NO973552L - Varmeveksler - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en varmeveksler, især for å regulere lufttemperaturen ved hjelp av en væske som ledes inn i varmeveksleren, eller vise versa, hvor varmeveksleren omfatter en rørseksjon for væskesirkulering og finnedeler som er festet til rørseksjonens ytre flater for å forstørre varmevekslingsflaten, hvor finnedelene er delt i minst to soner og finnesonenes rørseksjoner er forbundet med oppsam-lingsrør og med fordelingsrør, slik at væsken etter å ha passert gjennom en finnesone blir blandet i det minste i et oppsamlingsrør før den ledes til fordelingsrøret for den neste sone eller til fordelingsrørene i de følgende soner.

Denne type varmeveksler er for tiden vel kjent i forskjellige tekniske fagområ-der. Et eksempel på tekniske områder som benytter slike varmevekslere er ventila-sjonsteknologien. Ventilasjonsinstallasjoner er ofte utstyrt med varmevekslere av den nevnte type, plassert i forbindelse med enten luftbehandlingsapparater eller kanaler. I den vanligste situasjon strømmer væsken inne i rørene og luften utenfor rørene. For å gi bedre varmeoverføring er finner, som utvider varmeveksleroverflaten, festet på ut-siden av rørene. Finnene er ofte bølgete og gjensidig meget nært plassert for å gi et godt varmevekslingsforhold.

Luften blir oppvarmet i en lufttilførselsanordning om vinteren, og muligens av-kjølt om sommeren for å oppnå den ønskede tilstand for tilførselsluften. Oppvar-mingstrinnet består ofte av to eller tre trinn. Det første trinn er prosessen for varmegjenvinning, hvor i tilfelle en væske-varmeveksler, væsken er en væske som er beskyttet mot frysing. Det neste trinn er den egentlige varmeradiator som brukes til å øke varmen, eller hvis det ikke er noe trinn for varmegjenvinning, å levere varme slik at den ønskede lufttemperatur blir oppnådd enten som en endelig eller mellomliggen-de tilstand. Det tredje trinn, som er etteroppvarmingstrinnet, skjer i en etteroppvar-mingsradiator som vanligvis er nødvendig etter en fuktingsdel, etter en avfuktingspro-sess utført ved kjøling, eller for en oppvarming som er spesifikk for en sone.

Kjøleprosessen finner sted, ikke bare i tilførselsluftvarmeveksleren om sommeren, men også i varmegjenvinningsradiatoren for avløpsluftanordningen om vinteren, i hvilket tilfelle væsken er en væske som er beskyttet mot frysing. På andre måter til-svarer prosessen den ovenfor beskrevne prosess.

Hvis væskeradiatorer er plassert i prosesskretsen, er formålet å forsyne væske-kretsen med den ønskede temperatur, enten delvis eller helt, samtidig som luftsyste-met vanligvis også nyter godt av dette. Det er også slike væskeradiatorer som brukes for både oppvarming og kjøling i serie eller til forskjellige tider.

Konstruksjonen av varmevekslere av finne-typen er konvensjonelt uendret. Konstruksjonen består av de følgende komponenter: en vanntilførselsforbindelse for radiatoren er festet på et fordelerrør fra hvilket rørseksjoner, eller såkalte rørstykker, divergerer og sirkulerer i dybden gjennom radiatorfinnene i henhold til en spesifikk geometri som er gjentagende og som bestemmes ved åpninger anordnet i finnene. Rørstykkene danner vannruter gjennom radiatoren og ender i et oppsamlingsrør fra hvilket vannet kommer ut via et forbindelsesrør for vann som forlater radiatoren. Slike radiatorer omfatter et fordelingsrør eller avledningsmanifold, og et oppsamlingsrør eller oppsamlingsmanifold, for uttømming av vann.

I alle de ovenfor beskrevne tilfeller, opererer radiatorene konvensjonelt på en slik måte at en endring i temperaturen oppstår i en radiator, som er homogen i retning av luftbevegelsen. Et tilfelle hvor finnene er utvidet ved hjelp av en fremstillingstek-nikk kan utgjøre et unntak, men i et slikt tilfelle forblir imidlertid operasjonen av radiatorene den samme. Radiatorens kapasitet blir vanligvis styrt ved å justere væs-kestrømmen eller dens temperatur, eller ved å regulere temperaturen i luften, avhengig av strømningsretningen for energi.

