SE526129C2 - Värmeväxlarplatta och en plattvärmeväxlare innefattande sådana plattor - Google Patents

Description

Dokument US 4 569 391 beskriver exempelvis en platt- värmeväxlare i vilken respektive platta är försedd med halvsfäriska utspràng. Utspràngen i en första platta är anordnade att med sin konvexa mantelyta ligga an mellan angränsande platta. visas i US 2 306 526. Detta doku- ment visar en plattvärmeväxlare i vilken en första platta med halvsfäriska utspràng är anordnad att ligga an mot en andra platta med motsvarande utspràng på ett sådant sätt att utsprången i den första och andra plattan är riktade i diametralt motsatt riktning.

Ett tredje dokument US 2 281 754, visar en plattvär- meväxlare i vilken plattorna innefattar halvsfäriska ut- språng. Plattorna är så inbördes anordnade att utsprången i en första platta ligger an mot ett plant parti på bak- utsprången i en andra En annan variant sidan av en andra platta.

Gemensamt för dessa lösningar är att plattorna inne- fattar halvsfäriska utspràng för alstrande av turbulent flöde genom större delen av spalttvärsnittet mellan två angränsande plattor. Det är dock önskvärt med en ytter- ligare förbättring av värmeöverföringskapaciteten. ÅNDAMÅL MED FÖRELIGGANDE UPPFINNING Ändamålet med föreliggande uppfinning är att till- handahàlla en vidareutveckling av, och en alternativ lösning till, de tidigare kända geometrierna hos värme- växlarplattor.

Ett annat ändamål är att erhålla värmeväxlarplattor som bidrar till ökad turbulens samt främjar uppbrytningen av laminära gränsskikt.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla en ökad specifik yta hos värmeväxlar- plattor. Ännu ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en plattvärmeväxlare med förbättrade värmeöverförings- egenskaper. 10 15 20 25 30 35 526 129 3 SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN För uppnàende av de ovan angivna samt ytterligare icke angivna ändamàl, vilka kommer att framgå av den efterföljande beskrivningen, avser föreliggande uppfin- ning en värmeväxlarplatta med de i krav 1 angivna sär- dragen. Uppfinningen avser vidare i enlighet med krav 9 en plattvärmeväxlare innefattande sådana värmeväxlar- plattor.

Närmare bestämt anvisas en värmeväxlarplatta inne- fattande ett antal från värmeväxlarplattans plan utskjut- ande turbulensfrämjande utsprång. Värmeväxlarplattan kännetecknas av att utsprången har en ytprofilering för främjande av uppbrytning av laminära gränsskikt och att ytprofileringen utgörs av sfäriska eller ellipsoida segment.

Inom strömningsteknik används ofta termen ”laminärt gränsskikt”. Termen syftar allmänt, och i denna ansökan, pà den del av en strömmande fluidvolym som strömmar så nära en begränsningsyta att den viskösa kraften dominerar över övriga krafter. Den därigenom låga flödeshastigheten innebär att denna del av fluidvolymen närmast begräns- ningsytan strömmar laminärt, medan den resterande delen av fluidvolymen strömmar turbulent. I fallet med platt- värmeväxlare uppstår således dessa laminära gränsskikt utmed ytorna hos de värmeväxlarplattor som tillsammans bygger upp en plattvärmeväxlare. Den i uppfinningen använda ytprofileringen på utspràngens mantelytor bildar således en ”ytráhet” som främjar uppbrytning av de lami- nära gränsskikten. Uppbrytningen främjar med andra ord uppkomsten av ett turbulent flöde i fluidvolymen genom hela eller större delen av ett av två värmeväxlarplattor avgränsat spalttvärsnitt. Genom att fluidvolymen genom hela, eller större delen av spalttvärsnittet strömmar turbulent erhålls en mycket effektiv omblanding av flu- iden och därmed en effektiv temperering av den fluid som skall tempereras, respektive effektiv värmeöverföring 10 15 20 25 30 35 526 129 gqg 4 från/till den fluid som används för temperering. Att ytprofileringen utgörs av sfäriska eller ellipsoida segment bidrar till att värmeväxlarplattan inte har nâgra skarpa kanter eller hörn som kan bilda svåràtkomliga skrymslen som konventionella rengöringsmetoder inte förmår att komma ät. Detta är mycket viktigt ur livsmedelshygieniska aspekter, eftersom svàràtkomliga skrymslen kan ge oönskad tillväxt av bakterier och andra organismer. Den mjuka geometrin är vidare gynnsam ur formningstekniska aspekter Det bör inses att beroende på hur respektive värme- växlarplatta är framställd kommer värmeväxlarplattans fram- respektive baksida att ha olika profil. En pressad värmeväxlarplatta har exempelvis en sida med konkav pro- filering och en sida med konvex profilering. Fluidernas strömningsmönster kommer således att bli olika på de båda sidorna. Vilken fluid som är i kontakt med vilken sida av värmeväxlarplattan bestäms från fall till fall, liksom utskottens respektive ytprofileringens geometri och profildjup.

