SE531701C2 - Vätskeavskiljare till ett förångningssystem - Google Patents

Description

53:! 712% vanligtvis försedd med minst fyra öppningar bestående av genomgående hål stansade i plattans fyra hörn. Öppningarna i plattorna utgör nämnda inlopps- och utloppskanaler, vilka sträcker sig genom plattvärmeväxlaren på tvären mot plattornas plan. Tätningar är placerade runt några av öppningarna i varannan plattas mellanrum respektive runt de andra öppningarna så att två separata kanaler bildas för den primära och sekundära vätskan. Tätningarna kan åstadkommas med hjälp av packningar, svetsning eller hårdlödning.

Eftersom det uppstår ett betydande vätsketryck i värmeväxlaren under drift måste plattorna därför vara tillräckligt styva för att inte deformeras av vätsketrycket. Det är endast möjligt att använda plattor tillverkade av plåtämnen om plattorna stöttas på något sätt. Detta uppnås vanligtvis genom att värmeöverföringsplattorna formas med någon typ av korrugering så att de ligger an mot varandra i ett stort antal punkter.

Plattorna kan vara sammanfogade mellan två böjstyva ändplattor eller stativplattor i ett stativ så att en styv enhet med flödeskanaler i varje mellanrum mellan plattorna bildas. Ändplattorna fästs mot varandra med hjälp av ett antal spännbultar som håller ihop båda plattorna genom hål längs varje ändplattas omkrets. Vissa plattvärmeväxlare sammanfogas genom svetsning eller lödning så att ändplattorna skyddar värmeväxlarens värmeöverföringsplattor.

Kylförångare klassificeras efter hur expansionen uppnås.

Cirkulationsförångare kan vara termosifoner, pumpar eller ejektorer.

Tvåfasblandningen som lämnar expansionsventilen separerar till ånga och vätska i en avskiljare. Vätskan blandas med den cirkulerande vätskan från förångaren och àterförs till förångaren. Ångan blandas med ångan från förångaren och förs vidare till kompressorn. 53? 'FÜÉ Denna typ av förångare arbetar alltid med långt under 100 % förångning. Värmeöverföringsytan är därför alltid vätt av kylmediet.

Värmeöverföringskoefficienten är hög så att endast en mindre värmeöverföringsyta krävs, men en avskiljare är nödvändig.

Avskiljaren i ett nivåförångarsystem har minst en av följande viktiga funktioner: o Avskiljning av Vätskedroppar från ångan. o Uppsamling av systemets innehåll av kylmedium i samband med ett d riftstopp. o Utjämning av volymvariationer i systemet i samband med belastningsvariationer. o Under vissa omständigheter kan kylmediet börja skumma och utrymme måste medges för detta. o Tillhandahållande av en statisk vätskenivå som utgör drivkraften för cirkulationen eller sughöjden för en cirkulationspump. o Vätskenivån används även för styrning av expansionsventilen.

Detta görs ibland i högtrycksbehållaren, ibland i lågtrycksbehållaren. o Fungera som en oljefälla/-avskiljare.

Avskiljningen av ånga och vätska uppnås med hjälp av gravitation, ibland med hjälp av centrifugalkraft, sä att de tyngre vätskedropparna faller nedåt.

Vätskedroppar som är tillräckligt små för att förbli suspenderade av molekylers rörelser, s.k. brownsk rörelse, avskiljs inte. I praktiken avskiljs ibland inte heller vätskedroppar som är mycket större än brownska droppar, men det finns andra metoder för att avskilja dessa.

I princip finns det två typer av avskiljare, horisontala och vertikala avskiljare samt avskiljare av hybridtyp. Den horisontala avskiljaren har följande egenskaper: Éšíšfi ?Û'É 4 Fiödet är horisontalt. Är omloppstiden tillräckligt lång, avskiljs dropparna oberoende av hastigheten.

Verkningsgraden bestäms av uppehållstiden och höjden på avskiljningsutrymmet.

När vätskenivån stiger minskar tvärsnittsarean samtidigt som hastigheten ökar och uppehållstiden minskar, dvs. avskiijningen minskar.

Det är enkelt att ansluta två eller fiera förångare, eller en förångare med dubbla utlopp. Dubbla inlopp reducerar hastigheten med 50 %, men även avskiljningsavståndet, vilket upprätthåller verkningsgraden.

