SE535337C2 - Sätt att höja verkningsgraden i en regenerativ värmeväxlare - Google Patents

Abstract

Ett primärt ändamål med föreliggande uppfinning är ett förbättrat sätt att överföravärme/kyla i en regenerativ värmeväxlare enlig de särdrag som anges i patentkraven. Därett störelement placeras i strömningskanalerna i rotorn i en regenerativ värmeväxlare.Störelementen placeras på en begränsad sträcka nära mynningen en bit in i kanalema ivärmeväxlarens rotor. Avståndet från kanalens mynning in till den punkt därstörelementen ska börja införas ska motsvara ungefär halva längden hos en ursprungligtostörd övergångszon. Övergångszonen är den axiella sträckan i kanalen under vilkengasen går från kall till varm temperatur eller tvärtom Störelementens funktion är att lokaltnedströms störelementen öka värmeöverföringsförmågan mellan gas ochströmningskanalens vägar. Denna lokalt ökade värrneöverföringsförmåga medför attkanalens längd kan minskas med bibehållen verkningsgrad hos värrneväxlaren. Genomatt störelementen införs på en begränsad sträcka i värmeväxlaren begränsas påverkan på tryckfallet för flödet genom värmeväxlaren samt att risken för i gensättning reduceras.

Description

535 33? utförande. Den vidare beskrivningen kommer att koncentreras på RVX av Ljungströms utförande. Uppfinningens applicerbarhet är dock ej begränsad till RVX av Ljungströms utförande. I en vänneväxlare av Ljungströms utförande får varm gas strömma genom strömningskanaler i ett plåtpaket varvid plåtpaketet värms upp av den varma gasströmmen samtidigt som gasen kyls. I nästa steg värms en kall gas genom att det nu uppvärmda plåtpaketet flyttas genom rotation av plåtpaketet in i en kall gasström varvid plåtpaketet kyls och den kalla gasströmmen värms upp. Det kalla plåtpaketet flyttas därefter åter in i den varma gasströmmen och plåtpaketet värms upp igen och processen upprepas. Strömningsriktníngama i en RVX kan antingen vara medström eller motström.

I medströms utförandet går kall och varm gas genom elementen i värmeväxlaren i samma strömningsriktning. I en motströmsvärrneväxlare växlar den varma och kalla gasen strömningsriktning. En motströmsvärmeväxlare har högre verkningsgrad än en medströmsvärrneväxlare. Motströmsvärrnevåxlaren är också den vanligaste varianten.

Uppfinningen kan appliceras på en medströmsvärmeväxlare men uppfinningen lämpar sig bäst för en motströmsvänneväxlare. Den följande beskrivningen av uppfinningen koncentrerar sig på motströmsvärmeväxlare.

Betydelse av bra värmeövergång: Uppfinningen avser att förbättra värrneövergången i en RVX på ett sådant sätt att värmeväxlaren kan göras kompaktare utan att ett förhöjt tryckfall erhålles. För att klargöra fördelama med föreliggande uppfinning ges en beskrivning av värmeövergångsprocessen i en RVX. Värmeövergången, värmeövergångstalet, mellan en yta och ett strömmande medium står i direkt relation till tryckfall. Ett högt tryckfall ger ett högt värmeövergångstal. Och motsvarande ger ett lågt tryckfall ett lågt värmeövergångstal. Ett högt värmeövergångstal kan erhållas om en yta förses med störelement som stör strömningen och skapar omblandning och turbulens. Detta ger dock ett förhöjt tryckfall. Störelementen ökar också risken för att skräp och föroreningar fastnar på ytoma vilket kraftigt reducerar värmeövergångstalet. Stora ansträngningar har gjorts för att ta fram ytstrukturer som ger högt värmeövergångstal men som ej försmutsas.

Detta gäller speciellt konventionella icke regenerativa plattvärrneväxlare. En icke regeneratív plattvärmeväxlare med ett högt värmeövergångßtal kan göras kompakt. Vid l5 535 337 konstruktion av plattvärrneväxlare så är val av plåtstruktur en sammanjämkning mellan kompakthet, tryckfall och risk för Fórsmutsning som ger den slutliga konstruktionen.

Regenerativa värmeväxlare har ett något annorlunda arbetsätt. Det gängse sättet att förbättra värmeövergången i en RVX har varit analogt med sättet att förbättra vänneövergången för en konventionell värmeväxlare. Vilket innebär att hela ytan i värmeväxlaren modifieras till att få en högre värmeövergång. I en RVX behöver emellertid enligt uppfinningen inte all yta i värmeväxlaren modifieras. För att utnyttja fórdelama med bra värmeövergång kan värmeövergången enlig uppfinningen ökas selektivt på RVX ytan. Bakgrunden till detta ges i den följande beskrivningen.