Ytprofileringen ökar även den specifika ytan, vilket ytterligare gynnar tempereringen av den fluid som skall tempereras, och gynnar även värmeöverföringen till/från den fluid som används för temperering.

Med specifik yta avses var och en av de ytor som under drift exponeras för de fluider som strömmar genom plattvärmeväxlaren. Värmeväxlarplattans fram- och baksida har således var sin specifik yta. Den ökade turbulensen i kombination med de ökade specifika ytorna ökar plattvär- meväxlarens totala värmeöverföringskapacitet, vilket möj- liggör snabbare flöden och därmed högre produktionskapa- citet.

I en föredragen utföringsform är värmeväxlarplattan tillsammans med ett flertal identiska värmeväxlarplattor stapelbar på ett sådant sätt att utspràngen i en första värmeväxlarplatta delvis inrymmes i utspràngen i en andra 10 15 20 25 30 35 5 2 6 1 2 9 'få . gïïg. 5 värmeväxlarplatta. Det är vidare föredraget att utsp- ràngen är symmetriskt anordnade. Genom att värmeväxlar- plattorna på detta vis är stapelbara kan, med hjälp av sedvanliga packningar och distanser, en önskad spaltbredd och ett önskat spalttvärsnitt säkerställes mellan plat- torna. Vidare erhålls en kompakt och utrymmessnàl platt- värmeväxlare.

I en annan föredragen utföringsform har ytprofiler- ingen ett profildjup som väsentligt understiger utspràng- ens djup. Ytprofileringen skall således vara så pass fin att den till skillnad fràn utspràngen förmår att bryta upp och eventuellt eliminera de laminära gränsskikten närmast värmeväxlarplattorna. Det laminära gränsskiktets tjocklek är unik för varje utformning av värmeväxlar- plattan, och värmeväxlarplattan anpassas därför efter den fluid som skall tempereras respektive efter den fluid som används för temperering, varför inga mått eller förhål- lande mellan ytprofileringens profildjup och utspràngets djup kan ges. Exempel på viktiga parametrar är fluidernas hastighet och viskositet.

I ännu en föredragen utföringsform är ytprofiler- ingen konkavt eller konvext anordnad relativt utspràngen.

Det är vidare föredraget att den geometriska över- gången mellan värmeväxlarplattans plan och utspràngen är radieförsedd samt att ytprofileringen, såsom omnämnts ovan, utgörs av sfäriska eller ellipsoida segment.

Ytprofileringen i kombination med utspràngen kan således i dessa föredragna utföringsformer sägas bilda en golfbollsliknande struktur. Radien i kombination med den sfäriska eller ellipsoida formen gör att värmeväxlar- plattan inte har några skarpa kanter eller hörn som kan bilda svåråtkomliga skrymslen som konventionella rengöringsmetoder inte förmår att komma åt. Detta är mycket viktigt ur livsmedelshygieniska aspekter, eftersom svåråtkomliga skrymslen kan ge oönskad tillväxt av 10 15 20 25 30 35 526 129 6 bakterier och andra organismer. Den mjuka geometrin är vidare gynnsam ur formningstekniska aspekter.

