NO178777B - Varmeveksler - Google Patents

Description

VARMEVEKSLER

Foreliggende oppfinnelse vedrører en varmeveksler utført som et hus med en eller flere skruelinjeformede innsatser med gjennomstrømmende varme- eller kjøiemedium, og anordninger for å holde de varmeoverførende flatene rene under drift.

Varmeveksleren skal opprettholde en god varmeoverføringsytelse når den gjennomstrømmes av et medium som har en sterk tendens til avsetning av belegg på kanalveggene. Dette mediet benevnes i den etterfølgende beskrivelse for "primærmediet" eller "prosessmediet". Primærmediet kan være en produktstrøm fra en prosess i form av en gass med faste partikler, røykgass med sot, eller en væske. På den andre siden av de varmeoverførende veggene strømmer et annet medium, benevnt "sekundærmediet" eller "servicemediet", som har til oppgave enten å kjøle eller varme opp primærmediet. Sekundærmediet kan være en gass eller en væske.

Den skruelinjeformede innsatsen har innvendige kanaler som sekundærmediet strømmer gjennom. Innsatsens tverrsnittsform kan være som ett eiier flere firkantrør inntil hverandre eller som flere runde rør inntil hverandre, og benevnes for enkelthets skyld "rørspole" i den etterfølgende beskrivelse.

i den ene enden av det sylindriske huset er det inntak for primærmediet, som strømmer mellom vindingene i innsatsen eller innsatsene til utløpet i den andre enden. Sekundærmediei kan strømme medstrøms eiier motstrøms etter hva som passer best for prosessen.

Oppfinnelsen består i at varmeveksleren er utført med et sentralrør som går langs senteraksen i huset. Sentralrøret er både aksialt forskyvbart og roterbart. På sentralrøret er montert en anordning for fjerning av belegg på veggene i kanalen hvor primærmediet ledes.

På de varmeoverførende flatene i en varmeveksler vil det ofte oppstå nedslag av partikler som vil hefte seg til flatene og avsettes som et belegg som vil redusere varmeoverføringen. Varmevekslerens ytelse er svært avhengig av at den har rene flater. Det viser seg at selv et tynt lag av partikler eller et tynt belegg av avsetninger vil reduserer ytelsen betydelig. Oppstår det tykkere lag av belegg vil det i tillegg innsnevre kanaiåpningen slik at strømningsmotstanden økes og derved vil gjennomstrømningen av mediet hindres.

Noen ganger har primærmediet så høy temperatur at belegget herder etter kort tid slik at det blir behov for å holde kjøiefiatene rene på en effektiv måte uten tiisats av fremmede stoffer som vil forurense produktstrømmen.

Ei vaniig problem ved varmevekslere er at de er relativt kompliserte å rengjøre for begroing. Det er kjent mange forskjellige utførelser av rengjøringsutstyr og mange fremgangsmåter tii innvendig og utvendig rengjøring av begroing på rør, plater, skall og hus.

Vanligvis rengjøres varmevekslere ved at både rørene og huset spyles med en væske som eventuelt er tilført et oppløsningsmiddel for den aktuelle begroingen. En annen anvendt metode er å demontere heie varmeveksleren og rengjøre hele rørsatsen og huset mekanisk ved spyling og børsting. Begge disse metodene forutsetter imidlertid at varmeveksleren kobles ut av prosessen, noe som vanligvis er både kostbart og omstendelig.

Fra WO 88/ 01362 er kjent en varmeveksler med flere skruelinjeformede rørspoler og hvor rørspolene er oppbygd med flere parallelle rør plassert ved siden av hverandre. Rørspolene med et fordelingskammer i hver ende er montert til et langsgående sentralrør slik at hele rørsatsen med fordelingskammerne kan trekkes ut av huset. Derved lettes demonteringen slik at rengjøringstiden kan reduseres. Varmeveksleren er imidlertid ikke utført selvrensende eller med rengjøringsutstyr.

Fra NO 45071 er kjent en roterende varmeveksler med fast monterte skrapeanordninger. Skrapeanordningene er piassert i kanaiene hvor røykgassen ledes og vil skrape av sot på de kjølte flatene. Skrapeanordningene dekker imidlertid hele kanaltversnitte! slik at røykgassen av den grunn må ledes på begge sidene av anordningene.