En vertikal avskiljare har följande egenskaper: Ångan strömmar huvudsakligen uppåt. Dropparna avskiljs om hastigheten är lägre än avskiljningshastigheten. Vätskeinnehållets variation medför en motsvarande stor variation i vätskenivån.

Vätskenivån påverkar inte ånghastigheten.

Vätskan agiteras lätt, vilket ger en variabel signal till TEV-ventilen och försvårar oljeavskiljning.

Kräver inte mycket golvutrymme, men desto mer i höjdled.

En vertikal avskiljare får inte förväxlas med en cyklon. En cyklon avskiljer partiklar eller droppar genom att ångan tillförs tangentiellt med hög hastighet, vilket ger upphov till en kraftig centrifugalkraft som svarar för den faktiska avskiijningen. Avskiljningen är visserligen mycket effektiv, men tryckfallet är också mycket stort.

Det är svårt att ansluta två eller flera förångare, eller en förångare med dubbla utlopp.

En hybridavskiljare har följande egenskaper: Den äri grunden en horisontal avskiljare med ett vertikalt kärl anslutet i botten. 523-'3 712V? 5 - Vätskenivån bibehålls i kärlet. Avskiljningen äger rum i den horisontala delen. Hastigheten är oberoende av vätskenivån. o Den totala mängden kylmedium är mindre än i en horisontal avskiljare. o Vätskenivån påverkas mindre av det stötkokande kylmediet eller den cirkulerande ång- och vätskeblandningen.

En traditionell avskiljare tillverkas av kolstål, och är kort och skrymmande med stor diameter. Denna konstruktion resulterar dock i en avsevärd extra vikt för förångaren, samtidigt som dess storlek och form orsakar problem med höjdrestriktioner, m.m. Kostnaden för en kort och bred avskiljare är dessutom mycket högre än för en långsträckt och smal avskiljare.

En traditionell avskiljare och dess vikt hålls upp av externa stödkonstruktioner med tillräckligt fritt utrymme ovanför avskiljaren, vilket gör att anslutningsrören blir relativt långa mellan förångaren och avskiljaren.

Vidare innehåller avskiljaren normallt en mängd kylmedium som är skadlig till följd av bl.a. giftighet, brandfarlighet, sönderdelning, osv. §ammanfattninq av Lggpfinningeg Syftet med den föreliggande uppfinningen är att eliminera eller åtminstone mildra ovan nämnda nackdelar och begränsningar i dagens förångningsavskiljare. Detta syfte har uppnåtts genom att uppfinningen har de kännetecknande egenskaper som beskrivs i krav 1, i vilket avskiljaren är utformad som ett U-format rör.

Med hjälp av den föreliggande uppfinningen har en förångningsavskiljare åstadkommits som gör det samlade förångningssystemet mer kompakt och mindre utrymmeskrävande 531 'Füfš 6 samtidigt som avsklljningen blir mer effektiv. Avskiljarens kompakta design är också fördelaktig av ekonomiska skäl.

Tack vare avskiljarrörens små diametrar reduceras avskiljarens vikt. Avskiljarens mindre storlek gör det möjligt att använda material av högre kvalitet och ändå åstadkomma en ekonomisk lösning.

Därigenom kan ytbehandling mot korrosion undvikas och kostnaderna sänkas. De små diametrarna medger användning av rörkomponenter av standardtyp på marknaden i stället för särskilda specialtillverkade komponenter.

Vidare minskar mängden kylmedium i avskiljaren, vilket ökar säkerheten för miljö och människor i motsvarande grad.

Adekvata utföranden av uppfinningen har uppnåtts genom att uppfinningen har de kännetecknande egenskaper som beskrivs i de osjälvständiga kraven 2-8.

Ytterligare syften, egenskaper, fördelar och adekvata utföranden av den föreliggande uppfinningen kommer att bli mer uppenbara av den följande detaljerade beskrivningen när denna ses i förbindelse med ritningarna och de bifogade kraven.

Kort beskrivninq av ritningarna Adekvata utföranden av uppfinningen kommer nu att beskrivas meri detalj nedan, med hänvisning till de bifogade ritningarna, som med hjälp av exempel illustrerar nuvarande adekvata utföranden av uppfinningen.

Fig. 1 visar en perspektivvy av en befintlig avskiljare till ett förångningssystem.

