BE1018539A3

BE1018539A3 - Warmtewisselaar.

Info

Publication number: BE1018539A3
Application number: BE2009/0257A
Authority: BE
Inventors: Subodh Sharadchandra Patwardhan
Original assignee: Atlas Copco Airpower Nv
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2011-03-01

Abstract

Warmtewisselaar bestaande uit een mantel (15) en een pijpenbundel die is opgebouwd uit rijen pijpen (27) die worden samengehouden door een reeks langwerpige vinnen (10) met gaten (11) waar doorheen de pijpen (8) zijn aangebracht en waarbij de mantel (15) is voorzien van een eerste in- en uitlaat (17 en 18) voor het in dwarse richting geleiden van een eerste warmtewisselend medium rondom de pijpen (8) en waarbij een tweede in- en uitlaat (19 en 20) is voorzien voor de geleiding van een tweede warmtewisselend medium doorheen de pijpen (8), waarbij voornoemde vinnen (10) met hun lengte gericht zijn volgens de stromingszin (21) van het eerste warmtewisselend medium dat rondom de buitenzijde van de pijpen (8) stroomt.

Description

Warmtewisselaar.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar voor het uitwisselen van warmte tussen twee media.

De uitvinding heeft meer speciaal betrekking op een warmtewisselaar van het type bestaande uit een mantel, die op beide uiteinden is afgesloten door een deksel en die voorzien is van een pijpenbundel die opgebouwd is uit rijen pijpen, waarbij elke rij pijpen wordt samengehouden door een reeks langwerpige vinnen met gaten waar doorheen de pijpen zijn aangebracht en waarbij de mantel is voorzien van een eerste in- en uitlaat voor het in dwarse richting geleiden van een eerste warmtewisselend medium rondom de pijpen en waarbij een tweede in- en uitlaat is voorzien in voor de geleiding van een tweede warmtewisselend medium doorheen de pijpen.

Het is algemeen gekend dat de aanwezigheid van de voornoemde vinnen ervoor zorgt dat het warmtewisselend oppervlak van de pijpen aan de buitenzijde vergroot, waardoor het rendement van de warmtewisselaar verbetert.

Traditioneel zijn de vinnen rechthoekig van vorm en is elke vin voorzien van meerdere cirkelvormige gaten welke gepositioneerd zijn volgens een regelmatig rechtlijnig patroon zodanig dat de geometrische zwaartepunten van de gaten zich op één rechte lijn bevinden en dat opeenvolgende gaten zich op gelijke afstand van elkaar bevinden.

Afhankelijk van de benodigde capaciteit van de warmtewisselaar worden verschillende rechthoekige vinnen aaneensluitend naast elkaar geplaatst en dusdanig als één blok in de mantel van de warmtewisselaar aangebracht, dit op zodanige manier dat een optimale warmteoverdracht wordt bekomen tussen beide media zodat een warmtewisselaar wordt bekomen met een goed rendement.

» Dit resulteert in een configuratie waarbij opeenvolgende pijpen volgens de stroomrichting van de media doorheen de mantel gepositioneerd zijn volgens een regelmatig zigzag patroon, waarbij de vinnen volgens hun lengterichting in een geschrankt patroon zijn voorzien.

Het gebruik van voornoemde vinnen vertoont het nadeel dat de rijen pijpen gevoelig zijn voor knik, waardoor de werkdruk in de pijpen beperkt dient te worden om dit fenomeen tegen te gaan.

Nog een nadeel is dat voor het verhogen van de doorstroomcapaciteit van een warmtewisselaar in wezen enkel kan ingespeeld worden op de lengte van de vinnen en/of de lengte van de pijpen aangezien de mogelijkheid voor het aanpassen van de doorstroomsnelheid eerder van beperkte aard is.

Immers wanneer de doorstroomsnelheid te hoog is zal de drukval te hoog worden en wanneer de doorstroomsnelheid te laag is dan zal de warmteoverdracht te laag zijn. Met andere woorden, wenst men de doorstroomcapaciteit te verhogen dan moet men de lengte van de vin en/of de lengte van de pijp vergroten.

De te verwezenlijken lengte van de vinnen is echter beperkt door de fabricatiemethode en machines die gebruikt worden om de bundels pijpen van vinnen te voorzien en mede door het feit dat het risico van knik groter wordt naarmate de vin langer wordt aangezien de stroming van het eerste warmtewisselend medium loodrecht verloopt op de lengterichting van de vinnen.

