NO164200B

NO164200B - Varmeveksler.

Info

Publication number: NO164200B
Application number: NO86860754A
Authority: NO
Inventors: Stig Goete Stenlund
Original assignee: Hightech Heatexchange I Malmoe
Priority date: 1982-12-29
Filing date: 1986-02-28
Publication date: 1990-05-28
Also published as: WO1986000395A1; SE8207463D0; ATE38895T1; NO860754L; DK91286D0; SE455813B; FI865043A; US4923003A; FI83136B; BR8407378A; DK91286A; EP0221049B1; SE8207463L; EP0221049A1; FI83136C; JPS62500317A; DE3475343D1; FI865043A0; NO164200C; JPH0510594B2

Description

Denne oppfinnelse vedrører en varmeveksler av den art

som er beskrevet i innledningen til patentkrav 1.

Når det i tilfelle av en varmeveksler er ønskelig å oppnå en sterk varmeutveksling, pr., volumenhet er der i det vesentlige tre faktorer som er av betydning når det antas at beskaffenheten av de to varmevekslermedier som er innvolvert, deres volumetriske strømningsmengder og deres innløpstemperaturer er kjente faktorer. Faktorene som hovedsakelig innvirker på utvekslingen av varme i en varmeveksler er for det første det effektive areal av mediumkontaktflåtene av de varmeledende skillevegger som skiller de to medier, for det annet lengden av banene langs hvilke varmen må ledes innenfor de respektive medier mot og bort fra nevnte skillevegger og.innenfor nevnte skillevegger, samt andelene av de totale temperaturdifferanser som finnes langs nevnte banelengder.

Konvensjonelle rørvarmevekslere eller platevarmevekslere som fullstendig dominerer dagens marked arbeider med en turbu-lentstrøm av varmevekslermedier. Således finnes det i passasjen, kanalen eller lignende som et medium passerer, en sentral sone med turbulent strømning innenfor hvilken temperaturen er forholdsvis konstant og ensartet over hele tverrsnittet av sonen, mens ved avgrensningsveggene for strømningspassasjen, hvilke vegger danner skilleveggene som skiller de to varmevekslermedier fra hverandre, finnes tynne grensesjikt med i det vesentlige laminær strømning. Da varmeledningsevnen av materialet i strømningspassasjens vegger er meget større enn i mediet og temperaturdifferansen i den sentrale turbulenssone er lav, vil hoveddelen av den totale temperaturdifferanse opptre over det laminære grensesjiktet. Derfor er de fleste av de trinn som tas i forbindelse med turbulentstrømnings-varmevekslere for økning av varmeutvekslingsgraden konsentrert på å opprett-holde et tynt grensesjikt med laminær strømning og sikring av god turbulens i den sentrale sone. Med dette for øyet er forskjellige typer "strømningsavbrytere" anordnet i strømnings-passasjene.

Vanlige varmevekslere av rørtypen og platetypen som virker etter det ovenfor nevnte prinsippet med turbulentstrøm lider av forskjellige alvorlige svakheter. Ettersom den sentrale turbulentsone i strømningspassasjene opptar en stor del av det totale volum er det areal av varmeoverførende skillevegger som kommer i kontakt med varmevekslemediene forholdsvis lite når det regnes pr<1>, volumenhet. Sett fra rent teoretisk synspunkt er det mulig å tilveiebringe en større kontaktflate mellom de to varmevekslemedier og skilleveggene mellom dem ved å gjøre strømningspassasjene så små som mulig, uavhengig av om disse passasjene er dannet ved rør med sirkulært tverrsnitt eller med andre tverrsnitt eller om de består av mellomrom mellom overfor hverandre beliggende plane plater. I hvilken utstrekning denne minimisering trenges å utføres for å være virkelig effektiv, begrenses imidlertid av uakseptable trykkfall samtidig som det opptrer store ulemper i forbindelse med fremstillingen og dermed høye fremstillingsomkostninger.

I tillegg forverres det allerede eksisterende problem med å sikre effektiv tetning mellom mediene. Varmevekslere av rør-typen og platetypen som brukes idag er i høy grad utsatt for korrosjon og kan>ikke motstå trykk i noen større utstrekning fordi det finnes1 forholdsvis tynne vegger mellom varmevekslemediene. I tillegg til dette vil slike varmevekslere ha et stort antall steder som krever tetning hvorved risikoen for lekkasje mellom mediene øker. Disse fundamentale svakheter har normalt ført til bruken av rustfritt stål og ikke-korroderende kobberlegeringer som lett kan loddes eller slagloddes, mens bruken av aluminiumlegeringer har man stort sett ignorert til tross for at bulk-prisen for aluminiumlegeringer er lavere enn for kobberlegeringer.

Praktiske utførelser av varmevekslere av denne art hvor varmevekslemediene har en laminær strømning over hele tverrsnittet av strømningspassasjene, dvs. uten sentral turbulentsone, er lite kjent på markedet og bare noen få slike varmevekslere har man funnet beskrevet i patentlitteraturen. I denne typen laminær-strømnings- eller viskøs-strømnings-varmevekslere, til hvilken kategori varmeveksleren ifølge oppfinnelsen tilhører, har man gj(ort et forsøk på å tilveiebringe varmevekslende strømningskanaler for mediene med slike tverrsnittsdimensjoner at strømmen av mediet gjennom passasjene er i det vesentlige laminær over hele tverrsnittet av samme. I dette tilfellet binder varmeoverføringen mellom det strøm-mende medium og1 passas jeveggene s.ted, hhv., fra eller mot hvert punkt i strømningspassasjen, vanligvis uten hjelp av blanding mellom sonene med innbyrdes forskjellige temperaturer. Man vil forstå at det ved radikal reduksjon av tverrsnittdimen-sjonene av strømningspassasjene i den retning hvor varmen overføres, dvs. rettvinklet på passasjenes varmeoverførende vegger, er det mulig å oppnå både kortere varmeledende baner og et større kontaktflateareal mellom mediet og passasjeveggene, hvilket igjen burde resultere i god varmeoverføring og god varmevekslevirkning. Strømningspassasjer som har meget små tverrsnittsdimensjoner er imidlertid beheftet med visse alvorlige svakheter, bl. a.: 1. trykkfallet er stort og sterkt avhengig av viskositeten. Trykkfallet øker også drastisk når tverrsnittsdimensjonene av passasjene blir enda mindre som følge av avleiringene som dannes deri. Dannelsen av slike avleiringer kan til slutt resultere i total blokkering av passasjene. 2. Som følge av små dimensjoner er det vanskelig å få renset passasjene, og beskaffenheten av det strømmende medium kan være slik at passasjene må rengjøres ofte for å hindre blokkering. 3. Det kan bli både vanskelig og kostbart å fremstille strømningspassasjer med meget små dimensjoner med den presisjon som kreves.

Strømningspassasjer som har meget små tverrsnittsdimensjoner og hvor mediet strømmer laminært fører imidlertid til andre problemer som er av mer prinsipiell natur og som ikke kan overvinnes så lett. For eksempel vil forsøk på å skaffe et større kontaktflateareal mellom mediene og passasjeveggene under samtidig forsøk på å redusere så langt som mulig antallet av tetningssteder mellom mediene føre til at de varmeledende baner innenfor passasjeveggene og dermed også motstanden mot varmeledning i disse ha lett for å øke kraftig. Dette kan resultere i at den største andel av den totale temperaturdifferanse vil ligge innenfor veggene slik at bare en mindre temperaturdifferanse finnes over mediene som strømmer i passasjene, hvilket selvfølgelig motvirker overføringer av stor varmemengde mellom mediene og passasjeveggene som de er i kontakt med. Derfor er dimensjoneringen av slike varmevekslere avhengig av optimisering av forholdene som tidligere ikke har vært tilstrekkelig og tilfredsstillende undersøkt eller i det hele tatt iakttatt. Et annet problem er prob-lemet som henger sammen med den spesielle varmefordeling og temperaturfordeling som opptrer i det strømmende medium når det strømmer i det vesentlige totalt laminært gjennom en strømningspassasje med små tverrsnittsdimensjoner. Dette problem som også kan føre til sterkt forverret varmeoverføring mellom mediet og passasjeveggene, hvis ikke motholds-regler treffes, skal diskuteres nærmere nedenfor.

Svensk patentsøknad 7307165-6 er én av de få patent-publikasjoner som beskriver en varmeveksler med laminær strømning av den ovenfor nevnte art og som også varmeveksleren ifølge denne oppfinnelse tilhører. Varmeveksleren som er beskrevet i den svenske patentpublikasjon lider imidlertid av et antall alvorlige ulemper og tilveiebringer derfor ikke en løsning på de ovenfor omtalte problemer.

