redusere byggehøyden og redusere materialtilgangen ved uforandret størrelse av varmevekslingsflåtene. Ved anvendelse av oppfinnelsen som inndamper oppnås dessuten en reduksjon av bygge-høyden ved at det vanligvis ovenpå varmevekslerenheten anordnede ekspansjonskammer kan anordnes sentralt i inndamperen (varmeveksleren),

Denne hensikt oppnås ved en varmeveksler av den innled-ningsvis nevnte art som er kjennetegnet ved det som fremgår av kravene. Hermed oppnås dessuten den fordel at det bare fremkommer en meget beskjeden økning av diamteren (f.eks. 10-20%) .

Ved en spesiell utførelsesform som omfatter de i krav 2 angitte trekk oppnår man videre den mulighet at konstruksjonen kan motstå høyere indre trykk uten at materialtykkelsen derved økes. Videre forbedres opprettholdelsen av væskefilmen langs varmevekslingsflåtene, idet rennende væske til stadighet blir underkastet retningsforandringer under renning nedover, slik at der dannes stråler og dråper som fukter underliggende flater ved at væsken treffer disse.

De i krav 2 angitte trekk medfører dessuten at man oppnår en konstruksjon som uten spesielle forholdsregler, f.eks. belger eller tilsvarende, kan motstå høye strekk- og trykkspen-ninger som kan oppstå pga. store temperaturforskjeller.

Et tidligere kjent problem som består i at der dannes horisontale fuger av korroderende væske, vil man få eliminert ved å utstyre varmeveksleren i henhold til oppfinnelsen med sammenføyningskanaler som angitt i krav 3.

I det følgende vil noen utførelsesformer av oppfinnelsen bli beskrevet under henvisning til de vedføyde tegningsfigu-rer . Fig. 1 viser et prinsipielt lengdesnitt gjennom en varmeveksler ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 er et prinsipielt tverrsnitt.

Fig. 3 viser et lengderiss av en lamell sammensatt av

to plater.

Fig. 4 viser den øvre ende av en lamell sett mot plate-flaten. Fig. 5 er et snitt sett i retning for pilen c-c på fig. 5. Fig. 6 er et riss sett i retning for pilen d-d på fig. 4-Fig. 7 er et riss sett i retning for pilen a-a på fig. 4.

Fig. 8 viser et snitt etter linjen b-b på fig. 4.

Fig. 9 er et lengdesnitt gjennom en varmeveksler ifølge oppfinnelsen benyttet som inndamper. Fig. 1 viser en varmeveksler 1 hvor de to medier er væsker. Apparatet er helsveiset, men kan eventuelt utformes med passende flenstilslutninger dersom man ønsker enkel demon-tering for inspeksjon og rengjøring.

Varmeflaten er ringformet, se fig. 2, og består av et anfall radialt anordnede lamellelementer 2 hvor hvert og ett består av to pregede plater 3, 4 sammensveiset langs langsidene.

Varmeveksleren er rotasjonssymmetrisk og består av en yttermantel 5, en med tak forsynt innermantel 6 mellom inner-og yttermantelen anordnede lamellelementer 2, innløpskanal 7 til det indre av innermantelen 6, utløpskanal 8 derfra, inn-løpsstuss 9 til mellomrommet mellom mantlene 5 og 6 samt ut-løpsstuss 10 derfra. Med henvisningstall 13 er der angitt et fordelingskammer for mediet utenfor lamellene og med 14 er der betegnet et samlingskammer for mediet utvendig i forhold til lamellene. Med 15 er der betegnet et samlingskammer for mediet innvendig i forhold til lamellene. De heltrukne piler viser den vei det ene mediet (f.eks. det varmeavgivende som er anordnet innvendig i forhold til lamellene) tar gjennom varmeveksleren og de strekpunkterte piler banen for det annet medium utvendig i forhold til lamellene. Lamellelementene 2 er nærmere vist ved en utførelsesform på. fig. 7 og 8, idet hver lamell består av to parallelt bukkede plater 3 og 4 som er sammensveiset langs de med buktningene parallelle kanter 11, 12. En gjennomstrømningskanal mellom platene parallelt med kantene blir således dannet gjennom lamellene. Slik det fremgår av fig. 7 og 8, øker viklingenes høyde hl, h2, h3 fra varmevekslerens indre og utover slik at motstående lameller ligger mot hverandre i viklingenes toppunkter, slik at lamellene 2 støter mot hverandre.