Effektiv energiutnyttelse fører ofte til meget små temperaturforskjeller. I radiatorens finneområde oppstår det på luftsiden temperatursjikt som, avhengig av rørru-tene, kan være betydelige, og som reduserer den totale varmeoverføringskoeffisient. Temperaturen i væsken varierer mellom de forskjellige vannruter, avhengig av hvor jevnt væskestrømmen deles. Resultatet er små temperaturforskjeller i dype radiatorer. I praksis kan antallet rørrekker i strømningsretningen for luften være så høy som 12. Sammen med de små rørdimensjoner, bølgede finner og mulige produksjonstekniske finneforlengelser, gjør dette en effektiv rengjøring av radiatoren umulig. Siden radiatoren ikke kan rengjøres, vil et forurensingslag som dannes på dens overflate, redusere varmevekslingen og derfor vil radiatorens kapasitet avta. For å oppnå den ønskede kapasitet, må radiatoren være overdimensjonert ved å benytte en såkalt kontamina-sjonskoeffisient, som kan være for eksempel 1,3 i industrielle anvendelser. I tillegg til at dette fører til økte investeringskostnader, fører det også til en økning av radiatorens luftmotstand og derav følgende øking av forbrukt elektrisk kraft i viften. Siden kontaminasjonslaget også gjør strømningskanalene mellom finnene smalere, vil strøm-ningsmotstanden og forbruket av elektrisk kraft øke som et resultat. Den totale effekt kan øke strømningsmotstanden for radiatoren og det elektriske kraftforbruk som er direkte proporsjonalt med strømningsmotstanden, mer enn 50 % for radiatoren. Dette fører til et behov for å overdimensjonere også drivmotoren, beltedrev, kontakter, kab-ler osv. Dette resulterer i en betydelig økning både i drifts- og investeringskostnader.

I henhold til studier, vil i noen tilfeller økende strømningsmotstand redusere luftstrømmen så meget som 30 % når radiatoren blir skitten. Spesielt i industriproses-ser, men også i normale ventilasjonsinstallasjoner, må hele systemet omjusteres i et slikt tilfelle ved å øke rotasjonshastigheten for viften, med spesielle dempere eller liknende. Dette medfører naturligvis betydelige kostnader.

På grunn av større strømningsmotstand, vil støynivået av viften øke. Støy-dempningssystemet må også være overdimensjonert eller en ytterligere dempnings-mekanisme må bygges inn senere.

Kontaminasjonen av radiatorer som brukes for varmegjenvinning er spesielt skadelig. I tillegg til de nevnte ulemper, vil effektiviteten av varmegjenvinning bli redusert. Dette betyr at i tillegg til forbruk av elektrisk kraft, vil også forbruket av termisk energi øke, i noen tilfeller bli det til og med doblet.

En meget alvorlig ulempe er helseskaderisikoen forbundet med kontaminasjon. Kontaminasjonslaget danner et substrat for bakterie- og sopp-pupulasjoner som omfatter sporer som kan komme inn i luftstrømmen og forårsake allergireaksjoner, i ver-ste tilfellet en feber som er kjent som "trykkerens sykdom" i trykkerier og tekstilin-dustrien. Andre kjente problemer er ubehagelig lukt, som sprer seg fra noen anlegg i begynnelsen av varmesesongen, og som forårsakes av det faktum at de populasjoner som ble generert på de kjølige radiatoroverflater om sommeren, begynner å utskille fordampbare substanser når radiatorens temperatur øker.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en vanneveksler ved hjelp av hvilken ulempene ved tidligere teknikk kan bli eliminert. Dette er oppnådd med varmeveksleren ifølge oppfinnelsen slik den er definert med de i kravene anførte trekk.

Blanding av luft kan også gjøres mer effektiv, for eksempel med spesielle tur-bulensplater, luftstråler, føringsplater eller med annet i og for seg kjent.

Den viktigste fordel med oppfinnelsen er dens fleksibilitet, siden den om øn-sket kan dra nytte av både væskesiden og væske- og luftsidene, avhengig av behovene i situasjonen vurdert totalt. Den kan også frembringe produksjonstekniske fordeler, siden det er mulig å velge finnesone i henhold til fremstillingsteknikken slik at det ikke er noe behov for å bruke forstørrede finner. De forstørrede finner har en tendens til å forårsake ytterligere motstand i luftsiden og å øke ansamlingen av skitt og støv. Ytterligere fordeler er frembrakt ved det faktum at varmeveksleren ifølge oppfinnelsen kan rengjøres i to eller flere trinn, avhengig av antallet mellomrom mellom finnesonene. Rengjøringsmetoden kan for eksempel være støvsuging, en rengjøringspistol, en kombinasjon av støvsuger og rengjøringspistol, eller andre rengjøringsmetoder som i seg selv er kjente og som er enten er faste eller er installert midlertidig for rengjø-ringstrinnet.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives i mere detalj gjennom foretrukne utførelser, under henvisning til tegningen hvor figur 1 viser koplingsenden i den første utførelsen av varmeveksleren ifølge oppfinnelsen, figur 2 viser et riss av varmeveksleren på figur 1 langs pilene II-II på figur 1, figur 3 viser en annen alternativ implementering av utførelsen på figur 1 på en liknende måte som figur 2, figur 4 er en profil sett ovenfra av en annen utførelse av varmeveksleren ifølge oppfinnelsen, figur 5 viser et enderiss av rengjøringsanordningen av utførelsen på figur 1, figurene 6a og 6b viser de forskjellige implementeringer av en detalj i varmeveksleren ifølge oppfinnelsen, og figur 7 viser en modifikasjon av utførelsen på figur 1.