Hensikten med denne oppfinnelse er å tilveiebringe en forbedret varmeveksler av den ovenfor nevnte art. Varmeveksleren ifølge oppfinnelsen tilveiebringer effektive løsnin-ger på problemene som opptrer i forbindelse med varmevekslere med laminær strømning og sammenlignet med dagens konvensjonelle varmevekslere med turbulentstrøm og av rørtypen eller platetypen tilveiebringer merkbare og viktige fordeler, nemlig:

a) Stor'varmeutveksling pr. volumenhet.

b) Stor motstand i alminnelighet mot trykk og konstruk-sjon som motstår meget høye trykk bare med små ekstraomkost-ninger . c) Høy grad av sikkerhet mot lekkasje av det ene medium inn i det andre fordi ingen sveiseskjøter eller loddeskjøter

som kan skaffe lekkasjer er nødvendige og fordi der bare er noen få steder mellom de to mediene hvor en tetning er nød-vendig. Hvert medium kan tettes lett separat på en trøbbel-fri måte slik at i tilfelle av svikt i en tetning, kan dette lett iakttas og eventuelt varmevekslemedium som måtte lekke ut kan samles på utsiden av varmeveksleren uten fare for at fluidet skulle lekke ut og inn i det andre fluidet.

d) Høy grad av sikkerhet mot lekkasje mellom varmevekslemediene som følge av at tykke skillevegger kan plasseres

mellom dem. Dette gjør det også mulig å redusere mengden

av det ikke-korroderende materiale som må brukes.

e) Stor frihet med hensyn til valget av materialene

som skal brukes fordi behovet for materiale som kan sveies,

loddes eller slagloddes og som er korrosjonsfast er forholdsvis lite. Dette forholdsvis frie valg av materiale tillater at varmevekslere lett kan konstrueres for arbeide i særlig problemrike områder og i ganske spesielle områder. Aluminium er et hensiktsmessig materiale til bruk i en varmeveksler utført i samsvar med oppfinnelsen.

f) Gode vedlikeholdsegenskaper fordi varmeoverførings-flatene som kommer i kontakt med de flytende medier kan i

alminnelighet renses effektivt og inspiseres.

g) Kan gis en enkel og kompakt utforming som kan tilpasses varierende varmevekslekrav og anvendelsesområder ved

forholdsvis små omkostninger som sammen med det forholdsvis frie valget av materialer, f.eks. aluminium og de benyttede fremstillingsteknikker gjør det mulig å oppnå lave fremstillingsomkostninger pr. energienhet.

h) Store muligheter for fremstilling av varmevekslere med ensartet kvalitet ved hjelp av sterkt automatiserte og

effektive metoder som lett kan styres og overvåkes.

i) Meget hensiktsmessig for både gjennomsnitts- og

for lave energimengder.

j) Tilveiebringer en jevn varmevekslevirkning som ikke noe større påvirkes av den volumetriske strøm av de varmevekslende medier. I visse tilfelle innebærer dette at mengden av kostbar væske som er nødvendig kan reduseres, f.eks. kjøle-vanns forbruket . Høye trykk kan også unngås ved hjelp av shunt-ventiler uten å påvirke varmevekslingsgraden noe større.

Dette innebærer lave driftsomkostninger.

k) Særlig gode muligheter for utførelse av optimale varmevekslere på en økonomisk seg betalende måte, f.eks. et varmepumpesystem, og dermed økning av effektiviteten og økono-mien av systemet som en helhet. I prinsippet oppnås dette fordi utgangstemperaturen av et varmeutvekslingsmedium kan ligge forholdsvis nær inngangstemperaturen for det andre varmevekslingsmedium.

Varmeveksleren ifølge oppfinnelsen utmerker seg ved de trekk som fremgår av de medfølgende patentkrav.

Oppfinnelsen skal beskrives nedenfor med detaljer og under henvisning til tegningene, hvor

fig. la og lb viser skjematisk, hhv. hastighetsfordelingen og temperaturfordelingen i en laminær mediumstrøm i en strøm-ningspassas je ,

fig. 2 er et diagram'som illustrerer varmeoverføringen mellom medium og passasjevegger som en funksjon av avstanden fra passasjeinnløpet i en laminær mediumstrøm av den art som er illustrert på ,fig. la og lb,

fig. 3a og 3b illustrerer skjematisk to forskjellige fordelaktige utførelser av strømningspassasjer i en varmeveksler i samsvar med oppfinnelsen som tilveiebringer en stor overføring av varme mellom det strømmende medium og passasjeveggene,

fig. 4a og 4b er hhv. et skjematisk radialdelsnitt og

et aksialdelsnitt av en første utførelse av en■varmeveksler ifølge oppfinnelsen,

fig. 4c illustrerer skjematisk strømningsmønsteret for

et medium i varmeveksleren ifølge fig. 4a og 4b,

fig. 5a, 5b og 5c illustrerer skjematisk på en tilsvarende måte som fig. 4a - 4c en annen utførelse av en varmeveksler ifølge oppfinnelsen,

fig. 6a, 6b og 6c viser skjematisk på lignende måte som fig. 4a - 4c en.tredje utførelse av en varmeveksler ifølge oppfinnelsen,

"fig. 7a, 7b og 7c viser skjematisk på lignende måte som figurene 4a - 4c en fjerde utførelse av en varmeveksler ifølge oppfinnelsen.

Fig. 8 illustrerer skjematisk og som eksempel en utførelse av en plan varmeveksler ifølge oppfinnelsen,

fig. 9a, 9b og 9c viser skjematisk en utførelse av en varmeveksler ifølge oppfinnelsen for utveksling av varme mellom et væskeformig medium og et gassformig medium,

fig. 10 viser skjematisk og til dels i perspektiv den del av en varmeveksler ifølge oppfinnelsen hvori utvekslingen av varme finner sted, og denne figur vil bli brukt under beskrivelsen av virkemåten og dimensjoneringen av varmeveksleren, og

fig. 11 - 15 er diagrammer brukt ved beskrivelsen av

dimensjoneringsprinsippene for varmeveksleren og som oppfinnelsen er basert på.

Utførelsen av en varmeveksler som er vist på fig. 4a

og 4b har sylindrisk utforming og omfatter to endevegger 1 og 2 og en sylindrisk yttermantel 3 hvis ender er tett forbundet med hver sin av endeveggene 1 og 2. Endeveggene 1 og 2 og dermed varmeveksleren som helhet holdes sammen ved hjelp av en bolt 4 som strekker.seg sentralt gjennom varmeveksleren mellom endeveggene og som er skrudd inn i dem. Det ringformede mellomrom mellom yttermatelen 3 og bolten 4 er delt opp ved hjelp av en sylindrisk ugjennomtrengelig skillevegg 5 med stor varmeledningsevne i to konsentriske ringformede kammere A og B, og de to ender av skilleveggen 5 er tett forbundet med hver sin endevegg 1, hhv. 2. De to kammere A og B danner strømnings-rom for hver sitt av to medier Ma og Mb mellom hvilke medier en varmeutveksling finner sted. Således har det ytre ringformede kammer A for mediet Ma et innløp (ikke vist på figuren) i endeveggen 2 og et utløp 6 i endeveggen 2, mens kammeret B for mediet Mb har på en tilsvarende måte et innløp i endeveggen 1 og et utløp 7 som er vist med strekede linjer i endeveggen 2. Således finnes det ved kammerets A ene ende et ringformet inn-løpsrom 8 og et lignende ringformet utløpsrom 9 ved kammerets andre ende. På en tilsvarende måte har kammeret B et innløps-rom 10 ved endeveggen 1 og et utløpsrom 11 ved endeveggen 2.

Mediet Ma strømmer fra innløpsrommet 8 til utløpsrommet 9

i kammeret A gjennom et stort antall strømningspassasjer som strøm-messig er koblet parallelt. I den viste utførelse er disse strømningspassasjer formet ved tilveiebringelse på den ytre overflate av den sylindriske skillevegg 5 av et stort antall innbyrdes parallelle i det vesentlige ringformede flenser eller passasjevegger 12 som danner og begrenser mellom seg slisselignende strømningspassasjer 13 med smalt rektangulært tverrsnitt som strekker seg i det vesentlige i omkretsretningen langs og rundt skilleveggen. Mediet Ma strømmer fra innløps-rommet 8 til disse strømningspassasjer 13 gjennom et antall, ifølge eksemplet fire, av fordelingskanaler 14 (se fig. 4a)

som forløper aksialt fra innløpsrommet 8 gjennom flensene 12

og slutter kort foran utløpsrommet 9. Mediet Ma strømmer fra de slisselignende strømningspassasjer 13 til utløpsrommet 9

gjennom et tilsvarende antall samlekanaler 15 (se fig. 4a) som strekker seg aksialtt fra utløpsrommet 9 gjennom flensene 12 og slutter kort foran innløpsrommet 8. Således er strømningsmøns-teret for strømmen Ma som er vist skjematisk på fig. 4c,

nemlig fra innløpsrommet 8 inn i de aksialt forløpende fordelingskanaler 14,,hvorfra'mediet strømmer gjennom de periferisk forløpende slisselignende strømningspassasjer 13 (for enkelhetens skyld ikke vist på fig. 4c) til de aksialt forløpende samlekanaler 15, og gjennom disse kanaler til utløpsrommet 9. Når mediet Ma strømmer gjennom de smale slisselignende strøm-ningspassas jer 13, overføres varme mellom mediet Ma og materialet i passasjeveggene 12, idet veggene er formet integralt med den sylindriske skillevegg 5 og dermed er i god varmeoverførende forbindelse med denne.