Fig. 3 viser et lendgesnitt gjennom en lamell på tvers

av planet for platene 3 og 4. Platene er bukket ved 16 og 17, slik at de kan forlenges og forkortes i varmevekslerens lengde-retning .

Derigjennom vil man redusere eller helt eliminere kon-struksjonspåvirkninger som kan oppstå i apparater hvor tempera-turforskjellen mellom mediene er stor eller der kraftige mo-mentane svingninger i temperatur og væske forekommer. Elementene blir "forspent". Forspente varmevekslerrør har forekommet på markedet i et antall år.

Lamellene kan preges i en presse i valgfri bredde og lengde. Fig. 7 og 8 viser en type preging av lamellene samt utformningen av endetilslutningsringene. Fig. 1 viser at lamellene er skrått avkappet ved endene ved 18 og 19. I den forbin-delse oppnår man at såkalte døde hjørner forsvinner ved at bedre strømningsbilde. Videre reduserer man risikoen for spaltekorrosjon ved bedre avrenning og bytte av strømmende væske.

En stor fordel med utformingen av varmeflaten ifølge

fig. 7 og 8 og med preging, er at godstykkelsen i platene kan reduseres sammenlignet med punktsveisede konstruksjoner uten at man dermed taper noe hva angår mekanisk holdfasthet. Det er spesielt viktig ved utførelse i titan eller motsvarende meget kostbare materialer.

Det ytre samlingskammer 15 er tilsluttet en varmeflate slik at mediet strømmer innvendig i elementet 2. Materialet i samlingskamrene, såvel ytre som indre, såvel til og med varmeflatene med indre og ytre anslutningsringer skal således velges etter de korrosjonsangrep som kan forventes. For mekanisk hold-barhet gjelder vanlige betraktningsnormer.

Den på fig. 1 viste indre mantel 6 svinger det medium

som strømmer inn nedenfra mot sentrum, inn på varmeflaten utvendig av element 2 hvoretter mediet strømmer videre oppover

i motstrøm mot det nedoverstrømmende medium innvendig på elementet 2. Ved den øvre ende av varmeflaten blir mediet ført inn mot sentrum og strømmer siden ut av apparatet gjennom den øvre sentrale utløpskanal 8. Lengden av den indre mantel 6 blir avpasset slik at man oppnår nødvendige åpninger for inn- og utstrømning.

Den indre mantel 6 kan fremstilles av meget tynt materi-ale ettersom den bare utsettes for et indre overtrykk svarende til maksimalt trykkfall for mediets strømning gjennom varmeveksleren .

Yttermantelen 5 på fig. 1 er tett sveiset mot ytre anslut-ninger 20. Holdfasthetsmessig skal yttermantelen dimensjoneres for innvendig overtrykk svarende til det trykk og den temperatur som råder i mediet som strømmer utvendig i forhold til

< elementene. Yttermantelen bør som regel også dimensjoneres

for fullt vakuum innvendig. Som oftest blir mantelen i slike tilfeller forsterket med såkalte vakuumforsterkningsringer med passende deling langs mantelens lengde.

En interessant fordel med den ringformede, radialt anordnede lamellvarmeflate er at den også tjener som en del av vakuumforsterkningen. Hvor stor del av vakuumforsterkningen som lamellene 2 utgjør er avhengig av bredden av platene 3, 4 og lengden av den mantel som skal vakuumforsterkes. Vakuumforsterkningsringer kan være'en forholdsvis ganske kostbar del av et apparat hvorfor mulighetene til helt eller delvis å kunne regne inn lamellene kan gi en hyggelig verdi.

Det mekanisk svakeste punkt i lamellvarmevekslerener tilslutningen til samlingskamrene hvor styrken i sveiseforbin-delsen mellom platene og tilslutningsdelen helt avgjør ved hvilket trykk og temperatur apparatet kan arbeide. Det på fig. 4-6 viste tilslutningssett har vist seg å være meget effektivt og klarer sprengtrykk pa over 300 kp/cm 2. Det er videre kjent at varmebelastningen ved sveising avhengig av de spenninger som herved bakes inn i konstruksjonen er av stor betydning for apparatets levetid. Hva angår varmevekslere så er lamell-elementenes lengdesveiser på samme måte som tilslutningssvei-sene mot de ytre og indre tilslutningsringer (20 og 21 på fig.

