NL2004187C2 - Warmtewisselaar. - Google Patents

Description

Warmtewisselaar Gebied van de uitvinding

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar voor het 5 overbrengen van warmte-energie tussen een eerste fluïdum in een eerste fluïdumcircuit en een tweede fluïdum in een tweede fluïdumcircuit, waarbij het eerste fluïdumcircuit en het tweede fluïdumcircuit thermisch geleidend met elkaar verbonden zijn.

Stand van de techniek 10 De Europese octrooipublicatie EP-A-0 563 951 openbaart een oliekoeler voor het koelen van (motor)olic met behulp van (koel)watcr. Olie- en waterkanalen staan in thermisch contact met elkaar, en worden gevormd door het stapelen van drie verschillende soorten platen die sleuven en ribben omvatten. Water stroomt tijdens bedrijf in cirkelvormige kanalen in radiale richting en olie stroomt loodrecht daarop 15 door kleine gaten en via een centrale boring in de oliekoeler weer terug.

Samenvatting van de uitvinding

De onderhavige uitvinding tracht een warmtewisselaar te verschaffen die bruikbaar is in thermo-akoestische toepassingen, zoals in combinatie met of als 20 onderdeel van een warmtepomp of motor.

Volgens de onderhavige uitvinding wordt een warmtewisselaar volgens de in de aanhef gedefinieerde soort verschaft, waarbij het eerste en tweede fluïdumcircuit gevormd wordt door een opeenstapeling van plaatelementen die eerste kanalen voor het eerste fluïdumcircuit en een veelvoud van kanalen voor het tweede fluïdumcircuit 25 vormen, en waarbij het totaal van doorsneden van het veelvoud van kanalen minimaal 25% van een frontaal oppervlak van het tweede fluïdumcircuit beslaat. In de plaatelementen zijn bijvoorbeeld eerste kanalen aangebracht voor het eerste fluïdum die het veelvoud van kanalen van het tweede fluïdumcircuit omstromen. Hierdoor kan een efficiënte warmteoverdracht plaatsvinden in de warmtewisselaar met een zo compact 30 mogelijke bouw. Een dergelijke structuur van de warmtewisselaar maakt een eenvoudige vervaardiging van de warmtewisselaar mogelijk (stapeling van plaatelementen), en tegelijkertijd ontstaat een warmtewisselaar waarbij het tweede fluïdumcircuit voldoende openheid (of doorzichtigheid) heeft, waardoor tijdens bedrijf 2 weinig of geen wrijving optreedt voor het tweede fluïdum. Hierdoor is bij thermo-akoestische toepassingen de demping van een akoestische golf in het tweede fluïdum verwaarloosbaar. De openheid van de structuur van het tweede fluïdumcircuit kan ook worden aangeduid als de porositeit van de warmtewisselaar voor het tweede fluïdum.

5 De Europese octrooipublicatie EP-A-0 678 715 openbaart een warmtewisselaar voor een thermo-akoestische warmtepomp, opgebouwd uit gebogen holle leidingen met daartussen vinnen. Deze warmtewisselaar is moeilijk te vervaardigen, en kan makkelijk beschadigd worden, zowel tijdens samenbouwen als tijdens gebruik.

De plaatelementen zijn in een uitvoeringsvorm vlakke (bijvoorbeeld gestanste of 10 uitgesneden) plaatelementen, waarbij twee opeenvolgende plaatelementen uitgelijnde gaten omvatten die na samenbouw het veelvoud van kanalen van het tweede fluïdumcircuit vormen, en gedeeltelijk overlappende groeven die na samenbouw de eerste kanalen vormen.

In een uitvoeringsvorm is tijdens bedrijf een akoestische golf aanwezig in het 15 tweede fluïdum, en is de lengte van elk kanaal minimaal gelijk is aan een piek- piekafstand van de fluïdumverplaatsing in de akoestische golf. Deze structuur zorgt voor een minimale demping van de akoestische golf tijdens bedrijf, waardoor de warmtewisselaar efficiënt kan werken.

In een uitvoeringsvorm is de lengte van elk kanaal minder dan 5 cm, en in een 20 verdere uitvoeringsvorm is de lengte van elk kanaal meer dan 0,5 cm. Over een breed gebied van keuze van tweede fluïdum en operationele omstandigheden biedt dit een efficiënte warmtewisselaar.

Het veelvoud van kanalen loopt in het tweede fluïdumcircuit evenwijdig aan een langsas van de warmtewisselaar vanaf een beginopening tot aan een eindopening van 25 elk kanaal. Hierdoor ondervindt de akoestische golf tijdens bedrijf een zo laag mogelijke demping.

