NO176036B - Varmevekslerapparat - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører et varmevekslerapparat for et ikke-azeotropisk arbeidsfluid som består av flytende og gassformige faser, omfattende en motstrømsvarmeveksler av kappe-og-rør-type med stort sett horisontale varmeveks-lerrør, og en fluidfordeler oppstrøms nevnte varmeveksler for fordeling av arbeidsfluidets flytende og gassformige faser blant varmevekslerrørene, hvilken fluidfordeler har en kappe og fordelingsrør, hvis antall svarer til varme-vekslerrørenes antall.

Varmevekslerne i varmevekslerapparatet ifølge oppfinnelsen er av den type hvor et fluid i flytende tilstand omdannes til damp eller vice versa. I forbindelse med tradisjonelle arbeidsfluider finner slike endringer eller omdannelser sted ved konstant temperatur. Det finnes imidlertid arbeidsfluider som består av gjensidig godt oppløselige bestanddeler med ulik flyktighet og endrer deres faser ved kontinuerlig tiltagende og avtagende temperaturer når deres flytende fase forandres til en gassformet tilstand henholdsvis vice versa. Når slike ikke-azeotropiske arbeidsfluider benyttes i kom-presjons- eller gaffel/hybrid-varmepumper, kan det oppnås en betydelig økning av virkningsgraden med hensyn til varmepumper hvor det anvendes tradisjonelle arbeidsmedier.

Gaffel/hybrid-varmepumper representerer velkjent teknikk, slik det eksempelvis fremgår av EP 0 021 205, og har i den senere tid kommet i søkelyset for den profesjonelle inter-

esse på grunn av deres overlegne tekniske kvalitet.

Ved drift av gaffel/hybrid-varmepumper må man imidlertid legge nøye merke til ulike krav.

Utnyttelse av det fordelaktige fenomen hos kontinuerlig varierende temperaturer i arbeidsmediet i løpet av varme-veksling, krever åpenbart motstrømsvarmevekslere hvori både arbeidsfluidet og det fluid som skal kjøles ned eller varmes opp (det "ytre" fluid) strømmer i motsatte retninger i godt avgrensede kanaler såsom rør med valgfrie tverrsnittsarealer eller beholdere med lede- eller avbøyningsplater, slik tilfelle er ved de velkjente skall-og-rør-varmevekslere.

Ettersom konsentrasjonene i fasene hos et ikke-azeotropisk fluid avviker fra hverandre, er det dessuten nødvendig at begge faser strømmer sammen mens tilgrensende partikler av væske og damp er i kontinuerlig kontakt, slik at deres temperaturer blir praktisk talt like og det kan oppnås optimale termodynamiske resultater. En slik kontinuerlig kontakt vil være sikret dersom strømmen av arbeidsmediet er av den dis-pergerte type hvori væskepartiklene finfordelt i de strøm-mende damper, føres bort av sistnevnte. Dispergert strøm vil bli oppnådd ved motsvarende utvalgte parametre for utstyr og arbeidsforhold, slik den erfarne fagmann vil være klar over.

Imidlertid kan strømningsmønstret ha en sammensatt beskaf-fenhet hvori en kjerne av dispergert strøm omsluttes av et ringformet grensesjikt, hvorved temperaturlikhet hos arbeidsmediets faser kan påvirkes betydelig i negativ retning. Slike ufordelaktige virkninger kan unngås ved hjelp av blandeorgan anordnet i rørene som transporterer arbeidsmediets faser, slik som beskrevet i EP 0 242 838.

Når arbeidsfluidet strømmer i et antall parallelle kanaler eller rør, i stedet for i en enkelt kanal henholdsvis ett enkelt rør, oppstår det et ytterligere problem. I slike tilfelle vil arbeidsmediets to faser tydeligvis måtte fordeles jevnt blant kanalene eller rørene i en varmeveksler, ettersom det ellers kan opptre ulike temperaturendringer medfør-ende tap lignende de som forårsakes av mangelfullt dispergert strøm.

Problemet med jevn fordeling av arbeidsmediet blant et antall parallelle kanaler eller rør er særlig viktig i forbindelse med varmevekslere i store industrianlegg som kan omfatte 50 til 100 parallelle varmevekslerrør hvis optimale lengde kan utgjøre 3 0 til 40 meter. Opprettholdelse av jevn fordeling av begge faser og deres klare atskillelse i slike varmevekslerrør innebærer åpenbart spesielle problemer, rent bortsett fra innlysende vansker ved fremstilling, transport og oppstilling på bruksstedet.

Det har blitt foreslått ulike varmevekslerapparater med vertikale eller horisontale varmevekslere, slik som beskrevet i US-A-4.843.837, for utnyttelse av de fordeler som tilbys av gaffel/hybrid-varmepumper og for å avhjelpe de ovenfor angitte vansker. Ved de kjente anordninger har man fulgt oppbyggingsprinsippet for varmevekslere som anvendes i forbindelse med absorpsjonskjøleskap eller -varmepumper. Deres hovedmangel består i at de i prinsippet er ute av stand til å sikre et hensiktsmessig forløp for temperaturendring av fasene av deres arbeidsmedier, og uten dette kan det ikke oppnås optimal virkningsgrad ved gaffel/hybrid-varmepumper.

DK 148.949 omhandler en varmeveksler med stort sett horisontale varmevekslerrør og en fluidfordeler oppstrøms varmeveksleren, hvilken fluidfordeler har en kappe og fordelings-rør hvis antall svarer til varmevekslerrørenes antall. Ifølge DK 148.949 fordeler fordelingsrørene hele blandingen av væske og damp (kjølemiddel/damp-blanding), og fordelingen kan ikke være ensartet blant varmevekslerrørene, fordi noen av fordelingsrørene går oppover, mens noen av fordelingsrørene går nedover, idet ett fordelingsrør er horisontalt. Væskefasen vil være tilbøyelig til å passere nedover, mens gass-fasen følgelig vil passere oppover.

