SE469669B - Foerdelningsmoenster hos plattvaermevaexlare - Google Patents

Description

4- 10 15 20 25 30 35 9 669 Utmed värmeöverföringsytan hos en fallfilmsförångare förångas vätskeflödet successivt och det blir svårt att upprätthålla en heltäckande vätskefilm. För att undvika torra delytor måste rätt flödesfördelning åstadkommas redan i värmeöverför- ingsplattornas övre del. Detta flöde behöver ej vara jämnt fördelat, men det skall vara heltäckande.

Vid fallfilmsförångare bör således i allmänt hela den värme- överförande ytan vara täckt med vätskefilm, för att undvika att torra delar hos värmeöverföringsytan bildas, vilka ger ingen eller ringa värmeöverföring. Om vätskan som skall föràngas dessutom innehåller icke-förångningsbara produkter, kan nedsmutsning av värmeöverföringsplattorna uppstå speci- ellt i eller invid torra områden. Vid indunstning av mjölk- produkter kan kraftig svårborttagen nedsmutsning uppstå, s.k. pàbränning.

Vid kända fallfilmsförångare där vätskan strömmar in i platt- mellanrummens övre del i form av ett antal smala rännilar krävs att en viss höjd av värmeöverföringsytan utnyttjas för att fullt fördela dessa rännilar över plattornas bredd. Torra områden uppstår således mellan rännilarna. I de fall vätskan ej blivit fullständigt fördelad över plattbredden, innan den egentliga förångningen påbörjas, kan det i dessa torra om- råden uppstå oönskad nedsmutsning och påbränning. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att i en plattvärme- växlare av inledningsvis beskrivet slag tidigt åstadkomma en heltäckande fördelning av vätskan över värmeöverföringsplat- tornas bredd. Ett ytterligare ändamål är att nämnda fördel- ning skall åstadkommas utan att strömningsmotståndet för det värmande fluidet ökar i dess strömningsutrymmen.

Dessa ändamål uppnås genom att närbelägna värmeöverförings- plattor har mitt för varandra belägna horisontellt utsträckta 10 15 20 25 30 469 669 partier, vilka uppvisar korrugeringsmönster med huvudsakligen mindre pressdjup än värmeöverföringsplattornas korrugerings- mönster i övrigt, att åsarna i nämnda partier hos två intill- liggande värmeöverföringsplattor är korsvis anordnade och att korrugeringsmönstren är så utformade, att värmeöverförings- plattorna i nämnda partier via de korsvis anordnade åsarna, anligger mot varandra i strömningsutrymmena för nämnda vät- ska, men är väsentligen åtskilda från varandra i strömnings- utrymmena för det värmande fluidet.

Lämpligtvis är nämnda parti placerat just under inloppsöpp- ningarna för vätskan.

Med föreliggande uppfinning erhålls en väsentligt förbättrad fördelning av vätskan. En heltäckande, tunn vätskefilm kan tidigt åstadkommas i strömningsutrymmet för vätska, samtidigt som strömningsmotståndet minskar för det värmande fluidet, jämfört med känd teknik.

Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas närmare med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka figur 1 visar en tvärsnittsvy av en behållare med en däri anordnad plattvärmeväxlare, figur 2 visar en tvärsnittsvy utmed linjen II-II i figur l, figur 3 visar en tvärsnittsvy utmed linjen III-III i figur l, och figur 4 visar en tvärsnittsvy genom den övre delen av plat- tvärmeväxlaren enligt figur 1, utmed linjen IV-IV i figurerna 2 och 3. 10 15 20 25 30 35 Den i figur 1 visade plattvärmeväxlaren är anordnad i en behållare 1 och innefattar två ändplattor 2 och 3, samt ett paket av tunna värmeöverföringsplattor 4. Värmeöverförings- plattorna 4 är genom pressning försedda med ett korrugerings- mönster i form av åsar och dalar. Mellan värmeöverförings- plattorna är packningar eller liknande anordnade, vilka i vartannat plattmellanrum avgränsar ett strömningsutrymme för vätska och i övriga plattmellanrum avgränsar strömningsut- rymmen för ett värmande fluidum. I vart och ett av nämnda strömningsutrymmen för vätskan förefinnes ett flertal in- loppsöppningar fördelade horisontellt över värmeöverförings- plattornas bredd.