Enligt en annan aspekt av uppfinningen avser denna en plattvärmeväxlare innefattande värmeväxlarplattor med i respektive värmeväxlarplatta anordnade turbulensfrämj- ande utspràng. Plattvärmeväxlaren kännetecknas av att respektive utsprång har en ytprofilering för främjande av uppbrytning av laminära gränsskikt och att att ytprofileringen utgörs av sfäriska eller ellipsoida segment.

Plattorna kan vara anordnade på en rad olika sätt i plattvärmeväxlaren. Exempelvis kan värmeväxlarplattorna vara så anordnade att utspràngen i en första värmeväxlar- platta vid stapling delvis inrymmes i utspràngen i en andra värmeväxlarplatta. Värmeväxlarplattorna kan exem- pelvis även vara parvis anordnade med ett första plattpar och ett andra, till det första, angränsande plattpar, i vilka plattpar en första och andra platta är anordnade med utspràngen riktade från varandra och i vilka det mel- lan den första och andra plattan är anordnat en spalt.

Den senare varianten medger att de två i plattvärmeväx- laren använda fluiderna kan anordnas att strömma genom olika spalttvärsnitt och därmed erhålla olika strömnings- mÖnStêr .

BESKRIVNING AV RITNINGAR I det följande kommer uppfinningen att beskrivas närmare i exemplifierande syfte med hänvisning till bifo- gade ritningar, vilka visar en för närvarande föredragen utföringsform.

Fig 1 visar en schematisk skiss av en utföringsform av en platta enligt föreliggande uppfinning.

Fig 2a och 2b visar två exempel på stapling av plat- tor i en plattvärmeväxlare.

Fig 3 visar en delförstoring av ett utspràng i plat- tan enligt fig 1. 10 15 20 25 30 35 526 129 TEKNISK BESKRIVNING Med hänvisning till fig 1 visas schematiskt en del av en värmeväxlarplatta 1, fortsättningsvis benämnd platta, enligt föreliggande uppfinning för användning i en plattvärmeväxlare, ej visad. Plattan 1 innefattar på sedvanligt vis ett plattelement 2 med ett flertal från plattans plan 3 utskjutande utspràng 4. Utspràngen 4 har i den illustrerade utföringsformen formen av sfäriska segment. Det bör dock inses att även andra geometrier hos utspràngen är möjliga. Huvudsyftet med utspràngen 4 är att de ska främja ett turbulent flöde hos en fluid som strömmar genom en av två intilliggande plattor 1 avgränsad spalt.

Beroende pà hur plattorna 1 är tänkta att staplas för bildande av en plattvärmeväxlare kan plattornas 1 utspràng 4 orienteras på en rad olika sätt, vilka bäst inses av fackmannen, och därmed bilda olika spalttvär- snitt X, Y, En mycket utrymmessnàl plattvärmeväxlare erhàlls exempelvis om utspràngen 4 är symmetriskt anordnade samt utformade på ett sådant sätt att utspràngen 4 i en första platta 1A delvis inrymmes i de av utspràngen 4 i en andra platta 1B, bildade urtagen 4', se fig 2a. Mellan de båda plattorna 1A och 1B anordnas en spalt, genom vilken de i plattvärmeväxlaren använda fluiderna kan strömma. De i plattvärmeväxlaren använda fluiderna kommer därigenom att strömma genom identiska eller väsentligen identiska se fig 2a och 2b. spalttvärsnitt X, Y.