Hovedformålet med den foreliggende oppfinnelse er tilveie-bringelse av et annet varmevekslerapparat som er egnet til å oppfylle alle krav med hensyn til funksjonelle og konstruk-tive aspekter ved gaffel/hybrid-varmepumper drevet med ikke-azeotropiske arbeidsfluider, særlig kravet vedrørende samtidige temperaturendringer i arbeidsfluidets faser, uavhen-gig av anleggets størrelse samt på en enkel måte.

Samtidige temperaturendringer i arbeidsfluidfåsene er åpenbart avhengig av deres sammenløpende strømning, og sikringen av en slik strømningsmåte representerer derfor et prinsipielt krav som skal oppfylles av det varmevekslerapparat som til-siktes ifølge oppfinnelsen. Som imidlertid tidligere nevnt består et annet krav i en ensartet fordeling av arbeidsfluidfåsene mellom en varmevekslers rør.

Samtidig strømning av medier med ulike tettheter krever horisontale forløp, ettersom strømningsforholdene ellers ville bli dominert av tyngdekraft. Begge arbeidsfluidfaser må således bli ledet langs horisontale baner, for eksempel i rør inngående i horisontalt anordnede varmevekslere.

Ensartet fordeling av arbeidsfluidets faser mellom en varmevekslers rør kan oppnås ved å anordne en fluidfordeler oppstrøms varmeveksleren.

Varmevekslere med oppstrøms fluidfordelere er allerede kjent, for eksempel fra Wiegand Apparatebau•s patentskrift GB-A-893.633. Ved de kjente systemer arbeider man imidlertid med vertikale varmevekslere, slik som gravitasjonsfordampere, som er lette å anordne for samvirke med oppstrøms plasserte fluidfordelere. I en slik varmeveksler forflytter et arbeids-fluids væskefase seg fremover i form av gravitasjonsdråper, mens dets gassformede fase strømmer ned på en langsom måte. Dette innebærer ulik istedenfor samtidig strømning av fasene.

Oppfinnelsens hovedidé består i at problemene med samtidig strømning og ensartet fordeling løses ved innsetting av forbindelsesrør mellom rørene i en horisontalt anordnet varmeveksler og utløpene fra en oppstrøms, vertikalt anordnet fluidfordeler, ettersom uunngåelige vendinger i fluidforløp mellom fluidfordeler og varmeveksler har vist seg å være for korte til å avstedkomme noen merkbar faseseparasjon slik at ensartet fordelte og vertikalt tilbaketrukne mengder av et arbeidsfluid kan nå rørene av en horisontal varmeveksler, praktisk talt i samtidig strømning.

Den foreliggende oppfinnelse beskjeftiger seg således med et varmevekslerapparat for et ikke-azeotropisk arbeidsfluid som består av flytende og gassformige faser, hvilket varmevekslerapparat omfatter en motstrømsvarmeveksler av kappe-og-rør-type med stort sett horisontale varmevekslerrør, og en fluid-fordeler oppstrøms nevnte varmeveksler for fordeling av ar-beidsf luidets flytende og gassformige faser blant varmeveks-lerrørene, hvilken fluidfordeler har en kappe og fordelings-rør, hvis antall svarer til varmevekslerrørenes antall. Som antydet består oppfinnelsen i at fluidfordeleren er anordnet høyere enn varmeveksleren, at fordelingsrørene er innrettet til å fordele bare den flytende fase, at fluidfordelerens kappe har nedadrettede fluidutløp anordnet koaksialt med utløpsender av fordelingsrørene, slik at den gassformige fase av arbeidsfluidet innenfor kappen også kan komme inn i fluidutløpene, og at de nedadrettede fluidutløp er forbundet med hver sitt av de stort sett horisontale varmevekslerrør ved hjelp av forbindelsesrør.

Det turde være klart at - ved hensiktsmessig utvalgte mekaniske og termodynamiske parametre for varmevekslerrørene og forbindelsesrørene - de nye trekk som foreslås ifølge oppfinnelsen og som er angitt i det ovenstående resulterer i et arrangement som er i stand til å mestre den oppgave å sikre samtidig strømning av arbeidsfluidets faser, ettersom varmevekslerrørenes plane posisjon forhindrer gravitasjons-effekter som kunne ha medført en separasjon av medier med ulike tettheter. Forbindelsesrørene sikrer ved dannelse av lukkede baner ved underordnede vendinger at allerede behørig fordelte arbeidsfluidfaser når frem til de plane varme-vekslerrør i påkrevde proporsjoner, slik at alle varme-vekslerrør vil levere blandinger av arbeidsfluidfaser med den samme temperatur og gjensidige mengder som påkrevd for optimal effektivitet.

Fluid-fordeleren eller -sprederen vil fortrinnsvis omfatte en kappe med fordelingsrør for innføring av en flytende fase av arbeidsfluidet, hvilke fordelingsrør er avsluttet over bunnen av kappen, idet utløpene i form av rør rager nedover fra bunnen av kappen, koaksialt med fordelingsrørene og har et strømningstverrsnittsareal som er større en fordelings-rørenes strømningstverrsnittsareal. Slik det turde innsees, utmerker en slik fluid-fordeler eller -spreder seg, i tillegg til enkel konstruksjon, ved pålitelig funksjon med hensyn til jevn fordeling av begge faser av arbeidsfluidet i de rør som danner utløpene.

Fordelingsrørene kan omfatte strømningsintensitet-reguler-ingsorganer som tillater eksakt justering av strømningsin-tensiteten i individuelle fordelingsrør til en felles verdi, hvorved det lett opprettes regelmessig fordeling av arbeidsfluidets væskefase i utløpene.

Fordelingsrørenes utløpsender over bunnen av fluid-fordelerens kappe vil fortrinnsvis være avfaset. Nedadstigende væske vil således strømme ut av fordelingsrørene ved det laveste punkt av de avfasede utløpsender langs vertikale linjer istedenfor med ringformet tverrsnittsareal slik tilfelle ville være i forbindelse med fordelingsrør med jevne render. Ved en slik konsentrert uttrekking av arbeidsfluidets væskefase, blir en del av utløpenes tverrsnittsareal holdt fritt for innstrømningen av den gassformede fluidfase.

