NO843967L - Varmeveksler - Google Patents

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

1. Anvendelsesområdet

Foreliggende oppfinnelse vedrører varmevekslere av plate/- finne-typen samt finnede plater med åpen overflate som kan stables på hverandre for dannelsen av tverrstrøms-varmevekslere.

2. Beskrivelse av teknikkens stand

Varmevekslere av plate/finne-typen er i hovedsak bygget

opp av kanaler og ribbeformede konstruksjoner. Varmevekslere av motstrøms-typen kan oppnås. Å tilveiebringe en manifold som separerer fluidene ved inngangene og utgangene i plate-stablene, blir imidlertid i så fall særdeles kompleks. Siden manifolden ved tverrstrøms varmevekslere uten sammenligning

er enklere i oppbygning, er et slikt varmevekslingssystem oftere benyttet, dette til tross for at tverrstrøms-systemet er mindre effektivt enn motstrøms-systemet samt at tverrstrøms-systemet introduserer alvorlige termiske og mekaniske belast-ninger .

Et motstrøms-system som har forsøkt å løse manifoldproble-met ved motstrøms varmevekslere er beskrevet i US-patentskrift nr. 3.305.010. Dette patentskrift beskriver en varmeveksler som består av på hverandre stablede plater og finneelementer samt en kompleks manifoldanordning for å introdusere fluider

med forskjellige temperaturer inn på motsatte ender av sammen-stillingen. US-patentskrift nr. 3.305.010 viser imidlertid ikke en plate som både tjener som plate og finne. Heller ikke viser dette patentskrift anordninger ved innvendig forgrening på platen i platens plan.

Et annet motstrøms-system er Alfa-Laval-systemet beskrevet

i "The Proceedings of the 5th OTEC Conference", Miami, Florida (februar 1978) sidene VI 288-320. Alfa-Laval-løsningen består hovedsakelig av en stabel med tynne metallplater, en ramme samt anordninger for å holde delene sammen. Platene er opphengt mellom horisontaltbærende staver ved toppen og bunnen, og presses sammen mot en stasjonær rammeplate ved hjelp av stram-ningsbolter og en bevegbar trykkplate. Rammeplaten er utstyrt med dyser for innløp og utløpstilkoblinger. Hver plate er tettet rundt platens omkrets med en tetningsring og er sammen-

kittet i en sammenpresset stabel. Strømningsåpningene ved hvert av platens hjørner er individuelt tettet og følgelig deler opp det mellomliggende rom i to systemer for alternative strømningskanaler. To media passerer gjennom disse idet det varmere medium avgir varme til kjøleren ved ledning gjennom de tynne platene. Dette tetningsarrangement eliminerer risi-koen for interlekkasje mellom de to media. Platen som er basiselementet ifølge dette konsept har et korrugert mønster preget på platen. Disse korrugeringer kan være arrangert i et ubegrenset antall med plateformer. Det spesifikke mønster er et resultat av avveining mellom trykkfall og konvektiv varme-overgangskarakteristika.

Tetningsringene ifølge Alfa-Laval-systemet er fastkittet til platene i sammenpressede spor og utgjøres generelt av elastisk materiale slik som naturgummi, nitril, butyl, neopren, viton osv. Valget av materiale er avhengig av arbeidsbetingel-sene. Det skal imidlertid anføres at de øvre grenser er rundt 360 PSI og rundt 400°F.

Foreliggende oppfinnelse adskiller seg fra Alfa-Laval-løsningen på mange måter, blandt annet ved: (1) at Alfa-Laval-systemet er avhengig av tetningsringer, noe som begrenser ope-ras jonstrykk og temperatur; (2) at Alfa-Laval-systemet ikke har kontaktfinner eller i alt vesentlig flate platebunner for tilveiebringelse av nødvendig plate-mot-plate kontakt for å oppnå optimal varmeoverføringskoeffisient.

