NO832013L - Varmeveksler - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en varmeveksler med meget høye varmeovergangsverdier og med forholdsvis små trykktap og beregnet for fluida generelt og spesielt for gjenvinning av varme fra forbrenningsgasser eller fra varme avgasser fra ovner eller tørkeapparater.

De følgende typer av varmevekslere er hovedsakelig

kjent:

varmevekslere med rørknipper, med rørslanger, med plater eller også med ringkanaler. Alle disse varmeutvekslere har det til felles at varmeovergangsverdiene mellom to fluida som er skilt av en vegg, er en funksjon av strømningskarakteren under ellers like betingelser. Denne strømningskarakter er enten "turbulent" eller "ikke turbulent", idet uttrykket "laminær" som oftest anvendes for den sistnevnte strømnings-karakter .

Det turbulente strømningsområde bevirker fornyelse av . grenseskiktene og begunstiger dermed varmeoverføringen. Overgangen fra laminær (ikke turbulent) strømning til turbulent strømning kan tilveiebringes ved å øke fluidumets strømnings-hastighet eller ved å bygge inn hindere i strømningsbanen.

Den turbulente strømning er definert som en uordnet for-flytning av små volum av fluidumet i forskjellige retninger og med varierende hastigheter.

Av denne grunn finner sammenstøtning av massene sted i

det turbulente område, og dette innebærer energitap. Ved alle kjente varmevekslere er den samlede fluidummasse utsatt,

for disse turbulensforekomster selv om de nevnte grenseskikt bare utgjør en meget liten brøkdel av den samlede masse av fluidumet.

Ifølge termodynamikkens lover som gjelder for dette tilfelle, er varmeovergangsverdiene i det gunstigste tilfelle proporsjonal med gjennomstrømningen av fluidum, dvs. proporsjonal med fluidumets strømningshastighet langs varmevekslingsflaten. Det er ellers kjent at for å øke gjennomstrømningen stiger den energi som skal tilføres, med tredje potens av gjennomstrøm-ningsmultiplikatoren dersom det dreier seg om det turbulente strømningsområde. Dette gir seg også til kjenne ved alle anvendelser av varmevekslere med ringformige kanaler.

Det følger derav at kraftbehovet for å tilveiebringe strømningen må økes åtte ganger for å fordoble varmeovergangsverdiene. Man støter da allerede hurtig på økonomisk tolererbare grenser hva gjelder den maksimalt oppnåelige strømningshastighet. Det har nemlig intet formål i praksis å anvende 1 kWh elektrisk energi for å utveksle eller gjen-vinne 3 kWh i form av varmeenergi når den kjensgjerning tas i betraktning at 1 kWh elektrisk energi er tre ganger så

dyr. Balansen ville i alle tilfeller være negativ dersom de ytterlig<ere><oppstå>tte omkostninger tas med i beregningen.

Det tas ved oppfinnelsen sikte på å tilveiebringe en hurtig fornyelse av grenseskiktene og dermed høyere varmeovergangsverdier uten å forårsake turbulens i fluidumet.

For dette formål gås det ut fra to fysikalske lover, hvorav den ene uttrykker at hver bevegelse bestreber seg på å holde seg så lenge den ikke blir forstyrret (treghetslov). Dette gjelder for spiralbevegelser av den type som kan forekomme i ringkanaler som er dannet av koaksiale sylindre dersom visse betingelser tas i betraktning, nemlig:

- tilstrekkelig avstand mellom sylinderne

- perfekt rundhet for sylinderne

- glatte overflater

- tangensial tilførsel av fluidumet.

Den andre fysikalske lov gjelder transversale sekundær-bevegelser som under visse forutsetninger dannes ved enhver sirkelbevegelse av et fluidum innenfor konkave vegger. Disse sekundære rullebevegelser i samme retning som er betinget av sentrifugalkraften, representerer "Couette-fenomenet" (hhv. nærmere bestemt "Couette-Gortler"-fenomenet). Disse sammen-heng er nærmere omtalt i den nedenstående beskrivelse.