Dersom arbeidsfluidets faser ikke er klart atskilt fra hverandre, slik at jevn fordeling av samme settes på spill, kan det serietilkoples en fase-separator oppstrøms fluid-fordeleren, valgfritt forbundet med sistnevnte og innrettet til å separere væsker fra damper i et arbeidsfluid bestående av en blanding derav. Ved hjelp av en slik fase-separator sikres at arbeidsfluidet kommer inn i fluid-fordeleren i form av innbyrdes godt atskilte faser, hvilket representerer en grunnleggende betingelse for pålitelig og hensiktsmessig fluidfordeling.

Ved en foretrukket utførelsesform omfatter fase-separatoren en kappe med et arbeidsfluid-innløp, et gassfase-utløp koplet til fluid-fordelerens gassfase-innløp, et væskefase-ut-løp koplet til fluid-fordelerens fordelingsrør, samt en ledeplateseparator mellom arbeidsfluid-innløpet og væske-faseutløpet, inne i og i avstand fra kappen. Slike fase-separatorer utmerker seg ved en enkel konstruksjon, som ikke desto mindre sikrer distinkt separering av ulike faser av fluider.

I tilfelle hvor arbeidsfluidets væskefase befordres ved overtrykk istedenfor ved tyngdekraft, vil en pumpe for dens levering fortrinnsvis være anordnet i den rørledning som forbinder fase-separatorens væskefase-utløp med fluid-fordelerens fordelingsrør. Plasseringen av pumpen i et slikt forbindelsesrør innebærer enkelt monteringsarbeid og lett kontroll/styring av driften.

Fluid-fordeleren eller -sprederen og fase-separatoren kan kombineres til en enkelt enhet i en felles kappe. I tilfelle hvor arbeidsfluidets faser må separeres før fordeling, har en slik kombinert enhet fordelen av moderat plassbehov og enkelt maskineri.

Den felles kappe vil fortrinnsvis omfatte en ledeplateseparator overfor et arbeidsfluid-innløp, et underliggende væske-oppsamlende trau i avstand fra kappen, en ledeplate festet til kappen overfor arbeidsfluid-innløpet og forløpen-de over væskeoppsamlingstrauet, fordelingsrør med avfasede utløpsender ragende nedover fra bunnen av væskeoppsamlingstrauet og som ender over bunnen av den felles kappe, samt utløp ragende nedover fra bunnen av den felles kappe, koaksialt med fordelingsrørene og individuelt forbundet med varmevekslerens varmevekslerrør, idet utløpenes strømnings-tverrsnittsareal er større enn fordelingsrørenes strømnings-tverrsnittsareal. Derved vil alle oppgaver for en fluid-fordeler og en fase-separator utføres ved hjelp av en enkelt konsis enhet med relativt enkel konstruksjon og begrenset utstrekning. Utover den generelle kombinasjonside, sikrer ledeplaten som er festet til kappen bakenfor ledeplateseparatoren med hensyn til dampenes strømningsretning, at væskepartikler befordret bort av dampene, til tross for å har passert ledeplateseparatoren, blir ledet trygt inn i væskeoppsamlingstrauet.

Dessuten kan fordelingsrørene ha reduserende dyser i deres inntak. Dysene er på den ene side beregnet til å opprettholde et væskenivå på væskeoppsamlingstrauet i enhver stabil driftstilstand, og skal på den annen side forhindre over-svømmelse av den lagrede væske direkte inn i kappen. Oppfyl-lelse av begge krav fremmer også den jevne fluidfordeling blant utløpene på en fordelaktig måte. Med kjennskap til maksimale og minimale strømningsintensiteter ved gitte punkter i varmepumpesyklusen, kan slike krav lett oppfylles av erfarne fagfolk.

Det er tidligere nevnt at rørlengden for varmevekslere i store industrianlegg av og til kan utgjøre tungvinte stør-relser, som følge av hvilke det kan oppstå ulike slags vansker ved fremstilling, transport etc. For å unngå slike vansker, kan varmevekslerne i varmevekslerapparatet deles opp i minst to varmevekslerseksjoner med varmevekslerrørseksjoner koplet i serie med hensyn til fluidstrømmer. En slik opp-deling lettes ved den i hovedsak horisontale plassering av varmeveksleren, hvis seksjoner kan være gjensidig overlagret, hvorved påkrevde lengder kan oppnås i begrensede om-råder.

Seriekopling av fluidstrømmer innebærer sammenkopling av kappene henholdsvis varmevekslerrørseksjonene av etterføl-gende varmevekslerseksjoner. Seriekopling av kappene er selvinnlysende og fordrer ikke detaljert beskrivelse. Seriekopling av varmevekslerrørseksjonene kan imidlertid utføres på to ulike måter, nærmere bestemt: Dersom man kan gjøre regning med klart separerte strømmer av arbeidsfluidets faser i varmevekslerrørseksjonene, kan var-mevekslerrørseksj onene av etterfølgende varmevekslerseksjoner koples sammen individuelt ved hjelp av forbindelses-rør. En slik sammenkopling tillater oppbygging av varmevekslere med varmevekslerrør av enhver ønsket lengde på et begrenset område, ettersom det opprinnelig jevnt fordelte ar-beidsf luid strømmer over fra en varmevekslerseksjon til den neste som om det strømmet uavbrutt i sammenhengende lange kanaler.

Fleksibilitet i valg av ytelse hos de ulike varmevekslerseksjoner er her sikret ved muligheten til å benytte for-bindelsesrør som omfatter overgangsprofiler for endring av deres strømningstverrsnittsareal og dermed de termodynamiske forhold i en nedstrøms varmevekslerseksjon hvis varmeveks-lerrørseksj oners diameter avviker fra diameteren i den forutgående varmevekslerseksjon.

