NO316475B1 - Varmevekslerelement - Google Patents

Abstract

Element for varmeveksling mellom fluider, hvor fluidenes strømningskanaler utgjøres av spalter på hver side av et tynt, sammenbrettet platemateriale (1) og at forholdet mellom kanalenes spaltebredde (24) og dybden (25) i spaltene er mindre enn 0,15 ganger platematerialets tykkelse.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår element for varmeveksling mellom fluider hvor fluidenes strømningskanaler utgjøres av spalter på hver side av et sammenbrettet platemateriale

Varmevekslere er kjent og benyttes i mange sammenhenger Dagens typer benytter rør eller plater som skillevegg mellom de to medier, hvor det av hensyn til varmeovergang, vekt og materialforbruk søkes utviklet varmevekslere hvor nettopp skilleveggene er tynnest mulig, men hvor vekslerelementets strukturelle konstruksjon gir nødvendig styrke for å kunne motstå de aktuelle trykk innen forskjellige bruksområder

Rørvekslere utformes med flere rør i en felles mantel eller som to koaksiale rør Slike varmevekslere er vel egnet til å motstå høye trykk og er også relativt godt sikret mot lekkasje mellom de to medier Da rør er langt dyrere enn tilsvarende flate som plater er produksjonskostnadene imidlertid relativt store

På den annen side benyttes platevekslere især i anvendelser hvor det ikke stilles absolutte krav til tetthet og hvor vekslerens kapasitet er høy

Ved begge typer kjente varmevekslere foregår de to mediums strømmingsprofiler langt fra ideelt For den kjente plateveksleren, som utgjør et sammenlikningsgrunnlag for foreliggende oppfinnelse, er problemet knyttet til en begrenset strømningshastighet mellom platene Begrensningen ligger i at inn- og utløpskanalene i hvert hjørne blir trange pga geometrien, og mediene må gjøre en brå 90° vending med et påfølgende trykkfall Derved er det dette og ikke strømmingshastigheten i veksleren som utgjør grensen for akseptabelt trykkfall

Strømmingshastigheten langs vekslerelementet er avgjørende for varmeovergangen mellom mediet og flatens a-verdi og inngår ved turbulent strømming av vann i beregning av a-verdien som en faktor på f eks 1 ved 1 m/sek og 1,8 ved 2 m/s

Det er tidligere kjent varmevekslere hvor en enkelt plate brettes til sikksakkform slik at det på hver side dannes kanaler som de aktuelle medier sirkuleres gjennom, se f eks US 1 601 637, EPO 197 169 og SE 362 137 Felles for samtlige er at de har kanalprofiler som ikke kombinerer nødvendig flatetetthet med en strukturell styrke for å tillate bruk av tynne plater og så smale kanaler at strømminghastigheten blir høy nok Dette er relativt fatalt fordi den lave varmeovergangen vil kreve cn større veksler som igjen får enda mindre strømmingshastighet

Prinsipper for destillasjon ved rekompresjon av damp er kjent Figur 7 viser eksempelvis et kammer 18 som er avdelt med en skillevegg 19, i hvilket befinner seg en væske 20 som er oppvarmet til kokepunktet Dampen 21 fra væsken suges inn i en vifte eller kompressor 22 og trykkes fra denne inn i et rom under skilleveggen 19 På grunn av et høyere trykk vil dampen her kondenseres ved en temperatur som ligger høyere enn fordampningstemperaturen

Varmen fra kondensasjonen går derfor over hl væsken og fordamper tilsvarende mengde ny væske Kondensatet 23 kan derved tappes ut samtidig som ny væske tilføres fordampersiden

Prinsippet anvendes i dag industrielt til mntørking av effluenter som f eks ved produksjon av tørrmelk, cellulose m m

Prosessens effektfaktor beregnes ut fra fordampingsenergi hhv vifteenergi For en gitt mengde destillat er vifteenergien bestemt av trykkforholdet mellom fordamping og kondensasjon

Trykkforholdet og derved energiforbruket er avhengelig av hvor lett den nødvendige varmetransport gjennom skilleveggen går

