NO173352B - Varmeveksler - Google Patents

Description

Oppfinnelsen omfatter en varmeveksler med et i det vesentlige sylinderformet strømningsrom som er begrenset av en mantel, med et antall rør som går gjennom strømningsrommet i en retning som i det vesentlige er parallell med sylinderaksen og med minst ett par stusser som er anordnet motsatt til hverandre på mantelens sylinderflate og som fører inn i strømningsrommet.

Slike varmevekslere brukes for mange anvendelsesområder for avkjøling eller oppvarming av væsker og/eller gasser gjennom indirekte varmeveksling. Et fluid strømmer da inn i strømnings-rommet gjennom en av stussene, omspyler der rørene i en strøm-ningsretning som i det vesentlige forløper loddrett på sylinderaksen og strømmer igjen ut gjennom en annen stuss. Ofte er strømningsrommet oppdelt i flere avsnitt som hvert har et eget par innfyllings- og utløpsstusser. En slik konstruksjonsform hvor fluidet i strømningsrommet strømmer på tvers av et andre fluid som føres gjennom det indre av rørene gir den fordel at det første fluid bare utsettes for et svært lite trykktap ved gjennomgang gjennom varmeveksleren. Dette bevirkes gjennom en relativt direkte gjennomgang gjennom strømningsrommet som riktignok forutsetter en forholdsvis åpen konstruksjon uten strømningshindrende innbygg i strømningsrommet.

Dette forringer i sin tur innretningens mekaniske stabilitet og stivhet, slik at varmevekslere av denne type til nå bare kunne benyttes ved relativt lave strømningshastigheter i strømningsrommet. Dessuten er problemet med fordelingen av det første fluid i strømningsrommet loddrett til strømningsretningen til nå ikke løst på tilfredsstillende måte når det gjelder slike krysstrømsvarmevekslere.

Det er nå oppfinnelsens oppgave å forbedre en varmeveksler av den innledningsvis nevnte. type på en slik måte at varmevekslerens mekaniske stabilitet også er tilstrekkelig for anvendelse ved større strømningshastigheter. En gunstig varmeovergangsytelse og en god fordeling av det første fluid i strømningsretningen skal også sikres.

Denne oppgave løses ved hjelp av støtteplater som i det vesentlige er bygget inn i strømningsrommet i rett vinkel til sylinderaksen. Disse støtteplater gir en mekanisk konstruksjon som er vesentlig stabilere og stivere og som forsterker den sylinderformede mantels stivhet omkring strømningsrommet. Varmeveksleren ifølge oppfinnelsen kan derfor i strømningsrommet tåle strømningshastigheter på inntil ca. 10% av lydhastigheten.

Ved siden av den mekaniske stabilitet i lengderetningen kan det, når det gjelder varmevekslere, også oppstå problemer på grunn av akustiske svingninger som bygges opp av stående bølger i et plan i rett vinkel til sylinderaksen.

Ifølge en spesiell utforming av oppfinnelsen vil disse vanskeligheter overvinnes ved at det bygges inn minst én støydempende plate som i det vesentlige er anordnet parallelt med sylinderaksen i strømningsrommet. Det kan videre anvendes to parallelle støydempende plater, en på hver sider av sylinderaksen, og som forløper gjennom strømningsrommets fulle lengde. Eventuelt kan det også være gunstig med et ulikt antall og en asymmetrisk anordning av slike støydempende plater. Ved en slik spesiell utforming av oppfinnelsen er det i hver tverrsnittsflate innebygget forhindringer som motvirker dannelse av stående akustiske bølger.

For ytterligere forhøyelse av varmevekslerens stabilitet og for underletting av varmevekslerens fremstilling er det gunstig dersom støydempende plater og støtteplater er material-messig forbundet med hverandre, eksempelvis ved at berøringsfla-tene sveises sammen.

Ved denne konstruksjonsmåte er riktignok en fluidut-veksling på tvers i strømningsrommet mellom forskjellige celler ikke lenger mulig, slik at en jevn fluidfordeling ikke uten videre er garantert. Spesielt forhindres utveksling mellom det område som er oppdelt i celler og strømningsrommets randområde sterkt, slik at varmeoverføringsytelsen fremfor alt i dette randområde ikke er optimal.

Ved en ytterligere spesiell utforming av oppfinnelsen er en slagplate anordnet i det vesentlige i rett vinkel til forbindelseslinjen mellom to stusser som parvis ligger overfor hverandre og gjennomgående over hele.strømningsrommets lengde parallelt til sylinderaksen. Det er gunstig med et mellomrom mellom slagplatens langsgående sider og mantelen.