Plattorna 1 kan även staplas på ett sådant sätt att värmeväxlarplattorna 1 är parvis anordnade med ett första plattpar 10 och ett andra, till det första, angränsande plattpar l0', i vilka plattpar 10, 10', en första 1A och andra platta 1B är anordnade med utspràngen 4 riktade fràn varandra, se fig 2b. Mellan den första 1A och andra samt mellan 1B plattan i respektive plattpar 10, 10' 10 15 20 25 30 35 526 129 respektive plattpar anordnas en spalt. Spalterna bildar de passager med spalttvärsnitt X, Y genom vilka de i plattvärmeväxlaren använda fluiderna kan strömma. Här- igenom kommer de tvá i plattvärmeväxlaren använda fluid- erna i denna variant att strömma genom olika spalttvär- snitt X, Y.

Det bör inses att plattorna 1 kan staplas på ett oändligt antal sätt och att uppfinningen inte ska begrän- sas av pà vilken sida om utspràngen 4 som de i plattvär- meväxlaren använda fluiderna strömmar. Vidare bör det inses att de olika plattorna inte behöver ha samma geo- metri på sina utspràng.

Med hänvisning till fig 3 är den geometriska övergången 5 mellan plattans 1 plan 3 och respektive utspràng 4 anordnad med en radie eller med en på annat sätt mjuk geometri. En mjuk geometrisk övergång är av stor betydelse ur hygiensynpunkt eftersom plattvärme- växlare vid användning inom livsmedelsindustrin kräver frekvent och mycket noggrann rengöring. Eventuella skarpa geometriska övergångar kan bilda svàråtkomliga utrymmen som kan bilda tillväxtzoner för bakterier och andra organismer. Det bör dock inses att mjuka geometriska övergångar även minskar strömningsmotståndet till nackdel för en ökad turbulens.

Utspràngen 4 kan utgöras av isolerade zoner, såsom exempelvis sfäriska eller ellipsoida segment, men kan även utgöras av helt eller delvis kontinuerliga zoner i form av exempelvis vågor eller rillor, dvs en på något sätt korrugerad yta.

Utspràngen 4 formas lämpligen genom pressning, var- igenom utspràngen utgör skàlformiga utbuktningar. Den ena sidan av plattan 1 kommer därmed att ha utspràng 4 medan den andra sidan kommer att ha motsvarande urtag 4'.

Utspràngen 4 är försedda med en ytprofilering 6, vilket tydligare visas i fig 3. Ytprofileringens huvud- syfte är att ytterligare underlätta och främja uppbryt- 10 15 20 25 30 35 5 2 f» 12 9 ä. 9 ningen av de laminära gränsskikten närmast plattorna och därmed främja eller framtvinga ett turbulent flöde genom hela eller större delen av spalttvärsnitten X, Y.

Ytprofileringen 6 utgörs i sin enklaste utförings- form av ett antal sfäriska eller ellipsoida segment i utsprángets 4 mantelyta 7. Det bör dock inses att även andra geometrier är möjliga, såsom exempelvis kors, stjärnor eller andra prismatiska geometrier. Antalet möjliga geometrier är såsom fackmannen inser oändligt.

Ytprofileringen 6 kan vara såväl konkav som konvex relativt utspránget 4 eller vara omväxlande konkavt och konvext. I det fall ytprofileringen 6 är konkavt anordnad kan den liknas vid en golfbolls yta, dvs utsprángets 4 mantelyta 7 är kraterförsedd. I det fall ytprofileringen 6 är konvext anordnad kan utsprángets 4 mantelyta 7 liknas vid en knottrig eller ”vàrtförsedd” yta. Det inses givetvis att genom att plattan l företrädesvis formas genom pressning kommer den ena sidan att erhålla en konkav ytprofilering medan den andra sidan pà motsvarande sätt erhåller en konvex ytprofilering. Uppfinningen skall inte begränsas av vilken sida som är vänd mot den fluid som skall tempereras.

Ytprofileringen 6 formas liksom utspràngen 4 enklast genom pressning, men den kan även utgöras av en exempel- vis etsad yta eller av ett profilerat laminat. ”Baksidan” kommer i de senare fallen att vara helt slät.