På figur 1 er en avledningsmanifold for innkommende vann betegnet med henvisningstallet 1, og en oppsamlingsmanifold for vann som forlater varmeveksleren med henvisningstallet 2. Et forbindelsesrør fra avledningsmanifolden 1 til nettverket er betegnet med henvisningstallet 3, og et forbindelsesrør for oppsamlingsmanifolden 2 er i sin tur betegnet med henvisningstallet 4. Et takelement for et mulig hus i varmeveksleren er betegnet med henvisningstallet 12, og et tilsvarende bunnelement med henvisningstallet 13.

Ifølge en essensiell grunnidé for oppfinnelsen, er varmevekslerens finnedeler inndelt i minst to soner 6, 5 på en slik måte at det mellom sonene oppstår et mellomrom 7 hvor luften tillates å bli blandet før den strømmer inn i den neste sone. Dette fremgår klart av figur 1, som viser retningen av luftstrømmen ved hjelp av en pil. I eksemplet på figuren, er den første finnesonen i bevegelsesretningen for luften betegnet med henvisningstallet 6 og den andre finnesonen tilsvarende med henvisningstallet 5. Som nevnt ovenfor er mellomrommet hvor luften blir blandet enten mekanisk eller termisk betegnet med henvisningstallet 7.

Figur 2 viser et grunnriss av varmeveksleren ifølge figur 1. På figur 2 betegner henvisningstallet 8 en rørseksjon som begynner f ra vannfordelingsrøret 1 og sirkulerer gjennom finnesonen 5 og vender tilbake til finnesonen 5 ved hjelp av et bøyd rør 10. Finnene i finnesonen er klart synlig i det forstørrede delriss på figur 2. Et bøyd rør 11 overfører væsken til den neste finnesone 6 forbi et mellomrom 7, hvoretter en rør-seksjon 9 leder væsken gjennom finnesonen. Væsken ankommer til slutt til en oppsamlingsmanifold 2 for uttømming av væske. Det skal bemerkes at selv om væskesir-kulasjonen er beskrevet ovenfor ved hjelp av en rørseksjon, er det i virkeligheten flere rørseksjoner, dvs rørstykker. Figur 2 viser også mulige endeplater 14 og 15 for varmeveksleren.

Som beskrevet ovenfor, kan oppfinnelsen anvendes både i luft- og væskesiden.

1 henhold til grunnidéen for oppfinnelsen, er finnedelene inndelt i minst to soner 6, 5 og rørseksjonene 8, 9 av finnesonene er forbundet med oppsamlingsrørene 16 og for-delerrørene 18 slik at væsken, når den har passert gjennom finnesonen 5, ledes slik at den blir blandet i det minste i ett oppsamlingsrør 16 før den blir matet inn i fordelings-røret 18 for den neste sone 6, eller inn i fordelingsrørene for de følgende soner. Denne type implementering er beskrevet i figur 3 som viser to separate finnesoner 5 og 6, et mellomrom 7, og rørstykkene 8 og 9 som passerer gjennom finnesonene 5 og 6. Henvisningstallet 16 viser et oppsamlingsrør som er plassert etter finnesonen 5 og som er forbundet med et rørstykke, eller i praksis flere rørstykker 8. Den væsken som har strømmet gjennom finnesonene 5 blir blandet i oppsamlingsrøret 16 før den beveger seg via en kopling 17 til et fordelingsrør 18 hvorfra finnesonens 6 rørstykker 9 fordeler væsken videre til finnesonen 6. 1 utførelsen på figur 3, er finnesonene 5 og 6 separate soner. Dette er imidlertid ikke det eneste alternativ. Hvis grunnideen for oppfinnelsen bare anvendes på væskesiden, kan finnesonene også implementeres som fiktive soner. Figur 4 viser en slik utførelse. De fiktive finnesonene er betegnet med henvisningstallene 19 og 20. Rør-stykkene i finnesonen 19 er forbundet med et oppsamlingsrør 21 fra hvilket væsken beveger seg etter blanding via en kopling 22 til et fordelingsrør 23 hvor rørstykkene forgrenes inn i finnesonen 20.