In een verdere uitvoeringsvorm omvatten een of meer van het veelvoud van kanalen secundaire warmtegeleidende elementen (bijvoorbeeld in de vorm van vinnen) van materiaal waarvan een hoofdoppervlak evenwijdig loopt aan de langsas van de 30 warmtewisselaar. Het materiaal kan dun plaatmateriaal zijn, maar ook equivalente materialen zoals metaalschuim of cilindrische kanalen. Dit heeft als effect dat een betere warmteoverdracht plaats kan vinden vanuit het tweede fluïdum. De secundaire warmtegeleidende elementen worden in een uitvoeringsvorm door gebogen 3 plaatmateriaal, bijvoorbeeld gegolfd of gevouwen. In een nog verdere uitvoeringsvorm heeft het gebogen plaatmateriaal een steekafstand in een richting loodrecht op de langsas van de warmtewisselaar, en wordt de maximale steekafstand bepaald door een thermische penetratiediepte van het tweede fluïdum. De steekafstand is in een 5 uitvoeringsvorm gelegen in het gebied van één maal en vijf maal de thermische penetratiediepte.

In een uitvoeringsvorm omvat het eerste fluïdumcircuit eerste kanalen die ten minste gedeeltelijk coaxiaal aan de langsas van de warmtewisselaar lopen, bijvoorbeeld in een vlak in hoofdzaak loodrecht op de langsas. Hierdoor is het mogelijk om de hele 10 dwarsdoorsnede van de warmtewisselaar effectief te benutten. Als alternatief kunnen de eerste kanalen ook gevormd zijn als rechte kanalen.

Het eerste fluïdum is in een uitvoeringsvorm een vloeistof (bijvoorbeeld water) en het tweede fluïdum een gas (bijvoorbeeld Helium).

In een verder aspect heeft de onderhavige uitvinding betrekking op een thermo-15 akoestische inrichting omvattende ten minste één warmtewisselaar volgens een van onderhavige uitvoeringsvormen. Deze thermo-akoestische inrichting kan functioneren als een motor of als een warmtepomp.

Korte beschrijving van de tekeningen 20 De onderhavige uitvinding zal nu in meer detail worden besproken aan de hand van een aantal voorbeelduitvoeringsvormen, met verwijzing naar de bijgevoegde tekeningen, waarin

Fig. 1 een schematische weergave toont van een thermo-akoestische inrichting waarin de onderhavige uitvinding toegepast wordt; 25 Fig. 2 een vooraanzicht toont van een uitvoeringsvorm van een warmtewisselaar volgens de onderhavige uitvinding;

Fig. 3 een zijaanzicht, gedeeltelijk in doorsnede, toont van de warmtewisselaar volgens Fig. 2; en

Fig. 4 een uiteengelegd perspectiefaanzicht toont van een uitvoeringsvorm van de 30 warmtewisselaar.

4

Gedetailleerde beschrijving van voorbeelduitvoeringsvormen

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar, die bijvoorbeeld geschikt is voor toepassingen in het gebied van thermo-akoestiek. In thermo-akoestische systemen wordt warmte omgezet in akoestische energie of 5 omgekeerd wordt akoestische energie gebruikt om warmte op te pompen. De warmteoverdracht vindt in het algemeen plaats tussen de warmtewisselaar en een werkmedium. Het werkmedium oscilleert heen en weer door een akoestische golf. In de onderstaande beschrijving worden uitvoeringsvormen beschreven van warmtewisselaars die gebruikt kunnen worden in thermo-akoestische systemen.

10 In Fig. 1 is een schematische weergave getoond van een thermo-akoestisch systeem 20, dat een warmtewisselaar 10 volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding omvat. Het als voorbeeld in Fig. 1 weergegeven thermo-akoestisch systeem 20 omvat een regenerator 22 en twee warmtewisselaars 10 die geplaatst zijn in een akoestische resonator 21. De regenerator 22 (een poreuze 15 structuur) is het hart van het systeem 20 waar het thermodynamisch conversie proces plaatsvindt. De warmtewisselaars 10 zijn aanwezig voor de warmte uitwisseling met de omgeving (warmtebronnen). Een thermo-akoestisch systeem 20 kan functioneren als een motor of als een warmtepomp. In een thermo-akoestisch motor wordt een akoestisch golf 24 spontaan gegenereerd en versterkt door een temperatuurverschil 20 opgelegd over de regenerator 22 met behulp van de twee warmtewisselaars 10. In een warmtepomp wordt een akoestisch golf 23 (akoestisch energie) gebruikt om warmte te pompen door de regenerator 22 van een lage temperatuur (koude) warmtewisselaar 10 (rechts in Fig. 1) naar een hoge temperatuur warmtewisselaar 10 (links in Fig. 1).

