DK149721B - Varmeveksler - Google Patents

Description

i 149721

Den foreliggende opfindelse angår en varmeveksler til modstrømsvarmeveksling mellem to adskilt strømmende medier bestående af et antal spalter med fælles begrænsningsvægge af tynd plade, fortrinsvis aluminiumplade, forsynet 5 med profileringer, som på tilgrænsende begrænsningsvægge krydser hinanden og i krydsningspunkterne danner afstandsorganer .

Opfindelsen er primært bestemt til at løse problemer ved varmeveksling mellem to gasformige medier, f.eks. lo luft/luft, men den kan med fordel anvendes til alle typer af varmeveksling.

Varmevekslere med ikke plane varmeveksleroverflader er i og for sig forud kendte, f.eks. forsynet med bølgeformede korrugeringer, som er bestemt til at bryde de grænse-15 lag, som opstår ved strømningen forbi varmeveksleroverfla derne og vanskeliggør eller forhindrer varmegennemgangen.

Det har imidlertid vist sig, at dette ikke har nogen større effekt, og specielt gælder dette ved varmeveksling mellem gasformige medier.

2o Det er også kendt at folde en endeløs pladebane i 18o° foldninger med ensartet deling til opnåelse af en pakke, som efter anbringelse i en kasse og tætning af enderne danner en varmeveksler med kanaler, hvor hveranden kanal åbner mod den ene langside, og hveranden kanal åbner mod den 25 modsatte langside.

Med en varmeveksler af den ovenfor beskrevne art fås imidlertid ikke nogen væsentligt forbedret virkningsgrad sammenlignet med konventionelle varmevekslere, og såvidt det er kendt på tidspunktet for den foreliggende ansøgning, 3o findes der ingen varmevekslere, som i så høj grad er egnet til varmeveksling mellem to gasformige medier.

Por at forbedre varmeovergangstallet ved varmeveksling mellem to gasformige medier, som strømmer adskilt på begge sider af en fælles begrænsningsvæg, skal strømnings-35 forløbet kunne påvirkes, så at grænselag, som forhindrer varmeovergangen, ikke opstår. Dog må der ikke skabes turbulens, eftersom denne giver store trykfald ved høje varme- 2 149721 overgangstal.

Formålet med den foreliggende opfindelse er således at tilvejebringe en varmeveksler med en i forhold til tidligere kendte varmevekslere væsentligt forbedret tempe-5 raturvirkningsgrad, og som er særlig velegnet til varme- i veksling mellem gasformige medier.

Et andet formål med opfindelsen er at tilvejebringe en varmeveksler, som med uforandret kapacitet kan fremstilles betydeligt billigere, og som kan gøres mindre end lo konventionelle varmevekslere.

Et mere specifikt formål med opfindelsen er at tilvejebringe en varmeveksler, som kan tilpasses efter den ønskede strømningshastighed, så at der fås en strømningsform, som bevirker, at temperaturvirkningsgraden bliver væ-15 sentligt højere end for tidligere kendte varmevekslere.

Dette tilvejebringes ved hjælp af varmeveksleren ifølge opfindelsen, som er ejendommelig ved, at dens varmevekslerflader dannes af de to sider af de for de to medier fælles begrænsningsvægge, at profileringerne udgøres 2o af en ås og en fordybning og danner en vinkel med den tilsigtede strømningsretning gennem varmeveksleren, idet profileringerne på hver individuel begrænsningsvæg løber parallelt med hinanden med mellemliggende plane pladepartier, og at en ås på begrænsningsvæggens ene side svarer til en 25 fordybning på dens anden side, at åsenes højde over det plane pladeparti svarer til fordybningernes halve dybde regnet fra toppen af en ås til bunden af den tilstødende fordybning, at afstanden mellem åsens fod og dens top i planet for det plane pladeparti er den samme for åsene på beg-3o ge sider af begrænsningsvæggen, hvorved den vinkel, som åsen danner med det plane pladeparti i strømningsretningen, bliver den samme på begge sider af begrænsningsvæggen, og at den del af begrænsningsvæggen, som strækker sig fra åsens top til fordybningens bund danner en vinkel med det 35 plane pladeparti, der er afpasset i forhold til det Rey-noldstal, ved hvilket varmeveksleren skal anvendes, så at cirkulation, men ikke turbulens opstår i fordybningen ved 3 149721 det nævnte Reynoldstal.