Fig. 2 visar en sidovy av avskiljaren i uppfinningen.

Fig. 3 visar en vy uppifrån av avskiljaren i fig. 2 enligt uppfinningen. 53? ?Û”l 7 Fig. 4 visar en perspektiwy av ett första utförande av avskiljaren i enlighet med den föreliggande uppfinningen.

Fig. 5 visar en annan perspektiwy av avskiljaren i enlighet med fig. 2-4.

Fig. 6 visar en perspektivvy av ett andra utförande av avskiljaren enligt uppfinningen.

Detalierad beskrivning av fifinnindens utföranden l fig. 1 visas den allmänna principen för ett plattvärmeväxlarbaserat cirkulationsförångningssystem. Förångaren 1 är ansluten till en ång-/vätskeavskiljare 2 via två rör 3 och 4, där den lägre rörgrenen 3 matar förångaren 1 och den övre rörgrenen 4 återför den delvis förångade vätskan. l fallet med en olöslig olja som är tyngre än kylsystemets kylmedium, t.ex. olja/ammoniak, tappas oljan av från avskiljarens botten och samlas upp i ett kärl (ej visat) i kylsystemets lägsta del och kan tappas av därifrån. Oljans primära uppgift i systemet är att smörja kompressoremas rörliga delar och täta för att hindra kyimediet från att läcka ut. Det är viktigt att oljan hindras att nå förångaren och den samlas därför upp innan den när förångaren och återförs till kompressorn.

Avskiljaren 2 upprätthåller en vätskenivå som normalt ligger väl över förångarens överkant. Förångaren 1 är därför alltid fylld med vätska. Denna typ av förångare kallas normalt för nivàförångare.

Beroende på drivkraften bakom cirkulationen klassificeras nivåförångare som termosifonförångare, där drivkraften är den naturliga densitetsskillnaden mellan de två rörgrenarna mellan avskiljaren och förångaren, eller forcerade nivåförångare, där drivkraften är en pump eller ejektor. šíšfi "åüfi Cirkulationen -förhållandet mellan den totala mängden kylmedium som förs in i förångaren och mängden som förångas - kan variera från omkring 5 till 10 för en tub- och rörvärmeväxlare till omkring 1,2 i en plattvärmeväxlare av antingen lödd eller semisvetsad typ. Lägre cirkulationshastighet medger mindre rör och avskiljare samt en minskning av den totala mängden kylmedium på anläggningen.

Värmeöverföringsytan är därför alltid vätt av kylmediet. Detta är viktigt, eftersom värmeöverföringen då är tvåfasigt konvektiv med ånga i vätska, dvs. hög jämfört med en direktexpansionsförångare där värmeöverföringen i slutet av förångningen och överhettningen av ångan är värmeöverföring från gas, dvs. låg.

Vid stora kapaciteter föredras en nivåförångare med sin relativt begränsade storlek framför en torr expansionsförångare. l detta fall är förångarens verkningsgrad viktigare än extrakostnaden för en avskiljare.

Mindre lödda plattvärmeväxlare för torrexpansion används därför normalt inte förutom som hjälpkylare, t.ex. oljekylare, på större anläggningar. Större lödda plattvärmeväxlare kan användas som nivåförångare för kylmedier som inte är baserade på ammoniak.

Ammoniak möjliggör användning av nivåförångare och den senaste utvecklingen av fusionssammanfogade plattvärmeväxlare skulle kunna öka deras användning här. Avskiljaren i enlighet med den föreliggande uppfinningen möjliggör användning av ammoniak vid lägre kapaciteter än vad som är brukligt i dag.

Av ekonomiska skäl anses termosifonsystem ofta utgöra den bästa lösningen till nivåförångare, eftersom kostnaden för inköp och drift av en pump kan sparas in. Cirkulationshastigheten är dock kraftigt beroende av värmeöverföringen och tryckfallet i systemets olika delar, och dessa år i sin tur beroende av cirkulationen. Det finns m.a.o. ett EBfl ?Ü'l 9 samspel och ömsesidigt beroende mellan tryckfall, cirkulationshastighet och värmeöverföring i cirkulationssystemet.