In Fig. 2 wordt een vooraanzicht getoond van een warmtewisselaar 10 volgens 25 een uitvoeringsvorm van de onderhave uitvinding en in Fig. 3 een gedeeltelijk doorsneeaanzicht van de warmtewisselaar 10 van Fig. 2. De warmtewisselaar 10 heeft een cilindervorm met een langsas 15. Verder omvat de warmtewisselaar 10 een toevoer 1 en een afvoer 2 waartussen zich een eerste fluïdumcircuit bevindt. Een veelvoud van kanalen 3 met een beginopening 4 en een eindopening 5 vormt een tweede 30 fluïdumcircuit evenwijdig aan de langsas 15. De lengte van elk van het veelvoud van kanalen 3 is in Fig. 3 aangegeven met d. Elk van het veelvoud van kanalen 3 kan verder een in hoofdzaak constante doorsnee hebben over de lengte, waardoor het tweede fluïdum zo weinig mogelijk weerstand ondervindt. De doorsnee kan rechthoekig, 5 cirkelvormig, zoals in de getekende uitvoeringsvormen halfcilindervormige zijn, of een andere willekeurige vorm hebben.

Om zo weinig mogelijk weerstand te krijgen, is het totaal van doorsneden van het veelvoud van kanalen 3 minimaal 25% van een frontaal oppervlak van het tweede 5 fluïdumcircuit. In Fig. 2 is het vooraanzicht van de warmtewisselaar 10 getoond, dat het frontaal oppervlak van het tweede fluïdumcircuit vormt. Het tweede fluïdumcircuit van de warmtewisselaar 10 heeft hierdoor voldoende openheid (of doorzichtigheid), waardoor tijdens bedrijf weinig of geen wrijving optreedt voor het tweede fluïdum. Hierdoor is bij thermo-akoestische toepassingen de demping van een akoestische golf 10 in het tweede fluïdum verwaarloosbaar. De openheid van de structuur van het tweede fluïdumcircuit kan ook worden aangeduid als de porositeit van de warmtewisselaar 10 voor het tweede fluïdum.

In het eerste en tweede fluïdumcircuit bevinden zich in bedrijf een eerste fluïdum (bijvoorbeeld een vloeistof zoals water), respectievelijk een tweede fluïdum 15 (bijvoorbeeld een gas zoals He), waarbij warmte-energie wordt overgedragen tussen het eerste en tweede fluïdum door een thermisch geleidende verbinding. In het tweede fluïdumcircuit staat tijdens bedrijf de akoestische golf, die om efficiëntieredenen, zo weinig mogelijk weerstand dient te ondervinden.

In een uitvoeringsvorm wordt de optimale lengte d van de warmtewisselaar 10 in 20 de akoestische richting bepaald door de piek-piek verplaatsing van het tweede fluïdum, gegeven door:

P

Piek - piek = 2--.

pa co

Hierin is p de akoestische druk amplitude ter plekke van de warmtewisselaar 10, co is de hoeksnelheid a is de geluidssnelheid, en p is de dichtheid van het tweede 25 fluïdum (gas). Goede resultaten zijn bereikbaar met een warmtewisselaar 10 met een lengte van de kanalen 3 tussen 0,5 cm en 5 cm. Dit is voldoende om afhankelijk van de keuze van het tweede fluïdum en andere operationele omstandigheden de piek-piek verplaatsing van het tweede fluïdum in te sluiten.

In de getoonde uitvoeringsvorm hebben de kanalen 3 een (half-)cirkelvormige 30 groefvorm waardoor een groot deel van het frontale oppervlak van de warmtewisselaar 10 doorstroombaar (zelfs doorzichtig) is voor het tweede fluïdum, waardoor slechts een geringe demping zal plaatsvinden van het tweede fluïdum dat door de kanalen 3 6 stroomt. Ook de drukval over het tweede fluïdumcircuit van de warmtewisselaar 10 is hierdoor zeer laag, wat voordelen biedt in tal van applicaties, zoals thermo-akoestische systemen en luchtbehandelingssystemen.