Endelig kan dette uttrykkes slik at skilleveggens varmeovergang, k-verdi er et avgjørende kriterium for hvor stor flate som trengs på skilleveggen

Ved vanndamp går grensen i trykkforhold for ett-tnnns vifter ved 1,15 noe som betyr ca 3,5 °C forhøyet kondensasjonstemperatur Har man da en fordamping som ligger på 100 °C, vil kondensasjonen skje ved 103,5 °C

Ser en bort fra faktorer som smuss o 1 er den totale varmeovergangen, k-verdien, bestemt av

k= l/(l/al + s/ X+ Va2)

hvor al = varmeovergangen på kondensasjonsiden, ot2 = varmeovergangen på fordampersiden, s = platetykkelsen og X = platematenalets varmelednmgskoeffisient

Laveste verdi for en av a-verdiene gir da en asymptotisk grenseverdi for hvor høy k-verdien maksimalt kan bh

Ved en vertikal flate oppnås en relativt høy al-verdi for kondensasjonen Verdien blir høyere jo mindre høyde flaten har Ved en høyde på 50 mm ligger al-verdien på ca 13 500 W/m<2o>C

Imidlertid er det a2-verdien på fordampingssiden som definitivt er den begrensende faktor ved så små temperaturdifferanser som her kan oppnås Det er nemlig slik at temperaturdifferansen mellom overflaten og kokepunktet minimum må være 7 °C før vannet vil koke med bobler fra heteflaten Under denne temperaturdifferansen fordampes vannet ved at det dannes små dampblærer inne i selve vannet Denne form for koking kalles konveksjonskoking fordi varmeoverfønngen skjer ved konveksjon

Ved konveksjonskoking med differansetemperatur på 3,5 °C, oppnåes ikke høyere a2-verdi enn ca 1 800 W/m<2o>C k-verdien vil derfor bh så lav at ved destillasjon av vann ved ovennevnte trykk og temperaturer vil det kreves 8,8 m /kg destillat pr min Dette er for høyt til å få realistiske dimensjoner og kostnader for et slikt destillasjonsanlegg

Den eneste kjente metode for å øke varmeovergangen ved konveksjonskoking, er å sette vannet i bevegelse i forhold til den varmeavgivende flaten, f eks ved hjelp av et røreverk, propell eller pumpe

Dette oppnås med varmevekslerelementet ifølge foreliggende oppfinnelse slik det er definert med de i kravene anførte trekk

Ved vekslerelementet ifølge oppfinnelsen har et av formålene vært å oppnå en forhøyet varmeovergang ved selvsirkulasjon uten mekaniske hjelpemidler Imidlertid er tettheten av de små dampblærer som dannes i vannet ved konveksjonskoking i utgangspunktet alt for liten til å oppnå noen utslagsgivende grad av selvsirkulasjon Tettheten av dampblærer kan økes ved å øke varmebestrålmgen mot vannet Dette kan ved de gitte parametere kun oppnås ved å inneslutte små mengder av vann med en stor varmeavgivende flate, i praksis ved å inneslutte vannet i en smal spalte mellom plater

På tegningen viser figur 1 et perspektivnss av et vekslerelement ifølge oppfinnelsen, figur 2 viser vekslerelementet på figur 1 innsatt i et vekslerhus, figur 3 viser et riss av oppfinnelsen brukt i en luft/væske varmeveksler, figur 4 viser et snitt av varmeveksleren på figur 3, figur 5 viser skjematisk første trinn ved produksjon av vekslerelementet ifølge oppfinnelsen, figur 6 viser andre tnnn ved produksjonen, figur 7 viser skjematisk prinsippet for prosessen og figur 8 viser skjematisk et varmevekslerelement med plane kanaler og elementvegger

Prinsippet for varmeveksleren er vist i figur 8 Platen er her brettet sammen til spalter med bredden 24 og høyden 25, hvor vannet befinner seg i de spaltene som er åpne mot oversiden og den kondenserende dampen befinner seg i de spaltene som er åpne mot undersiden