Strømningspassasjene for mediet Mb gjennom det indre, ringformede kammer B er formet på en tilsvarende måte ved anordning på innerflaten av den sylindriske skillevegg 5 av et stort antall ringformede flenser 16 som former og avgrenser mellom seg i det vesentlige i omkretsretningen forløpende slisselignende strømningspassasjer 17. Mediet Mb strømmer til disse strømningspassasjer 17 fra innløpsrommet 10 gjennom aksialt forløpende fordelingskanaler 18 (se fig. 4a) som strekker seg gjennom flensene 16 fra innløpsrommet 10 og slutter kort foran utløpsrommet 11. Me.diet Mb passerer fra strømnings-passasjene 17 til utløpsrommet 11 gjennom aksialt forløpende samlekanaler 19 (se fig. 4a) som strekker seg fra utløpsrommet 11 gjennom flensene 16 og slutter kort fra innløpsrommet 10.

Når mediet Mb strømmer gjennom de slisselignende strømnings-passasjer 17 overføres varme mellom mediet og flensene eller passasjeveggene 16 som er i god varmeoverførende forbindelse med den sylindriske skillevegg 5. Således oppnås der en varmeutveksling mellom de to medier Ma og Mb gjennom passasjeveggene 13, hhv. 16 og den for væske-ugjennomtrengelig sylindriske skillevegg 5.

Strømningspassasjene 17 i kammeret B er avgrenset radialt innover ved hjelp av en hylse 10 som er i avstand fra boltens 4 ytterflate slik at det er dannet ét ringformet mellomrom 21 mellom hylsen' 20 og bolten 4. Rommet 21 danner en overstrøm-ningspassasje for mediet Mb og denne overstrømningspassasje er normalt lukket ved hjelp av en fjærbelastet tetningsring eller ventilring 22 som åpner når trykkfallet langs banen fra innløpsrommet 10 til utløpsrommet 11 overskrider en forutbestemt verdi.

Passasjeveggene 12 og 16 kan hver omfatte adskilte ringformede innbyrdes parallelle flenser på skilleveggen 5, eller de kan være formet av en skrueformet flens som strekker seg langs begge sider av den sylindriske skillevegg 5.

Man vil forstå at den visto varmeveksler har et meget stort kontaktf lateareal og derme^d et stort varmeoverf ørings-flateareal mellom mediene Ma, hhv. Mb og skilleveggene 12, hhv.

16 som er i god varmeoverførende forbindelse med den sylindriske skillevegg 5. Man vil også forstå at risikoen for lekkasje mellom mediene Ma og Mb er meget liten fordi skilleveggen 5

er utformet som ett stykke uten noen skjøter og fordi skilleveggens tykkelse kan være slik at der er meget liten sjanse for at veggen kan tæres opp av korrosjon. Bare to tetningssteder finnes, nemlig ved endene av skilleveggen 5. Disse tetninger kan fordelaktig og forholdsvis billig være utført som dobbelte tetninger (én for hvert medium) som mellom seg danner en passasje 23 i hvilken en eventuell lekkasje kan samles opp og føres til et forholdsvis lett overvåket sted utenfor varmeveksleren for oppsamling og for å varsle at en lekkasje har oppstått. På denne måte er det mulig å .forhindre lekkasjen av ett medium inn i det andre selv om tetningene som er anordnet ved skilleveggens 5 ender skulle svikte.

Fig. 10 viser skjematisk et prinsipp for varmeveksleren ifølge oppfinnelsen og viser en del av samme, f.eks. fra varmevekslerne som er vist på fig. 4a- 4c, hvori utvekslingen av varme finner sted. Således illustrerer fig. 10 skilleveggen 5 som på én side er utstyrt med flenser eller passasjevegger 12 som mellom seg avgrenser de slisselignende strøm-ningspassas jer 13 for det ene medium Ma, mens den andre side av skilleveggen er utstyrt på lignende måte med flenser eller passasjevegger 16 som mellom seg danner strømningspassasjer 17 for det andre medium Mb. På fig. 10 er bredden av strøm-ningspassas jene sett i en retning parallell med skillveggen

5 betegnet s^, høyden av strømningspassas jene i rett vinkel på skilleveggen 5 som faller sammen med høyden av passasjeveggene er betegnet med h, tykkelsen av passasjeveggene er betegnet med t, og tykkelsen av skilleveggen 5 er betegnet med 2v, disse betegnelser brukes i den følgende beskrivelse. Lengden av strømningspassasjene i strømningsretningen er betegnet med L. I en varmeveksler i samsvar med oppfinnelsen er strøm-ningspassas jene dimensjonert slik at mediumstrømmen er i det vesentlige laminær gjennom hele tverrsnittsarealet av passasjene. Varmen overføres fra det ene medium til det andre på den måte som er illustrert med piler på fig. 10 ved at varmen først ledes fra det ene medium i en retning på tvers av mediets strømninspassasjer og utover mot skilleveggene, hvor-etter varmen ledes gjennom passasjeveggene til skilleveggen

og derfra inn i skilleveggene mellom strømningspassasjene for det andre medium, til hvilket varmen ledes fra passasjeveggene inn i det strømmende medium i en retning på tvers av passasjeveggene og strømningspassasjene.

Når varme ledes fra ett medium til et annet i en varme-utvekslingsprosess kan følgende prinsipp-formel settes opp for varmeenergien eller varmen som overføres:

hvor A er arealet som varmen ledes gjennom, A T er temperaturdifferansen langs lengden av den varmeledende bane 1 og A

er varmeledningsevnen langs den varmeledende bane. I en varmeveksler finnes alltid i det minste to medier og en skillevegg som skiller mediene.

Varmeledningsevnen for de to medier er en gitt verdi for hvert formål som varmeveksleren skal brukes til og det samme

i

er differansen mellom medienes temperaturer før varmeutvekslingen mellom dem, og i mange tilfelle også etter at varmeutvekslingen har funnet sted. Derfor er de eneste varmeutvekslings-parametre som kan forandres eller påvirkes: fordelingen av den totale temperaturdifferanse mellom de to medier og over skilleveggen, materialet som skilleveggen er fremstilt av og tykkelsen av veggen samt dennes effektive overflateareal,

dvs. det overflateareal av skilleveggen som mediene kommer i berøring' med. Varmeoverføringsbanene i de to medier kan påvirkes ved valget av strømningsmønsteret for mediene og den

derved frembragte virkning.

For å oppnå lave varmeutvekslingsomkostninger, liten størrelse, vekt osv., bør en varmeveksler i alminnelighet ha en stor overført varmeenergi P, heretter kalt overført varme, pr. enhet av volum V, samtidig som den må være i be-sittelse av akseptable verdier med hensyn til å utstå trykk og trykkfall. I en varmeveksler ifølge oppfinnelsen vil en reduksjon i bredden _s av strømningspassasjene resultere i en reduksjon av den varmeoverførende bane i mediene og en økning av kontaktarealet for de to medier med passasjeveggene. Derfor skal bredden _s av strømningspassas jene i en varmeveksler ifølge oppfinnelsen være så liten som mulig, samtidig som det tas hensyn til faren for blokkering som følge av at faststoffer som finnes i de strømmende medier kan avsettes på passasjeveggene. I praksis har passasjene hensiktsmessig en bredde £ på omtrent 1,5 mm og under. Man vil forstå at i en varmeveksler ifølge oppfinnelsen kan overflatene av veggkonstruksjonen som de to medier kommer i berøring med gis innbyrdes forskjellige størrelser for respektive medier, motsatt til hva som normalt er tilfelle i varmevekslere med turbulent strømning. Dessuten vil i en varmeveksler ifølge oppfinnelsen varmeoverføringsbanen i veggkonstruksjonen være forholdsvis lang, nemlig innenfor passasjeveggene slik at temperaturdifferansen eller temperaturfallet langs varmeoverføringsbanen i vegg-konstruks jonen normalt er av samme størrelsesorden som tempe-raturdifferansene eller temperaturfallene langs varmeoverføringsbanene i de to medier. Normalt skal tykkelsen 2v av skilleveggen 5 velges med tanke på den ønskelige mekaniske styrke i veggen og veggens motstand' mot korrosjon osv.,

skjønt i tilfellet av en varmeveksler ifølge oppfinnelsen kan skilleveggen ha en forholdsvis stor tykkelse fordi veggtykkelsen bare har en forholdsvis liten innvirkning på det totale volumet av varmeveksleren.

Når det forsøkes å oppnå et optimum med hensyn til over-ført varme P pr. enhet av volumet V, er det mulig på basis av en utvalgt passasjebredde ^, fremstillingsteknikken som benyttes og egenskapene av de to flytende medier å beregne både en optimal strømningspassasjehøyde h, og dermed en optimal passasjevegghøyde, og en optimal passasjeveggtykkelse t, hvor passasjevegg s^ velges med tanke på risiko for blokkering som kan oppstå i passasjene, som nevnt ovenfor, og med tanke på'fremstillingsomkostninger. Denne kalkulasjon kan gjøres for ett medium ad gangen, under hensyn til varmeoverføringen mellom dette mediet og skilleveggens sentralplan (5 på fig. 10) .