De thermisch geleidende verbinding tussen het eerste en tweede fluïdumcircuit 5 wordt gevormd door een groot aantal warmtegeleidende plaatelementen 11, 12, 13, zoals in meer detail wordt weergegeven in het uiteengelegde perspectiefaanzicht van de warmtewisselaar 10 in Fig. 4. In deze figuur is weergegeven dat elk van de plaatelementen 11, 12, 13 voorzien is van uitgelijnde openingen 3a, die na samenbouw van de plaatelementen 11, 12, 13 het veelvoud van kanalen 3 van het tweede 10 fluïdumcircuit vormt. Voor een uitgelijnde samenbouw zijn de plaatelementen 11, 12, 13 bijvoorbeeld voorzien van een tweetal openingen, waarin een uitlijnpin 14 past.

In Fig. 4 is zichtbaar dat het eerste fluïdumcircuit gevormd wordt door een veelvoud van uitsparingen 6a, 6b in opeenvolgende plaatelementen 12, 13, waarbij de onderling versprongen uitsparingen 6a, 6b een veelvoud van eerste kanalen vormen 15 waarin het eerste fluïdum kan stromen. De eerste kanalen 6a, 6b omstromen het veelvoud van kanalen 3 van het tweede fluïdumcircuit, in hoofdzaak coaxiaal aan de langsas 15 van de warmtewisselaar 10 en in een vlak loodrecht op de langsas 15. De verdere openingen 6c in plaatelement 12, en verdere openingen 6d in plaatelement 13 vormen de verbindingen van het veelvoud van eerste kanalen 6a, 6b met de toevoer 1 20 en afVoer 2 van het eerste fluïdumcircuit.

De uitsparingen 6a, 6b worden in een alternatieve uitvoeringsvorm gevormd door gedeeltelijk overlappende groeven, bijvoorbeeld in de twee hoofdoppervlakken van één plaatelement 12, 13, in samenwerking met een naastliggend plaatelement. Een eerste kanaal wordt dan gevormd per plaatelement 12, 13.

25 De plaatelementen 11, 12, 13 zijn in een uitvoeringsvorm vervaardigd uit metalen plaatdelen, waarin de verschillende openingen en/of groeven door bewerking (stansen, frezen,...) gevormd zijn. In een voorbeelduitvoeringsvorm zijn de plaatelementen 11, 12, 13 vervaardigd uit roestvast of roestvrij staal, zodat een langdurige levensduur bereikt kan worden met een uiteenlopende keuze van eerste en tweede fluïda.

30 Door de omstroming van het veelvoud van kanalen 3 van het tweede fluïdumcircuit met het veelvoud van eerste kanalen 6a, 6b van het eerste fluïdumcircuit, met daartussen warmtegeleidend materiaal van de plaatelementen 11, 12, 13, wordt een goede overdracht van warmte-energie tussen het eerste en tweede fluïdum tijdens 7 bedrijf bereikt. Door de structuur van het eerste en tweede fluïdumcircuit (‘cross flow’) wordt een compacte bouw van de warmtewisselaar 10 met een zeer efficiënte benutting van het hele oppervlak van de warmtewisselaar 10 bereikt. Indien een warmtewisselaar 10 met een hogere capaciteit nodig is, kan dit relatief eenvoudig door opschalen van de 5 doorsnee van de warmtewisselaar 10, met een gelijkblijvende lengte d, bereikt worden In het aanzicht van Fig. 2 is tevens zichtbaar dat in een of meer van het veelvoud van kanalen 3 van het tweede fluïdumcircuit secundaire warmtegeleidende elementen 7 zijn aangebracht, die zorg dragen voor een betere warmteoverdracht van het tweede fluïdum naar de plaatelementen 11, 12, 13 van de warmtewisselaar. In een 10 uitvoeringsvorm zijn de secundaire warmtegeleidende elementen 7 (vinnen) gevormd van dun plaatmateriaal waarvan een hoofdoppervlak evenwijdig loopt aan de langsas 15 van de warmtewisselaar 10. Hierdoor komt een zo groot mogelijk totaal oppervlak van het dunne plaatmateriaal in aanraking met het tweede fluïdum tijdens bedrijf, terwijl de weerstand voor het tweede fluïdum zo klein mogelijk is.

15 In een uitvoeringsvorm worden de secundair warmtegeleidende elementen 7 gevormd door gebogen (dun) plaatmateriaal, bijvoorbeeld gebogen of golvend. Zoals weergegeven in het vooraanzicht van Fig. 2 heeft het gebogen plaatmateriaal dan een steekafstand s in een richting coaxiaal aan (of loodrecht op) de langsas 15 van de warmtewisselaar. De steekafstand s wordt gekozen afhankelijk van een thermische 20 penetratiediepte van het tweede fluïdum. Als voorbeeld kan de steekafstand s gelijk zijn aan 0,2mm.

In een uitvoeringsvorm is het plaatmateriaal voor de secundaire warmtegeleidende elementen 7 van koper of een koperlegering, wat een efficiënte warmtegeleiding heeft.