Det er innlysende at når spalten 24 blir smalere vil den aktuelle varmefluks q (W/m<2>) bestråle en stadig mindre vannmengde og tetthet av dampblærer øker Ved en viss grense begynner dampblærene å slå seg sammen til store blærer Da settes vannet i kraftig bevegelse, varmefluksen øker og mengden av dampblærer øker, dvs at en selvforsterkende reaksjon inntreffer Dampmengden blir da så stor at det i den vesentlige del av tverrsnittet dannes tofasestrøm med dampen midt i spalten og en tynn vannfilm som rives med langs flatene

Forsøk viser at ved vann på 100 °C og en spaltebredde på 1,5-2 mm går denne grensen ved en temperaturdifferanse på bare 1,8-2 °C, og a-verdien øker fra ca 1 800 W/m<2o>C til hele 18 500 W/m<2o>C på fordampersiden Dette er omtrent på høyde med hva som kan oppnåes ved vanlig fosskoking med temperaturdifferanse på ca

18 °C eller ved filmfordampmg som ofte benyttes i de foran nevnte industrielle inntørkingsanlegg

Det er funnet at optimale resultater oppnås når spaltebredden 24 for fluidenes strømmngskanaler på hver side av det tynne, sammenbrettede platematenale 1 og spaltedybden 25 i spaltene står i et visst forhold til hverandre og til platetykkelsen Således bør forholdet mellom spaltebredden 24 og spaltedybden 25 være mindre enn 0,15 ganger platematenalets tykkelse

Høyden på brettene må begrenses både av hensyn til ikke å få for stort mottrykk i dampen og for at kondensatet på undersiden bør ha kort avrenmngsvei En høyde h = 50 mm synes å gi et optimalt resultat for begge sider

Varmeovergangen på begge sider blir så god at platens tykkelse begynner å influere negativt på den totale k-verdien Av denne grunn, men også av hensyn til vekt og kostnader er det ønskelig med tynnest mulig plate Man benytter i dag gjerne 0,4-0,5 mm titanplater i varmevekslere

Med så smale spalter som her er nødvendig, ville rette spalter som vist på pnnsippfiguren lett klemmes sammen ved en relativt liten trykkforskjell

Man har ved veksleren i følge oppfinnelsen kommet frem en metode for utforming av elementet, korrugenng av platen, som hindrer sammenklemming, men som samtidig ikke hindrer tilkomst for rengjøring eller stenger for medienes gjennomstrømning, slik det er vist skjematisk på figur 1

For å isolere de to mediesidene fra hverandre må spaltene i vekslerelementet tettes i endene Til svært mange anvendelser skjer dette enkelt ved å støpe inn endene i et egnet materiale

Endene kan også lukkes ved å sveise sammen spaltene En annen og løsbar metode er å presse et lokk av f eks gummi mot endene

Med sin svært høye kompakthet og direkte tilkommelighet fra begge sider for rengjøring, egner veksleren seg som generell varmeveksler f eks som motorkjøler Også her gir de smale spaltene en spesiell termisk effekt Ved en gjennomstrømmende væske er det nemlig slik at varmeovergangen øker med strømningshastigheten Når spalten er smal, blir turbulensen nær flaten høyere enn ved en bred spalte eller rør, selv om den midlere gjennomstrømningshastighet er den samme

Vekslerelementet blir i denne anvendelsen innkapslet i to mantelhalvdeler som er forsynt med respektive inn- og utløp i endene

Problemet kan eksemplifiseres ved en motorkjøler hvor temperaturen skal senkes ca 5 til 8 °C Om en da har en kanalhøyde på 50 mm må kanalbredden ikke være mer enn 1,5 hl 2 mm brede om en skal oppnå en hashghet på 1,5 til 1,8 m/s Det skal da minimale trykkforskjeller til for at en plan tynn plate vil bule og derved redusere eller stenge kanalene på motsatte side