Värmeöverföringsplattorna och ändplattorna hålls på konven- tionellt sett samman av ett stativ (ej visat) eller på annat känt sätt, såsom genom svetsning, lödning m.m.

En horisontell mellanvägg 5 runt plattvärmeväxlaren delar upp behållaren 1 i en övre kammare 6 och en nedre kammare 7. Den övre kammaren 6 har ett inlopp 8 för värmande fluidum och den nedre kammaren 7 har ett utlopp 9 för ånga, som genererats i plattvärmeväxlaren. Ytterligare ett utlopp 10 från den nedre kammaren 7 är avsett för icke förångad vätska.

Genom behållarens ena gavelvägg sträcker sig ett rör 11, vilket bildar ett inlopp till plattvärmeväxlaren för vätska, som skall förångas i denna, och två rör 12, vilka bildar utlopp för det värmande fluidet.

I fig 2 visas en första sida av en värmeöverföringsplatta 4.

Såsom framgår har värmeöverföringsplattan en långsträckt rektangulär form och är vertikalt anordnad i behållaren 1.

Mellanväggen 5 sträcker sig från var och en av värmeöverför- ingsplattans 4 långsidor horisontellt mot behållarens 1 omkretsvägg. 10 15 20 25 30 35 469 669 Värmeöverföringsplattan 4 har en första packning 13, vilken sträcker sig längs värmeöverföringsplattans kant uppåt från mellanväggen 5 vid plattans ena långsida, därefter längs plattans övre kortsida och åter nedåt längs plattans andra långsida till mellanväggen 5.

Parallellt med värmeöverföringsplattans övre kortsida sträck- er sig en andra packning 14 mellan de vertikala delarna av packningen 13, så att ett område 15 av den övre delen av plattan helt omsluts av packningarna 13 och 14. I området 15 har värmeöverföringsplattan 4 en genomgående öppning 16.

Samtliga sådana öppningar 16 bildar en inloppskanal genom paketet av värmeöverföringsplattor 4, vilken kommunicerar med det tidigare nämnda inloppet 11.

Förutom öppningen 16 har varje värmeöverföringsplatta i området 15 och i närheten av packningen 14 fyra stycken genomgående mindre hål 17 fördelade över plattans bredd.

Vertikalt under vart och ett av hålen 17, på den motsatta sidan om packningen 14, finns en inloppsöppning 18, i form av ett genomgående hål, för tillförsel av vätska. Slutligen finns i närheten av öppningen 16 ytterligare två små genom- gående hål 19 belägna under packningen 14 för tillförsel av vätska för förångning.

Naturligtvis kan inloppsöppningarna 18 för tillförsel av vätska även utgöras av munstycken eller hål, vilka sträcker sig direkt igenom packningen 14.

Varje värmeöverföringsplatta 4 har i sina nedre hörn två genomgående hål 20 och 21, vilka på den i fig 2 visade platt- sidan omges av två ringformiga packningar 22 resp. 23. Hålen 20 och 21 i plattorna bildar två kanaler genom plattpaketet, vilka kommunicerar med plattvärmeväxlarens utlopp 12 för värmande fluidum. 10 15 20 25 30 35 I fig 3 visas en andra sida av värmeöverföringsplattan 4, och i den övre delen av plattan omges öppningen 16 samt de två små hålen 19 av en första packning 24. Därtill finns i den övre delen av plattan fyra på horisontellt avstånd från varandra anordnade packningar 25. Var och en av dessa omger ett litet område av plattan, vari både ett hål 17 och en inloppsöppning 18 befinner sig.

I den nedre delen av plattan sträcker sig en packning 26 längs plattans kant nedåt från mellanväggen 5 vid plattans ena långsida, därefter längs plattans nedre kortsida och åter uppåt längs plattans andra långsida till mellanväggen 5.

Hålen 20 och 21 vid plattans nedre hörn är placerade innanför packningen 26.