I forhold til slagplater som vanligvis anvendes og som bare anbringes på en liten flate under inngangsstussen og derfor kun utgjør et svært simpelt tiltak for fordeling av det fluid som strømmer gjennom inngangsstussen, bevirker slagplaten ifølge oppfinnelsen målrettet en bedre tilførsel av fluid i strøm-ningsrommets randområder.

Det er videre gunstig dersom slagplaten i retning av sylinderaksen er oppdelt i avsnitt med forskjellige relative hulltverrsnitt. På denne måte kan det oppnås en målrettet fordeling av det fluid som føres gjennom strømningsrommet også i retning av sylinderaksen.

Det er fordelaktig dersom slagplaten er oppdelt i delstykker som oppviser et helt antall n avsnitt og som på hver side begrenses enten av en ende i strømningsrommet eller av en flate som ligger nøyaktig mellom to par stusser loddrett på sylinderaksen. Stussene er fortrinnsvis anordnet på en slik måte at delstykkene er like store. En varmeveksler kan oppvise flere eller bare ett delstykke. I det sistnevnte tilfelle forefinnes bare ett par stusser.

I en gunstig videreutforming av oppfinnelsen oppviser hvert av slagplatens delstykker et likt antall n avsnitt som følger etter hverandre, Pir i=l,....,n, idet hvert avsnitts

lengde ai, bredde bi og de relative hulltverrsnitt L ± (se figur 3) har en identisk oppbygging.

Delstykket eller delstykkene er altså når det gjelder oppdeling i avsnitt symmetrisk i forhold til forbindelseslinjen mellom det tilhørende stusspar.

Det viser seg å være gunstig dersom avsnittenes Pi antall n innenfor et delstykke ligger mellom 2 og 18 og dersom det for de relative hulltverrsnitt Lt på avsnittene P±gjelder at:

Fortrinnsvis ligger n mellom 4 og 8.

I en gunstig utførelsesform av oppfinnelsen velges forholdet mellom største og minste relative hulltverrsnitt Li/L^ i avhengighet av fordelingslengden lv (= avstand mellom innfyllingsstussens midtakse og det tilsvarende delstykkes begrensning) og av innfyllingsstussens indre radius r, og fortrinnsvis ifølge likningen

Faktoren f ligger i en størrelsesorden rundt 1, omtrent mellom 0,8 og 1,3. Forholdet lv/r ligger vanligvis i omkring 3, Lx/Ln/2er vanligvis 1,5 til 2,0, fortrinnsvis ca. 1,7.

Omfattende hydrodynamiske beregninger har vist at det ved hjelp av en slik utforming av slagplatene kan oppnås en gunstig fordeling av gass som føres gjennom strømningsrommet, noe som fører til at det oppnås en høy varmeovergangsytelse for varmeveksleren. Det har vist seg å være spesielt gunstig med et verdiområde for Ln/2på mellom 10 og 30%.

Inntil for ca. 15 år siden var det vanlig som spalte-gasskjøler i etylenanlegg å anvende varmevekslere som i likhet med varmevekslertypen ifølge oppfinnelsen oppviste et sylinderformet strømningsrom og kjølevannsrør parallelt med sylinderaksen, mens den gass som skulle kjøles ble ført flere ganger frem og tilbake over strømningsrommets tverrsnitt.

På denne måte oppstår imidlertid et vesentlig større trykktap og metoden blir energimessig ugunstig.

Da energi ble knapp og kostbar, så man seg tvunget til å anvende kjølere med direkte kontakt og å avkjøle spaltegassen gjennom direkte varmeutveksling med vann. Slike anlegg oppviser et lavere trykktap; dette trykktap går imidlertid på bekostning av mer omfattende apparatur. Dette er på den ene side begrunnet i at kjølevannet føres i kretsløp og derfor igjen må avkjøles i en adskilt varmeveksler. På den annen side er det nødvendig at det vann som føres ut av direktekontaktkjøleren, samt utkon-denserte tunge hydrokarboner, atskilles i en avskiller.

Anvendelsen av varmeveksleren ifølge oppfinnelsen som trinnkjøler for spaltegass i et etylenanlegg, hhv. for utvinning av etylen for avkjøling av spaltegass, forener nå fordelene med de kjente typer spaltegasskjølere for etylenanlegg, nemlig på den ene side begrensede apparatanordninger og dermed relativt lave kapitalkostnader og på den annen side, svært lavt trykktap og derved lave driftskostnader. Fortrinnsvis føres da spaltegassen som første fluid gjennom strømningsrommet.

