SE470339B - Plattvärmeväxlare för vätskor med olika flöden - Google Patents

Description

.,.:. \Ål CD lO CN Cd \O osymmetri mellan de två vätskornas olika flöden och att värmeövergången visavi värmeöverföringsplattorna inte blir tillräckligt effektiv för båda vätskorna. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att i en platt- värmeväxlare av inledningsvis beskrivet slag åstadkomma en förbättrad värmeöverföring mellan två vätskor med olika stora flöden. Ett ytterligare ändamål är att åstadkomma en platt- värmeväxlare som medger en större osymmetri mellan de två vätskornas olika flöden än tidigare kända plattvärmeväxlare.

Dessa ändamål uppnås genom att storleken hos värmeöver- föringsplattornas in- och utloppsöppningar för den första av nämnda två vätskor är mindre än storleken hos in- och utloppsöppningarna för den andra vätskan och att värmeöver- föringsplattorna är så utformade i sina fördelningspartier, att strömningsmotståndet för den första vätskan vid dennas strömning mellan in- och utloppsöppningarna för densamma och värmeöverföringspartierna är större än strömningsmotståndet för den andra vätskan vid dennas strömning mellan in- och utloppsöppningarna för denna andra vätska och värmeöver- föringspartierna.

Med föreliggande uppfinning eftersträvas lika stort tryckfall på båda sidor om värmeöverföringsplattorna, trots att flödena hos de två värmeväxlande vätskorna är olika. Således optimeras exempelvis strömningsbetingelserna för den första vätskan, dvs. den vätska som har minst flöde, med hänsyn till värmeöverföringen, samtidigt som strömningen underlättas för den andra vätskan, dvs den vätska som har störst flöde.

Lämpligen kan strömningsmotståndet göras större för den första vätskan än för den andra vätskan genom att man hos varje fördelningsparti utformar en längre strömningsväg för den första vätskan än för den andra vätskan. lO .ps \¿ CD J CN \O Även genom att utforma fördelningspartiet så att den totala strömningsbredden blir mindre för den första vätskan än för den andra vätskan kan man göra strömningsmotståndet större för den första vätskan än för den andra vätskan.

Strömningsmotstånden för de två vätskorna kan även göras olika genom att man utformar pressmönster hos värmeöver- föringsplattornas fördelningspartier, vilka har mindre pressdjup på den ena sidan än pá den andra sidan av varje värmeöverföringsplatta. M.a.o. fördelningspartiernas nivåer kan förskjutas så att den sida av värmeöverföringsplattorna som är avsedd för ett mindre flöde får grundare ström- ningskanaler än den sida som är avsedd för ett större flöde.

Därigenom ökar värmeöverföringsplattornas möjlighet att åstadkomma en effektiv värmeöverföring vid stor osymmetri hos de två vätskornas flöden.

Genom att förse värmeöverföringsplattorna dels med in- och utloppsöppningar som är olika stora för de olika vätskorna, dels med ett pressmönster i fördelningspartierna, vilket ger flödena genom de större öppningarna relativt breda in- resp. utloppsfronter och flödena genom de mindre öppningarna relativt smala in- resp. utloppsfronter, kan flödeskapa- citeten ökas för flödena genom de större öppningarna och minskas för flödena genom de mindre öppningarna. Värme- överföringsplattorna medger därmed en stark osymmetri mellan de två vätskornas olika flöden under det att de för båda vätskorna skapar strömningsbetingelser som är gynnsamma för värmeöverföringen mellan vätskorna.

Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas närmare med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka figur l schematiskt visar en plattvärmeväxlare enligt uppfinningen, m» -n CD CA! (pl \D figur 2 visar en första värmeöverföringsplatta avsedd för plattvärmeväxlaren enligt fig 1, figur 3 visar en andra värmeöverföringsplatta avsedd för plattvärmeväxlaren enligt fig 1, och figur 4 visar en alternativt utformad värmeöverföringsplatta avsedd för en plattvärmeväxlare enligt uppfinningen.

I figur l visas en plattvärmeväxlare 1 innefattande ett paket av tunna värmeöverföringsplattor 2, en främre ändplatta 3 och en bakre ändplatta 4. Den främre ändplattan 3 uppvisar en inloppsöppning 5 och en utloppsöppning 6 för en första vätska med ett relativt litet flöde och en inloppsöppning 7 och en utloppsöppning 8 för en andra vätska med ett relativt stort flöde.