Ved denne udformning af varmeveksleren fås en cirkulationseffekt i området for profileringernes fordybninger af partiklerne i de strømmende medier, som passerer 5 varmevekslerfladerne 5-lo gange, inden de fortsætter frem til næste profilering. Denne cirkulationseffekt skal ikke forveksles med de hvirvler, som opstår ved turbulens. Cirkulationseffekten ifølge opfindelsen bevirker, at der opnås en betydeligt forøget temperaturvirkningsgrad. Ved en lo sammenligning mellem varmevekslere med og uden profileringer ifølge opfindelsen er der opnået forskelle på en faktor 4 i varmeovergangstal og i visse tilfælde endnu større værdier.

Ved en udførelsesform ifølge opfindelsen er vinklen 15 for begrænsningsvæggens hældning mellem toppen på en ås og bunden på en hosliggende fordybning mindre end eller lig med 2o° i strømningsretningen» Virkningsgraden aftager.for vinkler, som overstiger 2o°, hvilket kan bero på,atturbulenseffekter da begynder.at opstå» Ved vinkler;, som noget 2o overstiger 2o°, fås dog. endnu, gode tempe^åturvirkningsgra-der sammenlignet-med., at plane eller på kendt måde profilerede varmevekslerflader anvendes.

Ved en anden udførelsesform ifølge opfindelsen er hældningsvinklen for begrænsningsvæggen mellem toppen af 25 en ås og bunden af en fordybning valgt således, at afstanden mellem dens punkter i det plane pladepartis plan er tilnærmelsesvis halvdelen til to gange afstanden mellem foden på en ås og dens top. Forholdene mellem disse to afstande har vist sig at være afgørende for opnåelse af cir-3o kulationseffekten ifølge opfindelsen og er afhængige af Reynoldstallet for de strømmende medier.

For Reynoldstal i det nedre laminare område, dvs.

5oo - looo, gælder det således, at afstanden i det plane pladepartis plan mellem åsens top og fordybningens bund 35 skal være ca. halvdelen af afstanden mellem åsens fod og top i det nævnte plan, i det midterste laminare område, dvs. Re looo - 15oo, skal afstandene være omtrent lige sto- 4 149721 ' re, og i det øverste laminare område, dvs. Re 15oo - 2oo'o, skal afstanden mellem åsens top og fordybningens bund være én og én*halv til to gange afstanden mellem åsens fod og dens top.

5 Ved en yderligerp udførelsesform ifølge opfindelsen er vinklen mellem profileringerne og mediernes strømningsretning fortrinsvis omkring 5°. Dette får en gunstig virkning på strømningen, fordi partiklerne under cirkulationen bevæger sig noget langs fordybningen, hvorved partiklerne lo vil bevæge sig langs en skruelinieformet bane.

Ved en yderligere udførelsesform ifølge opfindelsen er den vinkel, som åsene danner med de plane pladepartiers plan, mindre end eller lig med lo° i strømningsretningen, for at trykfaldet ikke skal blive for stort over varmevek-15 sleren, men også for at risikoen for turbulens ved Reynolds-tal i det øvre laminare område skal minimeres.

Ved en yderligere udførelsesform ifølge opfindelsen udgøres begramsningsvæggene af en profileret endeløs pladebane, som er foldet gennem 18o° foldninger med ens de-2o ling.