Oppfinnelsen og nærmere enkeltheter ved oppfinnelsen skal forklares nærmere i det følgende på grunnlag av et utførel-seseksempel som er vist skjematisk på tegningene, hvor figur 1 viser et lengdesnitt i et vertikalplan, figur 2 viser et tverrsnitt og figur 3 viser et ytterligere lengdesnitt i et horisontalplan gjennom varmeveksleren ifølge oppfinnelsen.

Varmevekslerens mantel 1 er i det vesentlige utformet sylindersymmetrisk om aksen 8. Den omslutter sammen med skilleveggene 3A og 3C strømningsrommet 2. Dette er igjen delt i to delrom ved hjelp av en ytterligere skillevegg 3B. Gassutveksling mellom delrommene er ikke mulig. Et første par stusser 4 tilhører det på figur 1 til venstre anordnede delrom. Stussene utgjøres av inngangsstusser 4A og utgangsstusser 4B. På analogt vis kan parets 5 stusser 5A og 5B ses på høyre side.

Ifølge oppfinnelsen er det i strømningsrommet 2 innebygget støtteplater 12. Antallet av disse støtteplater er i utførelseseksemplet i alt ti, altså fem pr. delrom. Støtteplatene 12 bæres av et gulv eller en bæreplate 15. Videre er det på figur

2 vist to støydempende plater 11 som forløper gjennom strøm-ningsrommets 2 fulle lengde fra skillevegg 3A til skillevegg 3C (se figur 1). Støtteplatene 12, de støydempende plater 11 og skilleveggene 3A, 3B, 3C er sammensveist og danner en stiv, celleliknende struktur hvor gassutveksling til siden mellom cellene ikke er mulig og hvor det heller ikke er mulig med gassutveksling til rommet mellom de støydempende plater 11 og mantelen 1. I tillegg kan ifølge oppfinnelsen en slagplate 10 anordnes under inngangsstussene 4A, 5A horisontalt over hele strømningsrommets 2 lengde. Bredden b på den på figur 3 innteg-nede slagplate 10 er omtrent lik innfyllingsstussenes 4A, 5A diameter 2r. b kan imidlertid også være litt større eller mindre enn 2r (se talleksemplet nedenfor). I tverretning er slagplaten 10 begrenset av og fast forbundet med de to støydempende plater 11.

Med den gjennomhullede slagplate 10 vanskeliggjøres gjennomstrømningen av det fluid som føres inn gjennom inngangsstussene 4A, 5A i den sentrale del av strømningsrommet 2, og gir på denne måte en bedre fordeling gjennom mellomrommene 14 (se figur 2) i retning av randvolumet mellom de støydempende plater 11 og mantelen 1.

Analogt til delrommene i strømningsrommet 2 er slagplaten 10 delt i to delstykker av skilleveggen 3B. Hver av slagplatens 10 to delstykker består av avsnitt P1- P6, hhv. P\ - P'6, slik det er vist på figur 3. Antallet n av avsnitt pr. delstykke utgjør i utførelseseksemplet 6. Slagplaten 10 oppviser i en spesiell versjon tre forskjellige typer hull som er kjennetegnet av forskjellige relative hulltverrsnitt. Med relative hulltverrsnitt menes forholdet mellom hullenes åpningsflate og platens samlede flate. De forskjellige hulltyper kan være utført med forskjellig tetthet og/eller hullstørrelse.

Fortrinnsvis anvendes i utførelseseksemplet tre forskjellige verdier, Lx, L2, L3av relative hulltverrsnitt, nemlig

L, for Plf P6, P'1# P'6

L2for P2, P5, P'2, P'5 og

L3for P3, P4, P'3, P'4.

Hullene er valgt på en slik måte at den relative hulltverrsnitt L3er minst direkte under inngangsstussene 4A, 5A og ved de avsnitt som er lengst borte fra inngangsstussene 4A, 5A er den relative hulltverrsnitt Lxstørst, for å oppnå en mest mulig lik fluidfordeling i strømningsrommet langs sylinderaksen.

I en varmeveksler som ble bygd for forsøk ble følgende parametre valgt:

Det er produksjonsteknisk gunstig å velge avsnittenes Px- P6hhv. P\ - P'6 lengde lik avstanden mellom to støtteplater 12. Fordelingsteknisk sett er det naturligvis gunstigere med et høyere antall avsnitt med forskjellige relative hulltverrsnitt. Et praktisk kompromiss mellom fordelingskvalitet og anordningens kompleksitet har ved hydrodynamiske beregninger vist seg å være et område for antallet n delavsnitt pr. delstykke er fra 12 til 18, fortrinnsvis 4 til 8.