Värmeöverföringsplattorna 2 är genom pressning försedda med ett mönster i form av åsar och dalar, varvid àsarna hos alternerande första och andra värmeöverföringsplattor anligger mot varandra. Tätningsorgan anordnade mellan värmeöverföringsplattorna avgränsar i vartannat platt- mellanrum ett strömningsutrymme för den första vätskan och i övriga plattmellanrum strömningsutrymmen för den andra vätskan.

Värmeöverföringsplattorna 2 är i figur l hopfogade medelst lödning, men alternativt kan i en plattvärmeväxlare enligt uppfinningen värmeöverföringsplattorna hållas samman med hjälp av ett stativ eller på något annat lämpligt sätt.

I figur 2 visas en första värmeöverföringsplatta 2a, som är långsträckt och i huvudsak rektangulär och som har genomgående in- och utloppsöppningar 5a och 6a respektive 7a och 8a. In- och utloppsöppningarna är placerade i Ps å CD Qd f ja! \D värmeöverföringsplattans hörnpartier 9a, lOa lla resp. l2a.

In- och utloppsöppningarna 5a och 6a för den första vätskan befinner sig vid värmeöverföringsplattans ena làngsida l3a och in- och utloppsöppningarna 7a och 8a för den andra vätskan befinner sig vid värmeöverföringsplattans andra làngsida l4a. Värmeöverföringsplattan 2a är härigenom utformad för så kallad parallellströmning, dvs huvudströmningsriktningarna för de vätskor, som skall strömma på ömse sidor av Värmeöverföringsplattan, avses vara parallella.

I enlighet med uppfinningen är in- och utloppsöppningarna 5a och 6a för den första vätskan lika stora men väsentligt mindre än in-och utloppsöppningarna 7a och 8a för den andra vätskan. Även in- och utloppsöppningarna 7a och 8a är lika stora.

Värmeöverföringsplattan 2a har vidare ett övre fördelnings- parti l5a och ett nedre fördelningsparti l6a samt ett däremellan anordnat huvudsakligen för värmeöverföring avsett parti l7a.

Det övre fördelningspartiet l5a och det nedre fördelnings- partiet löa uppvisar pressmönster utformade väsentligen i enlighet med vad som framgår av det engelska patentet nr 1 357 282. De uppvisar således bredvid varandra förlöpande åsar l8a, vilka är uppressade från ett med Värmeöverförings- plattan 2a parallellt plan, och i vinkel med âsarna l8a bredvid varandra förlöpande rännor l9a nedpressade från nämnda plan. Genom att rännorna l9a bildar àsar på den motsatta sidan av Värmeöverföringsplattan 2a uppvisar således Värmeöverföringsplattan åsar på båda sina sidor, vilka åsar tillsammans med mellanliggande plattpartier bildar kanaler för de värmeöverförande vätskorna på respektive sidor av fördelningspartierna l5a och l6a. De sålunda utformade .|_'.':.~ *J C3 04 Od Q) kanalerna på den ena sidan av plattan bildar vinkel med de på samma sätt utformade kanalerna på den andra sidan av plattan.

Såsom framgår av fig 2 sträcker sig àsarna l8a på den visade sidan av respektive fördelningspartier l5a och l6a väsent- ligen i riktning från de relativt stora öppningarna 7a och 8a mot värmeöverföringspartiet l7a, medan rännorna l9a sträcker sig väsentligen i riktning från de relativt små öppningarna 5a och 6a mot värmeöverföringspartiet l7a.

Värmeöverföringspartiet l7a uppvisar ett pressmönster i form av ett konventionellt s.k. fiskbensmönster av åsar och dalar.

I fig 3 visas en andra värmeöverföringsplatta 2b, vilken är avsedd att samverka med en värmeöverföringsplatta 2a enligt fig 2 i en plattvärmeväxlare enligt uppfinningen. Detaljer hos värmeöverföringsplattan 2b, vilka har motsvarigheter hos värmeöverföringsplattan 2a, har givits samma sifferbeteckningar men med tillägget Q i stället för Q.