Opfindelsen skål herefter forklares nærmere under henvisn^ 5 149721 fig. 1 viser et delvis gennemskåret perspektivisk billede af varmeveksleren ifølge opfindelsen/ fig. 2 et detailbillede af et tværsnit gennem to af varmevekslerens begrænsningsvægge, 5 fig. 3 et skematisk billede af to begrænsningsvægge før sammenfoldning, fig. 4 et tværsnit langs linien IV-IV i fig. 3 visende en profilering ifølge opfindelsen, fig. 5 et tværsnit langs linien V-V i fig. 3 visenlo de en del af en begrænsningsvæg ved en gavl og fig. 6 et tværsnit langs linien VI-VI i fig. 3 visende en profilering vinkelret på strømningsretningen med indlagte strømningslinier til 15 anskueliggørelse af den cirkulationseffekt, som giver varmeveksleren ifølge opfindelsen dens overordentligt høje virkningsgrad. Varmeveksleren, som vises i fig. 1, betegnes generelt med 1 og udgøres af en kasse 2 med to gavle 3, to si-2o devægge 4, et låg 5 og en bund 6. Disse er forbundet på konventionel måde ved svejsning og/eller boltning. I låget 5 og bunden 6 er anbragt studser for de strømmende medier, som skal varmeveksles med hinanden. I låget 5 er anbragt en indløbsstuds 7 og en udløbsstuds 8 for et første medi-25 um, hvis strømningsretning vises med pile A. I bunden 6 er anbragt en indløbsstuds 9 og en udløbsstuds lo for et andet medium, hvis strømningsretning vises ved hjælp af pile B. I varmevekslerkassen 2 er anbragt en foldet plade 11, som danner spalter 12 for de strømmende medier. Som det 3o fremgår af figuren, er hveranden spalte åben mod låget 5 og hveranden spalte mod bunden 6. Mod gavlene 3 er anbragt tætninger 13, som fortrinsvis tilvejebringes ved istøbning af en plastmasse, som bager i pladekanten, hvorved der fås en hermetisk lukning af spalterne 12. Mellem sidevæggene 35 4 og pladens to yderste dele 14 er anbragt tætningslister 15, f.eks. af gummi. Mod låg og bund behøves ingen tætninger, eftersom der i alle spalter, som er åbne mod låg hen- 6 149721 holdsvis mod bund, strømmer samme medium.

Den foldede plade 11 danner begrænsningsvægge 16, som er fælles for mod hinanden tilgrænsende spalter 12. Begrænsningsvæggenes to flader udgør således varmeveksle-5 rens varmevekslerflader,. Begrænsningsvæggene 16 er forsynet med profileringer 17, som antydet med fuldt optrukne linier i fig. 1.

I fig. 2 er i større målestok vist et tværsnit gennem to af begrænsningsvæggene 16. Profileringerne 17 udgø-lo res af en ås 18 og en fordybning 19. I hver begrænsningsvæg løber profileringerne 17 parallelt med hinanden, medens hosliggende vægges profileringer krydser hinanden.

I fig. 3 er vist en endnu ikke foldet pladebane 2o med to profilerede varmevekslerflader 21 og 22. Ved frem-15 stillingen af varmeveksleren profileres en pladebane, hvis længde begrænses af det anvendte værktøj. De profilerede plader sammenføjes derefter til den nødvendige længde, eksempelvis ved falsning. Profileringerne 17 løber, som det fremgår af fig. 3, indbyrdes parallelt med hinanden under 2o en vinkel*T i forhold til pladens tværretning, dvs. i forhold til den blivende langside af begrænsningsvæggene. Efter foldning vil profileringerne krydse hinanden og ligge an mod hinanden i krydsningspunkterne 23.

Profileringerne løber ikke helt ud til pladens kan-25 ter, men et plant pladeparti 24 efterlades ved hver kant.

Disse plane pladepartier 24 danner senere indløbskasser for de strømmende medier, hvorved man får en jævnere indstrømning og fordeling over spalterne 12's tværsnit. Ved de plane pladepartier 24's kanter er anbragt langstrakte 3o indpresninger ‘25 og forhøjninger 26. Disse har samme højde henholdsvis dybde som profileringernes åse og kommer efter foldning til at ligge mod hinanden på hosliggende vægge.

Profileringerne 17 strækker sig heller ikke helt ud til den linie 27, langs med hvilken pladebanen skal foldes, 35 idet plane pladepartier 28, som er forsynet med cylindriske indpresninger 29 og forhøjninger 3o, efterlades der.