Rørene som går gjennom strømningsrommet 2 er ikke spesielt vist på tegningene. I lengdesnittet på figur 1 ligger de rette delstykker mellom slagplaten 10 og bæreplaten 15. På varmevekslerens ende er rørene enten forbundet med én av stussene 6A, 6B, eller forbundet med hverandre, noe som skal forklares nærmere på grunnlag av figur 2.

I det viste tverrsnitt er fire bunter Ax 2 til A7 8 tegnet inn. Hver av disse er oppdelt i to undergrupper Alf A2til A7, A8. Undergruppene består av 50 til 300, fortrinnsvis 120 til 250 rør og fyller hver et volum som er kjennetegnet ved to linjer som krysser hverandre på begge sider av ert støydempende plate 11.

Rørene er forbundet med hverandre på en slik måte at et fluid som føres inn over stussen 6A, først parallelt gjennom-strømmer undergruppens Ax rør og deretter føres gjennom de øvrige undergruppers og bunters rør etter hverandre i rekkefølgen A2, A3, A4, A6, A7, A8og deretter føres til utgangsstussen 6B.

Varmeveksleren drives slik at et første fluid, f.eks. spaltegass i et etylenanlegg, føres inn i strømningsrommet 2 i to parallelle strømmer gjennom inngangsstussene 4A og 5A, og føres ut igjen gjennom utgangsstussene 4B, 5B, noe som er antydet med piler på figur 1 og 2. På tvers av disse strømmer føres det inn et andre fluid, eksempelvis kjølevann, gjennom stussen 6A og gjennom de ikke viste rør, og føres igjen ut gjennom stussen 6B (piler 7 på figur 1).

Claims (8)

1. Varmeveksler med et i det vesentlige sylinderformet strømningsrom (2) som er begrenset av en mantel (1), hvor flere rør forløper gjennom strømningsrommet (2) i det vesentlige parallelt med rommets akse (8) og med minst ett par (4, 5) stusser som er anordnet overfor hverandre på mantelens (1) sylinderflate og som fører inn i strømningsrommet (2), KARAKTERISERT VED at støtteplater (12) er innebygget i strømningsrom-met (2), i det vesentlige i rett vinkel til aksen (8), at minst en støydempende plate (11) er anordnet i strømningsrommet (2) i det vesentlige parallelt med aksen (8), og at de(n) støydempende plate(r) (11) og støtteplatene (12) er fast forbundet med hverandre.

2. Varmeveksler ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at en gjennomhullet slagplate (10) er anordnet i strømningsrommet (2) parallelt med sylinderaksen (8) og i det vesentlige i rett vinkel til forbindelseslinjen mellom to overfor hverandre liggende stusser (4A, 4B, 5A, 5B).

3. Varmeveksler ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at et mellomrom (14) er anordnet mellom slagplatens (10) langsgående kanter (13) og mantelen (1).

4. Varmeveksler ifølge krav 2-3, KARAKTERISERT VED at slagplaten (10) i aksens (8) retning er oppdelt i avsnitt (Pi~P6, P'!-P'6) med forskjellige relative hulltverrsnitt.

5. Varmeveksler ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at slagplaten (10) er oppdelt i delstykker med et helt antall n avsnitt (Px- P6, P' 1 - P'6) og som på hver side er begrenset enten av en ende (3A, 3C) av strømningsrommet (2) eller av et plan (3B) som ligger nøyaktig mellom to par (4, 5) stusser (4A, 4B, 5A, 5B) og i rett vinkel til aksen (8).

6. Varmeveksler ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at hvert delstykke har et like antall n avsnitt (P±, i = l,..,n) som følger etter hverandre, idet hvert avsnitts (Pi, Pn.i+1hvor i = l,..,n/2) lengde (ai) og høyde (bi) og relative hulltverrsnitt, er oppbygget identisk.

7. Varmeveksler ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at antall n avsnitt (Pi) (Px- P6, P^ - P'6) i et delstykke er mellom 2 og 18 og at det for avsnittenes P±forholdstall mellom totalflaten og hullene, den relative hulltverrsnitt (L±), gjelder Li > Li+i'hvor i = 1,..,n/2-1.

8. Varmeveksler ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at den maksimale relative hulltverrsnitt Lxtilfredsstiller Li<=>f ' Ln/2• /lv/r hvor 0,8<<>f < 1,3, lv= fordelingslengde (avstanden mellom et pars (4, 5) forbindelsesakse fra stussen og det motsvarende delstykkes begrensning) og r= radius i innfyllingsstussens (4A, 5A) åpning.