I denne forbindelse har man overraskende funnet at den optimale tykkelse av passasjeveggene er uavhengig av bredden av strømninspassasjene. Den optimale tykkelse av passasjeveggene kan med aksepterbar nøyaktighet uttrykkes:

hvor

t = passasjeveggtykkelse (m)

h strømningspassasjehøyde og dermed passasjeveggens høyde (m)

^ = varmeledningsevnen av materialet i passasjeveggene

(W/mK)

* M= termisk ledningsevne av strømningsmediet (W/mK). ;Hvis tykkelsen av passasjeveggene er samtidig valgt med et optimum i samsvar med den ovenfor nevnte formel (2) er det mulig å regne ut den optimale høyde av strømningspassasjene og dermed passasjeveggene ved hjelp av følgende ligningssystem: ;H3+H2(S+l,5)-p,5 S2 = 0 ;i ;;hvor';v = halve tykkelsen av skilleveggen (5. på fig. 10) (m), og H og S er to. dimensjonsløse verdier. ;Løsningen av dette system av ligninger kan illustreres ;ved hjelp av kurven som er vist på fig. ,11. ;De optimale verdier i samsvar med ovennevnte gir forholdsvis små verdier både for høyden h av strømningspassasjene og for tykkelsen t av passasjeveggene. Rundt disse optimale verdier finnes det imidlertid et forholdsvis vidt område innenfor hvilket varmemengden som utveksles pr. volumenhet avtar, men bare langsomt. Således kan der brukes en større passasjehøyde h og en større passasjeveggtykkelse t uten drastisk reduksjon av varmeutvekslingen pr. volumenhet. ;På hvilken måte endringen i tykkelsen t av passasjeveggene fra den optimale verdi t t innvirker på varmeutvekslingsgraden kan sees illustrert ved kurvene som er vist på fig. 12. I dette kurvediagram er ;(P/V) = varmeutveksling pr. volumenhet ;(P/V>t = varmeutveksling pr. volumenhet når tykkelsen t ;°^<>>t av passas jeveggene er den optimale tykkelse. ;Virkningen forårsaket ved avvikelser i høyden h av strøm-ningspassas jene eller passasjeveggene er illustrert ved hjelp av kurver som er vist på fig. 13. ;Som ved alle varmevekslere må det under dimensjoneringen av varmeveksleren ifølge oppfinnelsen tas hensyn til det formål som varmeveksleren skal tjene og dermed må det tilveiebringes en praktisk og økonomisk løsning. Utførelsen av varmeveksleren er sterkt avhengig av arbeidsområdet eller anvendelses-området og dermed må det finnes store forskjeller også blant konvensjonelle varmevekslere som skal brukes på forskjellige arbeidsfelter. Til tross for at varmeveksleren ifølge oppfinnelsen har mange gode egenskaper, må konstruksjonen dog tilpasses bruken i hvert påtenkt tilfelle. ;Først må bredden _s av strømningspassasjene velges under hensyn til renhetsgraden av de strømmende medier og faren for belegg, dvs. avsetninger på passasjeveggene. Passasjene er gitt den bredde som er smalest mulig i praksis. Materialet som skilleveggen og passasjeveggene fremstilles av velges hovedsakelig med tanke på faren for korrosjon. Når bredden £3 av strømningspassas jene er kjent og likeså beskaffenheten av materialet i skilleveggen og passasjeveggene, er det så mulig å dimensjonere passasjenes høyde h og dermed høyden for passasjeveggene samt tykkelsen t for passasjeveggene. ;Som regel ved utvikling av en varmeveksler forsøker man å oppnå en stor varmeoverføring pr. volumenhet samtidig som man tar hensyn til fremstillingsomkostninger og de fremstillings-metoder som er til rådighet og likeledes slike krav som motstand mot trykk,,, sikkerhet mot lekkasje, korrosjonsfasthet osv. En følge av disse krav er et ønske om å holde antallet passasjevegger på et minimum, hvilket vanligvis kan oppnås ved økning av strømningspassasjenes høyde og dermed av passasjeveggenes høyde. I denne -forbindelse må det bemerkes at årsaksforholdet som eksisterer i en varmeveksler ifølge oppfinnelsen og i en vanlig varmeveksler med turbulentstrømning er ikke det samme. For eksempel øker mengden av varme som overføres i en konven-sjonell varmeveksler med turbulent strømning vesentlig lineært med det felles kontaktflateareal mellom mediene og veggkonstruksjonen som skiljler de to medier. Dette gjelder også en varmeveksler som er utført i samsvar med oppfinnelsen når det nevnte kontaktflateareal er forøket bare ved økning av antallet av strømningspassasjer uten endring av bredden og høyden av strøm-ningspassas jene og tykkelsen av passasjeveggene samtidig. ;Hvis kontaktflåtearealet på den annen side bare forandres ved endring av bredden og høyden av strømningspassasjene og tykkelsen av passasjeveggene, mens det effektive overflateareal på skilleveggen (5 på fig. 10) blir uforandret, blir ikke forhol-det mellom det effektive kontaktflateareal og den overførte varmemengde være et lineært forhold. Dette ytterst merkbare faktum har man ikke registrert og tatt hensyn til ved konstruk-sjon av de tidligere kjente varmevekslere som arbeider med i det vesentlige totalt laminær strømning, med den følge at man har for slike varmevekslere foreslått ytterst ufordelaktig dimensjonering, f.eks. passasjehøyden og tykkelsen av passasjeveggene. ;Hva som skjer når arealet av skilleveggen (5 på.fig. 10) holdes konstant og bare høyden h av strømningspassasjene varieres, mens tykkelsen t av passasjeveggene holdes konstant ved optimal tykkelsesverdi, er eksemplifisert ved hjelp av diagrammer på fig. 14 og 15. I denne forbindelse viser diagrammet på fig.' 14 hvordan den overførte varme P varierer i forhold til den maksimalt oppnåelige overførte varmeverdi P ^ , når høyden h av strømningspassasjene varierer. Diagrammet på fig. 15 viser, ved hjelp av tre kurver hvordan den overførte varme pr. enhet volum P/V, og den overførte varme P og kontakt-flatearealet A hhv. varierer med varierende høyder h av strøm-ningspassas jene , når den dimensjonsløse verdi S er 15,29. ;Det vil fremgå av disse diagrammer at den største over-føringsvarmetetthet P/V selvfølgelig er oppnådd ved den optimale passasjehøyde h fc. Diagrammet på fig. 15 viser imidlertid også at den maksimale varme som overføres P , oppnås når de to dimensjonsløse verdier H og S er innbyrdes like. ;I eksemplet er S = 15,29 i diagrammet på fig. 15. Dette er tilfelle når høyden h av strømningspassasjene er omtrent 6,1 ganger så stort som den optimale passas jehøyde h ;For denne verdi er varmen som overføres pr. enhet volum P/V, den såkalte overføringsvarmetetthet falt til omtrent 45% av dens maksimale verdi. Det vil imidlertid fremgå at omtrent 90% av den maksimale overførte varmemengde ^j^g^g oppnås allerede når høyden h av strømningspassasjen er omtrent 3,1 ganger så stor som den optimale passas jehøyde h I dette tilfelle er den omtalte overføringsvarmetetthet bare falt til omtrent 73% av sin optimale verdi. ;Som det også kan sees av kurvene på diagrammene på ;fig. 12 og 13 faller overføringsvarmetettheten P/V, men forholdsvis langsomt fra sin optimale verdi selv når-tykkelsen t og høyden h av strømningspassasjeveggen økes betydelig over sin optimale verdi. Likeledes resulterer en moderat reduksjon av tykkelsen t og høyden h i at passasjeveggene fra deres optimale verdi i en forholdsvis liten reduksjon av overførings-varmetettheten P/V ned til 50%. For en praktisk og økonomisk utførelse av en varmeveksler ifølge oppfinnelsen, så som med tanke på fremstillingsomkostninger og fremstillingsteknikken, kan passasjenes høyde, dvs. passasjeveggenes høyde, dimensjoneres opp til omtrent 350% av deres optimale verdi (dimensjon) skjønt fortrinnsvis ikke over en verdi som svarer til H = S, mens tykkelsen t av passasjeveggene kan ligge innenfor et område mellom omtrent 30% og 500%, og fortrinnsvis mellom 100% og 300% av den optimale tykkelse. En økning av høyden h av passasjeveggene og tykkelsen t av passasjeveggene til omtrent tre ganger deres respektive optimale verdi, vil normalt resultere maksimalt i en reduksjon av overførings- ;varmetettheten P/V ned til 70%, dvs. at denne tetthet generelt er større enn 50% av den optimale verdi, hvis begge målinger foretas samtidig. Det skal også bemerkes i denne forbindelse at den optimale passasjehøyde h0pt er normalt meget liten, ;og at bruken av denne optimale passasjehøyde derfor resulterer i et krav om forholdsvis•mange strømningspassasjer og dermed mange passasjevegger, for å oppnå den nødvendige varmeoverføringsenhet pr. volum. ;De følgende eksempler illustrerer de typiske dimensjoner oppnådd med en varmeveksler utviklet i samsvar med oppfinnelsen. Disse eksempler er basert på ytterverdier med hensyn til valg av materialer, nemlig et materiale med god varmeledning, så som1 aluminium ( X» 190) og et materiale med dårlig varmeledning, så som rustfritt stål ( 7v » 23). Følgende utgangsverdier har man valgt i eksemplene: ;s = 0,4 mm ;2v = 1,0 mm ;" X A^ = 180 for aluminium ;J\ = 23 for rustfritt stål ;;\ M =0,13 for mineralolj.e ;Disse verdier gir: ;SA1 = 15,29 ;SRf = 5,32 ;I samsvar med kurven på fig. 11 oppnås følgende: ;HA1 & • 2,45 og HRf c* 1,25,

som i samsvar med den tredje ligning i ligningssystemet (3) resulterer i :

hopt 1,23 og hoptRf = 0,625.

