NO147614B - Vaeskekjoelt turbinskovl med forbedret varmeoverfoeringsevne - Google Patents

Description

Varmeoverføringselement.

Foreliggende oppfinnelse angår et var-meoverføringselement, særlig for destilla-sjonsapparater for destilleringen av sjø-og brakkvann.

Varmeelementet anvendes fortrinnsvis som varmeoverføringsvegg i destillasjons-apparater. Denne vegg har på den ene side en fordampningsoverflate med et antall langstrakte, parallelle forhøyninger eller ribber adskilt av fordypninger. Forhøynin-gene og fordypningene har sådanne dimensjoner at de lett kan formes ved pressing eller valsing. Destillanden (saltvannet eller brakkvannet) tilføres fordampningsflaten oventil, således at den vil renne ned langs overflaten mellom forhøyningene ved tyngdekraftens virkning. Destillanden til-føres i en sådan mengde at den ikke i sin helhet fyller området mellom forhøynin-gene. Den varme som overføres gjennom veggen fra kondenseringsoverflaten bevirker at destillanden koker således at den spres over hele overflaten av forhøyninge-ne. Veggen er fremstilt av et materiale som destillanden har affinitet til, men sam-tidig kreves at destillandens overflatespen-ning virker til å skyve ethvert overskudd av destillanden inn i fordypningene mellom forhøyningene. Destillanden vil på denne måte bli fordelt over forhøyningenes overflate som en meget tynn film som vil etter-fylles fra fordypningene etterhvert som fordampningen finner sted.

Veggens lengde og matningen av destillanden velges således at der ikke vil avsette seg noe salt.

Dampen fra fordampningsflaten utsettes deretter for virkningen av en kondenserende overflate av en annen, på lignende måte konstruert overføringsvegg som befinner seg i nærheten av de utvik-lede damper. Eventuelt kan dampen kondenseres på den motsatte eller kondenser-ingssiden av den samme varmeoverførings-vegg under forutsetning av at dampens trykk er blitt tilstrekkelig hevet.

Varmeoverføringsveggens kondenserende overflate avkjøles ved overføring av varme til destillanden under fordamp-ningstemperaturen av vannet ved det an-vendte trykk således at dampen vil kondenseres på denne overflate. Den kondenserte damp eller destillatet strømmer fra toppen av forhøyningene inn i de tilstøten-de fordypninger under tyngdekraftens og overflatespenningens påvirkning og avkjø-les ved bunnen av veggen. Kondensatlaget på forhøyningene har en meget liten tykkelse.

Oppfinnelsen utmerker seg nærmere bestemt ved at forhøyningene er vertikalt orientert og har en avstand mellom til-støtende topper (P) på 1,27—12,7 mm og en høyde (H) på 1,27—6,28 mm, og at forhol-det mellom veggens lengde (L) og høyde

(H) er mellom 50:1 og 5000:1 samt at for-høyningenes innbyrdes avstand P = 4T

og høyde H = 2T, hvor T er tykkelsen av det plateformede materiale, hvorav elementet er fremstilt. Det plateformede materiale har hensiktsmessig en tykkelse (T) på mellom 0,635 og 3,18 mm.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser i perspektiv en del av en varmeover-føringsvegg ved én utførelse, fig. 2 et tverr-snitt av varmeoverføringsveggen og fig. 3 et lengdesnitt av et destillasjonsapparat som anvender et varmeoverføringselement ifølge oppfinnelsen.

Varmeoverføringsveggen 10 ifølge fig. 1 er å betrakte som en korrugert vegg, hvis for- og bakside har et antall forhøyninger eller ribber 12 som er adskilt ved fordypninger 14. Den ene av overflatene, såsom overflaten 16, kan anvendes som fordamp-ningsflate og den motsatte 18 som kon-denseringsflate. Førstnevnte flate kan anvendes for tilførsel av destilland nær flatens øvre ende, således at destillanden (sjø-vann, brakkvann og lignende) vil strømme ned langs flaten under tyngdekraftens påvirkning. Under forutsetning av at flatens dimensjoner ligger innenfor et visst om-råde, vil destillanden ikke strømme jevnt ned langs hele overflaten, men først og fremst følge fordypningene 14 og bare et-, terlate en tynn film på forhøyningene.