Kravene til gass/væskekjølere, slik som f.eks. luft-til-olje eller luft-til-vann krever generelt et lavt trykkfall på omtrent 0, 5 psi i vann på luftsiden og må også være egnet til å innpasses i området slik som på fronten til en bilradiator hvor den største tillatte dybde er mindre enn 1,5 tomme. Videre er kravet til effektivitet ved disse løsninger mindre enn 50% slik at tverrstrømningsløsninger så vel som motstrøms-løsninger kan benyttes. De siste løsninger av en buktet finnerørsammenstilling og andre løsninger, lider av dårlig kontakt-areal mot væskerørene og krever styreanordninger for væske-hastigheten på væskesiden for å avpasse de nødvendige konvek-sjonsbetingelser. På grunn av behovet for lodding og slaglodding ved fremstilling er ikke sammenstilling av de hittil kjente løsninger egnet for automatisert masseproduksjon.

Formål ved oppfinnelsen

Et formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en ett-stykkes innvendig forgrenet finneplate for en varmeveksler av plate/finnetypen.

Et andre formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en åpen-endet finneplate som kan inneholde et flertall med finne-konfigurasjoner for derved å forbedre varmeoverføringen gjennom økt overflateareal og plate-mot-plate kontakt.

Et ytterligere formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en varmeveksler som har forenklede manifolder.

Et ytterligere formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en enkel manifold egnet for en innvendig forgrenet platestabel.

Nok et formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et kostnadseffektivt samt en effektiv tverrstrøms-varmeveksler.

Ytterligere formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en varmeveksler som har plater som er relativt fri fra mekaniske og termiske innebydge spenninger.

Ytterligere formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en varmeveksler som er billig i produksjon.

Oppsummering av oppfinnelsen

Oppfinnelsen omfatter en varmeveksler av en stablet plate/- finnetype, vhor to typer finnede plater benyttes. Den første plate som fortrinnsvis benyttes for å overføre væsker, utgjøres av en åpenflated plate med en flat bunn og en topp dannet med en oppadragende periferisk vegg. Oppadragende i avstand fra hverandre liggende finner er dannet i den sentrale del på toppsiden av platen, idet der er anordnet konkave enderegioner mellom finneregionene og den periferiske vegg for dannelse av indre manifolder. Åpninger er anordnet gjennom platen, idet én åpning går gjennom hver manifoldregion. Kanalene mellom finnene strekker seg i området fra den ene manifoldregion til den andre. Høyden på finnene og den periferiske vegg er lik, slik at deres toppoverflater danner en i samme plan beliggende overflate.

Den andre plate som fortrinnsvis benyttes for overføring

av gasser, utgjøres av en åpenflated plate med en flat bunn,

og i avstand fra hverandre beliggende finner i den sentrale del på platens toppside. Enderegionene har toppoverflater som har samme høyde som toppoverflaten på finnene, slik at en overflate beliggende i samme plan dannes av toppoverflåtene på finnene og enderegionene. En åpning er dannet tvers gjennom platen ved hver enderegion, slik at nevnte manifoldåpninger er sammenfallende når nevnte første og andre plate er stablet på hverandre for dannelse av en indre, eller ledende manifold. Det er også fordelaktig om platene utfyller hverandre i 180°, dvs. når en plate i stabelen asimutisk rotert 180° med hensyn til de andre, så vil dens åpninger fremdeles sammenfalle med åpningene i den resterende stabel.

Topplaten kan dekkes av en flat plate, idet bunnen av

hver plate tjener som et deksel for platen under. Platene kan, om ønskelig, være innbyrdes avtettet eller sammenheftet.

Finnene og kanalene på nevnte andre plate er anordnet i

en retning på tvers av retningen til finnene og kanalene på nevnte første plate.

Oppfinnelsen tilveiebringer en effektiv, enkel og lett fremstillbar, lett sammensettbar, og relativt lite kostbar platestabelvarmeveksler som ikke krever utvendig manifold om en væske skal luftkjøles i denne.

Andre formål, fordeler og nye trekk ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den følgende detaljerte beskrivelse av oppfinnelsen sett i sammenheng med de medfølgende tegninger.

Kort beskrivelse av tegningene

Figur 1 viser et eksplodert, isometrisk oppriss av en platestabel for en varmeveksler ifølge foreliggende oppfinnelse. Figur 2 viser et eksplodert, isometrisk oppriss av en platestabel med en forskjellig type første plate. Figur 3 viser et isometrisk oppriss av en dekselplate.