Utspràngen 4 tillsammans med ytprofileringen 6 främ- jar inte enbart ett turbulent flöde genom uppbrytning av de laminära gränsskikten utan ökar även de specifika ytorna, dvs de mot de i plattvärmeväxlaren transporterade fluiderna exponerade ytorna. Ju större specifik yta, desto högre värmeöverföring.

Ytprofileringen 6 har ett profildjup som väsentligt understiger utsprángens 4 djup. Det bör dock inses att valet av profildjup, profiltäthet och orientering beror av faktorer såsom de i plattvärmeväxlaren transporterade 0 I 000090 10 15 20 25 30 35 526 129 IC...- I Ü Û .ÛÜÛÖÛ Û Ü .Û Û' ...- Û Ü Ü ...- IÛO .

' IIÜ; f... 10 fluidernas fysiska egenskaper, exempelvis reologi och viskositet, önskad grad av turbulens, tryckfall och flöde. Detta är faktorer som är specifika för den situa- tion i vilken plattvärmeväxlaren är avsedd att verka.

Ytprofileringen måste således anpassas efter respektive situation så att den förmår att främja uppbrytning av de laminära gränsskikten och därmed tillhandahålla eller främja ett laminärt flöde genom hela spalttvärsnittet.

Materialet i plattorna l bör vara ett material som är korrosionsbeständigt, som är lämpligt för livsmedels- industrin samt som har hög värmekonduktivitet. Den valda godstjockleken bör vara relativt tunn för ökad värmeöver- föring.

Föreliggande uppfinning hänför sig även till en plattvärmeväxlare, ej visad, som är uppbyggd av ett erforderligt antal plattor 1 med utformning enligt beskrivningen ovan. Antalet plattor 1 beror bland annat av plattvärmeväxlarens kapacitet och beskrivs inte närmare här. Plattorna 1 kan staplas pà en mängd olika sätt, varav tvâ olika sätt exemplifieras i beskrivningen med hänvisning till fig 2a och 2b. Beroende pà hur plattorna l staplas erhålls olika spalttvärsnitt X, Y och därmed olika strömningsmönster för de för plattvärme- växlaren avsedda fluiderna. Antalet staplingsmöjligheter är stort och skall inte begränsa uppfinningen.

Medelst tätningar, vulster, distanser eller dylikt säkerställes en bestämd spaltbredd och ett bestämt spalt- tvärsnitt X, Y mellan angränsande plattor för passage av de tilltänkta fluiderna.

Som exempel på den fluid som skall tempereras ges mjölk, juice, soppa eller puré. Som exempel på den fluid som används för temperering ges vatten.

Sammanfattningsvis innefattar således föreliggande uppfinning plattor l för användning i en plattvärme- växlare, samt en plattvärmeväxlare som använder dylika plattor. Plattorna 1 innefattar ett antal turbulensalst- 10 15 20 25 30 526 129 ll rande utspráng 4. Utsprángen 4 har en ytprofilering 6 som främjar uppbrytning av de laminära gränsskikten närmast plattornas l ytor. Ytprofileringens 6 profildjup anpassas efter plattvärmeväxlarens tilltänkta arbetsbetingelser, men bör väsentligen understiga utsprángets 4 djup och illustrativt bilda en golfbollsliknande struktur. Ytpro- fileringen 6 kan vara såväl konkav som konvex relativt utsprànget 4. Plattan 1, utspràngen 4 och dess ytprofil- ering 6 bildar tillsammans en yta utan skarpa geometriska övergångar som är lätt att rengöra och som därmed förhindrar oönskad bakterietillväxt.

Utsprången 4 i kombination med ytprofileringen bildar en stor specifik yta, vilket främjar värmeöver- föringen mellan de fluider som transporteras i platt- värmeväxlaren. Vidare förstärker ytprofileringen turbu- lensen genom att den främjar uppbrytningen av de laminära gränsskikten närmast plattornas ytor, vilket ytterligare främjar värmeöverföringen.