Genom att värmeöverföringsplattorna 4 placeras så att deras första sidor anligger mot varandra och deras andra sidor an- ligger mot varandra, dvs. varannan platta är vänd l80° kring sin vertikala axel, så kommer korrugeringsmönstrets àsar hos två intilliggande värmeöverföringsplattor 4 att korsa och anligga mot varandra, så att stödpunkter 29 bildas mellan plattorna.

Såsom framgår av fig 2 och 3 uppvisar värmeöverföringsplat- torna 4 ett värmeöverförande parti 27 med ett visst korruge- ringsmönster. En för föràngning lämplig vinkel mellan korsan- de åsar hos korrugeringsmönstret i det värmeöverförande partiet 27, sett i strömningsriktningen för den successivt förångande vätskan, är omkring 45° - 55°, och pressdjupet är lämpligen omkring Smm. På vardera sidan om öppningen 16 uppvisar värmeöverföringsplattorna 4 ett horisontellt smalt parti 28, som har mindre pressdjup än korrugeringsmönstret i det värmeöverförande partiet 27. En för ändamålet lämplig vinkel mellan korsande àsar hos korrugeringsmönstret i det horisontella partiet 28, sett i nämnda strömningsriktning för 10 15 20 25 30 35 469 669 vätskan, är omkring 60° - 80°, och pressdjupet lämpligen omkring 3mm, vilket synes optimalt för vatten ur fördelnings- synpunkt.

Det horisontella partiet 28 är företrädesvis placerat intill inloppsöppningarna 18 för vätskan och före det värmeöverför- ande partiet 27, sett i nämnda strömningsriktning för vät- skan. Naturligtvis skulle det horisontella partiet 28 kunna ge en viss fördelande effekt på vätskan oavsett var det placeras någonstans mellan inloppsöppningarna 18 och utloppen för vätska och genererad ånga. Vid fallfilmsförångning place- ras partiet 28 direkt under inloppsöppningarna 18.

I fig 4 visas ett tvärsnitt genom de övre delarna av ett antal värmeöverföringsplattor 4, varav nämnda stödpunkter 29 framgår. I vartannat plattmellanrum visas den övre delen av packningen 13 och packningen 14. Mellan packningarna 13 och 14 bildas i varje sådant plattmellanrum en fördelningskammare 30, vilken sträcker sig över värmeöverföringsplattornas 4 hela bredd. Fördelningskammaren 30 har förbindelse med den kanal genom plattpaketet, vilken bildas av öppningarna 16 i plattorna.

Under packningarna 14 är nämnda horisontellt utsträckta partier 28 belägna intill inloppsöppningarna 18 för vätskan och under partierna 28 bildas i vartannat plattmellanrum ett egentligt föràngningsutrymme 31. Varje förángningsutrymme 31 är avstängt från förbindelse med den övre kammaren 6 i be- hållaren 1 av de vertikala delarna av packningen 13 men kommunicerar med den undre kammaren 7 i behållaren 1 via spalterna mellan värmeöverföringsplattornas kanter nedanför mellanväggen 5.

I vart och ett av övriga plattmellanrum visas i fig 4 pack~ ningen 25, som tillsammans med de två värmeöverföringsplat- 10 15 20 25 30 35 torna bildar en överföringskammare 32. Utanför packningen 25 bildas i mellanrummet mellan de två värmeöverföringsplattorna ett utrymme 33. Utrymmet 33 uppvisar i området för nämnda horisontella parti 28 ett förhållandevis lågt strömnings- motstånd, eftersom värmeöverföringsplattorna 4 icke anligger mot varandra. Utrymmet 33 kommunicerar med den övre kammaren 6 i behållaren 1 via spalterna mellan de två värmeöverför- ingsplattorna längs dessas övre sidor. Värmande fluidum i kammaren 6 kan således strömma in i varje utrymme 33 dels från båda sidorna av plattpaketet och dels uppifrån via mellanrummen mellan närbelägna packningar 25.

Varje utrymme 33 är av packningen 26 avstängt från förbindel- se med den nedre kammaren 7 i behållaren 1.