Vid värmeöverföringsplattan 2b är i vart och ett av fördel- ningspartierna l5b och 16b àsarna l8b och l9b utformade på annat sätt än motsvarande åsar l8a och l9a hos värmeöver- föringsplattan Za i fig 2. Sålunda sträcker sig àsarna l8b väsentligen i riktning från de relativt små öppningarna 5b och 6b mot värmeöverföringspartiet l7b, medan rännorna l9b sträcker sig väsentligen i riktning från de relativt stora öppningarna 7b och 8b mot värmeöverföringspartiet l7b. Även värmeöverföringspartiet l7b av värmeöverföringsplattan 2b skiljer sig från motsvarande parti l7a av värmeöver- föringsplattan Za när det gäller riktningarna för de pressade àsarna och dalarna hos fiskbensmönstret. -pi \J G3 (A CN MD När två värmeöverföringsplattor 2a och 2b placeras intill varandra i en plattvärmeväxlare kommer i områdena för plattornas fördelningspartier l5a, 16a resp. l5b, l6b åsarna på den ena plattan att anligga mot parallellt med desamma förlöpande àsar hos den andra plattan. I området för värmeöverföringspartierna l7a och l7b kommer åsarna i plattornas fiskbensmönster att korsande anligga mot varandra och bilda ett s.k. korskorrugeringsmönster.

Två värmeöverföringsplattor, vilkas värmeöverföringspartier i samverkan skapar ett korskorrugeringsmönster, varvid trubbiga vinklar bildas mellan varandra korsande àsar, sett i strömningsriktningen för en mellan plattorna strömmande vätska, åstadkommer ett mycket stort strömningsmotstånd för vätskan. Värmeöverföringsplattornas fördelningspartier ger i detta fall normalt ett procentuellt sett mycket litet bidrag till strömningsmotståndet i plattmellanrummet, trots att vätskehastigheten på grund av värmeöverföringsplattornas geometri är ungefär dubbelt så stor i områdena för fördelningspartierna som i området för det huvudsakligen värmeöverförande partiet.

Värmeöverförande partier med fiskbensmönster, som istället bildar motsvarande spetsiga vinklar mellan varandra korsande àsar, ger däremot ett litet strömningsmotstånd, och fördelningspartiernas bidrag till strömningsmotståndet i ett plattmellanrum kan då bli procentuellt sett förhållandevis stort.

Enligt uppfinningen underlättas en osymmetri mellan två värmeväxlande vätskors flöden genom att strömningsmotståndet görs mindre för det relativt stora flödet än för det relativt lilla flödet. Detta åstadkoms genom att värmeöverförings- plattornas in- och utloppsöppningar för det stora flödet görs större än för det lilla flödet samt genom att fördelnings- -~:s c: partierna breddas och avkortas för det stora flödet på be- kostnad av en motsvarande förlängning och reduktion av bred- den för det lilla flödet.

I exempelvis fördelningspartierna l5a och l6a ges vätskeflö- det genom de relativt stora in- och utloppsöppningarna 7a och 8a en bred in- och utloppsfront, dvs. den totala strömnings- bredden är större på den sida av värmeöverföringsplattorna som är avsedd för det relativt stora flödet och mindre på den sida av värmeöverföringsplattan som är avsedd för det rela- tivt lilla flödet.

Dessutom är fördelningspartiernas l5a och l6a strömnings- kanaler längre för det lilla flödet än för det stora flödet.

Vid ett pressmönster för fördelningspartierna av det slag som visas i fig 2 och 3 kan genomströmningsarean hos kanalerna för det stora flödet (på den ena sidan av en platta) göras ytterligare större på bekostnad av genomströmningsarean hos kanalerna för det lilla flödet (på den andra sidan av plat- tan) genom att de plattpartier, vilka befinner sig mellan de uppressade âsarna och mellan de nedpressade rännorna, för- läggs närmare rännornas botten än àsarnas toppar.

I figur 4 visas en alternativt utformad värmeöverförings- platta 20, vilken skiljer sig från den i figur 2 visade värmeöverföringsplattan Za i huvudsak genom att en inlopps- öppning 25 för en första vätska befinner sig vid värmeöver- föringsplattans ena lángsida 21, varjämte en utloppsöppning 26 för samma vätska befinner sig vid värmeöverföringsplattans andra lángsida 22 och att en inloppsöppning 27 för en andra vätska befinner sig vid värmeöverföringsplattans nämnda ena långsida 21 och en utloppsöppning 28 för den andra vätskan befinner sig vid värmeöverföringsplattans andra_làngsida 22.