Det inses att föreliggande uppfinning inte är begränsad till de visade och beskrivna utföringsformerna av plattorna och en därav bildad plattvärmeväxlare.

Uppfinningstanken kan exempelvis, mot smärre ändringar, appliceras på andra typer av värmeväxlare, exempelvis på rörvärmeväxlare i vilka de ingående rören förses med utspráng som har en ytprofilering för främjande av uppbrytning av laminära gränsskikt. Flera modifieringar och varianter är sålunda möjliga och uppfinningen definieras följaktligen uteslutande av de bifogade kraven.

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 526 129 12 PATENTKRAV

1. Värmeväxlarplatta (1) innefattande ett antal från värmeväxlarplattans plan (3) utskjutande turbulensfräm- jande utspràng (4) kännetecknad av att utsprången (4) har en ytprofilering (6) för främjande av uppbrytning av laminära gränsskikt och att ytprofilering (6) utgörs av sfäriska eller ellipsoida segment.

2. Värmeväxlarplatta (l) enligt krav l, vilken till- sammans med ett flertal identiska värmeväxlarplattor (1) är stapelbar pà ett sådant sätt att utsprången (4) i en första värmeväxlarplatta (1) delvis inrymmes i utsprången (4) i en andra värmeväxlarplatta (1).

3. Värmeväxlarplatta (1) enligt krav 1, vid vilken utsprången (4) är symmetriskt anordnade.

4. Värmeväxlarplatta (1) enligt krav 1, vid vilken ytprofileringen (6) har ett profildjup som väsentligt understiger utsprångens (4) djup.

5. Värmeväxlarplatta (1) enligt krav 1, vid vilken ytprofileringen (6) är konkavt eller konvext anordnad relativt utsprången (4).

6. Värmeväxlarplatta (1) enligt krav 1, vid vilken den geometriska övergången mellan värmeväxlarplattans (1) plan (3) och utsprången (4) är radieförsedd.

7. Värmeväxlarplatta (1) enligt krav 1, vid vilken ytprofileringen (6) tillsammans med utsprången (4) bildar en golfbollsliknande struktur.

8. Plattvärmeväxlare innefattande värmeväxlarplattor (1) med i respektive värmeväxlarplatta (1) anordnade turbulensfrämjande utspràng (4), k är1n.et:e c kria d av att respektive utsprång (4) har en ytprofilering (6) för främjande av uppbrytning av laminära gränsskikt, vilken ytprofilering (6) utgörs av sfäriska eller ellipsoida segment.

9. Plattvärmeväxlare enligt krav 8, vid vilken 10 15 20 25 5 2 6 12 9 šII= ïïït. fi* 13 värmeväxlarplattorna (1) är så anordnade att utsprången (4) i en första värmeväxlarplatta (l) vid stapling delvis inrymmes i utsprången (4) i en andra värmeväxlarplatta (1).

10. Plattvärmeväxlare enligt krav 8, vid vilken värmeväxlarplattorna (1) är parvis anordnade med ett första (10) plattpar och ett andra (l0'), till det första, angränsande plattpar, i vilka plattpar (10, lO') en första (lA) och andra platta (1B) är anordnade med ut- riktade från varandra och i vilka plattpar och andra (1B) plattan är sprången (4) det mellan den första (lA) anordnat en spalt.

11. Plattvärmeväxlare enligt krav 8, vid vilken utsprången (4) i respektive värmeväxlarplatta (1) är symmetriskt anordnade.

12. Plattvärmeväxlare enligt krav 8, vid vilken ytprofileringen (6) har ett profildjup som väsentligt understiger utsprångens (4) djup.

13. Plattvärmeväxlare enligt krav 8, vid vilken respektive utspràngs (4) ytprofilering (6) är konkavt eller konvext anordnad relativt utsprånget (4).

14. Plattvärmeväxlare enligt krav 8, vid vilken utspràngen (4) tillsammans med ytprofileringen (6) bildar en golfbollsliknande struktur.