NO172818B - Anordning for aa unngaa is/rimdannelse i en varmeveksler - Google Patents

Abstract

Ved platevarmevekslere for ventilasjon av boligrom, svømmehaller, offentlige lokaler m.m., hvilke vekslere utnyttes for tilluft og fraluft, oppstår problemer når tilluften har lav temperatur. Følgen er at et kaldt hjørne (A) oppstår i varmeveksleren, noe som forårsaker at varmevekslerens virkningsgrad synker. Foreliggende oppfinnelse har til formål å minske effekten av det kalde hjørnet ved å innføre strupinger (9) langs et antall av kanalene (3) for fraluft, idet strupingene (9) er av samme størrelsesorden langs en og samme kanal, men forskjellige 1 de forskjellige kanalene. (3), idet kanalen (3) med de minste strupingene (9) er beliggende nærmest tilluftens innløp.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for å unngå isdannelse ved varmeveksler i pakkeform, der et antall rektangulære lameller er stablet ovenpå hverandre og tilsammen danner et parallellepipedisk legeme, slik det nærmere fremgår av ingressen til det etterfølgende selv-stendige krav.

Platevarmevekslere av nevnte type benyttes fremfor alt, i varmegjenvinningsaggregater i ventilasjonsanlegg. Et eksempel er vist i figur 2 på tegningen. Platevarmeveksleren består av et stort antall lameller med et visst mellomrom. I hvert annet mellomrom strømmer fraluft og i hvert annet tilluft. Vanligvis er det varmen fra en fraluftsstrøm til en tilluftsstrøm som overføres gjennom at respektive strømmer passerer varmeveksleren i adskilte kanaler. Lamellene er ofte fremstilt av aluminium og avstanden mellom dem kan opp-rettholdes på forskjellige måter, f.eks. ved preginger i lamellene.

Som alle andre typer av varmevekslere har platevarmevekslere både fordeler og ulemper. En av de største ulempene når det gjelder platevarmevekslere er stor fare for isdannelse ved fallende utelufttemperatur under 0°C. I denne type av

såkalte rekuperative varmevekslere kjøles en fraluft som vanligvis er en varm og fuktig luft av en friskluft eller lignende kald luftstrøm. Disse luftstrømmene bytter varme i veksleren uten å komme i direkte kontakt med hverandre. Den kjølende strømmen av friskluft eller lignende opptar varme fra fraluften og senker dennes temperatur. På grunn av dette skjer en utfelling eller en kondensering av fuktighet på fra-luf tskanal ens varmevekslerflater. Dette fører i forbindelse med lave utelufttemperaturer (under 0°C) til frost og isdannelse. En slik isdannelse minsker varmevekslerens varmeover-føringsevne og fører til en nedsatt varmeoverføring, og forårsaker at man regulerer ned temperaturvirkningsgraden på varmeveksleren ved f.eks. å shunte en del av tilluften. Det finnes et antall metoder for å forhindre isdannelse og igjen-

frysing av fraluftkanalene. Man kan f.eks. med en trykkvakt avføle når trykkfallet på fraluftssiden på grunn av is har økt, og i en viss tid la tilluften gå gjennom shuntspjeldet. Tiden for å smelte isen kan imidlertid bli meget lang. En annen måte er kontinuerlig å regulere shuntspjeldet slik at isdannelse aldri oppstår. Dette kan skje ved hjelp av en temperaturgiver som plasseres der fraluften forlater varmevekslerens kalde kant. Samtlige metoder for å forhindre isbelegg forårsaker at den maksimale virkningsgraden på varmeveksleren ikke kan utnyttes i vinterhalvåret på grunn av dette. Særlig merkbart blir dette i kaldt klima. Alle metoder for å forhindre isdannelse og påfrysing medfører et ekstra tap av kostbar energi.

Temperaturen på den luft som forlater platevarmeveksleren varierer fra kant til kant. Eksempel på dette kan man se i figur 2 på tegningen. Ujevn lufttemperaturfordeling ved utløp på fraluftssiden forårsaker at et hjørne (merket "A" i figur 2) har betydelig lavere temperatur enn det andre hjørnet på samme side. Det hjørnet kalles det kalde hjørnet. Det såkalte kalde hjørnet er særlig utsatt for isdannelse.