Het aanpassen van de lengte van de vin en/of de lengte van de pijp in functie van de benodigde doorstroomcapaciteit van een warmtewisselaar resulteert in een groot aantal mogelijke uitvoeringsvormen van een warmtewisselaar. Het nadeel hierbij is dat een flexibel en relatief complex productieproces moet worden voorzien.

De huidige uitvinding heeft als doel een oplossing te bieden voor één of meer van voornoemde en/of andere nadelen.

Hiertoe betreft de uitvinding een warmtewisselaar van het voornoemde type waarbij de vinnen met hun lengte hoofdzakelijk gericht zijn volgens de stromingszin van het eerste warmtewisselend medium dat rondom de buitenzijde van de pijpen stroomt.

Een voordeel van zulke warmtewisselaar volgens de uitvinding is dat de pijpenbundel aanzienlijk stijver wordt in buiging met als belangrijk gevolg dat de knikweerstand van de pijpenbundel toeneemt. Bovendien wordt het mogelijks uitknikken beperkt door de mantel. Hierdoor kan de werkdruk in de pijpen toenemen waardoor de capaciteit van de warmtewisselaar kan toenemen.

Een ander voordeel is dat de doorstroomcapaciteit kan verhoogd worden door vinnen toe te voegen in plaats van de vinnen te verlengen. Standaardisatie van de vinnen wordt hierdoor mogelijk gemaakt.

Volgens een voorkeurdragende uitvoeringsvorm liggen de geometrische zwaartepunten van de gaten in de vinnen niet op één rechte lijn.

Een voordeel hierbij is dat de pijpenbundel nog stijver wordt in buiging waardoor de werkdruk in de pijpen nog kan toenemen waardoor de capaciteit van de warmtewisselaar verhoogt.

Nog een voordeel is dat op deze manier meer turbulentie wordt gecreëerd in het eerste warmtewisselend medium dat rondom de pijpen stroomt waardoor een betere warmteoverdracht tussen beide media wordt bekomen.

Bij voorkeur maakt de warmtewisselaar gebruik van vinnen waarbij de gaten in elke vin gepositioneerd zijn volgens een regelmatig zigzag patroon dat volledig bepaald wordt door een karakteristieke lengte en een karakteristieke hoek en waarbij de geometrische zwaartepunten van de gaten samenvallen met de hoekpunten van het zigzag patroon.

Volgens een voorkeurdragend kenmerk van de uitvinding bezitten de vinnen een zigzag vorm volgens het regelmatig zigzag patroon gedefinieerd door de positie van de gaten.

Het voordeel van deze uitvoeringsvorm is dat, ondanks het gebruik van vinnen met één enkele lengte, een configuratie pijpen kan worden samengesteld waarbij opeenvolgende pijpen, volgens de stroomrichting van de media doorheen de mantel, gepositioneerd zijn volgens een regelmatig zigzag patroon. Dit met het oog op een optimale en zo uniform mogelijke warmteoverdracht tussen beide media.

. Standaardisatie van de vinnen wordt hierdoor mogelijk gemaakt.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend ^ar3.kt;er, een aantal voorkeurdragende uitvoeringsvormen beschreven van de warmtewisselaar volgens de uitvinding, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin: figuur 1 schematisch en in perspectief een klassieke uitvoeringsvorm van warmtewisselaar weergeeft; figuur 2 een doorsnede weergeeft volgens lijn II-II in figuur 1; figuur 3 een doorsnede weergeeft volgens lijn III-III in figuur 1; figuur 4 schematisch in langsdoorsnede een warmtewisselaar volgens de uitvinding toont; figuur 5 een doorsnede weergeeft volgens lijn V-V in figuur 4; figuur 6 een doorsnede volgens figuur 5 toont waarbij gebruik gemaakt wordt van zigzag vinnen; figuur 7 een zigzag vin weergeeft; figuur 8 een rij pijpen toont; figuur 9 een geheel van vinnen toont voorzien van deflectoren.

In de firmren 1 "5 ίς ui -, c ^ —„j-

— —z> v-.-- — j- o '-cu j\xaboj.cA ux tycvuciuS

warmtewisselaar 1 weergegeven, welke warmtewisselaar 1 bestaat uit een cilindrische mantel 2 die aan beide uiteinden is afgesloten door een deksel 3.

De warmtewisselaar 1 is voorzien van een eerste inlaat 4 en een eerste uitlaat 5 voor een eerste warmtewisseiend medium, bijvoorbeeld een gas, en een tweede inlaat 6 en een tweede uitlaat 7 voor een tweede warmtewisselend medium, bijvoorbeeld een koelvloeistof.