Fra DE 2 547 710 er kjent en varmeveksler med et hus hvor det er plassert et roterbart varmevekslerlegeme som består av en hulsylinder med en rekke utragende sylindriske ringlegemer. I huset og i den roterende hulsylinderen er fast montert ringskiveformede ledeplater for å styre strømningsretningen til varmevekslermediene. Tii disse platene er det montert skrapeinnretninger som skraper de innvendige og utvendige sideveggene på det roterende varmevekslerlegemet. For rengjøring av alle flater i i huset og i det roterbare varmevekslerlegemet er varmeveksleren utført med fast monterte rørledninger for tilførsel av en renseveske. Når varmeveksleren skal rengjøres må den derfor kobles ut av prosessen.

Fra US 3 800 865 er kjent en varmeveksler med et hus hvor det er plassert et roterbart varmevekslerlegeme med en rekke utragende ringskiveformede hullegemer. I mellomrommet mellom ringskivene kan plasseres skrapestaver som anvendes for ekstra omrøring av dei førsie mediet i varmevekslerhuset. Skrapestavene er imidlertid ikke plassert nær veggene av ringskiven siik ai de kan rengjøre disse for ei eveniueii belegg.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å frembringe en varmeveksler som enten er selvrensende eiier uien ytre renseuisiyr siik at dei er muiig å rense varmeveksleren under drift. Denne oppgaven løses ifølge oppfinneisen ved en varmeveksier med sentralrør med skraperelementer og som er kjennetegnet av de trekk som er angitt ifølge patentkravene.

Ved en utførelsesform består varmeveksleren av to rørspoler hvor den ene er fast montert til huset og den andre er montert tii et bevegeiig sentralrør. Ved å føre de to rørspolene aksialt til kontakt med hverandre og deretter skru de langs hverandre vil de skrape eller gni kjøieflatene rene for belegg. Den bevegelige rørspolen er en del av varmeveksleren siik at det ikke er nødvendig med ytterligere elementer for å fjerne belegg og dette er en av fordelene med oppfinnelsen.

Ved en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen er den ene skruelinjeformede rørspoien som er montert tii sentrairøret, erstattet av skrapeelementer. Disse er fortrinnsvis formet som armer som føres mot den fast monterte rørspoien og skraper de kjølte flatene rene for belegg. Skrapearmene kan utføres betydelig smalere enn kanalen slik at de ikke hindrer gjennomstrømningen av primærmediet.! tillegg skrapes to flater av skrapeelarmene alltid rene for eventuelt belegg slik at de ikke øker i høyde, og dette er en ytterligere fordel med oppfinnelsen.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives med tiiknytning tii tegninger som viser eksempler på utføreisesformer av en varmeveksler idet bare prinsippene for oppfinnelsen er illustrert. Fig. 1 viser et langsgående snitt gjennom en varmeveksler med en fast montert skruelinjeformet innsats og en skruelinjeformet innsats montert tii et bevegelig sentralrør. Fig. 2 viser et iangsgående snitt gjennom en varmeveksler med en fast montert skruelinjeformet innsats og med skraperelementer i form av armer montert til det bevegelige sentralrøret.

På figurene har de samme deiene iike henvisningstaii.

Pa fig. 1 er varmeveksleren betegnet med 1. Den består av et hus 2 som er utført med en indre vegg 3. Huset kan også utstyres med en ytre vegg 4 som danner en kanal 5. Kanalen 5 har et innløp 6 og et utløp 7 for et medium. Sekundærmediet kan ledes gjennom kanalen 5 slik at innerveggen 3 på huset 2 bidrar til varmeveksiingen. Huset 2 kan være utført med en fiens 8 siik at det kan monteres til utiøpsåpningen for et prosess utstyr, feks et reaksjonskammer.

En skruelinjeformet innsats i form av en rørspoie 9 er montert tii den indre veggen 3. Rørspoien 9 har fortrinnsvis større bredde dvs. utstrekning i radiell retning enn høyde, som er utstrekningen i aksial retning. Rørspoien S kan ha rektangulært, trapesformet eller trekantet tverrsnitt. Avstanden mellom hver vinding i rørspoien 9 kan sammenlignes med en gjengestigning og antall vindinger kan velges etter behov til varmeoverføring mm.