Definitionsmässigt innebär en termosifon cirkulation till följd av densitetsskillnader mellan vätskorna i två förbundna rörgrenar. När enheten i fig. 1 inte är i drift, men fylld med flytande kylmedium och med båda ventilerna öppnade, är kylmediets nivå i avskiljaren samma som i förångaren.

När vätska förs in iförångaren 1 på den andra sidan, värms kylmediet upp så att bubblor och skum sakta börjar bildas. Kanalerna fylls då delvis med uppåtstigande bubblor. Det innebär att medeldensiteten i rörgren 4 från förångaren är mycket lägre än densiteten i rörgren 3 från avskiljaren.

Följaktligen är de två rörgrenarna 3 och 4 inte ijämvikt och kylmediet börjar gradvis flyta in i förångaren 1 från avskiljaren 2 via rörgrenen 3. l toppen av förångaren 1 forceras en tvåfasblandning in i avskiljaren 2, där vätskan och ångan separerar. l botten förs kylmediet in och värms upp till slutlig kokning. Därigenom upprätthålls alltid en tvåfasblandning i kanalema.

Allt eftersom cirkulationshastigheten ökar, ökar även de olika tryckfallen och till slut balanseras drivkraften av retardationskrafter.

Systemet befinner sig då i jämvikt och ett konstant flöde av kylmedium förs då in lförångaren samtidigt som en viss andel av flödet förångas.

Vätske- och ångblandningen som förs in i avskiljaren 2 är mättad. Vätskedropparna avskiljs från ångan varefter kylmediet åter förs till förångaren 1, men utan att längre vara mättat. Temperaturen är densamma som i avskiljaren 2, men trycket är högre, ökat med den statiska uppfordringshöjden från vätskenlvån till inloppet, dvs. kylmediet är underkylt. 534 Fiffi 10 Det innebär att det inte förekommer någon kokning i den första delen av värmeväxlaren, bara en temperaturhöjnlng. Allt eftersom kylmediet stiger, sjunker trycket så att underkylningen minskar.

Dessa två effekter - ökande temperatur och sjunkande tryck - innebär att kokpunkten nås efter en stund varvid kylmediet börjar koka, om än vid en högre temperatur än vid utloppet. Trycket fortsätter att öka till följd av den ändrade höjden och tryckfallet, och det nu mättade kylmediet fortsätter att stiga med fallande temperatur tills det når avskiljaren och kretsen sluts.

Fig. 2-6 visar vätskeavskiljaren 2 i enlighet med den föreliggande uppfinningen utformad som ett U-format rör 5. Röret 5 är ett standardrör med en diameter mellan 100 och 400 mm. Längden på avskiljarröret 5 kan varieras beroende på kapaciteten och förångarens förångningstemperatur. Avskiljaren bör ha en längd och bredd som någorlunda motsvarar förångarens längd och bredd.

Flödet av det tvåfasiga kylmediet lämnar förångaren från en övre anslutning 6 på plattvärmeväxlarförångaren 1 och förs in i avskiljaren 2 på dennas primärsida 7. I avskiljaren avskiljs kylmediets vätskedroppar från ångan och det flytande kylmediet återcirkuleras från avskiljarens sekundärsida 8 till en bottenanslutning 9 l plattvärmeväxlarförångaren 1. Alternativt kan en oljeavtappningskran (ej visad) monteras före det ställe där det flytande kylmediet når bottenanslutningen 9 på förångaren 1. I detta fall är det viktigt att oljeavtappningskranen placeras vid förångningssystemets lägsta punkt. l ett adekvat utförande av den föreliggande uppfinningen möjliggörs ett antal fasta rörlängder för var och en av de olika typerna av plattvärmeväxlarförångare. Följaktligen förses varje plattvärmeväxlarförångarmodell med en avskiljare med fast diameter, men längden på avskiljarröret kan variera beroende på temperaturen och förångarens kapacitet. l ett annat adekvat utförande av den föreliggande uppfinningen är avskiljarens U-formade rör 5 böjt företrädesvis 180°. Den U-formade formen på avskiljaren 2 ökar avskiljningsverkningsgraden jämfört med traditionella avskiljare, eftersom avskiljningslängden är längre än hos en traditionell avskiljare. För större avskiljarediametrar kan 180°-böjen tillverkas av två T-rör med ändlock för att minska avståndet mellan de två avskiljargrenarna.