Vad är känt: Det är väl känt att värmeövergångstalet kan ökas med störelement på en värmeväxlares yta, se t.ex. US005983985. Patentet avser att öka omblandningen mellan zoner med långsamströmníng och snabb strömming. Detta sker genom att störelement placerar längs stömingsytor i de sektioner som har stor strömningsarea.

Detaljbeskrivning av värmeöverfóringsprocessen i en RVX: Gasen som skall kylas/värmas leds genom element i värmeväxlaren bestående av plattor eller rörformade kanaler. En mer detaljerad beskrivning av värmeöverfóringsprocessen ges i det följande där vi betraktar rörforrnade kanaler vars väggar värms av en gasström.

En varm gasström strömmar igenom en initial kall kanal i värmeväxlarens rotor. Kanalen (materialet i kanalväggama) värms upp och gasen kyls och denna värrnning/kylning börjar från inströmningssidan av kanalen. I en ideal RVX erhåller kanalens väggar den vamla gasen temperatur på en mycket kort axiell sträcka i kanalen och gasen erhåller den kalla kanalväggens temperatur på motsvarande korta sträcka. För en helt ideal värmeväxlare ska denna sträcka vara noll. l verkligheten övergår gasen från gasens initialt Vanna temperartur till kanalväggens initialt kalla temperatur i en med kanalen axiellt utsträckt övergångszon. I samma övergångszon värms materialet i kanalens väggar till gasen temperatur. Övergångszonen längd beror på flera parametrar, vilka är: gasens strömningshastighet, kanalens diameter, gasens vänneledningsfórmåga och värmekapacitivitet samt värmeövergången mellan kanalens väggar och gas. 535 33? Med kanaldiameter avses här för icke eirkulära kanaler en ekvivalent kanaldiameter enligt gängse definition. Under värmeväxlingens process flyttar sig övergångszonen med oförändrad längd längs kanalen. När övergångszonen nått utströmningssidan hos kanalen börjar vann gas strömma ut från vänneväxlaren. Värmeväxlaren nått nu nått sin optimala punkt och gasströmmen ska nu vändas och den omvända värmeöverfóringsprocessen påbörjas. I en regenerativ värmeväxlare av Ljungströms utförande sker denna vändning genom att kanalema i rotom genom rotoms rotation flyttas ner i den kalla gasströmmen.

Längden på övergângszonen har en stor betydelse för en värmeväxlares effektivitet och för ett ytterligare klargörande visas övergångszonen längd beroende av parametrama nedan. Uttrycket gäller för laminär strömning i kanalerna en RVX.

M z U-Dfk -p-C 0 Nu - K Lö Övergångszonens längd.

U Strömningshasti ghet i kanalen.

D ,, Kanalens ekvivalenta diameter. m Gasens densitet.

Gasens vännekapacitivitet.

Nfïiä Gasens vänneledningsfórmåga.

Nu Nusselts tal. Nusselts tal anger värmeöverfóringsfonnågan mellan kanalvägg och gas.

I en kanal med turbulent rörströmning har längden av övergångszonen beroende av olika parametrar ett annat utseende. Men resonemanget om avkortnin g av övergångszonens längd och sätta att åstadkomma detta är fortfarande giltigt och förfarandet enligt uppfinningen kan också appliceras på värrneväxlare med turbulent strömning. Övergångszonen: Vid dimensionering av en RVX dimensioneras RVX för en värmeövertörande längd (massa) plus en extra längd (extra massa). Den extra längden beror på övergångszonen l5 535 337 och ges av längden på övergångszonen. För en motströms RVX måste dimensioneringen ta hänsyn till en övergångszon i båda ändar av RVX kanalema. Detta då gas strömmar i båda riktningama genom kanalerna. En förkortning av övergångszon gör att en RVX kan göras motsvarande längd kortare. Detta innebär att en RVX kan tillverkas med mindre massa i rotom. De sammanlagda övergångszonemas längder hos kanalens båda ingångar kan motsvara ca 50 till 75 % av kanalens totala längd. Det inses lätt att stora viktreduceringar av rotorn är möjliga om övergångszonen kan kortas.

Avkortning av övergångszonen: Enda möjliga sätten att minska övergångszonen längd är att minska diametem hos kanalen eller att öka värmeövergången mellan kanalvägg och gas.