Rørspoien 9 er vanligvis oppbygd av plater og veggene er de varmeoverførende flatene. I enkelte tiifeiie er det behov for høyt trykk i sekundærmediet, feks. ved produksjon av damp ved utnyttelse av spillvarme fra en prosess. Da kan den skruelinjeformede rørspoien 9 bygges opp av flere rør plassert ved siden av hverandre, eller rørspoien 9 kan forsterkes ved hjelp av innsveisede stag. Sekundærmediet, ledes gjennom kanalen 10 i rørspoien 9 som er utført med et innløp 11 og et utløp 12.

Varmeveksleren er utført med et sentralrør 13 plassert langs senteraksen i huset 2. Sentralrøret 13 er aksialt forskyvbart og roterbart. Sentrairøret 13 er ført gjennom huset 2 og gjennomføringen er tettet med en pakkboks 14 på konvensjonell måte.

Til sentralrøret 13 er montert en skruelinjeformet innsats i form av en rørspoie 15 som har samme avstand meiiom vindingene som rørspoien 9. Rørspoien 15 kan derfor tres inn i huset mellom den fast monterte skruelinjeformede rørspoien 9.

Sekundærmediet ledes gjennom en kanal 16 i rørspoien 15. Rørspoien 15 kan ha rektangulært, trapesformet eller trekantet tverrsnitt og eventuelt bygges opp av flere rør plassert ved siden av hverandre. Sentralrøret 13 er utført med et indre rør 17 slik at det dannes kanaler som leder og fordeler sekundærmediet til og fra rørspoien 15. Sentralrøret 13 er utført med et innløp 18 og et utløp 19 for sekundærmediet.

Begge rørspolene 9 og 15 og huset 2 bidrar til varmevekslingen ved at sekundærmediet ledes gjennom kanalene 10 og 16 og gjennom kanalen 5 på huset 2.

Meiiom rørspoiene 9 og 15 som er piassert med en viss avstand fra hverandre, dannes en skrueformet kanal 20, og primærmediet ledes gjennom denne kanaien. Ved å montere flere paraiieiie rørspoier 9 og 15 vil primærstrømmen deles opp i flere parallelle løp.

Primærmediet går fra innløpet 21 gjennom den skruelinjeformede kanaien 20 som dannes av veggene på de to rørspolene 9 og 15, innerveggen 3 i huset 2 og sentralrøret 13 og videre til utiøpsåpningen 22.

Bredden på rørspolene 9 og 15 er avpasset slik at den strekker seg mellom sentralrøret 13 og innerveggen 3 i huset 2 med en viss klaring.

Konstruksjonselementene i varmeveksleren kan være oppbygd av forskjellige materiaier alt etter driftstemperaturene til primær og sekundærmediet som anvendes.

Strømningsretningen på primærmediet og sekundærmediet kan forøvrig velges etter hvilket behov for varmeveksiing som foreiigger og derved kan på kjent måte medstrøm eller motstrøm varmeveksiing oppnås.

Fig. 2 viser en utførelsesform hvor det er montert skrapearmer på sentrairøret. Varmeveksleren er forøvrig utført som fig 1 og like deler har samme henvisningstall.

Varmeveksleren er utført med en skruelinjeformet innsats i form av en rørspoie 9. Mellom vindingene i rørspoien 9 dannes en skruelinjeformet kanal 20 og primærmediet ledes gjennom denne kanalen fra innløpet 21 til utløpet 22. Sekundærmediet iedes gjennom kanaien 10 fra innløpet 11 tii utløpet 12.

Til sentralrøret 13 som er aksialt forskyvbart og roterbart er montert skrapeelementer i form av skrapearmer 23. Fortrinnsvis monteres to stk skrapearmer 23 pr vinding av rørspoien 9, og skrapearmene 23 er da piassert diametralt. Antall skrapearmer 23 kan økes, og da blir størrelsen på nødvendig rotasjonsvinkel tilsvarende redusert.

Skrapearmene 23 er fortrinnsvis utført sylinderformet med større iengde, dvs utsrekning i radiell retning enn diameter, som er utstrekning i aksiell retning. Lengden av skrapearmen avpasses slik at den strekker seg fra sentralrøret 13 tii innerveggen 3 av huset 2 med en viss klaring. Skrapearmen 23 vii derved rengjøre innerveggen 3 i huset 2. Skrapearmene 23 er utført mye smalere enn bredden av kanalen 20 slik at ikke gjennomstrømningen av primærmediet i kanaien 20 hindres. Antall skrapearmer 23 i kanalen 20 avpasses også til et minimum slik at gjennomstrømningen av primærmediet hindres minst mulig.