Også disse indpresninger og forhøjninger kommer til på hos- 7 149721 liggende vægge efter foldning at 'ligge an mod hinanden. ’

Indpresningerne 25,29 og forhøjningerne 26,3o vil sammen med profileringerne 17 i krydsningspunkterne 23 danne et stort antal afstandsorganer, som bevirker, at be-5 grænsningsvæggene 16 vil forblive i det væsentlige upåvirkede, selv ved store trykbelastninger. Frem for alt vil man herved undgå, at profileringerne deformeres i krydsningspunkterne .

Mellem profileringerne 17 befinder der sig plane lo pladepartier 31. Disses bredde afhænger af det trykfald, som maksimalt må opstå over varmeveksleren. Jo tættere profileringerne ligger, desto højere bliver trykfaldet over varmeveksleren. Det er normalt hensigtsmæssigt at udforme disse plane pladepartier med tilnærmelsesvis samme bredde 15 som profileringerne.

I fig. 4 er vist et tværsnit gennem en profilering 17 langs linien IV-IV i fig. 3. Ved den viste profilering er et første medium tænkt at strømme fra venstre til højre i figuren ovenfor begrænsningsvæggen, medens et andet 2o medium er tænkt at strømme i modsat retning under begrænsningsvæggen.

Profileringen 17 udgøres således af en ås 18 og en fordybning 19. Fra åsens fod 32 til dens top 33 hælder begrænsningsvæggen 16 med en vinkel OC i forhold til det pla-25 ne pladepartis plan, fra åsens top 33 til fordybningens bund hælder begrænsningsvæggen 16 en vinkel β i forhold til det plane pladepartis plan, og fra fordybningens bund 34 til foden 35 på den ås, som dannes på begrænsningsvæggen 161 s modsatte side af fordybningen med vinklen ot i for-3o hold til det plane pladepartis plan.

Åsens 18*s højde betegnes med a, og når profileringen er symmetrisk, vil fordybningens dybde være lig med den dobbelte højde. Endvidere er afstanden e fra åsens fod 32 til dens top 33 lig med afstanden d fra fordybningens 35 bund 34 til åsens fod 35 på den modsatte side af begrænsningsvæggen 16. Afstanden c fra åsens top 33 til fordybningens bund 34 står i et bestemt forhold til afstanden e 8 149721 i afhængighed af det Reynoldstal,*for hvilket varmeveksleren er bestemt. Dette skal behandles nærmere nedenfor i tilslutning til fig. 6. Forholdet mellem afstandene c og e varieres ved, at vinklenβ ændres ved profileringsprocessen.

5 Foldningerne ved profileringens ås og fordybning skal naturligvis være blødt afrundede og ikke skarpe både af styrke- og strømningstekniske grunde.

I fig. 5 er vist et tværsnit langs linien V-V i fig.

3 gennem en del af en begrænsningsvæg 16. Indpresningerne lo 25 og forhøjningerne 26, som danner afstandsorganerne, er anbragt i nærheden af det plane pladeparti 24's yderkant.

De cylindriske indpresninger 29 og forhøjninger 3o er anbragt skiftevis. Fortrinsvis begynder profileringerne ikke pludseligt, men som vist i figuren successivt indenfor et 15 område 36-37, efter hvilket de når fuld højde. Et tilsvarende område er anbragt ved de profilerede pladepartiers anden side.

I fig. 6 er vist et tværsnit langs linien VI-VI i fig. 3 gennem tre begrænsningsvægge 16,16a og 16b vinkel-2o ret på strømningsretningen. Skematiske strømningslinier er indlagt for at anskueliggøre den cirkulationseffekt, som tilvejebringes af profileringerne, og som giver varmeveksleren ifølge opfindelsen dens høje virkningsgrad. Spaltebredden mellem begrænsningsvæggenes plane pladepartier sva-25 rer til den dobbelte ås' højde. Begrænsningsvæggene 16a og 16b's åse antydes med fuldt optrukne linier 33a og 33b.