Hvis strømningspassasjene for eksmepel er gjort 3,25 ganger høyere enn de optimale passasjehøyder, vil passasjene

ha høyden hA^ 4,0 mm og hR^ 2,0 mm.

I dette tilfelle har overføringsvarmetettheten P/V

senket til omtrent 70% av sin maksimale verdi, som illustrert på diagrammet på fig. 15. Ved hjelp av ligningen (2) kan den optimale tykkelse av passasjeveggene regnes ut til: 'opt^ = °'209 °9 'opt^ = °'301-

Hvis man av hensyn til fremstillingen velger en mer praktisk og økonomisk passasjeveggtykkelse, kan en tykkelse på 0,5 mm ansees som hensiktsmessig. Dette svarer til en økning av passasjeveggtykkelsen på 2,39 ganger for aluminium og 1,66 ganger for rustfritt stål. Dette svarer til reduk-sjonen av overføringsvarmetettheten P/V ned til omtrent 85%

for aluminium og omtrent 94% for rustfritt stål, i forhold til den maksimale verdi som kan oppnås i hvert tilfelle,

som illustrert med kurven på fig. 12. Når passasjehøyden og passasjeveggtykkelsen hhv. har de ovenfor valgte verdier, vil den resulterende overføringsvarmetetthet således for aluminium være ned til omtrent 59,5% og for rustfritt stål omtrent 65,8% av hva som kan oppnås med en optimal passasje-høyde og optimal passasjeveggtykkelse. Det er av interesse i denne forbindelse å merke seg at i disse eksempler er over-føringsvarmetettheten for varmeveksleren i rustfritt stål omtrent 90% av overføringsvarmetettheten for varmeveksleren i aluminium. En varmeveksler ifølge oppfinnelsen kan således utvikles til å fremstille en stor mengde overføringsvarme pr. volumenhet selv om det benyttes materiale med forholdsvis lav varmeledningsevne. En varmeveksler i samsvar med oppfinnelsen som er dimensjonert innenfor det angitte omtrent optimale og praktisk anvendelige dimensjonsområde er således ikke utilbørlig påvirket ved varmeledningsevnen av materialet som benyttes i veggene. En følge av dette er imidlertid at passasjehøyden og dermed passasjevegghøyden må reduseres når det benyttes materiale med dårligere varmeledningsevne, hvilket vanligvis fører til et krav om et større antall strømnings-passasjer og dermed passasjevegger.

Som nevnt ovenfor er det et hovedprinsipp med en varmeveksler ifølge oppfinnelsen at de parallelt koblede strømnings-passasjer 13 hhv. 17 i utførelsen som er vist på fig. 4 har et strømningstverrsnitt som er dimensjonert slik med hensyn til det mediet som benyttes at strømningen av mediet gjennom strømningspassasjene er i det vesentlige fullstendig laminær og uten noen sentral utbulent sone. En slik laminær strømning har visse egeneskaper som er av stor betydning for overføringen av varme mellom det strømmende medium og passasjeveggene.

Fig. la illustrerer skjematisk strømningshastigheten

i en laminær mediumstrøm som passerer en passasje 23 dannet ved vegger 24 og hvor forholdene er illustrert; for to forskjellige passasjer med forskjellig passasjebredde s mellom passasjeveggene 24. Det antas at den volumetriske strøm er like stor gjennom begge passasjer. Som vist er strømnings-hastigheten ved innløpet til passasjene like stor over hele bredden av passasjen, og hastighetsfordelingsprofilen er således i det vesentlige lineær. Ettersom mediet fortsetter a strømme gjennom passasjen 23 avtar imidlertid hastigheten i nærheten av 'passasjeveggene 24 samtidig som den øker i passasjens midte slik at hastighetsfordelingsprofilen suksessivt antar en mer parallellignende form. Man vil forstå at dette innebærer at den volumetriske strøm gjennom passasjen i økende grad konsentreres mot passasjens midte mens den avtar i nærheten av passasjens vegger. Etter at mediet har tilbakelagt en viss strekning langs passasjen antar hastighetsfordelingsprofilen en i det vesentlige stabil form. Denne strekning kalles vanligvis innløpshastighetstrekning og er" betegnet med Lw på fig. la. Som vist blir denne innløps-strekningen suksessivt kortere ettersom passasjebredden s avsmalnes. ; Således er innløpsstrekningen Lw i det på fig.la viste eksempel lengre enn den brede passasje, men kortere enn den smale passasje. Det skal legges merke til at det som er sagt gjelder i prinsipp, bare når det strømmende mediums viskositet ikke forandrer seg langs strømningsbanen. Hvis viskositeten av mediet er avhengig av temperaturen som f.eks. i tilfelle ay olje og mediet kjøles ned mens det strømmer gjennom passasjen slik at mediets viskositet gradvis tiltar vil hastighetsfordelingsprofilen fortsette å forandre seg også utenfor den ovenfor nevnte innløpsstrekning Lw på en slik måte at;.mediets volumetriske strøm blir mer og mer

konsentrert mot og ved passasjens midte.

Fig. lb illustrerer på en lignende måte temperaturfordelingen i mediet som strømmer gjennom passasjen 23. Skjønt forholdene som er vist er for enkelhetens skyld slike som såder når det strømmende medium kjøles, dvs. når varme over-føres fra mediet til passasjeveggene 24, vil man forstå at det samme gjelder også når mediumstrømmen oppvarmes. Mediets temperatur ved passasjens innløp er altså i dette tilfelle i det vesentlige konstant over hele bredden _s av passasjen slik at temperaturfordelingsprofilen er i det vesentlige lineær. Ettersom mediet strømmer gjennom passasjen vil imidlertid temperaturen suksessivt avta i nærheten av passasjeveggene 24 som følge av varmeoverføring fra mediet til passasjeveggene, slik at temperaturfordelingsprofilen suksessivt forandres til en parabel-lignende form. Denne formen blir til slutt i det vesentlige stabil etter at mediet har tilbakelagt en gitt innløpsstrekning LT. Temperaturfordelingen vil deretter avta bare i størrelse uten at profilens form forandres. I prinsipp gjelder også dette bare når viskositeten for mediet forblir konstant. Hvis viskositeten øker langs strømningsbanen vil formen av temperaturfordelingsprofilen fortsette å forandre seg også utenfor innløpsstreknin-gen LT slik at den suksessivt blir mere tilspisset. Innløps-strekningen LT for temperaturfordelingen blir altså kortere med smalere passasjebredde og i eksemplet som er illustrert på fig. lb er temperaturinnløpsstrekningen LT lengre enn den bredeste passasje, men kortere enn den smaleste passasje. Generelt er temperaturinnløpsstrekningen LT lengre enn hastig-hetsinnløpsstrekningen Lw.

Ettersom, som nevnt ovenfor, frembringes varmeoverføringen mellom en i det vesentlige totalt laminær mediumstrøm og veggene som danner strømningspassasjen ved hjelp av varmeledning mellom hvert enkelt element i mediumstrømmen og den nærmest beliggende passasjevegg vil man forstå at fenomenet som er beskrevet ovenfor og illustrert på fig. la og lb forårsaker at varmeoverføringen mellom mediumstrømmen og passasjen blir suksessivt dårligere jo lengre bort fra passasjeinnløpet målingen foretas. Denne reduksjon i varmeoverføring forårsakes ved en gradvis nedsenkning av temperaturgradienten i nærheten av passasjeveggen og fordi en overveiende del av den volumetriske strøm av mediet konsentreres i og ved passasjens midte slik at den volumetriske strøm i nærheten av passasjeveggene avtar. Fig. 2 'viser en kurve som skjematisk illustrerer varmeoverføringen som en funksjon av lengden av mediets strømningsbane,fra passasjeinnløpet og viser at varmeoverføringen avtar meget raskt med økende avstand fra passasje-innløpet. Man vil forstå at dette fenomen motvirker den gode varmeoverføringen som kan oppnås med en laminær mediumstrøm i en strømningspassasje med meget liten bredde s_. Ved enden av temperaturinnløpsstrekningen LT, hvor det i samsvar med kurven på fig.i 2 råder i det vesentlige stabile varmeoverføringsforhold mellom mediet og passasjeveggen, er det mulig å avgrense i det strømmende medium en ekvivalent varmeoverføringsbane som er omtrent 25% av bredden _s av strømnings-passasjen. Det er klart at forholdene som råder i nærheten av passasjeinnløpet, dvs. innenfor temperaturinnløpsstrekningen LT er fordelaktig anvendt for å oppnå den best mulige varmeoverføring. Man vil forstå at innenfor denne innløpsstrekning er den ekvivalente varmeoverføringsbane i mediet mindre enn s/4.