Figur 4 viser skjematisk forskjellige former på finner

og kanaler som kan benyttes ifølge foreliggende oppfinnelse. Figur 5 viser skjematisk en type av en avbrutt finne som benyttes ifølge foreliggende oppfinnelse.

Figur 6 viser en delvis skjematisk illustrasjon av en

type finne som har en sinusformet utforming.

Figur 7 viser en delvis skjematisk illustrasjon av en

type finne som har en fiskebensform.

De samme elementer eller deler på de forskjellige figurer er angitt med de samme henvisningstall, mens ekvivalente elementer er merket.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelsesformer

Figur 1 viser en eksplodert stabel 10 bestående av tre plater 12, 14 og 12'. To forskjellig formede plater 12 og 14 benyttes. Den første plate 12 utgjøres av en åpen-flated plate utstyrt med en flat bunn 16. Toppoverflaten 17 på platen 12 understøtter en oppadragende periferisk vegg 18 som har en høyde h^. Den sentrale del av nevnte første plate 12 understøt-ter et flertall oppadragende i avstand fra hverandre beliggende finner 20, fortrinnsvis parallelle finner, idet det tilveie-bringes kanaler 22 mellom finnene. Enderegionen mellom endene på finnene 20 og enden på den periferiske vegg 26 danner en fordypning eller hulhet, som utgjør en indre manifold 24 gjennom hvilken en manifoldåpning 28 er utboret. Som vist er det en manifold 24 og en manifoldåpning 28 ved hver ende av platen 12. Toppoverflåtene på finnene 20 ligger også en høyde h, over bunnen slik at toppoverflaten på finnene og veggen ligger i samme plan. Kanalene 22 og finnene 20 er dannet slik at deres akser strekker seg i alt vesentlig i samme retning som en linje trukket mellom manifoldåpningene 28.

Den andre plate 14 er også utstyrt med en åpen-flatet plate utstyrt med en flat bunn 34. Høyden på nevnte andre plate 14 mellom bunnen 3 4 og toppoverflaten 3 6 er h^. h2bør fortrinnsvis være større enn h^om nevnte første plate 12 benyttes for væskestrøm, slik som varm olje, mens nevnte andre plate 14 benyttes for fluidstrøm slik som kjølende luft. Den sentrale region på nevnte andre plate 14 inneholder også finner 20' og kanaler 22', idet kanalene 22' strekker seg nedover fra toppoverflaten 36. Finnene 20' og kanalene 22' er tilstøtende enderegionene 32, som hver er utstyrt med en manifoldåpning som strekker seg tvers gjennom platen og en slik beliggenhet at manifoldåpningene 28, 28' er sammenfallende når platene er stablet på hverandre, for derved å danne innvendige manifolder i stabelen. Strømmen av fluid gjennom manifoldåpningene og sporene i nevnte første plate er vist ved hjelp av piler og linjer merket henholdsvis A, resp. B. Strømmen av fluid gjennom sporene i nevnte andre plate er vist ved hjelp av pil merket C. Én eller begge nevnte retninger kan reverseres om ønskelig.

Det skal anføres at platene 12 og 14 hver kan asimutisk roteres 180° idet åpningene fremdeles vil være sammenfallende. 180° roterbarhet kan opprettholdes selv om hver åpning i en plate er sidesatt med samme avstand, men i motsatt retning fra platens senterlinje i lengderetningen. Dette må selvfølgelig i så fall gjøres på alle platene i en stabel.

Figur 2 viser en andre type av nevnte første plate 38.

Her omfattes den sentrale region av finner 20" og kanaler 22" idet to sidefinner 40 og 42 erstatter den periferiske vegg på hver side av platen 38. Enderegionene er flate, idet topp-overf låtene 44 ligger under toppoverflåtene 30 på finnene 20",

og fortrinnsvis i samme plan som bunnen på kanalene. Et endestengsel, i form av en stort sett U-formet del 46, er plassert på overflaten 44 ved hver enderegion, for ved hver ende å være tilpasset tilsvarende ender på sidefinnene 40 og 42, for derved å danne en demning rundt periferien på platen 38, mens en indre manifold 24' dannes ved hver enderegion. Manifoldåpninger 28"

er anordnet i den indre manifoldregion på hver plate 38 beregnet på å sammenfalle med manifoldåpninger 28' i nevnte andre plate 14 når de to typer plater er stablet på hverandre.