Lignende endring kan oppnås i forbindelse med et arrangement hvor det benyttes rørplater, hvor både forbindelsesrørene og varmevekslerrørseksjonene i en etterfølgende varmevekslerseksjon ender i innbyrdes motstående rørplater som er sammenkoplet ved hjelp av en pakning eller tetningsring med åpninger som korresponderer med såvel forbindelsesrørene som varmevekslerrørseksjonene. Et slikt arrangement tillater åpenbart sammenkopling av rør med ulike diametre, for derved å sikre de ønskede termodynamiske forhold i etterfølgende varmevekslerseksjoner, slik det turde være innlysende for gj ennomsnittsfagmannen.

Dersom faseandelene i en oppstrøms varmevekslerseksjon på den annen side er tilbøyelige til å bli uens, slik at lignende forløp ved samtidige temperaturendringer i forskjel-lige varmevekslerrørseksjoner, vil seriekopling av etter-følgende varmevekslerseksjoner fortrinnsvis bli opprettet ved sammenkopling av slike varmevekslerrørseksjoner ved å

kombinere en nedstrøms fluid-fordeler med en oppstrøms fase-separator som tidligere beskrevet. En slik seriekopling tillater gjenopprettelse av ensartet fordeling av fasene i var-mevekslerrørseksj onene i en nedstrøms varmevekslerseksjon,

noe som ellers kan være uoppnåelig i store industrianlegg.

En slik sammenkopling tillater dessuten åpenbart at antallet av varmevekslerrørseksjoner i to etterfølgende varmevekslerseksjoner kan endres med hensyn til hverandre. Det innebærer en økt fleksibilitet i utforming med hensyn til ytelse og

tilknyttede arbeidstilstander.

Som kjent søker faser av et fluid å strømme atskilt. For eksempel strømmer væskefasen av et fluid i ringform i rør mens dampfasen strømmer i kjerneområdet av strømningsmønstret. Fasene forsøker å opprettholde eller gjenvinne et slikt strømningsmønster istedenfor å strømme dispergert i hverandre. Når det derfor ønskes dispergert strøm, slik som ved varmevekslere for gaffel/hybrid-varmepumper, må det sørges for intermittent blanding av de to faser, særlig når det gjelder lange varmevekslerrør. En slik blanding kan oppnås ved hjelp av blandeorgan anordnet i varmevekslerrørene og innrettet til å fremme dispergert strømning hos et arbeidsfluid.

Blandeorgan for slike formål representerer velkjent teknikk, slik det fremgår av EP 0 242 838. Avledningsflater tvinger et fluids faser til å bytte plass. Ettersom de ytre strøm-ningsforhold ikke endrer seg, søker fasene å gjeninnta deres opprinnelige posisjoner, men de kan bare ankomme til disse ved å strømme igjennom hverandre, hvorved det finner sted en intens sammenblanding, idet dispergert strømning gjenoppret-tes ved en ubetydelig økning av strømningsmotstanden. Oppfinnelsen beskrives mer detaljert i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger som viser eksempler på ulike utførelsesformer av oppfinnelsen, og hvor: Fig. 1 er et delvis gjennomskåret sideriss som illustrerer hovedtrekkene ved oppfinnelsen; Fig. la viser en detalj i fig. 1 i større målestokk; Fig. 2 illustrerer et lengdesnittriss av et utførelseseksem-pel på en fluid-fordeler eller -spreder ifølge oppfinnelsen, i forstørret målestokk; Fig. 3 representerer en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen i et riss som svarer til risset ifølge fig. l; Fig. 4 viser et utførelseseksempel på oppfinnelsen i et riss som svarer til risset ifølge fig. 3, også i forstørret målestokk; Fig. 5 er et lengdesnittriss av enda en annen utførelsesform av oppfinnelsen; Fig. 6 illustrerer en detalj i fig. 5, med noen ytterligere detaljer og i forstørret målestokk; Fig. 7 representerer enda en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen i et delvis gjennomskåret sideriss; Fig. 8 viser et delvis gjennomskåret lengderiss av en detalj; Fig. 9 er et lengdesnittriss av enda en annen utførelsesform av oppfinnelsen; Fig. 10 illustrerer et skjematisk riss av enda en ytterligere utførelsesform; Fig. 11 er et lengdesnittriss av en varmevekslerrørseksjon med deri anordnede blandeorgan.

Like henvisningstall angir lignende detaljer i tegningenes ulike figurer.

På tegningene betegner henvisningstallet 20 kappen av en i og for seg kjent varmeveksler 21 av kappe-og-rør-type, omfattende varmevekslerrør 22. Ledeplater 24 i kappen tjener til å styre et eksternt medium såsom vann langs en siksak-linje i motstrøm til et arbeidsfluid, for eksempel et ikke-azeotropisk kjølemiddel, som strømmer i varmevekslerrørene 22. Det eksterne medium ledes inn i kappen 20 gjennom et innløp 30 og trekkes ut av kappen via et utløp 32.

I overensstemmelse med et hovedtrekk ved oppfinnelsen er varmevekslerens 21 posisjon i det vesentlige horisontal. Det kan anvendes en ubetydelig skråning dersom et arbeidsfluid skal fremmates i varmevekslerrørene 22 under virkningen av tyngdekraft istedenfor ved trykk.

Arbeidsfluidet ledes inn i varmevekslerrørene 22 fra en fluid-fordeler eller -spreder 33 med en kappe 34. Fluid-fordeleren 33 anordnet oppstrøms varmeveksleren 20, slik som tidligere angitt. Innløp 36 og 38 tjener til å slippe inn en rent gassformet henholdsvis rent væskeformet fase av arbeidsfluidet. Utløp 40 hvis antall svarer til antall var-mevekslerrør 22, er hvert koplet til ett av sistnevnte ved hjelp av forbindelsesrør 42, slik oppfinnelsen måtte kreve.

Både forbindelsesrørene 42 og varmevekslerrørene 22 ender i gjensidig motstående rørplater 44 henholdsvis 46, innbyrdes forbundet gjennom en pakning 48 ved hjelp av gjennomgående bolter 50. Pakningen 48 har åpninger 52 som korresponderer med både forbindelsesrørene 42 og varmevekslerrørene 22, slik at arbeidsfluidet kan passere uhemmet fra førstnevnte inn i sistnevnte (fig. la).