For å løse oppgaven ifølge oppfinnelsen tilveiebringes en varmeveksler for fluida som ifølge oppfinnelsen oppviser en rekke koaksialt anordnede, sylindriske elementer som avgrenser ringkanaler, og dessuten oppsamlingskammere som er tilknyttet ringkanalene, idet et tangensialt innført fluidum som er satt i roterende bevegelse, strømmer i ringkanalene, og idet oppsamlingskamrenes tverrsnitt er større em ring-kamrenes tverrsnitt og oppsamlingskamrene er anordnet i ring-

kamrene på samme side som fluiduminnløpet.

Ytterligere foretrukne utførelsesformer av varmeveksleren ifølge oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige patentkrav.

Utførelseseksempler av varmeveksleren ifølge oppfinnelsen er nedenfor nærmere beskrevet under henvisning til tegningene. Av disse viser

Fig. 1 et delsnitt gjennom en ringkanal med fluidumets strømningsforløp, Fig. 2 et deltverrsnitt gjennom en ringkanal med inntegnet strømningsforløp, Fig. 3 et skjematisk, perspektivisk delriss av den rulle-hhv. ringstrømning som dannes, Fig. 4 et skjematisk vertikalsnitt gjennom et første ut-førelseseksémpel på en varmeveksler, Fig. 5 et tverrsnitt gjennom den nedre del av varmeveksleren ifølge Fig. 4, Fig. 6-8 skjematiske riss av tre ytterligere utførelses-eksempler på varmevekslere i form av vertikale lengdesnitt med tilhørende tverrsnitt gjennom varmevekslernes nedre del, Fig. 9 et skjematisk vertikalsnitt gjennom et ytterligere utførelseseksempel, Fig. 10 en variant av utførelseseksemplet ifølge Fig. 9 og Fig. 11 en ytterligere variant med tilhørende tverrsnitt gjennom den nedre del.

På Fig. 1 er vist et snitt gjennom en ringkanal 1 gjennom hvilken et fluidum strømmer med roterende bevegelse. Den roterende bevegelse kan oppnås ved rotasjon av den konkave vegg (ifølge eksperiment av Couette) eller ved tangensial innmatning av fluidumet (Gortlers teori, eksperimentelt bevist av Liepmann i 1943) . Fluidumets tilbøyelighet til å avvike fra den sirkelformige retning og til å gå over i en tangensial retning fremgår og er antydet ved hjelp av pilen Pl. Med økende rotasjonshastighet fører den nevnte tilbøyelighet til å avvike over i tangensial retning til en awikning i side-retning langs den konkave vegg og derved til en sekundær-strømning, som vist på Fig. 2.

På Fig. 2 er en ringkanal 1 vist gjennom hvilken fluidumet strømmer som er satt i en sterk rotasjonsbevegelse. Denne bevirker en stabil sekundærstrømning som forløper på tvers i form av rulle- eller ringstrømninger i overensstem-melse med pilene P2 og med rotasjon i samme retning.

Fig. 3 viser perspektivisk disse rulle- eller ring-strømninger.

Primærbevegelsene har på samme måte som sekundærbe-vegelsene det særpreg at de ikke beholder deres turbulente karakter ved meget høye "relative hastigheter". Disse hastigheter kan være mer enn 10 ganger høyere enn grense-hastigheten ved overgangen fra det ikke turbulente til det turbulente område, og dette gjelder for like fluida som strømmer i de samme ringformige kanaler, men innen et rettlinjet og ikke innen et roterende område.

Med uttrykket "relativ hastighet" skal den hastighet forstås som fluidumet strømmer langs de konkave vegger med. Denne kan være 10 til 2 0 ganger høyere enn fluidumets gjennomstrømningshastighet som uttrykkes ved den volumetriske gjennomstrømning over kanaltverrsnittet pr. tidsenhet.

Foruten den tekniske anvendelse av de to nevnte fysikalske lover kan anvendelsen av en periodisk lukkende ventil være anordnet i forbindelse med varmeveksleren ifølge oppfinnelsen og med fordel stå under innvirkning av en egnet pneumatisk styreinnretning.

Hver ventil som periodisk åpnes og lukkes, forårsaker svingninger i fluidumstrømmen. Når dette fluidum er kom-primerbart og transporteres ved hjelp av en ventilator,

blir det ved stengning av ventilen komprimert til det maksimale trykk som leveres av ventilatoren, idet dette trykk innføres i et rom som mates fra innløpssiden og som er stengt mot utløpssiden. Når ventilen åpnes, unnviker den lagrede, komprimerte fluidummengde med en hastighet som er avhengig av komprimeringstrykket og av utløpsåpningens tverrsnitt.