Betegnelsene i figur 2 har følgende betydning:

tfin - fraluftstemperatur in

^tin ~ tilluftstemperatur in

ti - tilluftstemperatur etter varmevekslere i det kaldeste

hjørnet, konvensjonell veksler

t£ - fraluftstemperatur etter varmeveksler i det kaldeste

hjørnet, den nye varmeveksleren

t3 - fraluftstemperatur etter veksler i det varmeste

hjørnet, konvensjonell varmeveksler

t4 - fraluftstemperatur etter veksler i det varmeste

hjørnet, den nye varmeveksleren

a - fordeling av tilluftstemperatur etter veksleren,

konvensjonell veksler

b - fordeling av fraluftstemperatur etter varmeveksler,

konvensjonell veksler

c - fordeling fraluftstemperatur etter veksler, den nye

veksleren

At^ - forskjell i fraluftstemperatur mellom kaldeste og

varmeste punkt etter varmeveksler, konvensjonell type A±2 ~ forskjell i fraluftstemperatur mellom kaldeste og varmeste punkt etter varmeveksleren, den nye veksleren.

Til- og fraluftstemperaturnivået påvirker og bestemmer plate-temperaturnivået. Når temperaturen på platen, som skiller de to luftstrømmene går under 0°C opptrer isdannelse av kondens-vann i varmevekslerens kalde hjørne. Jevnere tillufts-temperaturfordeling ved utløpet på fraluftssiden medfører jevnere platetemperaturfordeling på samme side av veksleren. Økt fraluftstemperatur i det såkalte kalde hjørnet øker altså platetemperaturen i det hjørnet.

Temperaturen i det kaldeste hjørnet er det mest vesentlige og avgjørende med hensyn til regulering av temperaturvirkningsgraden. Temperaturen i det kaldeste hjørnet innvirker altså på den tiden under hvilken man utnytter varmeveksleren 100$, noe som er meget viktig sett fra et energisparesynspunkt.

Foreliggende oppfinnelse går ut på å minske ulempene med det nevnte kalde hjørnet. Dette skjer ifølge oppfinnelsen ved at kanalene for det varmeavgivende medium er slik utformet at hastigheten hos det gjennomstrømmende mediet øker fra sitt innløp til sitt utløp hvorved mediets varmeavgivelses-kapasitet øker fra innløp til utløp. Økningen kan være kontinuerlig eller trinnvis. Varmeavgivningsevnen på fraluftskanalene kan reguleres på forskjellige måter. Således kan luften i de forskjellige fraluftskanalene ha ulik hastighet. Luftstrømmene kan være laminære eller turbulente. Den varmeavgivende evnen kan også økes ved å forsyne en kanal med tilleggsflater som kan ha karakter av langsgående, innovervendte flenser eller innpreginger av forskjellig art. Ved å anordne flenser eller innpreginger som avviker fra langsgående utstrekninger oppstår mulighet for å kunne få den gjennomstrømmende luften til å turbulere.

Varmeoverføringen i den nevnte platevarmeveksleren kan bringes til å øke dersom kanalene for tilluft er slik at hver kanal langs sin retning i strømningsretningen har økt evne til å oppta varme. Dette kan skje ved suksessivt økte tilleggsf later i form av innpreginger som kan være rent langsgående eller ha en retning som avviker fra denne retning. I stedet for innpreginger kan man naturligvis også benytte innoverrettede flenser både i lengderetningen og i retninger som avviker fra denne.

For oppbygging av en varmevekslerpakke trenges således to typer av lameller som legges mot hverandre slik at det oppnås kryssvis gjennomstrømning.

Et utførelseseksempel for oppfinnelsen skal beskrives i forbindelse med ytterligere fem figurer, der

figur 3 viser i perspektiv skjematisk tre varmeveksler-lameller anordnet på hverandre,

figur 4 viser skjematisk et enderiss av tre varmeveksler-lameller,

figur 5 viser skjematisk en tilluftslamell,

figur 6 viser skjematisk en fraluftslamell, og figur 7 viser skjematisk seks forskjellige pregemønstre.

I figur 3 vises tre på hverandre lagte lameller 1, 2 og 3. Ever lamell har en plan bunn som danner gjennornstrømnings-kanalenes bunn og hver lamell er forsynt med et antall ved siden av hverandre anordnede parallelle, oppoverrettede flenser 4,5,6,7 og 8. Lamellbunnen og flenser kan være fremstilt ved en ekstruderingsmetode eller kan være fremstilt av en plate eller folie av fortrinnsvis metall, såsom aluminium, hvilken folie er brettet på en slik måte som fremgår av figur 4. Samtlige lameller i figur 3 har plane bunner. Fordelen med lameller av den art som vist i figur 3, er at man for å bygge opp en platevarmeveksler bare behøver å ha en eneste lamelltype der man stabler lamellene vekselvis dreid i 90° i forhold til hverandre. Hver lamell omfatter bunn og sidevegger for sine kanaler, og for tak for kanalene fra ovenpå beliggende lamell. Lameller ifølge figur 3 kan med fordel benyttes for fremstilling av platevarmevekslerpakker som ikke har de problemer som forårsakes av et kaldt hjørne.