En slik uhemmet strømning kunne åpenbart også bli oppnådd ved hjelp av forbindelsesrør 42 som er festet til såvel ut-løpene 40 som varmevekslerrørene 22 ved sveising, fastskru-ing eller lignende. Fastgjøring ved hjelp av rørplater og pakninger tillater - selv om den er noe dyrere - enkel de-montering i tilfelle av rengjøring eller reparasjon. Dessuten muliggjør den en endring av arbeidsfluidets strømnings-tverrsnittsareal, slik det senere vil bli gjort nærmere rede for (fig. 8).

I det foreliggende tilfelle blir det benyttet et stort sett lignende arrangement ved uttaksenden av varmevekslerrørene 22 som munner ut i et samlekammer 54 med et utløp 56.

I drift blir det eksterne fluid ledet inn gjennom innløpet 30 som angitt ved pilen 58. Det følger en siksakformet strømningsbane mellom ledeplatene 24 inne i kappen 20, og blir til slutt trukket ut gjennom utløpet 32 såsom angitt med pilen 60.

En rent gassformet fase av et arbeidsfluid ledes inn i

fluid-fordeleren 33 gjennom innløpet 36, slik som angitt med pilen 62. På lignende måte blir en rent væskeformet fase av det samme arbeidsfluid sluppet inn gjennom innløpet 38, slik som angitt med pilen 64. Inne i fluid-fordelerens 33 kappe blir de to faser jevnt fordelt over utløpene 40. Følgelig er de termodynamiske forhold i varmevekslerrørene 22, nærmere

bestemt forløpet for temperaturendringer i disse, de samme i forbindelse med en tilsvarende økning i en tilknyttet varme-pumpes virkningsgrad, slik som forklart i beskrivelsens inn-ledende del. Arbeidsfluidet trekkes ut fra varmevekslerrø-rene 22 gjennom samlekammeret 54 og utløpene 56, slik som angitt med pilen 66.

Fig. 2 viser fluid-fordeleren 33 ifølge oppfinnelsen. Den omfatter en kappe 34 med fordelingsrør 68, hvis antall svarer til antallet av varmevekslerrør 22 og således til antallet av utløp 40. Fordelingsrørene 68 er koplet til væskefase-innløpet 38 gjennom regulatorer 70, som tillater justering av strømningsmotstanden i hvert enkelt forde-lingsrør 68, for derved å sikre den samme verdi på strøm-nings intensiteten i samme. Fordelingsrørene 68 ender over bunnen av kappen 34, slik at det blir igjen en mellom-liggende spalte. Dessuten har fordelingsrørene 68 avfasede utløpsender 72, hvis avfasning er rettet motsatt strømnings-retningen for arbeidsfluidets gassformede fase. Utløpene 40

i form av rør rager nedover fra bunnen av kappen 34, ko-aksilt med fordelingsrørene 68. Imidlertid er deres strøm-ningstverrsnittsareal større enn fordelingsrørenes 68 strøm-ningstverrsnittsareal .

I drift kommer arbeidsfluidets gassfase inn i retning av pilen 62, mens fluidets væskefase strømmer gjennom regula-torene 70 og inn i fordelingsrørene 68, hvori den stiger ned i form av et ringformet grensesjikt. På grunn av de avfasede utløpsender av fordelingsrørene 68, blir ringformen på ar-beidsf luidvæskef asens strømningstverrsnittsareal overført til enkelte væskestråler som strømmer ut ved fordelingsrørenes 68 laveste punkt og passerer sikkert inn i utløpenes 4 0 innløpsåpninger. Arbeidsfluidets gassfase som treffer de avfasede ender 72 av fordelingsrørene 68 og avledes i retning mot utløpenes 40 inntak, har således rikelig plass mellom fordelingsrørendene 72 og kappebunnen likesom i ut-løpene 40 for en uhindret strømning.

Dette resulterer i at arbeidsfluidets to faser blir ensartet fordelt over utløpene 40, idet alle varmevekslerrør 22 mottar den samme mengde i det samme forhold fra forbindelses-rørene 42, hvorfra nevnte faser strømmer inn under statisk trykk.

Dersom det innkommende arbeidsfluid befinner seg i en fuktig damptilstand hvori dets faser er blandet sammen, krever jevn fordeling separering av fasene før de slippes inn i en fluid-fordeler. For dette formål kan det være anordnet en fase-separator 73 oppstrøms fluid-fordeleren, slik som vist

i fig. 3.

Fase-separatoren 73 har igjen en kappe 74 med et arbeidsfluid-innløp 76, et gassfase-utløp 78 og et væskefase-ut-løp 80. Gassfase-utløpet 78 er koplet til fluid-fordelerens 33 gassfase-innløp 36, og væskefase-utløpet 80 er koplet til fluid-fordelerens væskefase-innløp 38. Fase-separatoren 73 omfatter organ innrettet til å separere fra hverandre fasene av et arbeidsfluid i fuktig damptilstand, noe som representerer velkjent teknikk.

I drift mottas et slikt arbeidsfluid av fase-separatorens

73 innløp 76, slik som angitt med pilen 82. De fra hverandre separerte faser trekkes ut gjennom utløpene 78 og 80, og blir ledet inn i fluid-fordeleren 33 gjennom innløp 36 henholdsvis 38, på samme måte som ved den forrige utførelses-f orm.

Eksempler på detaljer ved en fase-separator som er hensiktsmessig for anvendelse i forbindelse med oppfinnelsen, er illustrert i fig. 4. I det foreliggende tilfelle omfatter fase-separatoren 73 igjen en kappe 74 med innløp og utløp såsom beskrevet i forbindelse med fig. 3. Det samme gjelder forbindelser til fluid-fordeleren. Et ytterligere trekk består i anbringelsen av en ledeplateseparator 84 som inntar en posisjon inne i kappen 74 mellom arbeidsfluid-innløpet 76 og væskefase-utløpet 80 i avstand fra selve kappen 74. På grunn av et slikt "distansert" arrangement er det på den ene side rikelig plass for den gassformede fases strømning, idet det på den annen side blir mulig å benytte for eksempel bunndelen av kappen 74 som et kar for oppsamling av væsken som renner ned fra ledeplateseparatoren 84.