Ved varmeveksleren ifølge oppfinnelsen overlagres disse svingninger i spiralstrømmen på to måter: - rulle-eller ringstrømningene i samme retning forskyver seg parallelt i forhold til sylinderens vegger - den forbigående økning av trykket øker fluidumets rotasjonshastighet i ringkanalen uten at det er nødvendig med til-førsel av ytterligere energi fordi dannelsen av overtrykket i fluidumet er ledsaget av en reduksjon i gjennomstrømningen.

De to nevnte virkninger øker den relative hastighet mellom fluidumet og varmevekslerens vegg og dermed hastigheten som grenseskiktene fornyer seg med. Derved øker varmeovergangsverdiene tilsvarende. Alle disse bevegelser påvirker ikke på noen måte strømningskarakteren for den overveiende masse av fluidumet, og denne holder seg ikke turbulent og forbruker derved ingen energi.

Ventilene som danner de nevnte svingninger, kan være mekaniske eller pneumatiske. I det førstnevnte tilfelle kan rotasjonen for en skive eller plate (innen den angjeldende teknikk betegnet som en strupeventil) som stenger utløpstverr-snittet fra trykkoppsamlingsområdet, styres ved hjelp av en drivmotor dersom skiven hhv. platen er montert på en aksel. Dette er på Fig. 4 og 5 betegnet med 5 og 10.

I det annet tilfelle hvor en pneumatisk ventil anvendes (= strømningsstrupeventil) fås ytterst sterke turbulenser ved hjelp av en slaglignende vending av strømmen som med rotasjonsbevegelse kommer ut fra den ringformige kanal, idet strømmen avbøyes f.eks. med 180° over i en annen koaksial ringkanal.

Funksjonsprinsippet for en slik pneumatisk ventil fremgår av Fig. 6-8. På disse er to ringkanaler 20 og 21 vist som er anordnet koaksialt ved siden av hverandre og slik utformet at de slaglignende, dvs. med liten krumningsradius, avbøyer fluidumets strømningsretning.

Fig. 6 viser mer detaljert en radial tilførsel via

en åpning 23, idet fluidumet strømmer rettlinjet i ringkanalene 20 og 21. I dette tilfelle forårsaker avbøyningen av be-vegelsesretningen ingen^turbulens som vil kunne føre til periodiske variasjoner.

På Fig. 7 og 8 er vist tangensial tilførsel via en åpning 24 slik at fluidumet får en rotasjonsstrømning. Fra

Fig. 7 fremgår det at en høyere strømningshastighet fore-kommer innen området for sylinderens konkave krumning. Dette forårsakes av sentrifugalkraften. Fig. 8 viser at når en bestemt hastighet er blitt nådd, støter strømmen på grunn av dens treghet mot ombøyningsorganene, og dette fører til at turbulenser 2 5 oppstår med en intensitet som alltid er lik det av ventilatoren ved dens merkedreietall maksimalt dannede"statiske trykk. Disse turbulenser 25 danner et uover-vinnelig hinder for strømningen, slik at gjennomstrømningen synker til null i løpet av en brøkdel av et sekund. Denne tilstand kan settes lik med ventilens stengestilling. Med null gjennomstrømning forsvinner disse turbulenser straks,

og strømningsstrupeventilen åpner seg. Arbeidsfrekvensen for strømningsstrupeventilen er bestemt av gjennomstrømningen, kanalenes dimensjoner og ventilatorens kjennelinjer. Det er blitt fastslått at ved en gjennomstrømning av 3000-30000 m 3/h ligger frekvensen for de på denne måte dannede svingninger innen området 70-7 Hertz.

Takket være ventilenes funksjon spiller varmeutvekslerens kollektorer rollen som blesttankér for komprimert luft. Disse funksjonerer på en slik måte at de kan sammenlignes med den måte som en fjær eller en pendel funksjonerer på, nemlig en nærmest fullstendig frigjøring av den lagrede energi.