I figurene 4, 5 og 6 vises lameller som er forsynt med strupinger, og der strupingene i figur 4 har betegnelsene 9 og 10. Som også strupingene i figur 6 har samme henvisningstall, mens i figur 5 har de henvisningstall 11. Strupingene i nevnte tre figurer er oppnådd ved innpreginger på baksiden av kanalenes bunner. Derved oppstår opphøyninger i kanalene som forårsaker strupinger. Opphøyningene kan ha en hvilken som helst form under forutsetning av at de bevirker struping. I figur 7 vises flere forskjellige arter av opphøyninger.

I figur 4 vises at en preging kan ha høyden h og en flens ha høyden H. Høyden H kan ha en verdi som ligger mellom 2-10 mm, og en kanal har en bredde L som ligger mellom 30-100 mm. En fordelaktig bredde er mellom 33 og 39 mm. Høyden på en preging h kan ligge mellom 0,1-3 mm.

I figur 5 vises en tilluftslamell 2 med opphøyninger 11. Hver kanal har et antall opphøyninger, og disse er anordnet langs kanalens utstrekning. I hver kanal har en opphøyning inntil selve innløpsåpningen for tilluft den største høyden. Deretter avtar opphøyningenes høyde suksessivt i retning mot tilluftslamellens utløpsåpning. Med hensyn til fralufts-lamellen 3 så har ikke samtlige kanaler opphøyninger 9. I hver kanal har opphøyningene samme høyde langs sin utstrekning, men opphøyningene i de fire forskjellige kanalene er forskjellige. Således er opphøyningene størst i den øverste kanalen og deretter avtar opphøyningene suksessivt ned mot den nederste kanalen.

En varmevekslerpakke med lameller ifølge figurene 5 og 6 har den fordel at kanalene skaper felles turbulensregulering, noe som øker varmeoverføringskoeffisienten som har betegnelsen a og som utgjør et mål på varmeoverføringen mellom en flate og dens omgivende medium, og beror på flatens temperatur, flate-materialet samt mediets temperatur og bevegelse. Det er nettopp mediets (luftens) bevegelse som man endrer ved alle strupingene i kanalens flate. Varmeovergangskoeffisienten angis i W/m<2>K.

Den overførte varmeeffekten på platevarmevekslere kan def ineres

P = k x A x Avm, der

k = varmegjennomgangskoeffisienten W/m<2>K

A = varmeoverføringsflaten i m<2>

Avm = den såkalte logaritmiske middeltemperaturdifferansen K,

al = varmeovergangstallet (varmeovergangskoeffisienten) på

den ene siden av lamellen, f.eks. fraluft-aluminium-folie), W/m<2>K

a2 = varmeovergangstall på den andre siden av lamellen

(f.eks. tilluft - aluminiumsfolie), W/m<2>K

d = lamellens tykkelse i mm,

X = lamellens varmeledningsevne (lamellens varmekonduk-tivitet), W/m<2>K.

Dette fører til en økning av temperaturvirkningsgraden som for platevarmevekslere kan defineres

ti = tilluftstemperatur foran veksleren

t2 = tilluftstemperatur etter veksleren

t3 = fraluftstemperatur foran veksleren.

Temperaturvirkningsgraden er et mål på varmeoverførings-effektiviteten. Jo større en økning er desto høyere cx-verdi oppnås, og motsatt dersom økningen minsker. Fralufts-lamellene har varierende a-verdi fra kanal til kanal på grunn av sine opphøyninger. I kanaler med lav a-verdi (som også omfatter slette kanaler) avgir passerende fraluft mindre varmemengde til kanalens vegger langs kanalens lengde. På grunn av dette beholder fraluften høyere temperatur ved utløp av kanalen enn luft som passerer fraluftskanalene med opp-høyninger og altså med høyere a-verdi. Tilluftslamellene er anordnet på en slik måte at den del av lamellene som er med opphøyninger ligger nedenfor fraluftskanalene med høyere a-verdi• Tilluftskanalene medvirker således til høyere varme-avgivelse fra fraluften inntil utløpet.