Elementet består av en tynn plate som er foldet til en belg hvor alle foldeplan er krumme i samme retning Trykket i kanalene vil påvirke kanalveggenes form dersom trykk i nabokanaler er forskjellige Den ene side i kanalen søkes rettet ut mens den andre side trekker profilet innover slik at kreftene tilnærmelsesvis utlikner hverandre Et vekslerelement 1 er innmontert mellom en overmantel 2 og en undermantel 3 som begge har inn- og utløpskanaler 4 og 5 i hver ende Mantelhalvdelene 2, 3 kan også utøve et press mot elementets kanaltopper slik at elementets buer forspennes og derved får en ytterlig økt strukturell styrke Buene i kanalenes veggflater er fortrinnsvis parallelle

Det er utført prototypeforsøk med en motorkjøler med kanaldimensjonenng som nevnt i eksemplet ovenfor og med en titanplate på kun 0,5 mm i tykkelse Konstruksjonen viste seg å motstå differansetrykk på over 5 bar uten tegn til deformasjon av kanalveggene Høy flatetetthet i forhold til gjennomstrømmingsareal viste seg å gi a-verdier i overkant av 30% høyere en for et rør med samme gjermomstrømminghastighet Den totale varmeovergangen, k-verdien, ligger betydelig høyere enn for konvensjonelle platevarmevekslere

Foruten varmeveksling mellom væsker vil varmevekslerelementet i følge oppfinnelsen være aktuelt for varmeveksling mellom en væske ved konveksjon, fordamping eller kondensering på den ene side, og en gass, f eks luft, på den andre siden

En slik utførelse er vist på figur 3 og 4 På væskesiden er det festet en plate 6 som dekker elementet og er festet til kanaltoppene For svært høye trykkforskjeller, f eks i kjøleanlegg, kan det være aktuelt å benytte vorteliknede korrugennger for å øke den aktive overflate

Oppfinnelsen har noe av sitt opphav i behovet for en effektiv og rimelig kombinert kondensator og fordamper for destillasjon ved rekompresjon av damp Et slikt destillasjonsapparat er i realiteten en varmepumpe hvor dampen fra fordampersiden suges inn i en vifte og trykkes av denne inn på kondensatorsiden hvor den på grunn av trykkøkingen kondenserer ved en temperatur som ligger høyere enn fordampningstemperaturen Derved avgis kondensasjons varmen til fordampersiden slik at en tilsvarende ny væskemengde fordamper På denne måte resirkuleres varmeenergien internt

På f eks skip brukes i dag destillasjonsapparater, såkalte evaporatorer, for å fremstille ferskvann av sjøvann Disse benytter spillvarme fra motorene som energikilde i en egen koker og har en egen kondensator som kjøles med sjøvann

Ved fordamping av sjøvann knytter det seg imidlertid store problemer med å komme frem til løsninger som gir tilfredsstillende varmeovergang og som samtidig holder seg rene Spesielt stort er problemet med såkalt "scahng", dvs at salt og kalsium utfelles og danner et hårdt og varmeisolerende belegg på varmevekslerflatene

Problemet skyldes først og fremst at når en dampblære dannes på overflaten av et kokelement, etterlates de salter og tørrstoffer som vannet inneholdt som krystaller på flaten Disse reststoffer danner avsetning og blir raskt til et dekkende belegg som brenner seg fast fordi temperaturen under belegget stiger som følge av den økte isolasjonseffekten For å motvirke scahng benyttes koking ved lav temperatur, dvs lavt trykk samt dosenng med kjemikalier

Det er riktig slik oppfatningen er i dag at problemet med scahng øker ved økende koketemperatur, men det er ikke riktig antatt at det er temperaturen i seg selv som er den bakenforliggende årsak Denne ligger nemlig i differansen mellom kokeelementets overflatetemperatur og kokepunktet

En studie av de forskjellige faser ved koking av vann med atmosfærisk trykk viser tydelig at kokingen skjer ved konveksjonsfordampning ved differansetemperaturer mellom 1 og 7 K, fra 7 til 26 K ved blærefordampmg på overflaten av elementet og over 26 K ved filmfordamping I de forskjellige faser varierer varmeovergangens ct-verdi sterkt