Man vil forstå at den beste varmeoverføring ville man kunne oppnå hvis det hadde vært mulig å frembringe over en større del av strømningspassasjens lengde slike varmeoverføringsforhold som råder i nærheten av passasjens innløp,

dvs. innenfor temperaturinnløpsstrekningen LT ved begynnelsen av kurven på fig. 2. I samsvar med en særlig fordelaktig utførelse av oppfinnelsen kan dette oppnås ved å utstyre passasjeveggene i det minste på ett sted langs passasjelengden med slisselignende avbrytelser. På denne måte gjenopprettes hastighetsfordelingsprofilen på de steder hvor slike slisselignende avbrudd finnes i passasjeveggene slik at profilen igjen blir i; det vesentlige lineær under fortsettelsen langs strømningspassasjen nedstrøms for det slisselignende avbrudd. Det kan sies: at denne slisselignende avbrytelse i passasjeveggene danner innføringen av en ytterligere hastighets-innløpsstrekning. Selvfølgelig resulterer dette i en viss forbedring i varmeoverføringen.

Temperaturfordelingsprofilen påvirkes imidlertid ikke

i noen særlig grad ved nærværet av en slik avbrytelse i passas jeveggene hvis ikke ytterligere forholdsregler tas. I samsvar med særlig fordelaktige utførelser av oppfinnelsen er slike forholdsregler imidlertid blitt gjort mulige ved anordning av innretningen ved hjelp av hvilke også tempera-turf ordelingsprof ilen kan forbedres på det sted hvor det finnes slisselignende avbrytelser i passasjeveggene. Denne forbedring kan oppnås på én av to måter som er illustrert på

fig. 3a og 3b.

Fig. 3a illustrerer skjematisk et antall innbyrdes parallelle strømningspassasjer 23 som er skilt fra hverandre med passasjevegger 24 som alle er utstyrt med en slisse 25

som forløper på tvers av passasjenes lengderetning. Strøm-ningspassas jeforlengelsene 23' som befinner seg nedstrøms for slissen 25 er i dette tilfelle forskjøvet sideveis.i ret-ningen av forlengelsen av slissen 25 i forhold til strømnings-passasjene 23 som befinner seg oppstrøms for slissen. Dette innebærer at mediumstrømmen som forlater en passasje 23 opp-strøms for slissen 25 ikke vil strømme direkte inn i en motsatt beliggende strømningspassasje nedstrøms for slissen 25, men istedenfor vil den prinsippielt sett desles opp mellom to tilstøtende strømningspassasjer 23' nedstrøms for slissen 25. Som vist på fig. 3a vil på denne måte de strømningssjikt som oppstrøms for slissen 25 befant seg i nærheten av passasjeveggene 24 og derved fikk en lavere temperatur nå strømme i nærheten av passasjenes midte i passasjeforlengelsene 23' beliggende nedstrøms for slissen 25. Tilsvarende vil strøm-ningss j iktene som befant seg i passasjenes 23 midte oppstrøms for slissen 25 og som derfor har en høy temperatur nå strømme videre i nærheten av passasjeveggene langs passasjeforlengelsene 23^ nedstrøms for slissen 25. På denne måte gjenopprettes effektivt hastighe.tsfordelingsprof ilen nedstrøms for slissen 25 slik at den blir i det vesentlige lineær likesom tempera-turf ordelingsprof ilen hvorved det igjen oppnås en høy tempera-turgradient i nærheten av passasjeveggene 24. På denne måte oppnås at varmeoverføringsforholdene som råder ved innløpet til passasjeforlengelsene 23' nedstrøms for slissen 25 vil være omtrent like gode som forholdene ved innløpene til strøm-ningspassas jene 23 oppstrøms for slissen 25.

En ytterligere og muligens mere fordelaktig måte å oppnå det samme det samme resultat er illustrert på fig. 3b. De innbyrdes parallelle strømningspassasjer 23 ved denne utførelse er også utstyrt med en tverrgående slisse 25 på et sted langs passasjenes lengde. I denne utførelse er imidlertid passasjeforlengelsene 23' nedstrøms for slissen 25 plassert i flukt med passasjeseksjonene 23 oppstrøms for slissen 25, hvilket kan være en fordel ut fra fremstillings-synspunkt. På den annen side er slissen 25 som strekker seg på tvers av passasjene anordnet slik at slissens ene ende er i forbindelse med et mediuminnløp 27, eventuelt gjennom en passende innsnevring 26, mens slissens andre ende er i forbindelse med et mediumutløp 29, eventuelt gjennom en innsnevring 28. På denne måte er en mediumstrøm oppnådd gjennom slissen 25 for-løpende i rette vinkler på de laminære mediumstrømmer som passerer passasjene 23. Følgen av dette er at de laminære strømmer som forlater passasjene 23 oppstrøms for slissen 25 forskyves sideveis før de kommer inn i passasjeforlengélsene 23' nedstrøms for slissen 25. Dette tillater oppnåelsen av det resultat som skjematisk er illustrert på fig. 3b, nemlig at strømningssjikt som strømmer i nærheten av passasjeveggene 24 i passasjene 23 oppstrøms for slissen 25 vil nedstrøms for slissen 25 strømme i nærheten av midtene av passasjeforlengelsene 23'. Således har man i denne utførelse gjenopp-rettet hastighetsfordelingsprofilen nedstrøms for slissen 25 for å tilveiebringe en i det vesentlige lineær profilform, og temperaturfordleingsprofilen er vesentlig forbedret slik at temperaturgradienten i nærheten av passasjeveggene 24 øker.

En ytterligere viktig, fordel oppnådd med den tverrgående slisse 25 er at denne avbryter varmeledningen gjennom passasjeveggene 24 i passasjenes aksiale retning. ba en slik varmeledning i passasjeveggene langs strømningspassasjene også forårsaker en vesentlig reduksjon av den totale varmeoverføring, betyr en slik avbrytelse en betydelig forbedring..

Som man vil forstå kan det være anordnet flere tverrgående slisser enn én, f..eks. to, plassert i en forutbestemt avstand fra hverandre langs ws"trømningspassasjenes 23 lengde. En anordning med flere slisser enn to i hver strømnings-passasje vil imidlertid normalt tilveiebringe bare neglisjer-

bar ytterligere forbedring..

I den utførelse av en varmeveksler i samsvar med oppfinnelsen som illustrert på fig. 4a - 4c har hver av strøm-ningspassas jene 14 og 17 for de respektive medier Ma og Mb utstyrt med to tverrgående slisser 25. Slissenes ender er i forbindelse med innløpsrommene 8 hhv. 10 og innløpsrommene 9 hhv. 11 for de to medier Ma hhv. Mb.

Temperaturinnløpsstrekningen LT for en strømningspassasje som har et slisselignende, smalt, avlangt tverrsnitt kan ut-regnes omtrentlig ved hjelp av følgende formel:

hvor

Q = den, volumetriske strøm gjennom passasjen (m /s)

= tettheten av mediet (kg/m<3>)

Cp = den spesifikke varme av mediet (Ws/kg K)

Antallet av tverrslissene pr. strømningspassasje bør

være i det minste én slisse skjønt dette antallet kan velges fordelaktig slik at den innbyrdes avstand mellom slissene omtrentlig svarer til lengden av temperaturinnløpsstrekningen LT eller er kortere enn denne lengde.

I den ovenfor omtalte dimensjonering og optimering har

man antatt at den ekvivalente varmeoverføringsbane i mediet som strømmer i en passasje er omtrent 1/4 av passasjens bred-

de s^, hvilket som allerede nevnt gjelder for den delen av passasjen som befinner seg nedstrøms for temperaturinnløps-strekningen. Når tverrslissene er anordnet i passasjeveggene på den ovenfor nevnte måte, vil den ekvivalente varmeoverførings-bane i de strømmende medier være kortere, og dette bør tas i betraktning når passasjehøyden og passasje<y>eggenes tykkelse dimensjoneres.

Når en varmeveksler i samsvar med oppfinnelsen dimensjoneres, er trykkfallet i strømningspassasjene også av betydelig interesse. Det aksepterbare trykkfall i en strømningspassasje for den minste volumetriske strøm gjennom passasjen som kan tillates av hensyn til den ønskelige varmeutveksling og når beleggene på passasjeveggene begynner å bygge seg opp til en maksimalt -tillatelig tykkelse, kan regnes ut fra følgende ligning:

hvor

Q = den laveste aksepterbare volumetriske strøm gjennom strømningspassasjen (m /s)

= mediets viskositet (Ns/m 2)

L = strømningspassasjens lengde i strømningsretningen

(m)

h = strømningspassasjens høyde (m)

s = s±rømningspassasjens bredde (rn)

B = beleggets tykkelse (m)

Et lite trykkfall kan oppnås i en varmeveksler ifølge oppfinnelsen ved reduksjon av lengden L av strømningspassa-sjene sammenlignet med den normale lengde av slike passasjer i vanlige varmevekslere. Når strømningspassasjenes lengde

L er redusert, må strømningspassasjenes antall økes, hvilket fører til at den totale volumetriske mediumstrøm gjennom varmeveksleren deles opp mellom et større antall s-trømnings-passasjer slik at den volumetriske strøm pr. passasje blir mindre. Da mån på denne måte reduserer både strømnings— passasjenes lengde L og den volumetriske strøm Q gjennom hver strømningspassasje, blir også trykkfallet p i strømnings-passas jene lite. Et aksepterbart trykkfall kan også oppnås i tilfelle av ytterst: viskøse medier, såsom mineralolje, ved forkortning av strømningspassasjenes lengde og økning av deres antall uten alvorlige ulemper.