En minskning av strömningshastigheten ger en avkortning av övergångszonen Men detta är inte en framkomlig väg då detta leder till att rotordiskens diameter måste ökas för att klara ett oförändrat flöde, vilket ger en viktökning hos rotom.

Diametem hos kanalen kan minskas men dagen värmeväxlare tillverkas med så liten diameter på kanalen som det är praktiskt möjligt. Diametem påverkas bl.a. av kanalens väggtjocklek, tillverkningsmetoder, tryckfall och risk för igensättning.

Gasens densitet, värmekapacitivitet och värmeledningsförmåga är materialparametrar som ej kan väljas fritt. Ett sätt att korta av den tidigare beskrivna övergångszonen är att öka vänneöverföringen mellan gas och kanalvägg, d.v.s. en ökning av Nusselts tal.

Värmeöverföringen kan ökas med att ändra kanalväggens yta, t.ex. genom att öka ytans råhet i kanalen Lex. genom att införa geometriska stömingar i kanalens vägg i fonn av upphöjningar utefter insidan på kanalen. Nackdelen med detta är att stömingama/den ökade råheten i kanalen ger ett högt tryckfall. Här kan nämnas att ett lågt tryckfall är väsentligt för drifien av en RVX då högt tryckfall ger högre driftskostnader för drift av fläktama som driver flödet genom värmeväxlaren. Rå yta efter kanalens hela längd medför också en hög risk för i gensättning. Vidare kan det vara praktiskt svårt att applicera stömingar utefter hela kanalens längd. Ett sätt enligt uppfinningen att korta av övergångszonen utan onödigt högt tryckfall beskrivs nedan. 535 337 Förfarande enligt uppfinningen i den tidigare beskrivningen har vi sett att övergångszonen längd har stor betydelse för materialåtgången i en rotor. Ett sätt att korta övergångszonen är att öka värmeöveríöringstönnågan mellan kanalvägg och gas. Med en insikt i det tidigare beskrivna värmeövertöringstörloppet inses enligt uppfinning att värmeövertöringsförrnågan inte behöver ökas utefter hela kanalens längd i värmeväxlaren utan det räcker med att korta av övergångszonen i utströmningsdelen av kanalen.

Eftersom strömningsriktning alternerar i kanalerna i en motströmsvänneväxlare bör, tör att få bästa effekt, åtgärder som reducerar övergångszonens längd genomföras vid båda ändama av kanalen. Det är dock ej nödvändigt att reducera övergångszonen vid båda ändarna för att få en gynnsam effekt. Som förtydligande nämns att en lång övergångszon inne i själva kanalen inte påverkar kanalens totala längd utan det är övergångszonemas längd i respektive ända av kanalen som påverkar behövlig kanallängd. Övergångszonen längd i vardera ändan av kanalen minskas enligt uppfinningen med att införa en stöming i fonn av ett störelement nära eller i kanalens yta. Avsikten med störelementen är att skapa en störd strömning med virvelbildning nedströms störelementen som ger en ökad vämieövergång mellan kanalvägg och gas. Stömingen kan ha många geometriska utformningar t.ex. i form av ökad ytråhet, förhöjningar eller gropar. Störelementen kan vara punktformiga eller långsträckta. Störelementen kan också ha fonnen av element som sträcker sig tvärs kanalen. Störelementen placeras i anslutning till en mynning eller båda mynningama i en kanal. Störelementen startar en axiell sträcka från kanalens mynning som motsvarar uppskattad längd på den förkortade övergångszonen. En fördubbling av värmeövertöringstörmågan med störelement medför en reducering av övergångszonen längd med hälfien. Detta innebär att en värmeväxlare som ursprungligen har övergångszoner som motsvarar 50 % av värmeväxlaren längd kan tillverkas med 25 % kortare kanallängd, vilket motsvarar en material reducering med 25 %. Stömingen som ger den högre värmeöverfóringen ger ett högre tryckfall i övergångszonen men detta högre tryckfall kompenseras av den kortare rörlängden. l5 535 337 Sammanfattning av uppfinningen Ett primärt ändamål med föreliggande uppfinning är ett förbättrat sätt att överföra vänne/kyla i en regenerativ vänneväxlare enlig de särdrag som anges i patentkrav 1. Där ett störelement placeras i strömningskanalema i rotom i en regenerativ värmeväxlare.

Störelementen placeras nära mynningen men en bit in i kanalema i vänneväxlarens rotor.