Samtliga plattmellanrum, som bildar utrymmen 33, liksom den övre kammaren 6 i behållaren 1, är medelst packningarna 24 avstängda från förbindelse med den kanal genom plattpaketet, vilken bildas av öppningarna 16 i värmeöverföringsplattorna.

Varje fördelningskammare 30 kommunicerar via motstående hål l7 i två närbelägna värmeöverföringsplattor med två över- föringskamrar 32. Via motstående inloppsöppningar 18 i samma värmeöverföringsplattor kommunicerar de tvâ nämnda över- föringskamrarna 32 med det förångningsutrymme 31, som bildas mellan de två värmeöverföringsplattorna.

Apparaten enligt fig l-4 avses arbeta på följande sätt: Vätska som skall förángas tillföres via inloppsröret ll (fig 1) in i den kanal genom paketet av värmeöverförings- plattor som bildas av öppningarna 16 i plattorna. Från denna kanal strömmar vätskan vidare ut i de olika fördelnings- kamrarna 30 (fig 4), vilka sträcker sig över värmeöver- föringsplattornas hela bredd (se området 15 i fig 2). Från 10 15 20 25 30 35 4-69 669 fördelningskamrarna 30 strömmar vätskan genom hålen 17 i plattorna in i de olika överföringskamrarna 32 och därifrån via inloppsöppningarna 18 ut i strömningsutrymmet mellan värmeöverföringsplattorna 4, där vätskan i området för nämnda horisontella parti 28 fördelas över värmeöverförings- plattornas bredd. Vätskan strömmar sedan in i de egentliga förångningsutrymmena 31. Samtidigt strömmar vätska direkt in i förångningsutrymmena 31 via hålen 19 från de plattmellan- rum, vari packningarna 24 (fig 3) omger öppningarna 16 och hålen 19. I förångningsutrymmena 31 rinner vätskan sedan nedåt i tunna skikt längs värmeöverföringsplattorna, täckande dessas mot varandra vända ytor.

Samtidigt tillförs den övre kammaren 6 i behållaren 1 via inloppet 8 värmeavgivande fluidum, vilket företrädesvis ut- göres av ånga, som kondenseras under värmeöverföringen, men en vätska kan även utnyttjas såsom värmeöverförande fluidum.

Det värmeavgivande fluidet strömmar in i utrymmena 33 via spalterna mellan värmeöverföringsplattornas kanter, såsom illustreras i fig 3. Det värmeavgivande fluidet åstadkommer förångning av den vätska som rinner ned längs plattornas motsatta sidor i förångningsutrymmena 31. Ånga som bildas i förångningsutrymmena 31 lämnar dessa och strömmar ut i be- hâllarens l nedre kammare 7 både åt sidorna och nedåt, såsom illustreras medelst pilar i fig 2. Den bildade ångan lämnar kammaren 7 via utloppet 9, medan icke förångad vätska samlas på bottnen av behållaren 1 och uttages via bottenavloppet 10 (fig l).

Det värmeavgivande fluidet rinner nedåt längs värmeöverför- ingsplattorna och lämnar strömningsutrymmena via de två kanaler, som bildas av hålen 20 och 21 i de nedre delarna av värmeöverföringsplattorna. Dessa kanaler är avstängda från kommunikation med förångningsutrymmena 31 av packningarna 22 och 23 (fig 2). lO 15 20 25 30 669 10 Genom föreliggande uppfinning uppnås ett antal fördelar, nämligen en förbättrad flödesfördelning, dvs jämn vätskefilm erhålls ut till en vinkel som är obetydligt mindre än vinkeln mellan korsande åsar, sett i strömningsriktningen, och vid en relativt liten höjd hos nämnda parti 28 erhålles en heltäck- ande vätskefilm med relativt jämn flödesfördelning om av- ståndet mellan inloppsöppningarna 18 är mindre än 2 x H x Tan d där H är höjden hos partiet 28 och Q motsvarar vätskeflödets spridningsvinkel. En motsvarande jämn och fullständig vätske- film skulle kräva en väsentligt större sträcka i ett värme- överförande parti 27, vars grundmönster uppvisar högre press- djup och lägre vinkel mellan korsande âsar, sett i ström- ningsriktningen.