Temperaturdifferansen ligger ved koking i konvensjonelle evaporatorer i området 15 - 20 K og kokingen skjer derfor i blærefasen Dampblærene dannes på kokelementets overflate og hen ligger hovedårsaken til scalingproblemet

Ved koking i destillasjonsapparat med rekompnmenng av damp vil temperaturdifferansen av hensyn til viftens kraftforbruk være mindre enn 1,5 K, dvs at kokingen skjer ved konveksjon og dampblærene dannes i vannet og ikke på vekslerens overflate Salter og tørrstoffer vil da følge dampblærene opp til overflaten og følge med overskuddsvannet ut For å holde konsentrasjonen nede blir det som i konvensjonelle evaporatorer tilført ca dobbelt så mye fødevann som den produserte destillatmengden

Ved en temperaturdifferanse på 1,5 K oppnås en svært lav a-verdi for varmeovergangen, ca 1,5-1,8 kW/m<2>K Dette er så lavt at den i praksis ikke kan anvendes fordi varmevekslerflaten måtte være enorm Det har vært angitt at a-verdien kan økes betraktelig ved å benytte tvungen sirkulasjon, f eks et røreverk

Varmeveksleren ifølge foreliggende oppfinnelse utmerker seg ved en meget enkel konstruksjon, lavt material forbruk, meget gode varmeovergangsverdier og stor anvendelighet innenfor en rekke fagområder

Ved varmeveksleren i følge oppfinnelsen vil det i kanalene befinne seg en beskjeden vannmengde i forhold til den store overflaten som omgir vannet Selv om den spesifikke varmebelastning W/m<2> er svært lav, vil det dannes relativt store dampmengder i forhold til vannmengden i kanalene Dette skaper turbulens og forbedret ct-verdi Turbulensen som oppstår vil flytte grensen for konveksjonsfordamping til et noe høyere nivå

En veksler av samme type og utførelse som ovennevnte prototype er testet som kombinert fordamper og kondensator for destillasjon ved rekompnmenng av damp og det viste seg da at ved koketempereatur for sjøvannet på 100,5 °C og en kondensenngstemperatur på 103 °C, oppstår en selvforsterkende prosess hvor ot-verdien brått tar til å stige, turbulensen øker ytterligere og varmeovergangen øker med Selvforsterkingseffekten er tydelig ut fra at det tar få sekunder fra de første små blærer kommer, til vannet fosskoker

I forsøkene med et destillasjonsapparat med veksleren i følge oppfinnelsen, viser det seg at a-verdien stabiliserer seg på ca 18,5 kW/m2K Stabiliseringen tilskrives den asymptote k-verdien går mot fordi varmeovergangen på kondensenngssiden holder seg relativt konstant

Horisontal plassering har vist seg å gi det beste resultat, men det har også vært gjort forsøk med vinkelplassenng helt opp til vertikal posisjon med relativt brukbart resultat Ved disse forsøk har man dekket fordamper-siden delvis med en plate 41 med åpninger i begge ender Den nederste åpningen har stått under en vannsøyle Hwc slik at hovedmengden av dampen har blitt drevet gjennom kanalene oppover og river med seg vann slik at det oppstår en betydelig resirkulasjon

Det viser seg at den kraftige turbulensen holder fordampersiden ren, og det er over tid ikke observert scahng

Ved de ovennevnte temperaturer tilsvarer damptrykket fra viften ca 1,5 mVs, og det er naturligvis også ved denne anvendelsen nødvendig med den strukturelle styrke som buene i kanalene gir pga aggressiviteten for det kokende sjøvannet er titan det eneste brukbare materialet, men det er kostbart og leder varme dårlig Dette er også viktige momenter for at platen må være tynnest mulig og at den mekaniske styrken må ivaretas av den strukturelle utforming

Fordi vekslerelementet i følge oppfinnelsen er formet av en lang plate som

brettes, er elementet velegnet for fortløpende, automatisk styrt maskmproduksjon

Til dette er det utviklet en spesiell metode som muliggjør slik produksjon, hvor platen passerer gjennom to maskinstasjoner