Demningdelene 46 er fast montert eller på annen måte for-seglet til enderegionene for å danne et endestengsel. Bunnen på nevnte andre plater 14 bør også tettes mot toppen på de underliggende første plater 12 (eller 38) for å forhindre lekkasje av fluider som strømmer gjennom kanalene 22" og de innvendige manifolder 24" på nevnte første plater 12 (eller 38). Dette kan oppnås f.eks. ved slaglodding i en slagloddingsform med plate-til-plate-loddende folier, eller ved hjelp av tetninger. Forseglingen mellom bunnen på nevnte første plater 12 og toppen på nevnte andre plater 14 er unødvendig om nevnte andre plater 14 benyttes for overføring av en gass, men kan være ønskelig for å stabilisere stabelen 10.

Nevnte første plater kan være beliggende under nevnte

andre plater.

Den første plate 12 (Fig. 1) kan f.eks. være fremstilt

ved hjelp av en slagekstruderingsprosess, i hvilken den formende form presser den flate plate slik at finner og den periferiske vegg eller ramme ekstruderes til kanaler ved hjelp av pressen.

Den andre plate 14 kan dannes ved hjelp av en ekstrude-ringsprosess, hvor den formede presse ekstruderer kanaler og finner i den sentrale region.

Tilsvarende kan den demmende plate 38 dannes ved å ekstru-dere finnene over hele arealet på basisplaten og deretter maskinere bort finnene ved enderegionen på platen for derved å tilveiebringe endeoverflater, på hvilke de oppdemmende deler kan anbringes for dannelse av endestengsler.

Figur 3 viser en enkelt plate som kan benyttes som en dekkplate 48 på stabelen 10. Dekkplaten 48 kan være heftet til eller boltet til stabelen 10. Dekkplaten og den tilsvarende bunnplate kan være utstyrt med utadragende overflater utstyrt med hull for bolter eller spor for sammenbolting av den full-stendige stabelsammenstilling. Topplaten eller bunnplaten eller begge plater kan være utstyrt med innløps- og utløps-åpninger for platestabelsammenstillingen.

Finnene 20, 20' og kanalene 22, 22' kan ha forskjellig tverrsnittsform som vist på Figur 4. Den konvensjonelle kanal og finnetype med skarpe hjørner representeres ved henvisnings-tallet 50. Imidlertid kan kanaler med avrundete hjørner 52, U-formede kanaler 54, V-formede kanaler 56, trapesformede kanaler 58, etc. også benyttes uten derved å avvike fra oppfinnelsen. I tillegg kan avbrutte finner 60, f.eks. som vist på Figur 5, benyttes. Kanalene kan også ha forskjellig bredde på én og samme plate. I tillegg kan finnene 20, 20' også ha en buktende form 62 (Figur 6) eller andre ikke-rettlinjete konfigurasjoner som vist ved hjelp av fiskebenskonfigurasjonen på Figur 7.

Det er åpenbart at mange modifikasjoner og variasjoner

av foreliggende oppfinnelse er mulig sett i lys av ovennevnte beskrivelse. Det skal derfor bemerkes at foreliggende oppfinnelse kan praktiseres på andre måter enn de som er beskrevet ovenfor.

Claims (10)