Når man konstruerer en varmeveksler ifølge oppfinnelsen for utveksling av varme mellom to væsker, kan de individuelle strømningspassasjer gis følgende typiske dimensjoner utregnet på basis av forholdene og omstendighetene som diskutert, ovenfor:

Lengden L i strømnin<g>sretnin<g>en omtrent 10 - 60 mm

Høyden h stort sett. under 8 mm og ofte mellom 2 og 5 mm Bredden s_ normalt 0,2 — 1,5 mm og ofte under Imm.

På denne måte velges passasjebredden s_ med tanke på korte ekvivalente varmeoverføringsbaner. og under hensyn til at et belegg opp til 0,1 - 0,2 mm kan.aksepteres i visse tilfelle før det blir nødvendig å rengjøre passasjeveggenes overflater. Den valgte passasjehøyde kan også varieres avhengig av de medier som strømmer gjennom passasjene slik at mediet som har den dårligste varmeledningsevne og den høyeste viskositet gis en større andel av varmevekslerens volum og dermed en større strømningspassasjehøyde.

Et.antall forskjellige konstruksjonsutførelser av varmevekslere ifølge oppfinnelsen skal nå forklares som eksempler.

Utførelsen av en varmeveksler som er vist på fig. 5a-5c skiller seg fra varmeveksleren som er vist på fig. 4a-4c ved at passasjeveggene mellom strømningspassasjene 13 for mediet Ma og strømningspassasjene 17 for mediet Mb er alternerende avgrenset ved flenser 12 hvv. 16 som er utformet integralt med den sylindriske skillevegg 5 på begge sider av samme og ved flenser 30 som er utformet integralt med den indre overflate av den ytre sylindriske mantel 3 og flenser 31 som er utformet integralt med den ytre overflate av den indre hylse 20. Kantene av flensene 30 og 31 er i mekanisk kontakt med skilleveggen 5 og styres inn i riktige stillinger ved hjelp av V-formede eller U-formede fordypninger i skilleveggen 5. I dette tilfelle forløper alle flenser 12, 16, 30, 31 som danner passasjeveggene skrueformet, slik at de forskjellige varmevekslerkomponenter kan skrues sammen. Skilleveggens 5 tykkelse varierer svakt slik at skilleveggen er konisk i form hvorved det oppnås en god mekanisk kontakt mellom komponentene når varmeveksleren monteres sammen.

Varmeveksleren som er vist på fig. 6a-6c er hovedsakelig forskjellig fra de ovenfor omtalte varmevekslere ved at strøm-ningspassas jene 32 for mediet Ma og passasjer 33 for mediet Mb strekker seg aksialt mens fordleingskanalene 34 og fordelingskanalene 35 (vist på fig. 6c for mediet Ma) strekker seg i det vesentlige periferisk. Strømningspassasjene 32,

33 er dannet ved aksialt forløpende flenser 36 og 37 som er utformet integralt med den sylindriske skillevegg 5 på begge sider av samme og aksialt forløpende flenser 38 som er utformet integralt med den indre flate av den ytre mantelvegg 3 samt aksialt forløpende flenser 39 som er integrale med den ytre flate av innerhylsen 20. Som vist på fig. 6a er kantene av de respektive flenser 38 og 39 i god mekanisk kontakt med skilleveggen 5 på stder mellom flensene 37 hhv. 36 av skilleveggen. Som i varmeveksleren ved utførelsen ved utførelsen ifølge fig. 5a-5c er de_ forskjellige varmevekslerelementer i denne utførelse også utformet konisk slik at det blir mekanisk kontakt mellom komponentene.

I den utførelse av varmeveksleren som er vist på fig. 7a-7c er passasjeveggene som danner strømningspassasjer 40 for mediet Ma og strømningspassasjer 41 for mediet Mb utformet som ringformede plater 42 hhv. 43 som er fast forbundet med den sylindriske skillevegg, f.eks. ved sveising, lodding, slaglodding, press-støpning, sintring, osv., og er elastisk derformert til noe konisk form ved at de er presset mot innerflaten av

i

den ytre sylindriske mantel 3 hhv. ytterflaten av den sylindriske hylse 20.

i

En varmeyeksler ifølge oppfinnelsen kan også være utført med en plan skillevegg, i hvilket tilfelle får den et utseende og mange egenskaper som ligner egenskapene av en vanlig plate-varmeveksler. Overføringsvarmetettheten oppnådd med en plan varmeveksler i samsvar med oppfinnelsen, kan være omtrent lik den som oppnås i en varmeveksler i samsvar med oppfinnelsen, men med rørformede skillevegger. Sikkerheten mot lekkasje og evnen til å motstå trykk er imidlertid noe svakere i en slik plan varmeveksler. Ved å benytte hensiktsmessig frem-stillingsteknikk burde det imidlertid være mulig å oppnå egenskaper som er sammenlignbare med eller bedre enn tilsvarende egenskaper i konvensjonelle varmevekslere. Den utførelse av varmeveksleren som er-skjematisk vist på fig. 8 illustrerer prinsippet for en slik plan varmeveksler ifølge oppfinnelsen. Fig. 8 viser halvparten av varmeveksleren innrettet for det ene varmevekslermedium Ma. De skraverte flater (på tegningen) av denne varmeveksler-halvdel er på en hensiktsmessig måte sammenføyd med én side av en plan skillevegg, f.eks. ved slaglodding i ovn i vakuum, mens den andre halvdel av varmeveksleren er bestemt for det andre medium Mb og er sammenføyd med den andre side;av den plane skillevegg. Man vil forstå at de forskjellige komponenter i en slik plan varmeveksler ifølge oppfinnelsen også kan sammenføyes ved hjelp av strekkbolter og stive, tykke trykkplater og de nødvendige tetninger kan bestå av ettergivende tetningselementer eller pakninger.

Fig. 9a-9c viser en utførelse av en varmeveksler ifølge oppfinnelsen innrettet for utveksling av varme mellom en væske og en gass, og varmeveksleren passer til bruk som en sentral-varmeradiator. Fig. 9a er et skjematisk perspektivriss av varmeveksleren, fig. 9b viser et vertikalsnitt gjennom varmeveksleren og fig. 9c viser et parti av varmeveksleren i større målestokk.

I denne utførelse har varmeveksleren en ytterform som

et parallell-epiped og er montert i et ytre hus 46 som er åpent ved toppen og bunnen og som tjener som et gjennomstrøm-ningskammer for den gass skal oppvarmes idet gassen strømmer nedenfra, dvs. fra bunnen oppover som følge av naturlig trekk. Varmeveksleren omfatter to identiske elementer 53a og 53b

som hvert omfatter en plan for mediet ugjennomtrengelig skillevegg 47a hhv. 47b som på sin ene side er utstyrt med horisontalt utstikkende innbyrdes parallelle flenser 48a hhv. 48b og på den andre side med lignende horisontalt forløpende parallelle flenser 49a hhv. 49b. De to varmevekslerelementer er skjøtet sammen med flensene 48a og 48b som er innsatt mellom dem slik at slisselignende væskestrømningspassasjer 50 er dannet i mellom. Slisselignende gass-strømningspassasjer 51a og 51b er dannet mellom flensene 49a hhv. 49b. Som vist er væskestrømningspassasjene 50 og gass-strømningspassasjene 51a, 51b dimens-jonert med hensyn til de forskjellige egenskaper for de to medier. Væsken innføres i strømningspassasjene 50 fra et innløpskammer 52 som er anordnet ved den øvre ende av varmeveksleren og føres gjennom vertikale fordelingskanaler som strekker seg gjennom flensene 48a, 48b og tas ut fra strømningspassasjene 50 gjennom samlekanaler som strekker

seg vertikalt gjennom flensene 48a, 48b fra et utløpskammer

54 som er anordnet ved varmevekslerens nedre ende. Gassen innføres i strømningspassasjene 51a hhv. 51b på lignende måte, nemlig gjennom vertikale fordelingskanaler som strekker seg oppover fra varmevekslerens nedre ende gjennom flensene 49a, 49b og gassen tas ut fra strømningspassasjene 51a, 51b gjennom vertikale samlekanaler som strekker seg oppover gjennom flensene 49a, 49b motsatt til den øvre ende av varmeveksleren.