I den del av lameller med maksimal opphøyning oppnås en relativt høy a-verdi som medfører høy temperaturvirkningsgrad. På grunn av dette kan man oppnå en middeltemperatur-virkningsgrad på hele varmeveksleren på et relativt høy nivå.

Opphøyningene i de forskjellige kanalene forårsaker også ekstra trykkmotstand som i sin tur fører til ujevn luftstrøm i de respektive kanaler. I kanaler med slett utførelse har den passerende luften høyere temperatur enn i kanalene med opphøyninger. Lufthastigheten avtar med økende opphøyninger i respektive kanaler. Den varme fraluften passerer altså de slette kanalene i løpet av kortere tid enn i de andre. På grunn av de korte gjennomstrømningstidene avgir fraluften mindre varmemengde til den omgivende kanalens vegger. Dette fører til at fraluftstemperatur ved utløpet på veksleren har høyere temperatur i slette kanaler, og at temperaturen minsker med økende opphøyninger i respektive kanaler.

En varmevekslerpakke ifølge foreliggende oppfinnelse mulig-gjør forskjellige varmeoverføringer i ulike kanaler. Ulik grad av varmeoverføring i respektive kanaler medfører ulike lufttemperaturnivåer ved utløpet. Ved dimensjonering av de forskjellige kanalene er målsettingen den at temperaturen ved utløpet i samtlige fraluftskanaler skal være omtrent på samme verdi. Dimensjoneringen skjer på rent eksperimentell måte.

I figur 2 viser den prikkede linjen c den ønskede temperaturfordelingen i varmeveksleren ifølge foreliggende oppfinnelse, idet nevnte temperaturfordeling er oppnådd på eksperimentell måte. De heltrukne linjene a og b tilsvarer temperaturfordelingen i en konvensjonelt oppbygd platevarmeveksler. Av den prikkede linjen fremgår således at temperaturen får høy verdi i det kaldeste hjørnet i varmeveksleren, hvilket er formålet med oppfinnelsen. Nevnte temperaturøkning forlenger vesentlig en 100$ utnyttelse av platevarmeveksleren ifølge foreliggende oppfinnelse. Således er det skapt en varmeveksler som kan utnyttes i perioder med lavere utelufttemperatur enn konvensjonelle varmevekslere.

Når man betrakter figur 2 så viser det seg at man ved en platevarmeveksler ifølge foreliggende oppfinnelse kan oppnå følgende verdier på angitte størrelser, nemlig

I etterfølgende tabell vises de energibesparelser som kan gjøres ved hjelp av en varmeveksler ifølge foreliggende oppf innelse.

Sum av gradtimer pr. år for ettervarming av tilluft til +20°C

For beregning av energibehov for bl.a. oppvarming av luft benyttes begrepet gradtimer som har enheten °Ch.

Gradtimer angir det spesifikke varmebehovet, dvs. summen av temperaturdifferansen mellom tilluftstemperaturnivået etter varmeveksleren og ønsket tilluftstemperaturnivå i lokaler som betjenes, multiplisert med tiden under hvilken temperaturdifferansen råder. Antall gradtimer regnes for hele fyrings-sesongen og uttrykkes derfor i gradtimer pr. år.

Den ovenstående tabell presenterer antall gradtimer pr. år for ettervarming av tilluft til +20°C for platevarmeveksler med temperaturvirkningsgrad = 60$ med defrosting og virk-ningsgradsregulering. Verdiene er beregnet ved hjelp av varighetsdiagram og gjelder for fraluftstemperaturer på +22°C og en relativ fuktighet på 25$.

Fra tabellen fremgår at antallet gradtimer for ettervarming ved bruk av den nye typen varmevekslere minsker meget kraftig og ligger ikke langt fra antallet gradtimer ved bruk av vekslere uten påfrysing (for eksempel roterende varmevekslere). I det følgende vises nærmere hvor stor besparelse som oppnås ved bruk av veksleren ifølge oppfinnelsen i forhold til en konvensjonell platevarmeveksler.

Eksempel: Tilluftsstrøm = 5m<3>/sekund

Antall gradtimer - fra foregående tabell energipris 0,3 kr/KWh.

Beregning av energibesparelse.

Normaltemperaturen er årsmiddeltemperaturen for et bestemt sted. I eksempelet ble det valgt tre forskjellige steder i Sverige med tilsvarende normaltemperatur (fra VVS håndbok): +8°C tilsvarer Malmø

+5°C tilsvarer Gåvle

0°C tilsvarer Pajala.