1) utført med smeltesveising uten tilsatsmateriale, noe som betyr sveising med svak varmebelastning og betydelig redusert risiko for sprekkdannelse inntil sveisene. Velger man dessuten mykest mulig utførelse, f.eks. ved forspenning av lamellelementene, kan man fremskaffe en meget spenningsfri konstruksjon.

Ved å prege/presse lamellplatene med en viss vinkel og med støttepunkter ifølge fig. 7 og 8 kan man bygge en ringformet i tverrsnitt sirkulær varmeflate som er helt selvbærende eller selvstøttende uavhengig trykkforhoidene innvendig/utvendig i forhold til lamellelementene. Punkt- eller sømsveising inne på platene for å holde sammen elementene ved innvendig overtrykk i kanalene er helt unødvendig. Det innebærer at nød-vendige trykkrefter for forming av kanaler med tverriller og støttepunkter blir vesentlig lavere (sannsynligvis 70-90 % lavere) enn om der måtte skaffes perfekte anleggsflater for punkt- eller sømsveising. De lave nødvendige presskrefter med-fører også at påkjenningen på platene blir relativt ubetydelig og man eliminerer risikoen for sprekkdannelse ved nedpresnings-punktene. Fordi man ikke trenger noen sveiseanleggsflater - bortsett fra langsidene - blir verktøyet enkelt, i tilvirkning og levetiden lang takket være lave trykkpåkjenninger. Punkt-sveising for sammenføyning av lamellelementene krever ganske store plane nedpressede flater for hvert punkt (ca. 10 mm diameter), noe som medfører øket risiko for både spennings- og spaltekorrosjon. Videre må man ved konstruksjon av slike lamell-apparater velge platetykkelser som gir tilstrekkelig styrke i punktsveisene for å kunne motstå belastningene under drift. Lamellflaten ifølge fig. 7 og 8 kan tilvirkes av meget tynn plate ved passende pregemønster med støttepunkter. Ettersom støttepunktene er flatemessige små og vel avrundet blir risikoen for spaltekorrosjon eliminert sammenlignet med punktsveise-flåtene ifølge ovenstående. Risikoen for oppbygging av belegg av faste partikler ved støttepunktene blir også kraftig redusert. Forspenning av lamellene gir en så å si spenningsfri konstruksjon, noe som innebærer en viktig fordel.

Fig. 1 og fig. 9 viser lamellelementer skrått avkappede ved 18 og 19 oventil og nedentil, noe som gir bedre strømnings-forhold for inn- og utstrømmende medier utvendig i forhold til lamellelementene.

Inndamperen ifølge fig. 9 arbeider med drivdampen innvendig i forhold til lamellelementene 2. Dampen tas inn i et fordelingskammer 22 på toppen av apparatet og går derfra over inn i overdelen av elementet. Fordelingskamrene er noe forstør-ret slik at man kan gå inn for inspeksjon. Drivdampen strømmer sammen med dannet kondensat nedover gjennom elementene. Takket være varmeflatens utforming med riller, rygger og støttepunkter vil kondensatfilmen på veggene bli brutt og fortynnet kontinuer-lig, noe som medfører en forbedring av varmegjennomgangen til vegg (5-10 %). Kondensatet renner ned i et kondensatrom 23 under varmeflaten og blir avledet derfra. Ukondenserbare gasser tas ut fra samme rom via en separat stuss 24 forsynt med "dynke-skjerm" 25 som også kan være ringformet.

Ytter- og innermantlene 5, 6 slutter seg praktisk talt tett mot den ringformede varmeflate langs så å si hele lengden. Oventil befinner der seg et distribusjonskammer 26 i hvilket yttermantelen 5 er skåret ned et stykke for å gi en ringspalte 27 rundt den øvre del av varmeflaten før innløpet og jevn dis-tribusjon av sirkulerende oppløsning utvendig i forhold til lamellelementene. Før utløpet er der i den nedre del anordnet en åpning/spalt 28 ved at innermantelen får en mindre diameter. I sentrum av apparatet danner innermantelen med sin toppgavl 29 et stort separasjonskammer 30 som svarer til de ekspansjons-kar eller dampseparatorer som konvensjonelle inndampningsappa-rater normalt er utrustet med. I den nedre del finnes en indre sylinder 31 som er tett sveiset mot varmeflatens nedre indre tilslutningsring 32 og til og med tett sveiset mot apparatets bunn ved 33 som kan være konisk som på skissen eller en kuppel-formet gavl. I det sentrale separasjonskammer kan om nødvendig bygges inn en dråpeavskiller.