Värmeöverföringsplattan 20 är utformad för så kallad diago- JX \Q CD Od CN \O nalströmning, dvs. vätskornas huvudströmningsriktningar avses korsta varandra och var och en sträcka sig diagonalt över värmeöverföringsplattan 20.

I samband med diagonalströmning erfordras två olika slag av värmeöverföringsplattor (med olika pressmönster) för åstad- kommande av önskad samverkan mellan pressmönstren hos närbe- lägna plattor i en plattvärmeväxlare. Funktionen i enlighet med uppfinningen hos såväl de centrala värmeöverföringsparti- erna som fördelningspartierna är hos plattor avsedda för diagonalströmning (fig 4) analog med den hos plattor avsedda för parallellströmning (fig 2 och 3).

I samband med parallellströmning kan en plattvärmeväxlare enligt uppfinningen åstadkommas med hjälp av enbart plattor försedda med identiska pressmönster hos fördelnings- och värmeöverföringspartierna, om varannan platta anordnas vänd relativt övriga plattor l80° omkring en axel i plattans plan.

Detta ställer dock speciella krav på arrangemanget för tät- ning mellan plattorna längs dessas kanter samt omkring deras in- och utloppsöppningar.

En kombination av 50 % bredare front för det större flödet än för det mindre flödet i områdena för värmeöverföringsplattor- nas fördelningspartier och 50 % längre kanaler för det mindre flödet än för det större flödet kan ge dubbelt så stor flö- deskapacitet åt kanalerna för det större flödet än åt kana- lerna för det mindre flödet vid samma tryckfall för båda flödena genom de respektive plattmellanrummen.

Vid en kombination med grundare kanaler för det mindre flödet och djupare kanaler för det större flödet har en osymmetri med förhållandet 3:1 mellan det större och det mindre flödet kunnat åstadkommas i området för fördelningspartierna. 470 559 Då det värmeöverförande partiet uppvisar ett fiskbensmönster med spetsiga vinklar och sålunda åstadkommer ett relativt litet strömningsmotstànd kan för värmeväxlingsvätskorna förhållandet 3:1 åstadkommas genom hela plattvärmeväxlaren.

Då det värmeöverförande partiet uppvisar ett fiskbensmönster med trubbiga vinklar och sålunda åstadkommer ett relativt stort strömningsmotstànd för värmeväxlingsvätskorna kan förhållandet 1.2-l.5:l uppnås mellan det större och det mindre flödet genom plattvärmeväxlaren.

I en plattvärmeväxlare enligt uppfinningen kan på båda sidor- na om värmeöverföringsplattorna tryckfallet hos de strömmande värmeväxlingsvätskorna hållas uppe, trots olika flöden hos dessa. Detta har möjliggjorts genom att flödesvägarna för vätskan med det relativt lilla flödet har givits mindre genomströmningsareor än motsvarande flödesvägar i en kon- ventionell plattvärmeväxlare med lika stora in- och utlopps- öppningar i värmeöverföringsplattorna. Detta har i sin tur möjliggjort att flödesvägarna för vätskan med det relativt stora flödet kunnat ges större genomströmningsareor än mot- svarande strömningsvägar i en konventionell plattvärmeväx- lare. Härigenom har en plattvärmeväxlare enligt uppfinningen dels kunnat ges en större flödeskapacitet på högflödessidan än en konventionell plattvärmeväxlare, dels kunnat ges en väsentligt större värmeöverföringskapacitet än en konventio- nell plattvärmeväxlare i samband med en viss given osymmetri hos flödena av de värmeväxlande vätskorna.

En sådan större värmeöverföringskapacitet hos värmeöverfö- ringsplattorna kan utnyttjas på olika sätt. Antingen kan för en viss värmeväxlingsuppgift en plattvärmeväxlare enligt uppfinningen utnyttja ett mindre antal värmeöverföringsplat- tor än en konventionell plattvärmeväxlare, eller kan varje värmeöverföringsplatta göras mindre än en på konventionellt ll sätt utformad värmeöverföringsplatta. I det senare fallet kan förutom kostnaden för värmeöverföringsplattorna även kost- naden för ett stativ för sammanhållning av ett paket av värmeöverföringsplattor reduceras. Exempelvis kan i det senare fallet långsträckta värmeöverföringsplattor utformade enligt uppfinningen göras smalare än motsvarande konventio- nella värmeöverföringsplattor. Även ett stativ kan därigenom göras smalare och således billigare.