Härtill uppnås ett relativt lågt tryckfall, dvs lågt ström- ningsmotstånd, i strömningsutrymmena 33. Värmeöverförings- plattorna är i området för nämnda partier 28 väsentligen åtskilda från varandra, dvs antalet stödpunkter mellan värme- överföringsplattorna är avsevärt färre, jämfört med konven- tionella plattvärmeväxlare. Tryckfallet är direkt beroende av antalet stödpunkter mellan värmeöverföringsplattorna.

En relativt hög värmeöverföring uppnås på förångningssidan, dels eftersom en mycket liten del av värmeytan i övre delen av värmeytan är torr, dels därför att vätskefilmen är tunn på utåtbuktande delar av mönstret på grund av liten delning och således hög inverkan av ytspänningen och dels därför att tvåfastryckfallet under de förhållanden som råder trots ett relativt litet ångflöde bildat nära vätskeinloppet blir den konvektiva delen av värmeövergångstalet för förångningen förhållandevis stort, eftersom pressdjupet är lågt och vin- keln mellan korsande åsar, sett i strömningsriktningen, är hög. Det höga värmeövergångstalet genererar relativt mycket f) 10 15 20 25 30 35 469 669 ll ånga, varvid den konvektiva delen av värmeöverföringen längre nedströms blir ändå högre.

Att i enlighet med uppfinningen förse en värmeöverförings- platta 4 med ett parti 28, som uppvisar lägre pressdjup och som helt saknar stöfipunkter i det plattmellanrum där för- ångning icke äger rum, kan i vissa tillämpningar vara oför~ delaktigt. Detta speciellt om det ej råder ett väsentligt övertryck i detta plattmellanrum i förhållande till vad som råder i plattmellanrummet på förångningssidan.

Detta problem kan lösas på flera sätt. Exempelvis kan nämnda parti 28 ha liten utbredning i höjdled. Enstaka stödpunkter mot den andra sidan kan läggas in i korrugeringsmönstret.

Nämnda parti 28 kan horisontellt längs värmeöverföringsplat- tan uppdelas i flera delar, t.ex. en del för varje inlopps- öppning 18. För hygieniska fall, t.ex. vid indunstning av mjölk eller juice kan kilformiga områden, med lägre press- djup, placeras med kilens spets vänd uppåt i anslutning till inloppsöppningarna. Därvid utformas de kilformiga områdena så att kilvinkeln är lika med eller mindre än vätskeflödets maximala spridningsvinkel och där intilliggande kilformiga områden utefter plattans längd vidgas till ett sammanhängande horisontellt område. Detta för att ge en fördelning av vät- skan till tunn vätskefilm utan att torra områden mellan inloppsöppningarna 18 skall bildas i det övre område innan vätskefilmen har hunnit breda ut sig.

Området mellan de kilformiga områdena kan vara avtätade från vätska, t.ex. genom att fylla ut mellanliggande delar med inlagda tätningar eller svetsningar.

Vid stigfilmsförångning såväl som vid fallfilmsförångning kan ett väsentligt tryckfall vid inloppet för vätskan (helst i en icke värmeöverförande del) verka stabiliserande mot statisk -ß- Cn 10 15 20 669 12 och dynamisk instabilitet mellan olika strömningsutrymmen och därmed ge en jämnare fördelning. Detta tryckfall kan åstad- kommas med ett parti med mindre pressdjup, i enlighet med 3 uppfinningen, beläget vid inloppet till ett strömningsut- w rymme.

Vid stigfilmsförángning kan således en omedelbart nedströms förångningsinloppet i strömningsutrymmet placerat parti också vara fördelaktig genom att en bättre fördelning av inström- mande vätska àstadkommes med större vinkel mellan korsande åsar, sett i strömningsriktningen, och lägre lokalt press- djup. Särskilt i kombination med flera jämnt fördelade vätskeinlopp till plattmellanrummet. En eller flera parallel- la smalare remsor t.ex. làngsmal kilformig utbredning, spec. i kombination med hög vinkel mellan korsande åsar, sett i strömningsriktningen, och lägre lokalt pressdjup ger relativt större tryckfall vid inloppet. Detta ger god fördelning över plattans bredd och hindrar tendenser till statisk eller dynamisk instabilitet mellan parallella kanaler eller kanal- delar.