Som i det foreliggende tilfelle kan innløpet 38 for arbeidsfluidets væskefase omfatte en matepumpe 86 hvis trykkfall ellers ikke kan overvinnes, slik som i tilfellet hvor fluid-fordeleren 3 3 er plassert på et høyere nivå enn fase-separatoren 73.

I drift slår det innkommende arbeidsfluid (pil 82) mot ledeplateseparatoren 84, og ved denne kollisjon skiller væskepartikler seg ut og faller ned i væskeoppsamlingskaret ved bunnen av kappen 74. Den gassformede fase som frigjøres fra bortførte væskepartikler, strømmer gjennom utløpene 78 og inn i fluid-fordelerens 3 3 innløp 36, slik som angitt med pilen 62. I mellomtiden trekkes væskefase oppsamlet på bunnen av kappen 74 gjennom utløpene 80 og mates av pumpen 86 inn i innløpet 38, slik som angitt med pilen 64. Fra dette punkt svarer driften av varmevekslerapparatet til den som ble beskrevet i forbindelse med tidligere utførelsesformer.

Fluid-fordeleren 33 og fase-separatoren 73 kan kombineres til en enkelt enhet 87 i en felles kappe 88. En slik utfør-elsesf orm av oppfinnelsen er vist i fig. 5, hvorav fremgår at den felles kappe 88 omslutter en ledeplateseparator 84 som inntar en posisjon like overfor fluid-innløpet 76, slik som ved den tidligere beskrevne utførelsesform. Under ledeplateseparatoren 84 er det et væskeoppsamlingstrau 90, som befinner seg i en viss avstand fra kappen 88. Kappen 88 er påfestet en ledeplate 92 ved den motsatte side i forhold til arbeidsfluid-innløpet 76. Ledeplaten 92 strekker seg over væskeoppsamlingstrauet 90, slik at væskedråper som bunnfel-ler seg på samme vil bli tvunget til å renne ned i væskeoppsamlingstrauet 90. Der rager igjen fordelingsrørene 68 nedover fra bunnen av væskeoppsamlingstrauet 90, og deres antall svarer - som ved de tidligere beskrevne utførelses-former - til antallet av varmevekslerrør 22 i varmeveksleren 21. De ender over bunnen av den felles kappe 80 og har avfasede utløpsender 72, som gruppevis er vendt mot sidene av kappen 80, hvorfra den gassformede fase strømmer innover.

Enda en gang rager utløpene 40 i form av rør nedover fra bunnen av kappen 88, koaksialt med fordelingsrørene 68, slik tilfelle var ved de tidligere beskrevne utførelses-former. Utløpene 42 er individuelt koplet til varmeveksler-rørene 22 i varmeveksleren 21, og deres strømningstverr-snittsareal er igjen større enn strømningstverrsnittsarealet for fordelingsrørene 68 som skyter frem fra bunnen av væskeoppsamlingstrauet 90.

I det foreliggende tilfelle er det dessuten anordnet reduserende dyser 94 i fordelingsrørenes 68 inntak, slik som vist på tegningenes fig. 6. Størrelsen på dysene 94 må vel-ges slik at det under alle stabile arbeidsforhold opptrer et passende nivå av væske på væskeoppsamlingstrauet 90, men det bør ikke forekomme noen oversvømmelse av væske over dettes rand. Slik som antydet vil gjennomsnittsfagmannen med kjennskap til maksimale og minimale strømningsintensiteter ved et gitt punkt i en ønsket syklus, kunne dimensjonere dysere ved rutinearbeid. Dysenes 94 åpninger vil kunne være eksentriske med hensyn til fordelingsrørene 68, dersom dette skulle vise seg ønskelig på grunn av utforming eller funksjon.

Enheten 87 og spesielt væskeoppsamlingstrauet 90 må åpenbart kunne justeres slik at de kan innta eksakt horisontale posisjoner, ettersom fluidsøylehøydene over dysene 94 ellers ikke vil være like, slik at ensartet fordeling av væskefasen vil kunne forstyrres.

I drift treffer arbeidsfluidet, som kommer inn gjennom inn-løpet 76 som angitt med pilen 82, ledeplateseparatoren 84, hvorpå dets væskepartikler skilles ut og faller ned i væskeoppsamlingstrauet 90, mens arbeidsfluidets gassformede fase nærmer seg bunnen av kappen 88 gjennom de spalter som er etterlatt mellom kappen 88 og ledeplateseparatoren 84. Et væskenivå 96 med konstant trykksøyle sikrer at fordelings-rørene 68 vil bli regelmessig matet med arbeidsfluidets væs-kef ase. Den nedstigende væske faller fra de avfasede ut-løpsenders 72 laveste punkter ned i utløpene 40, slik at et passende strømningstverrsnittsareal blir holdt fritt for den gassformede arbeidsfluidfase som strømmer mot de avfasede utløpsender 72, og derved blir avledet inn i utløpene 40. Varmevekslerrørene 22 mottar således igjen like mengder av arbeidsfluidet i det samme forhold med hensyn til dets faser, grunnet driften av arbeidsfluidets fordelerorganer for fordeling av flytende og gassformede faser.

Varmevekslerrørenes 22 nødvendige lengder kan som nevnt komme opp i betydelige verdier på 3 0 til 40 meter, hvilket innebærer vansker i mange henseende. Oppfinnelsen gjør det mulig å overvinne slike vansker ved å dele varmeveksleren 21 opp i minst to varmevekslerseksjoner 21a og 2lb, som er seriekoplet som vist i tegningenes fig. 7. Affiksene "a" og "b" til henvisningstall benyttet i tidligere beskrevne figurer angir motsvarende deler av varmevekslerseksjonene 21a henholdsvis 21b. Det samme gjelder tilfelle hvor ytterligere små bokstaver er benyttet (fig. 10).