Hvis nødvendig er sentrairøret 13 og skrapearmene 23 kjølte. Skrapearmene 23 er da utført med et indre rør 24 slik at det dannes kanaier for et kjøiemedium. Rørene 24 er montert til et indre rør 17 i sentralrøret 13.1 sentralrøret 13 dannes derved kanaler som leder og fordeler et kjøiemedium til skrapearmene 23. Kjølemediet som kan være sekundærmediet, ledes inn gjennom innløp 18 og ut gjennom utløp 19 i sentralrøret 13.

Apparatet virker på føigende måte og et eksempel på en rengjøringssyklus er omtalt. Andre sykluser kan benyttes. De varmeoverførende flatene med belegg rengjøres ved at sentrairøret 13 med rørspoien 15 føres aksialt feks i retning mot innløpet 21 til veggene på rørspoien 15 er i kontakt med veggene på rørspoien 9 eller med en definert avstand fra hverandre eller til beleggene berører hverandre. Kjøiefiatene føres fortrinnsvis nær hverandre men slik at de ikke direkte er i kontakt med hverandre. Derved unngås slitasje av flatene noe som i seg selv er uheldig. I tillegg unngås at materiaier som kan skrapes av de varmeoverførende flatene vil forurense primærmediet.

Deretter roteres sentralrøret 13 en halv omdreining, feks medurs samtidig med at veggene på rørspoiene 9 og 15 holdes i samme avstand fra hverandre. Dermed skrus den bevegelige rørspoien 15 langs den faste rørspoien 9 og belegg skrapes eiier gnis av veggfiatene i heie kanalåpningen.

Neste rengjøringstrinn foregår ved at sentralrøret 13 føres aksialt i retning mot pakkboksen 14 til veggene på rørspolene er i kontakt med hverandre. Deretter roteres sentralrøret en halv omdreining moturs slik at belegg skrapes eller gnis av flatene.

Tilslutt forskyves sentralrøret 13 slik at rørspoien 15 plasseres i nøytralstilling.

For å dekke begge sider av begge innsatsers ender ved at innsatsene gnis mot hverandre så må de rotere minst en omdreining i forhold til hverandre. På et sted der flatene dekker hverandre, kan den gnidende bevegelsen dvs der flatene skrur seg langs hverandre og berører hverandre være kort for at belegget skal løsne. Hvis ønskelig kan det reduseres på rotasjonsbevegelse men da reduseres rensevirkningen på en dei av innsatsens endeflater.

Rengjøringssykiusen kan utføres med de samme trinn når skrapearmer 23 er montert på sentralrøret 13. Det kan imidlertid være nødvendig å rotere sentralrøret 13 en eiier nere omdreininger hver vei avhengig av antall skrapearmer 23 montert til sentralrøret 13.

Ved en slik rengjøringssyklus skrapes alle kjølte flater i kanalen 20, både veggene tii rørspoiene 9 og 15, innerveggen 3 i huset 2 og den ytre flaten på sentralrøret 13. Dette er en av fordelene med oppfinnelsen.

I tillegg vil rørspoien 15 eller en skrapearm 23 rengjøre den sylindriske innerveggen 3 et stykke over inngangen iii den skrueformede kanaien 20. Lengden av den rengjorte flaten kan velges ved utformingen av sentrairøret 13 og den aksiaie bevegelsen av dette. En skrapearm 23 kan eventuelt være montert utenfor rørspoien 9. 1 utløpet av en reaktor, kjel eller lignende oppstår vanligvis en viss innsnevring av strømningstverrsnittet som igjen kan forårsake en stor konsentrasjon av partikler eller avsetninger. Ved plassering av varmeveksleren under et reaksjonskammer eller fyrrom vil rørspoien 15 eller en eller flere skrapearmer 23 ha en løftende og roterende bevegelse siik ai iøsmasser over varmevekselen vil rase ned og følge produktstrømmen ut åv systemet.