Det skal således bemerkes at de uttrykk som brukes i kravene dekker både separate finnesoner og de fiktive finnesoner på figur 4. De fiktive finnesonene kan bli produsert helt fritt uten noen mellomrom. Grunnidéen er at de temperaturforskjeller som har oppstått i væsken i en finnesone blir utjevnet for væsken blir levert til den neste finnesone. Figur 5 viser i sin tur rengjøringsanordningen for utførelsen på figur 1. Henvisningstallet 24 viser en dekseldel ved hjelp av hvilken en rengjøringsåpning er anordnet ved mellomrommet 7. Varmeveksleren kan med fordel rengjøres gjennom denne rengjøringsåpning ved hjelp av en passende rengjøringsinnretning eller rengjørings-middel. Figurene 6a og 6b viser to versjoner av en væskemottakerbeholder som kan festes på bunnseksjonen av varmeveksleren ifølge oppfinnelsen. Henvisningstallet 25 viser et beholderalternativ som ikke inneholder noen avløpsforbindelse, og henvisningstallet 26 viser et beholderalternativ med en avløpsforbindelse. Figur 7 viser en modifikasjon av utførelsen på figur 1. Figur 7, som figur 1, viser koplingsenden på varmeveksleren ifølge oppfinnelsen. Like henvisningstall er brukt på tilsvarende punkter som på figur 1. Avledningsmanifolden for innkommende vann er betegnet på figur 7 med henvisningstallet 27, og oppsamlingsmanifolden for varm som forlater varmeveksleren er betegnet med henvisningstallet 28.1 denne modifikasjon er avledningsmanifolden og oppsamlingsmanifolden utstyrt med forbindel-sesrør 29 og 30 som er parallelle med manifoldene. Forbindelsesrørene 29 og 30 kan være orientert i parallell, som på figur 7, eller i motsatte retninger.

De ovenfor beskrevne utførelser er ikke ment å begrense oppfinnelsen på noen måter, men oppfinnelsen kan modifiseres fritt innenfor omfanget av kravene. Det er derfor klart at varmeveksleren ifølge oppfinnelsen, eller i detaljene av denne, ikke nødvendigvis må tilsvare eksakt de som er vist på figurene, men andre typer av an-ordninger er også mulig. Oppfinnelsen er for eksempel på ingen måte begrenset til to finnesoner, selv om eksemplene på figurene viser slike utførelser. Oppfinnelsen kan også anvendes i forbindelse med to, tre eller flere finnesoner. Oppfinnelsen kan også benyttes for både oppvarming og kjøling, som bemerket ovenfor.

Claims (6)

1. Varmeveksler, især for å regulere lufttemperaturen ved hjelp av en væske som ledes inn i varmeveksleren, eller vise versa, hvor varmeveksleren omfatter en rørseksjon for væskesirkulering og finnedeler som er festet til rørseksjonens ytre flater for å forstørre varmevekslingsflaten, hvor finnedelene er delt i minst to soner (5, 6, 19, 20) og finnesonenes rørseksjoner (8, 9) er forbundet med oppsamlingsrør (16, 21) og med fordelingsrør (18, 23), slik at væsken etter å ha passert gjennom en finnesone (5, 19) blir blandet i det minste i et oppsamlingsrør (16, 21) før den ledes til fordelingsrø-ret (18, 23) for den neste sone (6, 20) eller til fordelingsrørene i de følgende soner, KARAKTERISERT VED at finnedelene er delt i soner (5, 6) på en slik måte at det mellom sonene er et mellomrom (7) innrettet til at luften blandes før den strømmer inn i den neste sone.

2. Varmeveksler, især for å regulere lufttemperaturen ved hjelp av en væske som ledes inn i varmeveksleren, eller vise versa, hvor varmeveksleren omfatter en rørseksjon for væskesirkulering og finnedeler som er festet på rørseksjonenes ytre flater for å forstørre varmevekslingsflaten, KARAKTERISERT VED at finnedelene er inndelt i minst to soner (5, 6) på en slik måte at det mellom sonene er et mellomrom (7) innrettet til at luften blandes før den strømmer inn i den neste sone.

3. Varmeveksler ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED at en ren-gjøringsåpning er plassert i varmevekslerens ytre flate ved mellomrommet (7).

4. Varmeveksler ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED at en væskemottakerbeholder (25, 26) er plassert i forbindelse med den nedre del av varmeveksleren.

5. Varmeveksler ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at mottakerbeholde-ren (26) er utstyrt med en avløpsforbindelse.

6. Varmeveksler ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED at forbin-delsesrørene (29, 30) er festet på endene av avledningsmanifolden og oppsamlingsmanifolden (27, 28), parallelt med manifoldene.