Claims (9)

10 15 20 25 30 469 669 13 Patentkrav

1. Plattvärmeväxlare för föràngning av en vätska, innefat- tande ett antal vertikalt orienterade och mot varandra an- liggande tunna värmeöverföringsplattor (4), försedda med pressade korrugeringsmönster i form av åsar och dalar, och mellan värmeöverföringsplattorna (4) anordnade packningar (13, 14, 16, 25) eller liknande, vilka i vartannat platt- mellanrum avgränsar ett strömningsutrymme för nämnda vätska och i övriga plattmellanrum avgränsar strömningsutrymmen för ett värmande fluidum, varvid i vart och ett av strömnings- utrymmena för vätskan förefinnes ett flertal inloppsöppningar (18) fördelade horisontellt över värmeöverföringsplattornas bredd för tillförsel av nämnda vätska, k ä n n e t e c k n a d a v att närbelägna värmeöverföringsplattor har mitt för varandra belägna horisontellt utsträckta partier (28), vilka uppvisar korrugeringsmönster med huvudsakligen mindre pressdjup än värmeöverföringsplattornas korrugeringsmönster i övrigt, att åsarna i nämnda partier (28) hos två intilliggande värme- överföringsplattor (4) är korsvis anordnade och att korru- geringsmönstren är så utformade, att värmeöverföringsplattor- na (4) i nämnda partier (28), via de korsvis anordnade åsar- na, anligger mot varandra i strömningsutrymmena för nämnda vätska, men är väsentligen åtskilda från varandra i ström- ningsutrymmena för det värmande fluidet.

2. Plattvärmeväxlare enligt krav l, k ä n n e t e c k - n a d a v att nämnda partier (28) hos värmeöverförings- plattorna (4) är belägna intill inloppsöppningarna (18) för vätskan.

3. Plattvärmeväxlare enligt något av kraven 1-2, k ä n n e- t e c k n a d a v att korrugeringsmönstret i nämnda parti 469 669 10 15 20 25 30 35 14 (28) hos en värmeöverföringsplatta (4) uppvisar en mindre delning än korrugeringsmönstret i övrigt.

4. Plattvärmeväxlare enligt något av kraven 1-3, k ä n n e- t e c k n a d a v att korrugeringsmönstret i nämnda parti (28) hos en värmeöverföringsplatta (4) är så utformat att det ger större strömningsmotstånd för nämnda vätska än vad korru- geringsmönstret i övrigt ger.

5. Plattvärmeväxlare enligt något av kraven 1-4, k ä n n e- t e c k n a d a v att nämnda parti (28) hos en värmeöver- föringsplatta (4) har en vertikal utsträckning som är mindre än avståndet mellan inloppsöppningarna (18).

6. Plattvärmeväxlare enligt något av kraven 1-5, k ä n n e- t e c k n a d a v att nämnda parti (28) hos en värmeöver- föringsplatta (4) uppvisar lokala utpressningar till fullt pressdjup så att stödpunkter uppkommer mellan plattorna i nämnda övriga strömningsutrymmen.

7. Plattvärmeväxlare enligt något av kraven 1-6, k ä n n e- t e c k n a d a v att nämnda övriga strömningsutrymmen har inlopp för ett värmande fluidum i form av ånga.

8. Plattvärmeväxlare enligt krav l-7, k ä n n e t e c k - n a d a v att nämnda inlopp för det värmande fluidet är så placerade, att fluidet och den nämnda vätskan får väsent- ligen samma strömningsriktning förbi de nämnda partierna (28) i de respektive strömningsutrymmena.

9.' Plattvärmeväxlare enligt något av kraven 1-8, k ä n n e- t e c k n a d a v att vinkeln mellan varandra korsande åsar hos nämnda partier (28) , sett i strömningsriktningen för nämnda vätska är 605 - 80° och att pressdjupet är omkring 3mm. f) I, 1