Cirkulationseffekten optræder efter et omslagspunkt, som ligger umiddelbart efter fordybningens bund 34. Matematisk kan det vises, at omslagspunktet ligger i en afstand 3o 9/7 x c fra åsens top 33. For at maksimal cirkulationseffekt skal opnås, skal afstanden c afpasses efter det aktuelle Reynoldstal. I det nedre laminare område, dvs. for Re 5oo-looo, skal c være ca. lig med halvdelen af afstanden e mellem åsens fod 32 og dens top 33, i det midterste 35 laminare område skal c være ca. lig med e, og i det øvre laminare område skal c være ca. 1,5 - 2 gange e.

Cirkulationseffekten medfører som antydet med strøm- 9 149721 ningslinierne i figuren, at hver mediepartikel kommer i ’ berøring med varmevekslerfladerne flere gange ved cirkulation, hvilket forbedrer varmeovergangstallet for varmeveksleren mange gange. Denne cirkulation skal ikke forveksles 5 med de turbulenshvirvlep,' som optræder ved Reynoldstal over ca. 2ooo. Strømningen er laminar også i den snævreste sektion, dvs. ved åsens top 33, medens hastigheden ved omslagspunktet ligger væsentligt højere. Her fås i virkeligheden både en positiv og en negativ strømningshastighed, lo hvilket giver anledning til cirkulation. Denne cirkulation sker i retning mod begge de hosliggende overflader fra en hovedstrømningsdel midt mellem varmevekslerfladerne, jfr. strømningslinierne i figuren.

Således kan maksimal cirkulationseffekt opnås ved 15 et ønsket Reynoldstal ved variation af afstanden c i henhold til ovenstående.

Forbi de punkter,hvor profileringerne krydser hinanden, opstår uregelmæssigheder i strømningen. Dette påvirker imidlertid ikke varmevekslerens virkningsgrad i nævnevær-2o dig udstrækning.

På grund af at profileringerne 17 er skråtstillet i forhold til strømningsretningen, jfr. vinklen T i fig. 3, fås en vis bevægelse langs fordybningerne, hvilket medfører, at partiklerne kan siges at bevæge sig skrueliniefor-25 met.

Hældningsvinklen ot for begrænsningsvæggen 16 mellem åsens fod 32 og top 33 bør ikke overstige ca. lo°. Effekten bibeholdes ganske vist også over denne værdi, men en forringelse indtræder på grund af den kraftige retningsæn-3o dring, som det strømmende medium udsættes for. En vinkel på ca. 5° foretrækkes.

Hældningsvinklen β for begrænsningsvæggen 16 mellem åsens top 33 og fordybningens bund 34 bør ikke overskride 2o°. Dens størrelse afhænger af den ønskede længde af af-35 standen c mellem disse to punkter.

For yderligere at belyse opfindelsen redegøres nedenfor for et forsøg, som udførtes med en prototypevarme- 149721 lo . veksler, i hvilken centerafstandén mellem profileringerne var 25 mm, spaltebredden 3,45 mm, den hydrauliske diameter _3 6,o6 x lo mm, antallet af spalter for hvert medium 41 og 2 den samlede varmeflade 2o,5 m .

5 Den teoretiske kj-værdi, k^_, blev beregnet ud fra

Nusselts ligning, medens den virkelige k-værdi, kv, blev beregnet ved hjælp af formlen Q = kv x 2o,5 x oX, hvor Q er energistrømmen, og er middeltemperaturdifferensen, k-værdierne gælder i et snit før en profilering for fraluf-lo ten og således efter en profilering for tilluften. Re-tallet lå under forsøget på ca. 8oo-125o, dvs. klart indenfor det laminare område.