En tilstrekkelig varme vil tilføres veggens 10 bakside for å heve destillandens temperatur til det punkt ved hvilket der vil oppstå koking i fordypningene 14 som an-tydet på fig. 2. Til å begynne med vil destillanden strømme ned langs fordypningene 14 som vist ved A. Deretter oppstår damp-blærer som vist ved B og som til slutt bris-ter som vist ved C og derved sprøyter destilland utover de tilstøtende forhøyninger 12 som en tynn film. Denne kokevirkning skjer kontinuerlig på en tilfeldig måte i fordypningene 14 over hele fordampningsflaten 16. Foretatte eksperimenter har vist at den maksimale fordampning oppnås på forhøyningene 12 som følge av den tynne film av destillanden som er tilstede på disse forhøyninger. Den koking som finner sted i fordypningene 14 viser at varmen også vil overføres til disse deler av fordampningsflaten 16.

I de tilfelle hvor den nødvendige varme oppnås ved anvendelse av den motsatte side eller baksiden av varmeoverførings-veggen 10 til kondensering av damp, vil kondensatet ha en tendens til å samle seg i fordypningene 14 og således utsette for-høyningene 12 for ny damp. Således holdes den midlere varmemotstand på' kondenseringsoverflaten lav.

Kondensatet strømmer ned langs fordypningene 14 ved tyngdekraftens virkning og kan således lett samles opp ved bunnen av veggen.

Destillasjonsapparatet ifølge fig. 3 for destillasjon av. salt- og brakkvann omfat-ter et kammer 20 med varmeoverførings-vegger 22 og 24 i henhold til oppfinnelsen. Disse vegger deler kammeret i tre rom 26,

28 og 30. I det første av disse rom; tilføres

damp fra en eller annen egnet kilde, såsom

en kjel, avløpsdamp fra en turbin e. 1. gjennom et inntaksrør 32 for å bevirke at

varmeoverføringsveggens 22 venstre eller

kondenseringsoverflate oppvarmes til temperaturen tr Som følge av overføringen av varme fra dampen til veggen, vil dampen kondenseres og kondensatet strømme langs fordypningene og ned langs veggens kondenseringsoverflate som tidligere beskrevet. Kondensatet fra rommet 26 tas ut gjennom et rør 34.

Destilland (salt- eller brakkvann) inn-føres i rommet 28 gjennom innløpsrøret 36

og avbøyes av en avbøyningsplate 38 som tjener til å fordele destillanden i det ve-sentlige over hele bredden av veggens 22 høyre eller fordampningsoverflate ved eller nær flatens øvre kant. Destillanden tilføres med en sådan hastighet at den vil fylle fordampningsflatens fordypninger uten å dekke toppene av forhøyningene. Destillanden tilføres rommet 28 ved en temperatur t2 som er lavere enn temperatur tr Følge-lig vil der gjennom veggen 22 overføres varme til destillanden, av hvilken noe vil fordampe og overskuddet strømme ned langs veggen 22 og ut gjennom røret 40 i form av en konsentrert saltoppløsning eller lake. Omtrent 75 pst. av den tilførte destilland kan lett fordampes uten at der oppstår noen avsetning av saltet i laken. De damper som oppstår som følge av fordampningen av destillanden, fyller rommet 28, og en viss mengde av disse damper vil avgi varme til varmeoverføringsveggen 24. Som følge av denne varmeoverføring til veggen 24 vil noe av dampen kondensere og strømme ned langs veggens kondenseringsoverflate og ut av rommet 28 gjennom utløpsrøret 42 i form av destillat (ferskt vann). En lav vegg 44 hindrer destillatet i å blande seg med overskuddet av destillanden. De damper som kondenseres på varmeoverføringsveggens 24 kondenser-ingsflate, bevirker at denne flates temperatur øker til t3. Denne veggs høyre side vil nedkjøles til en temperatur t4, som er lavere enn temperaturen t.t som følge av koldt sjø- eller brakkvann som tilføres dette rom 30 gjennom røret 46 og fordeles på veggens 24 høyre overflate ved hjelp av en fordeler 48. Det kolde sjø- eller brakkvanns temperatur heves under passasjen ned jlangs denne overflate og ledes ut gjennom