1. En platestabelsammenstilling for en varmeveksler omfattende: i det minste en første plate som har en flat bunn og en oppadragende periferisk vegg på platens toppside, samt oppadragende i avstand fra hverandre liggende finner i platens sentrale region på toppsiden for dannelse av mellomliggende kanaler, idet høyden på den periferiske vegg og finnene er identiske og hvor platen ved motsatte ender har indre manifoldregioner mellom nevnte finner og den periferiske vegg, idet hver amnifoldregion er utstyrt med en manifoldåpning som strekker seg fra toppen til bunnen av nevnte plate og hvor aksene på finnene i alt vesentlig strekker seg i samme retning som en linje som forbinder nevnte manifoldåpninger; og i det minste en andre plate med samme form og dimensjoner som nevnte første plate, bortsett fra i retning på tvers av planet til platen, hvilken andre plate har en flat bunn og oppadragende i avstand fra hverandre beliggende finner i den sentrale region på toppsiden for dannelse av kanaler og med mot hverandre vendende enderegioner hvis høyde er identisk med høyden på nevnte finner, hvilke enderegioner er utstyrt med en gjennomgående manifoldåpning som er sammenfallende med manifoldåpningene ved hver ende av nevnte første plate, og hvor finnenes akser i alt vesentlig er beliggende på tvers av en linje mellom manifoldåpningene, slik at når nevnte første og andre plater stables på hverandre, så vil manifoldåpningene være sammenfallende for dannelse av en forskjellig tverrgående manifold ved hver ende og bunnen på én plate ligger i kontakt med den øvre kant på finnene på den underliggende andre plate for dannelse av lukkede kanaler i nevnte andre plate, slik at strømmen av fluider gjennom platene derved er tverrstrøms.

2. Sammenstilling som angitt i krav 1, hvilken sammenstilling inkluderer en dekkplate med samme dimensjoner som de andre plater, bortsett fra i en retning på tvers av planet til platene for dekking av toppen på den øverste plate.

3. Sammenstilling som angitt i krav 1, hvor nevnte platestabelsammenstilling utgjøres av et flertall med første plater og et flertall med nevnte andre plater.

4. Sammenstilling som angitt i krav 1, hvor den oppadragende periferiske vegg strekker seg kun langs begge sider av nevnte sentrale region på nevnte første plate, idet nevnte sammenstilling videre inkluderer demningsdeler som strekker seg langs de veggfrie deler av nevnte første plate mellom de periferisk beliggende vegger på hver side av platen for derved å danne en innvendig manifoldregion ved hver ende, idet høyden på nevnte demningsdeler er slik at deres toppoverflater ligger i samme plan som toppoverflåtene på finnene når demningsdelene er på plass på nevnte første plate.

5. Sammenstilling som angitt i krav 2, hvor finnene på nevnte første og nevnte andre plate danner parallelle kanaler.

6. Sammenstilling som angitt i krav 4, hvor nevnte demningsdeler er forankret til nevnte første plate, og at platene er festet sammen.

7. Plate for en platestabelsammenstilling på en varmeveksler omfattende: en plate som har en flat bunn og en oppadragende vegg på platens toppside, hvilken vegg strekker seg langs periferien på toppsiden og har oppadragende, i avstand fra hverandre, beliggende finner anordnet i den sentrale region for dannelse av mellomliggende kanaler, idet høyden på den periferiske vegg og finnene er identisk, og hvor platene har motstående, innvendige manifoldregioner ved hver ende, beliggende mellom nevnte finner og den periferiske vegg, idet hver manifoldregion er utstyrt med manifoldåpning som strekker seg gjennom platen fra topp til bunn, mens finnenes akser i alt vesentlig er sammenfallende med retningen på en linje som strekker seg mellom manifoldens åpninger.

8. Plate som angitt i krav 7, hvor nevnte oppadragende periferiske vegg strekker seg kun langs begge sider på nevnte sentrale region av nevnte plate, og hvor nevnte plate videre inkluderer demningsdeler som strekker seg langs den veggfrie del av platen mellom de periferiske vegger på hver side for derved å danne en innvendig manifoldregion ved hver ende, idet høyden på nevnte demningsdeler er slik at deres toppoverflater ligger i samme plan som toppoverflåtene på finnene når demningsdelene er plassert på platen.

9. Plate for en platestabelsammenstilling i en varmeveksler, omfattende: en plate som har en flat bunn og oppadragende, i avstand fra hverandre beliggende finner anordnet på den sentrale region på platens toppside for dannelse av mellomliggende kanaler, hvilken plate er utstyrt med enderegioner hvis høyde er identisk med høyden på nevnte finner, idet nevnte enderegioner er utstyrt med en manifoldåpning som strekker seg gjennom denne, og hvor toppoverflåtene på nevnte finner og enderegioner ligger i samme plan, men hvor finnenes akser i alt vesentlig ligger på tvers av en tenkt linje mellom manifoldåpningene.

10. Plate som angitt i krav 9, hvor nevnte finner har et, i alt vesentlig rektangulært tverr-snitt .