I stasjonen på figur 5 blir platen først knekket til trappetnnnform med to ca 90° knekk av en verktøykniv 7 Verktøykniven 8 og verktøykmven 9 går omtrent samtidig ned og former platen mellom de foregående knekk, enten ved å forme disse i buer som vist i figurene 1 og 2 eller korrugere disse på annen måte, eksempelvis parallelle som vist i figur 8 Knivene 8 og 9 gjør samtidig knekkvinklene skarpere Alle verktøyknivene 7, 8 og 9 trykker ned mot en stasjonær dyne 10 med motsvarende profiler En fremmatingsmekanisme 11 trekker frem platen etter at verktøyknivene har returnert til øvre posisjon

Figur 6 viser verktøy som buer platen som vist på figur 1 og 2 Ved rett korrugert form blir verktøyknivene 8 og 9 og dynen tilsvarende utformet med tverrgående riller motsvarende platens form

Den forknekkede platen fortsetter så i stasjonen som vist på figur 6 Her blir hver enkelt knekk presset mellom to klemplater 12 og 13 på den ene side og 14 og 15 på den andre side, hvor plateknekkene får sin endelige bredde Etter at klemplatene 12 og 14 har returnert til bakre posisjon, går klemplatene 13 og 14 henholdsvis opp og ned og tillater fremmating til neste knekk For å sikre fremmatingen går fremmatingsplatene 16 og 17 samtidig henholdsvis ned og opp

På figur 6 er nedre klemplate 14 i fremre posisjon og øvre klemplate 12 i bakre posisjon Når selv meget tynne plater skal sammenknekkes så tett som det her forutsettes, kreves det mot slutten svært store krefter som tiltar eksponensielt med minkende knekkradius Ved den spesielle opphengshngen av klemplatene 12 og 14 oppnås en klemkraft som er omvendt proporsjonal med tangens til klemplatenes vinkel Derved går kraften mot uendelig når vinkelen og bevegelsen går mot null

Stasjonene er fortrinnsvis plassert på linje etter hverandre og arbeider synkronisert

Claims (4)

1 Element for varmeveksling mellom fluider hvor fluidenes strømningskanaler utgjøres av spalter på hver side av et sammenbrettet platematenale (1), karakterisert ved at forholdet mellom kanalenes spaltebredde (24) og dybden (25) i spaltene er mindre enn 0,15, og at elementets vegger i tverrsnitt er utformet som ikke plane flater, eksempelvis som delsirkler, buer, el 1 med ens og likerettet kavitet

2 Element ifølge foregående krav, karakterisert ved at elementets vegger er fremstilt i titan

3 Fremgangsmåte ved fordampning av væske i en varmeveksler med elementer ved å la væske på varmevekslerens fordampningsside strømme mellom elementets vegger, karakterisert ved å benytte et element for varmeveksling mellom fluider hvor fluidenes strømningskanaler utgjøres av spalter på hver side av et sammenbrettet platematenale (1), hvor platematenalets veggtykkelse er mindre enn 0,5 mm, at forholdet mellom kanalenes spaltebredde (24) og dybden (25) i spaltene er mindre enn 0,15, og at elementets vegger i tverrsnitt er utformet som ikke plane flater, eksempelvis som delsirkler, buer, e 1, med ens og likerettet kavitet, og elementets vegger befinner seg så nær hverandre at det på grunn av den derved økte varmeoverfønng oppnås en så stor økning av varmeovergangen at væsken på varmevekslerens fordampningsside fordamper

4 Destillasjonsanordning omfattende elementer ifølge krav 1-2, karakterisert ved at anordningen omfatter et kammer (18) som er avdelt med en skillevegg (19) hvorav i det minste en del utgjøres av varmevekslingselementer (1), at en vifte eller kompressor (22) er innrettet til å suge damp (21) fra en væske (20) i kammerets øvre del og trykksette og overføre denne til under skilleveggen (19), hvorfra kondensatet 23 kan derved tappes ut samtidig som ny væske tilføres fordampersiden