røret 50, hvorfra det kan tilføres inn-løpet 36.

Som allerede nevnt må der anvendes en varmeoverføringsvegg 10 på fig. 1 som har visse størrelser og proporsjoner. På fig. 1 angir H høyden av forhøyningene fra bunnen til toppen og P angir avstanden mellom midten av to tilstøtende fordypninger. T angir veggens tykkelse og L veggens lengde.

Ved en spesiell utførelse av oppfinnelsen ble der anvendt et kobberblikk med en tykkelse T på ca. 1 mm. Kobberblikket ble korrugert til en høyde av forhøyelsene H på ca 1,5 mm og P lik 3 mm. Den midlere temperaturforskjell mellom kondenserings-flaten 18 og fordampningsflaten 16 var 5,55°C over hele veggens lengde L, som var ca. 140 cm.

Høyden H kan være mellom 1,27 og 6,35 mm og avstanden P mellom 1,27 og 12,7 mm. Tykkelsen T skal som ved anhver var-meoverføringsvegg være så liten som mulig. Når en bestemt tykkelse er blitt valgt, kan verdiene H og P bestemmes ved de empiriske forhold: H = 2T og P = 4T. Enn-videre velges L i forhold til høyden H mellom 5:1 og 500:1. Den spesielle lengde som velges, avhenger av arbeidsbetingelsene i det destillasjonsapparat i hvilket veggen skal anvendes. Da overflaten 16 som over-fører fordampningsvarme, bare vil arbeide som beskrevet når destillanden strømmer i fordypningene 14 og etterlater forhøynin-gene 12 forholdsvis tørre, tilføres destillanden den øvre ende av overflaten 16 med en tilsvarende hastighet. Etterhvert som destillanden beveger seg nedad, vil mer og mer av denne bli fordampet, således at overflaten 16 nedentil vil kunne bli helt tørr. Dette er uønsket, da der i så fall vil avsette seg salt som vil danne et skall på overflaten. Fordampningen vil skje med en hastighet som øker etterhvert som temperaturdifferansen mellom overflatene 18 og 16 øker, forutsatt at det trykk som henger sammen med fordampningen, ikke varieres. Hvis denne temperaturdifferanse er høy, skal lengden være mindre, mens lengden bør være større, hvis temperaturdifferansen blir mindre. Veggens lengde bør ikke økes til det punkt hvor destillatet på kondenser-ingsflaten fyller fordypningene fullstendig, således at fremspringene ikke kan utsettes for nye damper.

Selvom destillasjon forlengst er kjent, har den hittil aldri vært anvendt ved salt-vann på annet enn begrenset basis, og denne begrensning har skyltes omkostningene. De første omkostningsfaktorer som må be-dømmes, er apparatets anskaffelsesomkost-ninger og driftsomkostningene etter at det er blitt installert. Oppfinnelsen skaffer en betydelig reduksjon for begge disse om-kostningsfaktorers vedkommende. Kobberblikk som er lett tilgjengelig overalt og lett å bearbeide, overfører varme bedre enn de fleste materialer. Ved anvendelse av en enkel form eller et arrangement av rullen, kan et kobberblikk korrugeres til den form det bør ha i henhold til oppfinnelsen og krever således ingen kostbar valseopera-sjon. Dette resultat er mulig, da de øns-kede dimensjoner hverken er særlig små eller behøver å opprettholdes med stor nøy-aktighet. Av samme grunn er det ikke nød-vendig å foreta en hyppig utskiftning av den pressform som anvendes for fremstil-ling av veggen, sålenge veggens dimensjoner faller innenfor de angitte områder.