Avståndet från kanalens mynning in till störelementen ska motsvara ungefär halva längden hos en ursprungligt ostörd övergångszon. Övergångszonen är den axiella sträckan i kanalen under vilken gasen går från kall till vann temperatur eller tvärtom.

Störelementens funktion är att lokalt nedströms störelementen öka värmeöverföringsförrnågan mellan gas och strömningskanalens vägar. Denna lokalt ökade värmeöverföringsfönnåga medför att kanalens längd kan minskas med bibehållen verkningsgrad hos värmeväxlaren. Genom att störelementen införs på en begränsad sträcka i värmeväxlaren begränsas påverkan på tryckfallet för flödet genom värmeväxlaren samt att risken för igensättning reduceras.

Uppfinningen avser också ett sätt att åstadkomma denna förbättring enligt de särdrag som är angivna i patentkrav 2. Där störelementen har en sådan form att strömningsmotståndet och graden av stöming är olika för de två strömningsriktningama genom kanalen.

Störelementen riktas på ett sådant sätt att störelementen på kanalen utströmningssida ger en stor stöming men på inströmningssidan är störningen på strömningen begränsad.

Uppfmningen avser också ett sätt att åstadkomma denna förbättring enlí gt de särdrag som är angivna i patentkrav 3. Där störelementen utgörs av en ur kanalmaterialet präglad utbuktning.

Uppfinningen avser också ett sätt att åstadkomma denna förbättring enligt de särdrag som är angivna i patentkrav 4. Där störelementen stansas ur kanalväggen och sträcker sig in i kanalen på ett sådant sätt att störelementen som stansas ur kanalväggen sträcker sig in i kanalen och fortfarande sammanhänger med kanalväggen och har en sådan form att 535 337 strömningsmotståndet och graden av stöming är olika för de två strömningsriktningarna genom kanalen. 535 337 Kort beskrivning av figurerna Figur 1 visar en schematisk bild på en regenerativ värmeväxlare (RVX) av Ljungströms utförande.

Figur 2 visar en rotordisk med rörformade kanaler.

Figur 3 visar utseendet på de rörfonnade kanalema elementen i en RVX som tillverkas med altemerande plana och veckade plåtar.

Figur 4a visar temperaturen i en kanal i rotom när övergångszonen har nått slutet på värmeväxlarkanalen.

Figur 4b visar hur ett störelement som placerats i närhet av utloppssidan av kanalen påverkar övergångszonens längd.

Figur 5 visar en utformning av stömíngen som ger en liten stöming och ett lågt tryckfall vid inströmning i kanalen men som ger en stor stöming och därmed en förkortning av övergångszonen vid utströmning ur kanalen Figur 6 visar en stöming i form av en ur kanalväggen utstansad flik som sträcker sig in i kanalen. 535 33? Detaljbeskrivning av föredragna utföringsformer Figur l visar en principskiss på en regenerativ värnieväxlare 12 av Ljungströms utförande med en rotor 1 som är upphängd på en axel 2. Rotorn 1 med kanaler 10 roterar runt axeln 2. Rotom roterar i en kanal 3 som delas av en mellanvägg 4 som skiljer de in- och utgående gasströmmama. Figur 1 visar en värmeväxlare i motströmsutförande där de in- och utgående gasströmmama som skiljs ut av mellanväggen 4 går åt olika håll. I en medströmsvärmeväxlare, som ej visas med figur, går gasströmmama på de båda sidoma av mellanväggen 4 åt samma håll. Strömningsriktning med kall gas in i värmeväxlaren visas med en strömningspil 5. Den kalla gasen går in i den varma rotoms 1 översida 9 där gasen värms och rotoms översida kyls. Den varma gasen lämnar rotom med en riktning enligt strömmingspil 6. Den kylda sidan av rotom flyttas genom rotation av rotom ner till värmeväxlarens undersida I 1 där varm gas med riktning enligt strömningspil 7 strömmar igenom rotorns undersida ll varvid gasen kyls och lämnar rotom med en strömningsriktning enligt strömningspil 8.

Figur 2 visar rotom 1 med strömningskanalema 10 som går igenom rotom. Rotom omges av ett hölje 21 och roterar runt axeln 2.

Figur 3 visar utseendet på strömningskanalema i en rotor framställd enligt ett vanligt förfarande vid tillverkning av rotorer i en roterande värmeväxlare. Strömningskanal 30 bildas genom sammanläggning av en plan plåt 32 och en veckad plåt 31.