En fördel med uppfinningen är också att åtgärderna för att underlätta osymmetri hos vätskeflödena kan göras utan kompro- misser med värmeöverföringsplattornas förmåga att med bibe- hållen plåttjocklek tåla höga vätsketryck. Stöd- och kontakt- punkter mellan värmeöverföringsplattorna kan ligga lika tätt som vid konventionella värmeöverföringsplattor.

Ovan har beskrivits endast en typ av pressmönster för värme- överföringsplattornas fördelningspartier och en typ av mön- ster för plattornas värmeöverföringspartier. Inom ramen för uppfinningen, såsom denna anges i efterföljande patentkrav, kan givetvis andra lämpliga pressmönster komma ifråga.

Claims (6)

.Its \__'|I 10 15 20 25 30 CD 12 Patentkrav

1. med olika stora flöden, innefattande ett antal huvudsakligen Plattvärmeväxlare för värmeöverföring mellan tvâ vätskor rektangulära värmeöverföringsplattor (2a, 20), vilka var och en har genomgående in- och utloppsöppningar (5a, 6a resp. 7a, 8a; 25, 26 resp. 27, 28) för respektive vätskor i sina hörn- partier (9a, lOa, lla, l2a), ett värmeöverföringsparti (l7a), som är beläget centralt mellan respektive in- och utloppsöpp- ningar, samt två fördelningspartier (l5a, l6a) som är belägna mellan värmeöverföringspartiet (l7a) och respektive in- och utloppsöppningar och som är utformade för fördelning av de två respektive vätskorna när dessa strömmar från sina in- loppsöppningar mot värmeöverföringspartiet, k ä n n e t e c k n a d a v att storleken hos värmeöver- föringsplattornas in- och utloppsöppningar (5a, 6a; 25, 26) för en första av nämnda två vätskor är mindre än storleken hos in- och utloppsöppningarna (7a, 8a; 27, 28) för den andra vätskan och att värmeöverföringsplattorna är så utformade i sina fördelningspartier, att strömningsmotstàndet för den första vätskan vid dennas strömning mellan in- och utlopps- öppningarna (5a, 6a; 25, 26) för densamma och värmeöverfö- ringspartierna (l7a) är större än strömningsmotståndet för den andra vätskan vid dennas strömning mellan in- och ut- loppsöppningarna (7a, 8a; 27, 28) för denna andra vätska och värmeöverföringspartierna (17).

2. k ä n n e t e c k - n a d a v att strömningsvägen över fördelningspartierna Plattvärmeväxlare enligt krav l, (l5a, l6a) för den första vätskan är längre än strömnings- vägen över fördelningspartierna (l5a, l6a) för den andra vätskan.

3. Plattvärmeväxlare enligt något av kraven 1-2, k ä n n e - 10 15 20 25 r» -1 ca m :N \o 13 t e c k n a d a v att fördelningspartiernas (l5a, l6a) totala strömningsbredd är smalare för den första vätskan än för den andra vätskan.

4. Plattvärmeväxlare enligt något av kraven 1-3, k ä n n e - t e c k n a d a v att fördelningspartierna (l5a, l6a) uppvisar ett pressmönster med mindre pressdjup på den ena sidan än på den andra sidan av värmeöverföringsplattorna (2a; 20), så att strömningskanaler som bildas för den första vätskan är grundare än strömningskanaler som bildas för den andra vätskan.

5. Plattvärmeväxlare enligt något av kraven l-4, k ä n n e - t e c k n a d a v att värmeöverföringsplattorna är lång- sträckta och att in- och utloppsöppningarna (Sa, 6a) för den första vätskan befinner sig vid varje värmeöverföringsplattas ena långsida (l3a) och in- och utloppsöppningarna (7a, 8a) för den andra vätskan befinner sig vid varje värmeöverfö- ringsplattas andra långsida (l4a).

6. Plattvärmeväxlare enligt något av kraven l-4, k ä n n e - t e c k n a d a v att värmeöverföringsplattornas in- och utloppsöppningar (25-28) är så belägna att de två huvudström- ningsriktningarna för vätskornas strömning mellan värmeöver- föringsplattorna korsar varandra och sträcker sig diagonalt över värmeöverföringsplattorna.