Tverrsnittet på kanaien 20 velges slik at strømningshastigheten til primærmediet biir stor nok tii at løsskrapt belegg følger strømmen, ut av varmeveksleren. Ved riktig valg av skraperetning i forhold til tyngdekraften kan for øvrig skrapearmene 23 bidra ti! å mate løsskrapt belegg etappevis ut av varmeveksleren.

Fortrinnsvis har de varmeoverførende flatene i en varmeveksler en glatt overnate. For å øke renseeffekien kan en flate eiier begge flatene som

kommer i kontakt med hverandre under rengjøringstrinnene utføres med børster, en ru eller kornet overflate, riller eller forhøyninger med et visst mønstereller med kniver, skrapekanter eller skjær. Dette er ikke vist på tegningene.

Ved en utforming kan overflaten ha en ujevn form feks en bølgeform. Beieggei vii cia bii utsatt for veksiende beiasining når flatene gnis mot hverandre og vil lettere bli brutt istykker.

Ved en ytterligere utforming kan overflaten utstyres med riller som forhøyninger med en form for mønster der riiiene feks står skrått i forhold til den radielle retningen. Når flatene roterer i forhold til hverandre vil belegget bevege seg sideveis og skyves ut av mønsteret..

Sentralrøret 13 kan være koblet til en innretning som kan være motordrevet feks hydraulisk drevet, slik at sentralrøret utfører de aksiale frem og tilbakegående bevegelsene og rotasjonsbevegeisene som er nødvendig for en rengjøringssykius.

En rengjøringssykius kan forløpe kontinuerlig eller intermitterende og rengjøringshasiigheien kan styres feks av temperaturdifferansen mellom innløp og utløp for et av mediene eller av utløpstemperaturen for et av mediene når innløpstemperaturen og strømningshastigheten er konstant.

Temperatursensorer 25 feks termoelementer kan være plassert både ved innløpsåpningen 21 og utiøpsåpningen 22. Et faii i temperaturdifferansen for primærmediet mellom de to målepunktene vil indikere at varmeoverføringen synker på grunn av beleggdannelse og dette kan starte en rengjøringssykius eller øke hastigheten på den.

Med en varmeveksler ifølge oppfinnelsen kan rengjøringen utføres under drift. Det er ikke nødvendig å stoppe en prosess for enten å spyle en varmeveksler eller for å demontere den for rengjøring.

Claims (6)

1. Varmeveksler med et hus (2) og" en fast montert skruelinjeformet innsats (9), som danner en kanal (20) for det ene varmevekslermedium og hvor innsatsen (9) er utformet med en eller flere kanaler (10) for det andre varmevekslermedium og hvor det er plassert et sentralrør (13) langs senteraksen i huset (2) utført med en skrapeanordning karakterisert ved at sentralrøret (13) med skrapeanordninger (15, 23) er aksialt forskyvbart og roterbart .

2. Varmeveksler ifølge krav 1, karakterisert ved at skrapeanordningen utgjøres av en skruelinjeformet innsats (15) av samme type som den fast monterte skruelinjeformede innsats (9), og at en i den skruelinjeformede innsats (15) anordnet kanal (16) står i strømningsmessig forbindelse med det andre varmevekslermedium via sentralrøret (13).

3. Varmeveksler ifølge krav 1, karakterisert ved at skrapeanordningen er utformet som en eller flere skrapearmer (23) fortrinnsvis rørformede med større lengde enn diameter.

4. Varmeveksler ifølge krav 3, karakterisert ved at skrapearmene (23) er utstyrt med et indre rør (24) slik at det dannes en kanal som står i strømningsmessig forbindelse med det andre varmevekslermedium.

5. Varmeveksler ifølge krav 1-4, karakterisert ved at en eller flere flater på skrapeanordningen utformet enten som en skrulinjeformet innsats (15) eller som skrapearmer (23) er utført med børster, kniver, skrapekanter eller skjær festet til overflaten, eller at overflaten er utført ru eller kornet eller med riller eller forhøyninger, fortrinnsvis med et bestemt mønster.

6. Varmeveksler ifølge krav 1-5, karakterisert ved at når skrapeanordningen er utformet som en skruttnjeformet innsats (15) kan en eller flere flater på den fast monterte innsats (9) være utført med børster, kniver, skrapekanter eller skjær festet til overflaten, eller med riller eller forhøyninger, fortrinnsvis med et bestemt mønster.