Man vil forstå at det ved å anvende prinsippene i samsvar med oppfinnelsen vil være mulig å fremstille varmevekslere med mange utførelser som er forskjellig fra det som er vist og omtalt ovenfor. For eksempel kan en varmeveksler i samsvar med oppfinnelsen omfatte et antall kammere for hvert av de to varmevekslemedier, og disse kammere kan være anordnet alternerende ved siden av hverandre med mellomliggende plane skillevegger eller de kan være anordnet konsentrisk utenfor hverandre med mellomliggende rørformede skillevegger. En slik utførelse er den utførelse som synes å være mest benyttet i praksis som et resultat av den lave passasjehøyde og dermed større antall passasjer og passasjevegger som er nødvendig for oppnåelse av det nødvendige volum. I alle de beskrevne utførelser er fordelingskanalene og samlekanalene plassert innenfor den aktuelle varmeveksler-montering, skjønt det kan være mulig eller også hensiktsmessig i noen tilfelle å plassere disse kanalene utenfor selve varmeveksler-monteringen. I de viste og beskrevne utførelser har man også antatt at begge varmevekslemedier har i det vesentlige fullstendig laminær strømning. I visse anvendelsesområder er imidlertid ingen ting i veien i for å hindre at ett av mediene kan ha laminær strømnings mens det andre medium bibringes en turbulent strøm-ning på en vanlig måte.

Claims

1. Varmeveksler omfattende i det minste to kammere ( A, B) som er adskilt ved hjelp av en for mediet ugjennomtrengelig varmeledende skillevegg (5), hvilke kammere passeres av hver sitt av de -to medier (Ma, Mb) , mellom hvilke medier varmeut-vekslinger skal finne sted, og hvor hvert kammer er utstyrt med i det, minste ett innløp og i det minste ett utløp, og hvor det indre av i det minste ett av kamrene er oppdelt i et stort antall strømningspassasjer (13, 17) som er koblet parallelt med hensyn til mediumstrømmen gjennom passasjene, hvor passasjenes innløpsender og utløpsender hhv- er i forbindelse med kammerets innløp og utløp gjennom fordelingskanaler (14, 18) og samlekanaler (15, 19) og hvor passasjenes avgrensnings- og adskillende vegger (12, 16) omfatter et materiale med god varmeledningsevne og er i god varmeoverførings-kontakt med skilleveggen (5), og i hvilken varmeveksler-strømningspassasjene (13, 17) har et strømningsareal innrettet slik for mediet som strømmer gjennom at den nevnte mediumstrøm i strømningspassasjene er i det vesentlige laminær uten sentral turbulentsone, karakterisert ved at høyden (h) av strømningspassasjene (13, 17) og dermed passasjeveggene (12, 16) sett i en retning vinkelrett på skilleveggen (5) har en verdi opp til 350% av verdien oppnådd ved løsning av det følgende ligningssystem, skjønt ikke større enn at den svarer til S = H hvor V = halve veggtykkelsen av skilleveggen (m) s = strømningspassasjens bredde parallelt med skilleveggen (m) h = høyden av strømningspassasjene og dermed passasjeveg gene vinkelrett på skilleveggen (m) A = varmeledningsevnen av materialet i passasjeveggene (W/mK) A M = varmeledningsevnen for mediet (W/mK) som strømmer gjennom strømningspassasjene, og at tykkelsen (t) av passasjeveggene (12, 16) parallelt med skilleveggen (5) har en verdi som utgjør mellom 30% og 500%, fortrinnsvis mellom 100% og 350% av verdien oppnådd ved hjelp av ligningen hvor t = passasjeveggens tykkelse (m).

2. Varmeveksler ifølge krav 1, karakterisert ved at strømningspassasjenes (13, 17) bredde (s) i en retning parallelt med skilleveggen (5) er mindre enn 1,5 mm og fortrinnsvis mindre enn 1,0 mm.

3. Varmeveksler ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at passasjeveggene (12, 16) som danner strømningspassasjer (13, 17) er utstyrt med en slisselignende avbrytelse (25) på i det minste ett sted langs passasjenes lengde slik at hastighetsfordelingsprofilen av mediet som strømmer gjennom passasjen på dette sted sett på tvers av passasjen i rett vinkel på passasjeveggen gjenopprettes til en i det vesentlige lineær konfigurasjon og slik at varmeoverføringsbanen i passasjeveggene i lengderetningen av strømningspassasjene avbrytes.

4. Varmeveksler ifølge krav 3, karakterisert ved at varmeveksleren omfatter et antall innbyrdes parallelle strømningspassasjer (23) og at de slisselignende avbrytelser i passasjeveggene (24) som avgrenser og skiller strømningspassasjene er plassert i flukt med hverandre slik at de sammen danner en slisse (25) som strekker seg på tvers av strømningspassasjene (fig. 3a, 3b).

5. Varmeveksler ifølge krav 4, karakterisert ved at strømningspassasjene (23) på én side av tverr-slissen (25) på en side av den tverrgående slisse (25) er forskjøvet sideveis i retning av slissens forlengelse i forhold til strømningspassasjene (23) på slissens andre side med en strekning svarende til halve delen mellom to tilstøtende strøm-ningspassas jer (fig. 3a).

6. Varmeveksler ifølge krav 4, karakterisert ved at den tverrgående slisse (25) ved sin ene ende er i forbindelse med mediuminnløpet og ved sin andre ende med msdiumutløpet slik at mediet i slissen strømmer på tvers av strømningsretningen i strømningspassasjene (23), hvorved ikke hele mediumstrømmen som går ut av eh gitt strømningspassasje (23) på én side av slissen (25) vil strømme inn i den motsatt beliggende strømningspassasje (23) på den andre side av slissen, men at en del av mediumstrømmen vil gå inn i en tilstøtende strømningspassasje (fig. 3b).

7. Varmeveksler ifølge ett av kravene 3-6, karakterisert ved at veggene (12, 16) av strømningspassasjene (13, 17) har to eller flere slisselignende avbrytelser (25) som er anordnet på steder jevnt fordelt langs lengden av strømningspassasjene.

8. Varmeveksler ifølge ett av kravene 1-6, karakterisert ved at passasjeveggene (12, 16) er utformet integralt med skilleveggene (5) (fig. 4).

9. Varmeveksler ifølge ett av kravene 1-6, karakterisert ved at passasjeveggene (42, 43) er formet av elementer som er separate fra skilleveggen (5) og som er anordnet slik at kantene av elementene som vender mot skilleveggen er i god mekanisk og varmeledende kontakt med skilleveggen (fig. 7).

10. Varmeveksler ifølge ett av kravene 1-6, karakterisert ved at de innbyrdes parallelle passasjevegger (12, 30, 16, 31) alternerer og er hhv. utformet integralt med skilleveggen (5), og karakterisert ved elementer (30, 31) som er adskilt fra skilleveggen, hvor kantene av elementene som vender mot skilleveggen er i god mekanisk og varmeledende kontakt mellom dem (fig. 5).

11. Varmeveksler ifølge ett av kravene 1-10, karakterisert ved at de to kammere (A, B) for de respektive mediumstrømmer er av ringformet konfigurasjon og er anordnet konsentrisk på begge sider av den i det vesentlige sylindriske skillevegg (5), og at mediuminnløpene og -utløpene er anordnet ved kamrenes aksiale ender (fig. 4).

12. Varmeveksler ifølge krav 11, karakterisert ved at strømningspassasjene (13, 17) strekker seg i det vesentlige periferisk gjennom de respektive ringformede kammere (A, B) mens fordelingskanalene og samlekanalene (14, 15, 18, 19) strekker seg| i det vesentlige aksialt (fig. 4).

13. Varmeveksler ifølge krav 11, karakterisert ved at strømningspassasjene (32, 33) strekker seg i det vesentlige aksialt gjennom de respektive ringformede kammere (A, B) og at fordleingskanalene og samlekanalene (34, 35) strekker seg i det vesentlige periferisk (fig. 6).

14. Varmeveksler ifølge krav 11, 12 eller 13, karakterisert ved at den sylindriske skillevegg (5) er tett montert ved begge ender på motsatte endevegger (1, 2) ved de ringformede konsentriske kammeres (A, B) aksiale ender, hvor det ytre kammer (A) er avgrenset radialt utover med en ytre sylindrisk mantel (3) hvis to ender er tett forbundet med de to endevegger (1, 2), og hvor det indre kammer (B) er radialt innover avgrenset ved en indre sylindrisk hylse (20) (fig. 4).

15. Varmeveksler ifølge krav 14 og 9 eller 10, karakterisert ved at passasjeveggene (30, 31) adskilt fra skilleveggen (5) er utformet integralt med den ytre mantel (3) hhv. den indre hylse (20) (fig. 5).

16. Varmeveksler ifølge krav 14 eller 15, karakterisert ved at varmevekslerkomponentene holdes sammen med en bolt (4) som er fast montert i de to endevegger (1, 2) som strekker seg gjennom hylsen (20) inne i varmeveksleren.

17. Varmeveksler ifølge ett av kravene 1-10, karakterisert ved at de to kammere som de respektive medium strømmer gjennom har i det vesentlige plan parallell utforming og er anordnet på innbyrdes motsatte sider av den i det vesentlige plane skillevegg.