De tweede inlaat 6 en uitlaat 7 zijn in dit geval aan weerszijden van de warmtewisselaar 1 voorzien en staan met elkaar in verbinding via een bundel pijpen 8.

Om het warmtewisselend oppervlak van de pijpen 8 te vergroten wordt, op gekende wijze, gebruik gemaakt van vinnen 10, dewelke zijn voorzien van gaten 11 waar doorheen de pijpen 8 lopen.

De vinnen 10 zijn traditioneel rechthoekig van vorm waarbij elke vin 10 voorzien is van meerdere cirkelvormige gaten 11 welke gepositioneerd zijn volgens een regelmatig rechtlijnig patroon waarbij opeenvolgende gaten 11 zich op gelijke afstand van elkaar bevinden.

Zoals weergegeven in figuur 2, worden, met het oog op een optimale warmteoverdracht tussên beide media, opeenvolgende pijpen 8 volgens de stroomrichting van de media doorheen de mantel 2 gepositioneerd volgens een regelmatig zigzag Ή 3.1“ rnnn Τλ7ΛΛτΉ-Ϊ -î Ho t π rmûn 1Π A -Ary^ ruw^„v**, ·* >—j w xiuiv^u -L. \j , iiuuu^aAcxx j vv-L jZc, vuiycüù hun lengterichting in een geschrankt patroon zijn voorzien.

Verder wordt de warmtewisselaar 1 voorzien van afdekplaten 12 die zich tussen de voornoemde bundel pijpen en de mantel 2 bevinden en die aansluiten tegen een gedeelte van de voornoemde bundel pijpen, en die zich uitstrekken over de volledige lengte van de pijpen 8, aan weerszijden van de bundel pijpen.

Traditioneel worden voornoemde afdekplaten 12 voorzien van drukmiddelen 13 die een radiale druk uitoefen op de bundel pijpen en die, in dit geval, uitgevoerd zijn in de vorm van omgeplooide veerkrachtige uiteinden.

Figuur 4 toont een langsdoorsnede van een warmtewisselaar 14 volgens de uitvinding, bijvoorbeeld in de vorm van een koeler, die in dit geval voorzien is van een cilindervormige mantel 15 die aan weerszijden is afgesloten door een deksel 16. Het spreekt voor zich dat de voornoemde mantel 15 niet noodzakelijk cilindervormig dient te worden uitgevoerd, doch, dat tevens andere vormen mogelijk zijn.

De warmtewisselaar 14 is voorzien van een eerste radiale inlaat 17 en een eerste radiale uitlaat 18 voor een eerste warmtewisselend medium, bijvoorbeeld een gas, en een tweede axiale inlaat 19 en een tweede axiale uitlaat 20 voor een tweede warmtewisselend medium, bijvoorbeeld een koelvloeistof.

De voornoemde eerste inlaat 17 0τί 003TS10 ui 113.3. t 18 zijn in dit voorbeeld aan tegenover elkaar liggende zijden van de mantel 15 voorzien, en bevinden zich in dit geval diagonaal tegenover elkaar.

Volgens een niet in de figuren weergegeven variant van een warmtewisselaar 14 volgens de uitvinding kunnen de eerste inlaat 17 en de eerste uitlaat 18 echter ook aan dezelfde zijde van de mantel 15 worden voorzien, waarbij bij voorkeur tussen deze inlaat 17 en uitlaat 18, een keerschot wordt voorzien. Tevens kunnen deze inlaat 17 en uitlaat 18 tegenover elkaar worden aangebracht, bij voorkeur eveneens mits het vóórzien van een keerschot tussen beiden dat een doorstroming van het eerste warmtewisselend medium doorheen de ganse pijpenbundel vereist maakt.

De tweede inlaat 19 en uitlaat 20 zijn, in dit geval, beiden voorzien op een zelfde deksel 16 aan één zijde van de warmtewisselaar 14, en staan, op bekende wijze, met elkaar in verbinding via een aantal pijpen 8. Volgens een variante is het echter tevens mogelijk dat de inlaat 19 en uitlaat 20 zich doorheen een verschillend deksel 16 uitstrekken, aan weerszijden van de warmtewisselaar 14.

De pijpen 8 bevinden zich tussen twee pijpenplaten 9 waarbij één pijpenplaat 9 vast gemonteerd is aan de mantel 15 en de andere pijpenplaat 9 axiaal vrij kan bewegen in de mantel 15 van de warmtewisselaar 14.