I det foreliggende tilfelle er varmevekslerseksjonene 21a og 21b gjensidig overlagret, hvilket innebærer en halvering av den ønskede lengde ved plassbehov. Jo større antall oppdelte seksjoner, desto mindre relativt langsgående plassbehov for opptagelse av en varmeveksler av en gitt størrelse. Dersom en varmeveksler er delt opp i mer enn to seksjoner, kan noen av varmevekslerseksjonene oppta mellomrommene mellom to overlagrede seksjoner, hvorved det kan oppnås enda mer kon-sise og på samme tid mindre høye arrangementer.

Seriekopling av varmevekslerseksjonene 21a og 21b består i sammenkopling av såvel kappene 20a og 20b som varmeveksler-rørene 22a og 22b. Seriekopling av kappene utgjør ikke noe problem. På den annen side byr seriekopling av varmeveksler-rørseksjonene 22a og 22b på to alternativer.

Varmevekslerrørseksjonene 22a og 22b kan sammenkoples individuelt ved hjelp av forbindelsesrør 42a, slik som illustrert i fig. 7. I et slikt tilfelle passerer arbeidsfluidet varme-vekslerseksj onene 21a og 21b som om det strømmet ubrutt i en sammenhengende rørledning. Ikke desto mindre er det mulig å tilpasse strømningsforholdene til termodynamiske krav, slik det vil bli gjort rede for i det etterfølgende.

Dette kan oppnås ved innsetting av overgangsprofiler i for-

bindelsesrørene 42a.

I det foreliggende tilfelle forstørrer slike overgangsprofiler 100 diametrene for varmevekslerrørseksjonene 22b i den etterfølgende varmevekslerseksjon 21b, svarende til arbeidsbetingelsene for fordamperen i gaffel/hybrid-varmepumper .

Overgangsprofilene kan imidlertid likeens ha kontinuerlig avtagende diametre, slik tilfelle er for eksempel i forbindelse med kondensatorer i gaffel/hybrid-varmepumper, hvis varmevekslere krever avtagende strømningstverrsnittsarealer mot enden av varmeveksleren.

Slike endringer av rørdiametre kan også oppnås ved motsvarende perforerte pakning, slik som vist i fig. 8. Her har pakningen 48b koniske åpninger 52b som smalner av mot varme-vekslerrørseksj onene 22b i den etterfølgende varmevekslerseksjon 21b, slik at strømningstverrsnittsarealet reduseres etter behov.

Et annet alternativ for seriekopling av etterfølgende var-mevekslerseksj oner er illustrert i fig. 9. Her er varme-vekslerrørseksj onene 22a av varmevekslerseksjonen 21a koplet til varmevekslerrørseksjonene 22b av varmevekslerseksjonen 21b ved hjelp av en kombinasjon av en fluid-fordeler 33a og en fase-separator 73a. Naturligvis befinner fase-separatoren 73a seg oppstrøms fluid-fordeleren 33a. Forbindelsen er åpenbart den samme som i forbindelse med det i fig. 3 viste utførelseseksempel, og noen detaljbeskrivelse turde følgelig være overflødig.

I drift blir fluidet som passerer varmevekslerrørseksjonene 22a kollektivt ledet inn i fase-separatoren 73a istedenfor inn i individuelle forbindelsesrør, slik som ved den tidligere beskrevne utførelsesform. Arbeidsfluidets faser blir således separert fra hverandre og ledet separat inn i fluid-fordeleren 33a, hvor de vil bli ensartet fordelt over ut-løpene 40a og dermed over varmevekslerrørseksjonene 22b i den etterfølgende varmevekslerseksjon 21b, svarende til hva som finner sted i den i fig. 3 viste utførelsesform.

Seriekopling av varmevekslerseksjoner ved hjelp av kombinert fase-separator og fluid-fordeler er av vesentlig betydning hvor en fornyet fordeling av arbeidsfluidfåsene viser seg å være nødvendig, hvilket kan være tilfelle i forbindelse med store industrianlegg hvor det blir anvendt en flerhet av varmevekslerseksjoner, og hvor strømningsbanene følgelig kan ha en betydelig lengde.

En ytterligere fordel med den ovenfor beskrevne seriekopling av varmevekslerseksjoner består imidlertid i at den tillater å endre antallet og/eller diameteren av varmeveks-lerrørseksj onene i etterfølgende varmevekslerseksjoner, slik som i tilfellet ifølge fig. 9, hvor varmevekslerrørseksjon-enes 22b diametre er mindre enn diametrene for varmeveksler-rørseksjonene 22a i den forutgående varmevekslerseksjon 21a. Ved en slik foranderlighet kan en seriekopling ved hjelp av en kombinasjon av en fase-separator og en fluid-fordeler vise seg berettiget selv i tilfelle med bare to varme-vekslerseksj oner som vist i fig. 9, det vil si i relativt små utstyr for husholdningsbruk.

På den annen side kan store industrianlegg oppvise bruk av begge alternativer som nevnt ovenfor, ettersom det der kan vise seg nødvendig å anvende såvel ubrutte lange strømnings-baner som intermittent gjenfordeling av arbeidsfluidfåsene. Et skjematisk riss av et slikt anlegg er illustrert i fig.

10. Dets varmeveksler er delt opp i fem varmevekslerseksjoner 21a,21b,21c,21d og 21e. De fire første varmevekslersek-sj oner 21a,21b,21c og 2ld er koplet i serie ved hjelp av forbindelsesrør 42a,42b henholdsvis 42c. På den annen side er varmevekslerseksjonene 21d og 2le sammenkoplet gjennom en kombinasjon av en nedstrøms fluid-fordeler 33a og en opp-strøms fase-separator 73a, ettersom det antas eller er bragt på det rene at arbeidsfluidet, som har passert fire varmevekslerseksjoner i ubrutt kontinuerlig strøm, behøver gjenfordeling før det passerer og forlater den siste varmevekslerseksjon 21c.