Energibehovet defineres på følgende måte

Q=qxpxCpXAtx driftstid (At x driftstid = gradtimer) q = tilluftsstrøm som skal oppvarmes i m<3>/sekund p = luftens densitet (ved 20°C =1,2 kg/m<3>)

Cp= luftens spesifikke varmekapasitet (ved 20°C = l,007kJ/kg

K)

At = temperaturdifferansen mellom tilluftstemperaturnivået etter varmeveksleren og ønsket tilluftstemperaturnivå i lokaler som skal betjenes.

Fra tabell nr. 1 tas besparet antall gradtimer ved bruk av de nye varmevekslerne (forskjell A-B).

For normaltemperatur +8°C

Q=5xl,2xlx 1700 = 10200 kWh

Årlig kostnad = energibehov x energipris,

altså 10200 kWh x 0,3 kr/kWh = 3060 kr/år.

For normaltemperatur +5°C

0=5x1,2xlx 5300 = 31800 kWh

31800 kWh x 0,3 kr/kWh = 9540 kr/år

For normaltemperatur 0°C

Q=5xl,2 xlx 12700 = 76200 kWh

76200 kWh x 0,3 kr/kWh = 22860 kr/år

Energibesparelsen ved bruk av varmevekslere ifølge foreliggende oppfinnelse er meget stor og øker ved fallende normaltemperatur .

"Ved sammenligning med en konvensjonelt oppbygd varmeveksler og en varmeveksler ifølge foreliggende oppfinnelse finner man således at utjevningen av temperaturfordelingen ved utløpet på fraluftssiden samt økning av temperaturen på det såkalte kalde hjørnet forlenger vesentlig utnyttelsestiden av platevarmeveksleren, noe som samtidig utgjør en stor energibesparelse.

En platevarmeveksler ifølge foreliggende oppfinnelse krever således to typer av lameller. For å oppnå en minskning av nedkjølingen i det kritiske hjørnet inntil fraluftens høyre utstrømningskant og tilluftens høyre innstrømningskant i det foregående er det entydig beskrevet at oppgaven for foreliggende oppfinnelse er å regulere temperaturen ved nevnte kritiske hjørne slik at en isdannelse unngås. Dette kan også uttrykkes på den måte at temperaturen i fraluften fordeles ved fraluftens utløp slik at nedkjøling nedsettes, og det temperaturopptagende mediets varmeopptak øker fra det varmeopptagende mediets innløp til dets utløp. Nevnte temperaturf ordel ing kan også skje ved at tilløpsluf ten før innløpet til lamellene for fraluften gis forskjellige hastigheter. Inni lamellene kan fraluften gis en gjennom-strømning som avviker fra laminær gjennomstrømning. Fraluften kan også forårsake temperaturfordeling når lamellene for fraluften endres på en slik måte at de får en økt flate, hvilket kan skje ved nedpressinger eller oppressinger.

Det bør være åpenbart at lamellene for tilluft kan manipuleres på samme måte som ovenfor nevnt med hensyn til lamellene for fraluft.

Både fraluftslameller og tilluftslameller kan utnytte to eller flere av de tiltak som er nevnt ovenfor.

Claims (2)

1. Anordning, for å unngå isdannelse ved varmeveksler i pakkeform, der et antall rektangulære lameller er stablet ovenpå hverandre og tilsammen danner et parallellepipedisk legeme, der hver lamell består av en plan del, fortrinnsvis en skive, og en del for dannelse av ved siden av hverandre anordnede parallelle strømningskanaler, hvilke to deler kan være sammenhengende eller separate, idet hver annen lamell er rettet i samme retning og mellomliggende lameller i en retning som er 90° vinkelforskjøvet, slik at det dannes to over hverandre kryssende kanalsystemer beregnet for hhv. et varmeavgivende, gassformet medium og et varmeopptagende gassformet medium, karakterisert ved at kanalene for det varmeavgivende medium er slik utformet at hastigheten hos det gjennomstrømmende mediet øker fra sitt innløp til utløp hvorved mediets varmeavgivelses-kapasitet øker fra innløp til utløp.

2. Anordning ifølge krav 1,karakterisert ved at de kanaler i det varmeopptagende systemet som ligger nærmest det varmeavgivende kanal systemets utløp er slik utformet at hastigheten øker fra kanalenes innløp til deres utløp.