Mens funksjonsprinsippet for den pneumatiske ventil er vist i forbindelse med Fig. 6-8, viser Fig. 9 skjematisk et utførelseseksempel på en varmeveksler. Denne er bygget opp~på følgende måte:

En første ytre ringkanal 36 er avgrenset av to

sylindre 31 og 32 som er anordnet koaksialt i forhold til den i det vesentlige sylindriske varmevekslers lengdeakse

A. En annen ringkanal 37 er avgrenset av sylindre 32 og

33, en tredje ringkanal 38 av sylindre 33 og 34 og en fjerde innvendig ringkanal 39 av sylind.re 34 og 35. Alle disse ytterligere sylindre er likeledes anordnet koaksialt i forhold til aksen A.

Ringrommene 36 og 39 er forbundet med hverandre via

et avbøyningsbend 40 som også danner setet for den pneumatiske ventil. På tilsvarende måte står ringrommene 37 og 38 i forbindelse med hverandre via et avbøyningsbend 41 som igjen danner setet for en pneumatisk ventil.

Innen området for utløpsstussen. 47 for ringrommet

36 er en oppsamlingsinnretning 42 for primærfluidumet anordnet på utløpssiden. På tilsvarende måte er utløps-stussen 48 for ringrommet 38 forsynt med en oppsamlingsinnretning 44 for sekundærfluidumet på utløpssiden, inn-løpsstussen 49 for ringrommet 37 forsynt med en oppsamlingsinnretning 49 for sekundærfluidumet på innløpssiden og endelig innløpsstussen 50 for ringrommet 39 forsynt med en oppsamlingsinnretning 45 for senkundærfluidumet på innløpssiden. Et varmeisolasjonsskikt 16 strekker seg rundt hele varmeveksleren.

Det skal tilføyes at sylinderen 43 også er forsynt

med en varmeisolasjon, slik at den ikke kan utveksle varme . med seg selv, men bare med primærfluidumet.

En identisk funksjon fås med en varmeveksler med to ringkanaler ifølge Fig. 4. Primærfluidumet tilføres via en stuss 61 og strømmer gjennom en oppsamlingsinnretning 62 som er anordnet nær stussen 61. Primærfluidumet kommer i en ringkanal 6 3 hvor rullestrømmen med samme retning som danne&f er antydet ved hjelp av piler. Efter at primærfluidumet har strømmet gjennom ringkanalen 63, kommer det inn i en oppsamlingsinnretning 64 på utløpssiden, og denne kan innen området for utløpsstussen være forsynt med en strupespjeldventil 65 som er drevet av en motor 71 for periodisk å åpnes og stenges.

Den ytre ringkanal 68 for sekundærfluidumet oppviser

en lignende oppbygning. Sekundærf luidumet.- kommer via en stuss 66 inn i en oppsamlingsinnretning 67 og fra denne i en ringkanal 68 i hvilken den tilsvarende rullestrømning i samme retning dannes som er vist ved hjelp av piler. Sekundærfluidumet forlater derefter ringkanalen 68 via en oppsamlingsinnretning 6 9 på utløpssiden og via en stuss som er forsynt med en på samme måte utformet strupespjeldventil 70..

Ifølge oppfinnelsen kan også en pneumatisk ventil som er dannet av to kanaler som ligger ved siden av hverandre, kombineres med en mekanisk ventil som er anordnet ved utløpet for det annet fluidum, som skjematisk vist på Fig. 10. Henvisningstallene har her den samme betydning som i forbind else med Fig. 9. Den mekaniske strupespjeldventil drives av en motor 81. En slik løsning gjør det mulig i den ytre kanal 36 å anvende en avbøyningsinnretning som har form av en halvskål med meget stor radius. I motsetning til for-holdene i kanalene 37 og 38 som ligger ved siden av kanalen 36, oppstår derved ingen periodiske turbulenser. Pulser-ingene dannes ved hjelp av den mekaniske ventil 80.

Den praktiske utførelsesform av en varmeveksler

ifølge Fig. 4 og 5 vil ikke by på vanskeligheter for en fag-mann innen dette tekniske område.

Derimot bet; inger konstruksjonen av en varmeveksler

med fire kanaler, hvorav to og to står i forbindelse med hverandre via en avbøyningsinnretning, en viss fremgangsmåte som er nærmere forklart under henvisning til Fig. 11. Det kan fastslås at en veloverveiet anordning av flensene 47-50 muliggjør montering av de forskjellige sylindre. Spesielt gjør et ringformig fyllingsstykke 91 det mulig å montere sylinderen 92 som er forsynt med en kjegleformig del, og dessuten gjennomløpet for den isolerte og tykke sylinder 93, hvorved en pålitelig tetning av den samlede enhet efter monteringen sikres.