Den oppløsning som skal inndampes vil man sirkulere med en pumpe fra buffertrommet 34 ved bunnen av apparatet til dist-ribusjonskammeret 26 rundt varmeflatens overdel. Ringspalten 27 for inngående sirkulert oppløsning vil bli dimensjonert for et visst lavere trykkfall slik at man sikrer en jevn distri-busjon. I første omgang blir hele det frie tverrsnitt utvendig i forhold til lamellelementene 2 helt fylt med innstrømmende sirkulasjonsoppløsning som siden renner nedover i form av en film på varmeflåtene. Den sirkulerte oppløsning ligger meget nær kokepunktet, hvilket innebærer at koking/dampavgivelse begynner praktisk talt umidderlbart. Det frie mellomrom blir således fylt med kraftig overmettet/gjennomvåt damp innehol-dende væskedråper i størrelse alt fra tåke og oppover. Varmeflatens utforming med sine riller, rygger og støttepunkter skaper rask virvelblanding i dampen hvorved fuktighet og dråper blir kastet ut mot veggene. Virveldannelsen blir naturligvis voldsommere alt ettersom dampmengden øker på nedoverveien.

Utformingen av varmeflaten gjør det sikkert at man således får en fullstendig fuktning av alle deler av varmeflaten, noe som er en forutsetning for en fullgod funksjon og 100 % utnyttelse av innsatt varmeflate. Forholdene på fallfilmsiden ifølge det ovenstående gjør det også mulig å kjøre apparatet med minimalt væskeoverskudd, noe som innebærer lavere effekt-forbruk i sirkulasjonspumpen.

I den nedre del av varmeflaten er spalten 28 anordnet mellom varmeflaten og den indre mantel slik at dannet damp og overskudd av' sirkulasjonsvæske kan forlate varmepakken. Blandingen av damp og væske passerer først en flerhet av skjerm-plater 35 hvor en første grovseparering finner sted. Hoveddelen av væsken kastes ut mot den sylinder som utgjør forlengelsen av varmevekslerens nedre, indre tilslutningsring og renner siden ned i buffertrommet 34 for sirkulerende oppløsning. Dam-' pen gjør en U-vending slik at ytterligere separasjon av væskedråper finner sted og går siden videre oppover gjennom hoved-separasjonskammeret 30.

Claims (3)

1. Varmeveksler for gjennomstrømning av to medier og varmeveksling via varmevekslende flater slik at mediene ikke direkte berører hverandre, idet varmeflatene er anordnet rotasjonssymmetrisk i forhold til en aksel og idet medienes hovedstrøm-ningsretning er parallell med nevnte aksel og varmeflatene er anordnet i et ringformet område om nevnte aksel slik at der dannes et sentralt hulrom rundt sentrumaksen uten varme-vekslingsf later , idet varmevekslingsflåtene består av parvis til lameller (2) sammensatte, plane, foldede plater (3, 4), karakterisert ved at platene er foldet parallelt med nevnte aksel og er oppstilt med sine plan dels parallelt med akselen, dels sammenfallende med radiene til en sirkel som omskriver akselen, slik at de respektive folders høyder (hl, h2,...) øker med avstanden fra akselen og utover slik at foldene hos motstående lameller (2) ligger an mot hverandre og danner støttepunkter mellom lamellene.

2. Varmeveksler som angitt i krav 1, karakterisert ved at platene (3, 4) er bukket eller bøyd noe ut av sitt plan om en i planet forløpende linje som er vinkelrett på nevnte aksel.

3. Varmeveksler som angitt i krav 1, idet lamellene er sammenføyet side om side ved sine to endekanter (18, 19) ved hjelp av sveising, karakterisert ved at sammenføyningskantene (18, 19) er utformet skrått avskårne nedentil for å bevirke en lettere avrenning.