Som tidligere forklart er dispergert strømning av arbeidsfluidet et grunnleggende krav for et lignende forløp av temperaturendringer i begge dets faser. I tillegg til hensiktsmessig valgte termodynamiske parametre, kan dispergert strømning begunstiges også ved mekaniske organ. For et slikt formål kan blanderorgan settes inn i varmevekslerrørene eller på tilsvarende måte i deres seksjoner som vist i fig. 11, som illustrerer en del av et varmevekslerrør 22 med et deri anordnet blandeorgan 98. Som tidligere angitt representerer slike organ kjent teknikk, og turde derfor ikke be-høve noen nærmere beskrivelse. Deres hovedsakelige funksjon er å lede inn arbeidsfluidets gassformede og væskeformede fase slik at fasene strømmer igjennom hverandre ved at de tvinges til å skifte plass. Dette oppnås ved hjelp av de-flektorflater som avleder fasene ut av deres opprinnelige strømningsbaner som de søker å gjeninnta så snart som mulig, hvorved gjentatte gjensidige gjennomstrømninger finner sted, for gjenopprettelse av dispergert strømning.

Claims (11)

1. Varmevekslerapparat for et ikke-azeotropisk arbeidsfluid som består av flytende og gassformige faser, omfattende en motstrømsvarmeveksler (21) av kappe-og-rør-type med stort sett horisontale varmevekslerrør (22), og en fluidfordeler (33; 87) oppstrøms nevnte varmeveksler (21) for fordeling av arbeidsfluidets flytende og gassformige faser blant varmevekslerrørene (22), hvilken fluidfordeler (33; 87) har en kappe (34; 88) og fordelingsrør (68), hvis antall svarer til varmevekslerrørenes (22) antall, karakterisert ved at fluidfordeleren (33; 87) er anordnet høyere enn varmeveksleren (21), at fordelingsrørene (68) er innrettet til å fordele bare den flytende fase, at fluid-fordelerens (33; 87) kappe (34; 88) har nedadrettede fluidutløp (40) anordnet koaksialt med utløpsender (72) av fordelingsrørene (68), slik at den gassformige fase av arbeidsfluidet innenfor kappen (34; 88) også kan komme inn i fluidutløpene (40), og at de nedadrettede fluidutløp (40) er forbundet med hvert sitt av de stort sett horisontale varmevekslerrør (22) ved hjelp av forbindelsesrør (42).

2. Varmevekslerapparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at fordelingsrørene (68) er koplet til et væskefaseinnløp (38), og at kappen (34) er forsynt med et gassfaseinnløp (3 6) (fig. 2).

3. Varmevekslerapparat som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at fordelingsrørenes (68) utløpsender (72) er avfaset slik at strømmen av den gassformede fase ved utløpsendene (72) treffer avfasningene (fig.

2 og 5).

4. Varmevekslerapparat ifølge krav 1, karakterisert ved at det oppstrøms fluidfordeleren (33) er anordnet en faseseparator (73), seriekoplet med denne og innrettet til å separere væske fra damp i arbeidsfluidet bestående av en blanding derav (fig. 3).

5. Varmevekslerapparat ifølge krav 4, karakterisert ved at fase-separatoren (73) omfatter en kappe (74) med et arbeidsfluid-innløp (76), et gassfase-utløp (78) koplet til fluid-fordelerens (33) gassfase-innløp (36), et væskefase-utløp (80) koplet til fluid-fordelerens forde-lingsrør (68), samt en ledeplateseparator (84) koplet inn mellom arbeidsfluid-innløpet og væskefase-utløpet, inne i og i avstand fra kappen (fig. 4).

6. Varmevekslerapparat ifølge krav 5, karakterisert ved at det er anordnet en pumpe (86) i en rørledning (38) som forbinder fase-separatorens væskefase-utløp (80) med fluid-fordelerens (33) fordelingsrør (68) (fig. 4).

7. Varmevekslerapparat ifølge krav 4, karakterisert ved at fluidfordeleren (33) og fase-separatoren (73) er kombinert til dannelse av en enkelt enhet (87) i en felles kappe (88) (fig. 5).

8. Varmevekslerapparat ifølge krav 7, karakterisert ved at den felles kappe (88) inneslutter en ledeplateseparator (84) like overfor et arbeidsfluid-innløp (76), et underliggende væskeoppsamlingstrau (90) anbrakt i avstand fra kappen, en ledeplate (92) festet til kappen like overfor arbeidsfluid-innløpet og forløpende over væskeoppsamlingstrauet, idet fordelingsrørene (68) med avfasede utløpsender (72) rager nedover fra bunnen av væskeoppsamlingstrauet og ender over bunnen av den felles kappe (88), og at fluidutløpene (40) som rager nedover fra bunnen av den felles kappe, er rettet koaksialt inn med fordelingsrørene (68), idet fluidutløpenes (40) strømningstverrsnittsareal er større enn fordelingsrørenes (68) strømningstverrsnittsareal (fig. 5).

9. Varmevekslerapparat ifølge krav 8, karakterisert ved at det er anordnet reduserende dyser (94) i fordelingsrørenes (68) inntak (fig. 6).

10. Varmevekslerapparat ifølge et hvilket som helst av krav 1 til 9, karakterisert ved at varmeveksleren (21) er delt opp i minst to varmevekslerseksjoner (21a, 21b etc.) med varmevekslerrørseksjoner (22a, 22b etc.) som er seriekoplet med hensyn til fluidstrømmene individuelt ved forbindelsesrør (42a, 42b etc.) (fig. 7 og 10).

11. Varmevekslerapparat ifølge et hvilket som helst av krav 1 til 9, karakterisert ved at varmeveksleren (21) er delt opp i minst to varmevekslerseksjoner (21a, 21b etc.) med varmevekslerrørseksjoner (22a, 22b etc.) koplet i serie med hensyn til fluidstrømmer, og at varmevekslerrør-seksjoner (22a, 22b etc.) av etterfølgende varmevekslersek-sj oner (21a, 21b etc.) er sammenkoplet gjennom en kombinasjon av en nedstrøms fluidfordeler (33a) og en oppstrøms faseseparator (73a) (fig. 9).