Figur 4a visar temperaturfördelningen i en ursprungligen kall Strömningskanal 40a med kanalmynningama 41, 44 där mynningen 41 utgör en inloppssida och mynningen 44 utgör en utloppssida. Figur 4a visar en strömningskanal som inte är åtgärdad enligt uppfinningen. Kanalmynningen 44 utgör utloppssida för den i figur 4a visade strömningsriktnin gen för gas 42. Strömningskanalen 40a har genomströmmats av en den varma gasen 42 under en viss tid varvid kanalens väggar 43 har värrnts upp till den Vanna gasens temperatur och gasen som lämnar kanalen har kylts till kanalväggens kalla temperatur. Figur 4a visar temperaturfórdelningen i kanalen 40a när värmeväxlaren nått 535 337 11 sitt optimala läge. Med ”optimalt läge” avses att den till strömningskanalen inlopp 41 inströmmande gasen 42 är kyld till den kanalväggens 43 kalla temperatur precis i det läget som gasen lämnar kanalen på utloppssidan 44. Temperatur förloppet i en övergångszon 45 visas schematisk med + och - rastrering. Där gasen i början av övergångszonen har samma temperatur som den ingående varma gasen och att gasen i slutet av övergångszonen har strömningskanalens ursprungligt kalla temperatur. För klarläggande ska här nämnas att för tydlighet visas i figur 4a, b en kanal med stark förvrängda proportioner. En verklig kanal har en diameter/längd förhållande på 1/ 100 - l/200.

Figur 4b visar en strömningskanal 40b försedd med störelement 46 enlig uppfinningen.

Kanalen befinner sig i samma optimala läge som beskrivs i figur 4a. Störelementen 46 stör strömningen nedströms störelementen 46 och vänneövergången ökar därvid nedströms störelementen. Denna ökade värmeövergång medför att längden hos en övergångszon 47 minskar och strömningskanalen kan också göras motsvarande kortare vilket visas i en jämförelse mellan figur 4a och 4b.

Figur 5 visar störelement 52 och 54 i en kanal 50. Störelementen 52, 54 har en sådan form att stömingen från störelementen minimeras på inströmningssidan av kanalen. I fall med inströmning enligt strömningspil 53, ger störelementet 52 en liten störning och ett lågt tryckfall. På utströmningssidan av kanalen 50 ger störelementet 54 en stor stöming nedströms störelementet vilket ger en ökning av värmeövertöringen nedströms störelementet 54 vilket resulterar i en kort övergångszon nedströms störelementet 54.

Figur 6 visar en kanal 60 med störelement i form av flikar 62, 64 som är utstansade ur materialet i en kanalvägg 61 men hänger fortfarande ihop med kanalväggen 61.

Utstansningen av flikama 62 och 64 är gjorda på ett sådant sätt att den stöming som fliken skapar är låg för flik 62 med inströmning i kanalen 60 enligt strömningspil 63.

Flik 64 ger däremot en stor störning som ger en ökning av värmeöveriöringstönnågan nedströms fliken 64 vilken resulterar i en kort övergångszon.

Claims (4)

10 15 20 25 535 337 12 Patentkrav

1. ) Sätt att i kanalema i en regenerativ värmeväxlare (12) öka värmeövertöringsforrnågan mellan det strömmande medium som ska kylas/värmas och kanalväggen i kanaler (10, 30) i värmeväxlaren (12) på ett sådant sätt kanalernas längd kan minskas med oförändrad kapacitet hos värmeväxlaren genom att införa störelement (46, 52, 54, 62, 64) i kanalema för att öka vämieöverföringslönnågan mellan strömmande medium och kanalvägg kännetecknat av att störelementen placeras i nära anslutning till en kanalmynning (41, 44) eller båda kanalmynningama (41, 44) varvid ett område fritt från störelement finns i kanalens axiellt centrala del.

2. ) Sätt enligt krav 1 kännetecknat av att störelementet utgörs av ett element (52, 54, 62, 64) som har olika strömningsmotstånd fór olika strömningsriktningar

3. ) Sätt enligt krav 1 kännetecknat av att störelementet (46) utgörs av en ur kanalmaterialet (31, 32, 43, 51) präglad upphöjning.

4. ) Sätt enligt krav 1 kännetecknat av att störelementen (62, 64) utgörs av en ur kanalmaterialet (31, 32, 43, 61) utstansad flik som sträcker sig in i kanalen och har en sådan form att strömningsmotståndet är olika i olika strömningsriktningar.