In dit geval betekent dit dat de inlaat- en uitlaatcollectoren worden gevormd tussen een eerste deksel

1 Ρ>ΤΊ H Ηλλγ hprrûnATrûr λ vn·! -! λ»-.« 1 -.-»4- Q

-- Uw vCaviiUw-i ei j_ tü vaouc pi j^ciipiaat j.

Het is duidelijk dat de eerste inlaat 17 en/of de eerste uitlaat 18 niet noodzakelijk radiaal gericht moeten zijn, doch dat deze tevens op een andere wijze kunnen worden ingeplant, bijvoorbeeld tangentieel op de mantel 15 of zelfs axiaal in een voornoemd deksel 16, bijvoorbeeld via een leidingdeel dat zich doorheen de vaste pijpenplaat 9 uitstrekt.

Ook de tweede inlaat 19 en de tweede uitlaat 20 dienen niet strikt noodzakelijk axiaal te worden voorzien, doch, kunnen tevens radiaal, tangentieel of op enige andere wijze ingeplant zijn in de mantel 15 of kunnen schuin op een deksel 16 worden geplaatst, onder een hoek die kleiner is dan 90°.

Figuur 5 toont een doorsnede van een warmtewisselaar 14 volgens ,de uitvinding waarbij gebruik wordt gemaakt van rechthoekige vinnen 10 die met hun lengte hoofdzakelijk gericht zijn volgens de stromingszin 21 van het eerste warmtewisselend medium dat rondom de buitenzijde van de pijpen 8 stroomt. Figuur 6 toont een doorsnede van een andere voorkeurdragende uitvoeringsvorm van een warmtewisselaar 14 volgens de uitvinding die gebruik maakt van vinnen 10 waarbij de geometrische zwaartepunten 22 van de gaten 11 niet op één rechte lijn liggen maar volgens een regelmatig zigzag patroon 23 geplaatst zijn dat volledig bepaald wordt door een karakteristieke lengte 24 en een karakteristieke hoek 25 en waarbij de geometrische zwaartepunten 22 van de gaten 11 samenvallen met de hoekpunten 26 van het regelmatig zigzag patroon 23.

Elke vin 10 bezit, in dit geval, zoals getoond in figuur 7 een zigzag vorm volgens het regelmatig zigzag patroon 23 gedefinieerd door de positie van de gaten 11.

Om lekverliezen te beperken wordt tussen de buitenste pijpen 8 en de mantel 15 een af dekplaat 12 voorzien. De afdekplaat 12 strekt zich bij voorkeur uit over de volledige lengte van de pijpen 8.

De vinnen 10 zijn bij voorkeur uitgevoerd in aluminium of in een aluminiumlegering en hebben bijvoorbeeld een dikte van 0,2 tot 0,4 millimeter.

Het gebruik van een warmtewisselaar 14 volgens de uitvinding is analoog aan dat van de reeds bekende warmtewisselaars.

Via de eerste radiale inlaat 17 treedt een eerste warmtewisselend medium, bijvoorbeeld hete lucht, de warmtewisselaar 14 binnen.

Vervolgens stroomt dit eerste warmtewisseiend medium diagonaal doorheen de warmtewisselaar 14, rondom de pijpen 8.

Een tweede warmtewisselend medium wordt, via de tweede inlaat 19, doorheen de pijpen 8 gestuurd om vervolgens langsheen de uitlaat 20 te worden afgevoerd.

Door het grote contactoppervlak dat wordt gevormd door de wanden van de pijpen 8 en het oppervlak van de vinnen 10, vindt een warmteoverdracht plaats tussen het eerste en het tweede warmtewisselend medium.

Volgens de uitvinding worden de vinnen 10 zo gericht dat ze evenwijdig liggen met de stroomzin 21 van het eerste warmtewisselend medium. Op deze manier wordt de rij pijpen 27 door het eerste warmtewisselend medium aangestroomd volgens de zin waarin de buigstijfheid van de rij pijpen 27 maximaal is.

Voorgaande heeft als gevolg dat de werkdruk in de pijpen 8 kan verhoogd worden zonder dat de rij pijpen 27 zal uitknikken waardoor de capaciteit van de warmtewisselaar 14 kan toenemen.

In een klassiek uitgevoerde warmtewisselaar wordt elke rij pijpen 27 aangestroomd door het eerste warmtewisselend medium volgens de zin waarin de buigstijfheid van de rij pijpen 27 minimaal is.