Driftsomkostningene for et hvilket som helst apparat som skal overføre varme fra ett medium til et annet, vil avta hvis varmeoverføringshastigheten Q kan økes. Denne hastighet kan, når det dreier seg om varmeoverføring gjennom en vegg, angis som følger:

Faktoren (ti—12) representerer temperaturdifferansen mellom de to sider av veggen, mens Rw representerer veggens var-meledningsmotstand. Det er innlysende at en nedsettelse av denne motstand vil bevirke en økning av varmeoverføringshas-tigheten. Likegyldig hvor tykk væskefil-men på veggen er, vil der både opptre fordampning og kondensasjon, og av denne grunn er det nødvendig at varmen overfø-res fra overflaten av den kondenserende væske, gjennom væskelaget til veggen. Etter å ha passert gjennom veggen, vil varmen passere gjennom destillandfilmen til dennes overflate, hvorfra molekylene for-damper.

I det foreliggende tilfelle blir oven-nevnte formel å skrive som følger: Q =

(t—t2)/(Rc+ R„. + Re), hvor Rc og R0

representerer de individuelle varmeled-ningsmotstander for det kondenserte væskelag henholdsvis fordampende væskelag.

Virkningen av disse væskelag på var-meoverføringshastigheten vil lett sees ved en sammenligning mellom varmeoverfør-ingshastigheten for en kobbervegg alene og for en vegg med to lag på 1,6 mm vann. Ved en temperaturdifferanse på 5,6°C og en 0,8 mm kobbervegg, vil Q være 23,2 x 105 cal/h x m2. Når de to 1,6 mm tykke vannlag kommer til, blir Q bare 9,8 x 102 cal/h x m2. Varmeoverføringshastigheten for en kobbervegg alene er med andre ord mer enn 2000 ganger større enn når veggen har et

1,6 mm tykt vannlag på hver side.

De målinger som er foretatt med en

vegg fremstilt i henhold til oppfinnelsen,

viste en varmeoverføringshastighet på

8,95 x 104 cal/h x m2, hvilket betyr en økning av varmeoverføringshastigheten på

ca. 100 ganger i forhold til en plate med to

vannlag på 1,6 mm.

Selvom varmeoverføringsveggen ifølge

oppfinnelsen fortrinnsvis fremstilles ved

korrugering av et tynt metallblikk, kan det

i visse tilfelle være ønskelig å benytte et

tykkere materiale og å danne fremspringene ved andre fremgangsmåter. I disse

tilfelle behøver ikke fremspringene på den

ene side tilsvare fordypningene på den

annen side. Det vil også være innlysende

at fordampnings- og kondensasjonsplatene

kan bygges om etter ønske.

Claims (2)

1. Varmeoverføringselement, bestå-

ende av en vegg med en fordampningsoverflate på den ene side og som har et antall langstrakte, parallelle forhøyninger eller ribber adskilt av fordypninger, karakterisert ved at forhøyningene er vertikalt orientert og har en avstand mellom tilstø-tende topper (P) på 1,27—12,7 mm og en høyde (H) på 1,27—6,28 mm, og at for-holdet mellom veggens lengde (L) og høyde (H) er mellom 50:1 og 5000:1 samt at for-høyningenes innbyrdes avstand P = 4T og høyde H = 21, hvor T er tykkelsen av det plateformede materiale, hvorav elementet er fremstilt.

2. Varmeoverføringselement i henhold til påstand 1, karakterisert ved at det plateformede materiale har en tykkelse (T) på mellom 0,635 og 3,18 mm.