Företrädesvis placeras avskiljaren 2 i enlighet med uppfinningen ovanpå förångaren. I ett adekvat utförande stöttas avskiljaren av två stöd 10 och 11 på ramen 12 eller anslutningsplattan samt av ett stöd 13 på plattvärmeväxlarens stativpelare 14. Denna konstruktion ger uppfinningens avskiljarrör möjlighet att expandera och kontrahera beroende på temperaturvariationerna. l ett alternativt utförande av den föreliggande uppfinningen är avskiljaren placerad på sidan av förångaren, se fig. 6.

Avskiljaren kan vara tillverkad av rostfritt stål eller något annat legerat material för att undvika korrosion utan behov av ytbehandling och ytbeläggning. Alternativt kan den tillverkas av vanligt ytbehandlat kolstål.

Avskiljarens kompakta design enligt den föreliggande uppfinningen gör att en avskiljare med låg vikt uppnås med mindre utrymmesbehov än befintliga vätskeavskiljare.

En annan fördel med vätskeavskiljaren i enlighet med den föreliggande uppfinningen är att den fungerar med bibehållen kylningsverkningsgrad vid dellaster tack vare en kort returledning på den våta sidan med lågt tryckfall och anpassade drivande vätskenivåer.

Vidare fungerar avskiljaren 2 i enlighet med uppfinningen även som en anslutningspunkt för säkerhetsventíler, inloppsexpansion, 53% Ftilší 12 ventiler, vätskeniväkontroll, sugtryckskontroll, oljeavskiljare, dropptråg samt som lyftpunkt från golvnivå. För traditionellt tillverkade avskiljare med stora diametrar utgörs vätskenivåkontrollen av ett parallellt vätskerör anslutet till avskiljaren och sugsidan med två avstängningsventiler, ett nivàglas samt en givare för styrning av en reglerventil. Uppfinningen med små avskiljardiametrar medger att induktiva givare monteras internt. Sådana nivåvakter medger lägre vikt, färre komponenter och minskad risk för läckage.

För en fackman är det uppenbart att olika substitutioner och modifieringar kan göras av den föreliggande uppfinningen utan att avsteg görs från uppfinningens anda och omfattning.

Claims (10)

531 'ïüí 13 PATENTKRAV

1. Vätskeavskiljare (2) till ett plattvärmeväxlarförångarsystem (1) för avskiljning av vätskedroppar från ett kylmedium i tvåfas transporterat från en övre anslutning (6) på plattvärmeväxlarförångaren (1) till avskiljaren, varvid kylmediets vätskedroppar från ångan och det flytande kylmediet återcirkuleras från avskiljaren till en bottenanslutning (9) i plattvärmeväxlarförångaren 1, k ä n n e t e c k n a d av att avskiljaren (2) är utformad som ett U-format rör (5), vilket är anordnat huvudsakligen horisontellt.

2. Vätskeavskiljare (2) i enlighet med krav 1, k ä n n e- t e c k n a d av att avskiljarröret (5) år böjt 180°.

3. Vätskeavskiljare (2) i enlighet med något av kraven 1 eller 2 kännetecknad av att längden på avskiljarröret (5) kan varieras.

4. Vätskeavskiljare (2) i enlighet med något av kraven 1-3, kännetecknad av att längden och bredden på avskiljarröret (5) ungefär motsvarar längden och bredden på förångaren (1).

5. Vätskeavskiljare (2) i enlighet med något av kraven 1-4, kännetecknad av att avskiljarröret (5) har en diameter mellan 100 och 400 mm.

6. Vätskeavskiljare (2) i enlighet med något av kraven 1-5, kännetecknad av att avskiljaren är placerad ovanpå förångaren (1).

7. Vätskeavskiljare (2) i enlighet med något av kraven 1-5, kännetecknad av att avskiljaren (2) är placerad på sidan av förångaren (1)-

8. Vätskeavskiljare (2) i enlighet med kraven 6 eller 7, kännetecknad av att avskiljaren bärs upp av plattvärmeväxlarförångarens stativ (12). 53% *FEM 14

9. Vätskeavskiljare (2) i enlighet med något av kraven 1-8, kännetecknad av att avskiljaren är tillverkad av rostfritt stål.

10. Vätskeavskiljare (2) i enlighet med något av kraven 1-8, kännetecknad av att avskiljaren är tillverkad av kolstål med en ytbehandling mot korrosion.