Varmeveksleren ifølge oppfinnelsen byr på de følgende fordeler: - meget høye varmeovergangsverdier som kan være inntil ti ganger høyere enn for vanlige varmevekslere, forutsatt de samme betingelser hva gjelder temperaturforskjeller mellom

de enkelte medier.

- Små trykktap sammenlignet med vanlige varmevekslere.

-Uømfintlighet overfor støvdannelse méd avsetninger på grunn av svingningene, hvilke bestryker samtlige overflater, og på grunn av fraværet av dødvinkler som begunstiger av-avsetninger.

- Betydelig lavere vekt enn for vanlige varmevekslere.

- Betydelig mindre dimensjoner enn for vanlige varmevekslere..

Apparatet ifølge oppfinnelsen kan derfor fremstilles rimelig av syrefast stål og anvendes ved avkjøling av forbrenningsgasser som inneholder svovelforbindelser ("røk-gasser"), og nærmere bestemt inntil kondensasjon av vanndampen som dannes ved forbrenning av hydrogenholdige brensler.

Dypkjøling og kondensasjon av røkgasser muliggjør

på den ene side en brenselbesparelse av 10-30% alt efter situasjonen for de tidligere oppståtte tap, og på den annen side en lettere sluttbehandling av disse røkgasser som er nødvendig for å bekjempe miljøforurensninger.

Claims (9)

1. Varmeveksler for fluida, karakterisert vedat den oppviser en rekke koaksialt anordnede sylindriske elementer som avgrenser ringkanaler, og dessuten oppsamlingskammere som er anordnet i tilknytning til ringkanalene, idet tangensialt innførte fluida som er gitt en roterende bevegelse, strømmer i ringkanalene, og oppsamlingskamrenes tverrsnitt er større enn tverrsnittet for ringkamrene, og oppsamlingskamrene er anordnet i ringkamrene, i. det minste på samme side Som f luiduminnløpet.

2. Varmeveksler ifølge krav 1, karakterisert vedat ytterligere oppsamlingskamre er anordnet på fluidumets utløpsside for i det minste en del av ringkanalene.

3. Varmeveksler ifølge krav 2, karakterisert vedat i det minste ett av oppsamlingskamrene som er anordnet på innløps- og/eller ut-løpssiden, er periodisk åpent og stengt.

4. Varmeveksler ifølge krav 1, karakterisert vedat den omfatter to koaksiale ringkanaler (37,38) som ligger ved siden av hverandre og som ved én ende står i forbindelse med hverandre og er dannet ved innføring av et sylindrisk skilleélement (33) i et ringrom som er begrenset av de to sylindriske elementer (32,34).

5. Varmeveksler ifølge krav 4, karakterisert vedat det sylindriske skilleélement (33) er dannet av et dobbeltvegget element som avgrenser et uavhengig, ringformig rom som er fullstendig isolert fra fluidaene som sirkulerer i de to ringkanaler (37,38), hvor ved dets varmeisolasjon er sikret.

6. Varmeveksler ifølge krav 4 eller 5,karakterisert vedat det sylindriske skille-element (33) består av et materiale eller er dekket med et materiale med lav varmeledningsevne.

7. Varmeveksler ifølge krav 1-6,karakterisert vedat for montering av de to sylindriske elementer (32,34) er et ring- eller krone-lignende element (91) anordnet med tilstrekkelig bredde til å muliggjøre koaksial anordning av sylinderne.

8.Varmeveksler ifølge krav 7, karakterisert vedat ett av de to sylindriske elementer (32,34) er forsynt med et divergerende kjegleformig endestykke og det annet med et konvergerende kjegleformig endestykke.

9. Varmeveksler ifølge krav 1-8,karakterisert vedat de to sylindriske elementer (31,35) som avgrenser to ringkanaler (36,39), er forbundet med de sylindriske elementer (32,32) ved hjelp av en halvrund skål som ved hjelp av flenser eller ved sveising er anordnet på det divergerende hhv. konvergerende kjegleformige endestykke som forlenger den tilsvarende sylinder.