Bijgevolg moet in voornoemde klassieke uitvoering de werkdruk in de pijpen beperkt blijven zoniet zal één of meerdere rijen pijpen 27 uitknikken, zoals getoond in figuur 3

Een ander voordeel van een warmtewisselaar 14 volgens de uitvinding is dat geen supplementaire drukmiddelen 13 moeten worden voorzien.

Het gebruik van vinnen 10 uitgevoerd volgens een zigzag vorm maakt een optimale warmteoverdracht tussen beide media mogelijk. De zigzag vorm wordt hierbij zodanig gekozen dat de vinnen 10 aaneensluitend aan elkaar passen.

In een praktische uitvoeringsvorm bezit elke vin 10 minimaal drie gaten 11 en typisch vijftien gaten 11.

De vinnen 10 kunnen, zoals weergegeven in figuur 9, optioneel worden voorzien van deflectoren 28 die de stromingszin 21 van het eerste warmtewisselend medium wijzigen waardoor extra turbulentie wordt gecreëerd in het eerste warmtewisselend medium, zodat de warmteoverdracht tussen beide media toeneemt.

Deze deflectoren 28 kunnen op zeer eenvoudige manier gevormd worden door langs de randen van rechthoekige vinnen 10, op regelmatige afstanden inkepingen te voorzien en het materiaal aan één zijde van deze inkeping lokaal haaks om te plooien.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch een warmtewisselaar 14volgens de uitvinding, kan in velerlei vormen en afmetingen worden uitgevoerd zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims

1. Warmtewisselaar bestaande uit een mantel (15), die op beide uiteinden is afgesloten door een deksel (16) en welke warmtewisselaar (14) is voorzien van een pijpenbundel die is opgebouwd uit rijen pijpen (27), waarbij elke rij T"M Ί Ήΰη / 0 *7 \ T»TAT"^i" Ai ïrlüTi λ *“» Τ A λγλ J '—-‘A \ Ai / / ïVVJ-UL. OCuilCil^CXlU/UUlCll UVJVJJ. CCI! J_ oti JS.O vinnen (10) met gaten (11) waar doorheen de pijpen (8) zijn aangebracht en waarbij de mantel (15) is voorzien van een eerste in- en uitlaat (17 en 18) voor het in dwarse richting geleiden van een eerste warmtewisselend medium rondom de pijpen (8) en waarbij een tweede in- en uitlaat (19 en 20) is voorzien voor de geleiding van een tweede warmtewisselend medium doorheen de pijpen (8), daardoor gekenmerkt dat voornoemde vinnen (10) met hun lengte hoofdzakelijk gericht zijn volgens de stromingszin (21) van het eerste warmtewisselend medium dat rondom de buitenzijde van de pijpen (8) stroomt.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de geometrische zwaartepunten (22) van de gaten (11) in de vinnen (10) niet op. één rechte lijn liggen.

3. Warmtewisselaar volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de gaten (11) in de vinnen (10) gepositioneerd zijn volgens een zigzag patroon (23).

4. Warmtewisselaar volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de gaten (11) in de vinnen (10) gepositioneerd zijn volgens een regelmatig zigzag patroon (23) dat volledig bepaald wordt door een karakteristieke lengte (24) en een karakteristieke hoek (25) . S — ΤλΤλ rm t- ccol λ Λ r* τ rr\l rrpn o 1 11 -ί /-s Λ >3 ~-v- — . ----V u_ Cub VUliUIUÖlC J W1. ** f QciClj7vj.Ovjjr gekenmerkt dat de geometrische zwaartepunten (22) van de gaten (11) in de vinnen (10) gepositioneerd zijn op de hoekpunten (26) van het zigzag patroon (23).

6. Warmtewisselaar volgens één van de conclusies 3 tot 5, daardoor gekenmerkt dat de vinnen (10) een zigzag vorm bezitten volgens het zigzag patroon (23) gedefinieerd door de positie van de gaten (11).

7. Warmtewisselaar volgens conclusie 6, daardoor gekenmerkt dat de zigzag vorm zodanig is gekozen dat de vinnen (10) aaneensluitend aan elkaar passen.

8. Warmtewisselaar volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de vinnen (10) minimaal drie gaten (11) en typisch vijftien gaten (11) bezitten.

9. Warmtewisselaar volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de vinnen (10) zijn uitgevoerd uit aluminium of uit een aluminiumlegering en een dikte vertonen van 0,2 tot 0,4 millimeter.

10.- Warmtewisselaar volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de vinnen (10) zijn voorzien van één of meerdere deflectoren (28) die de stromingszin (21) van het eerste warmtewisselend medium wij zigen.