Tabellen

Prøve Fra-luft Til-luft Tempe- 15 t. , t , t t.jt.t ratur- k. k k /k.

md ud md ud virk- tv v t nings- grad 1 23,5 13,5 1o,o 11,5 23,1 11,6 o,9oo 6,8 35,8 5,26 2 24 12 12 11,6 23,5 11,9 o,964 7,8 94,4 12,1 3 24,2 14 1o,2 13,5 23,5 2o o,94 7,4 9o,3 12,2 2o 4 24,5 14,8 9,7 14 24 1o o,94 7,3 53,7 7,36 5 25,3 15,5 9,8 15 23,9 8,9 o,91 7,4 39,9 5,39 6 25 15,6 9,4 15,1 24,4 9,3 o,94 7,5 6o,5 8,o7 7 26 16,3 9,7 15,9 25,6 9,7 o,96 6,85 77,3 11,28 middelværdi 8,81 25 -

Som det fremgår af tabellen, blev middelværdien for forholdet k^/k^. over 8. Dette er et meget overraskende resultat, som viser, at varmeveksleren ifølge opfindelsen er meget effektiv og anvendelig.

3o I prototypevarmeveksleren er profileringernes bredde vinkelret på deres længderetning 1o,5 mm. Ved strømning i det midterste laminare område bliver afstandene c,d og e alle lig med 3,5 mm. På grund af at profileringerne danner en 149721 11 vinkel T på 5° i forhold til strømningsretningen, vil profileringen få det udseende, som er vist i fig. 6, hvor vinklen er omtrent lig med 2,5° og vinklen β omtrent lig med 5°.

5 Som følge af den( høje virkningsgrad, som kommer til udtryk i ovenstående forsøgsredegørelse, kan varmeveksleren fremstilles i størrelsesordenen 4 gange mindre end tilsvarende konventionelle varmevekslere for at give tilsvarende temperatureffekter. Som følge af at varmeveksleren iføllo ge opfindelsen desuden kan fremstilles med forholdsvis enkle værktøjer og seriefremstilles på samlebånd, bliver fremstillingsomkostningerne således, at varmeveksleren egner sig særdeles godt til anvendelse i f.eks. beboelseshuse. Den kan endvidere også anvendes til varmeveksling mellem væske-15 formige medier, såsom vand, og mellem gas og væske, hvilket gør anvendelsesområdet på det nærmeste ubegrænset.

i

Claims (2)

149721 . Patentkrav. 1

1. Varmeveksler til modstrømsvarmeveksling mellem to adskilt strømmende medier bestående af et antal spalter med fælles begrænsningsvægge af tynd plade, fortrinsvis 5 aluminiumplade, forsyne,t med profileringer, som på hosliggende begrænsningsvægge krydser hinanden og i krydsningspunkterne danner afstandsorganer, kendetegnet ved, at dens varmévekslerflader dannes af de to sider af de for de to medier fælles begrænsningsvægge (16), at pro-lo fileringerne udgøres af en ås (18) og en fordybning (19) og er anbragt under en vinkel (T) i forhold til den tilsigtede strømningsretning gennem varmeveksleren, idet profileringerne (17) på hver individuel begrænsningsvæg (16) løber parallelt med hinanden med mellemliggende plane pla-15 departier (31), og at en ås på begrænsningsvæggens ene side svarer til en fordybning på dens anden side, at åsenes (18) højde (a) over de plane pladepartier (31) svarer til fordybningernes (19) halve dybde regnet fra toppen af en ås til bunden af den hosliggende fordybning, at afstanden 2o (e) mellem åsens fod (32) og dens top (33) i planet for det plane pladeparti (31) er den samme for åsene på begge sider af begrænsningsvæggen, hvorved den vinkel (¾ ), som åsen danner med det plane pladeparti i strømningsretningen, bliver den samme på begge sider af begrænsningsvæggen, 25 og at den del af begrænsningsvæggen, som strækker sig fra åsens top (33) til fordybningens bund (34) , danner en vinkel (β) med det plane pladeparti (31) i strømningsretningen, som er afpasset i forhold til det Reynoldstal, ved hvilket varmeveksleren skal anvendes, så at cirkulation, 3o men ikke turbulens opstår i fordybningen ved det nævnte Reynoldstal.

2. Varmeveksler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at begrænsningsvæggen (16) mellem toppen (33) på en ås (18) og bunden (34) af den hosliggende fordybning (19) 35 hælder i forhold til det plane pladeparti (31) med en vinkel (β ), som er mindre end eller lig med 2o° i strømningsretningen.