25 Voor de gaszijdige kant (het tweede fluïdumcircuit) geldt ook dat de warmtewisselaar 10 zo akoestisch transparant mogelijk moet zijn, dat wil zeggen dat het akoestische verlies (door viskeuze en thermische relaxatie) gering moet zijn. Tegelijkertijd moet het tweede fluïdum een goed thermisch contact hebben met de warmtewisselaar 10. Het oscillerende karakter van het tweede fluïdum bepaald ook de 30 optimale afmeting van de kanalen 3 in de warmtewisselaar. De doorsnede van de kanalen tussen de vinnen 7, of de hierboven genoemde steekafstand s, moet in de orde grootte van de thermische indringdiepte §k liggen. De thermische indringdiepte 8k is de 8 afstand waarover het tweede fluïdum warmte kan uitwisselen met de warmtewisselaar 10 gedurende een thermo-akoestische halve periode en wordt gegeven door

ö = I 2K I 2K

\P®cp y p2jzfcp ' waarbij K de warmtegeleidingcoëffïciënt van het tweede fluïdum is, co de 5 hoekfrequentie (2%f) is, p de dichtheid van het gas is (drukafhankelijk), en cp de soortelijke warmte is.

In het voorgaande zijn een aantal uitvoeringsvormen van een warmtewisselaar 10 beschreven volgens de onderhavige uitvinding. De beschermingsomvang wordt bepaald door de elementen van de aangehangen conclusies, en equivalenten daarvan. Zo kan de 10 warmtewisselaar 10 zoals hierboven beschreven cilindervormig zijn, maar elke andere vorm is uiteraard mogelijk. Ook de vorm van het veelvoud van kanalen 3 in het tweede fluïdumcircuit is niet beperkt tot de in de figuren getoonde halfcilindervormige kanalen 3, en kan varianten daarop omvatten zoals ellipsvormige kanalen 3. Verder is de uitvinding beschreven aan de hand van een toepassing in thermo-akoestiek, echter de 15 warmtewisselaar 10 zou ook in andere toepassingen gebruikt kunnen worden, zoals voor het winnen van warmte uit rookgassen (bijvoorbeeld in de uitlaat van een voertuig).

Claims (13)

1. Warmtewisselaar voor het overbrengen van warmte-energie tussen een eerste fluïdum in een eerste fluïdumcircuit en een tweede fluïdum in een tweede 5 fluïdumcircuit, waarbij het eerste fluïdumcircuit en het tweede fluïdumcircuit thermisch geleidend met elkaar verbonden zijn, waarbij het eerste en tweede fluïdumcircuit gevormd wordt door een opeenstapeling van plaatelementen (11, 12, 13) die eerste kanalen (6a, 6b) voor het eerste fluïdumcircuit en een veelvoud van kanalen (3) voor het tweede fluïdumcircuit vormen, 10 en waarbij het totaal van doorsneden van het veelvoud van kanalen (3) minimaal 25% van een frontaal oppervlak van het tweede fluïdumcircuit beslaat.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, waarbij de plaatelementen (11, 12, 13) vlakke plaatelementen zijn, waarbij twee opeenvolgende plaatelementen (12, 13) 15 omvatten: uitgelijnde gaten (3a, 3b, 3c) die na samenbouw het veelvoud van kanalen (3) van het tweede fluïdumcircuit vormen, en gedeeltelijk overlappende groeven (6a, 6b) die na samenbouw de eerste kanalen vormen. 20

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 1 of 2, waarbij tijdens bedrijf een akoestische golf aanwezig is in het tweede fluïdum, en waarbij de lengte (d) van elk kanaal (3) minimaal gelijk is aan een piek-piekafstand van de fluïdumverplaatsing in de akoestische golf. 25

4. Warmtewisselaar volgens een van de conclusies 1-3, waarbij de lengte (d) van elk kanaal (3) minder dan 5 cm is.

5. Warmtewisselaar volgens een van de conclusies 1-4, waarbij de lengte (d) van elk 30 kanaal (3) meer dan 0,5 cm.

6. Warmtewisselaar volgens één van de conclusies 1-5, waarbij het veelvoud van kanalen (3) in het tweede fluïdumcircuit evenwijdig loopt aan een langsas (15) van de warmtewisselaar (10) vanaf een beginopening (4) tot aan een eindopening (5) van elk kanaal (3). 5

7. Warmtewisselaar volgens één van de conclusies 1-6, waarbij een of meer van het veelvoud van kanalen (3) secundaire warmtegeleidende elementen (7) omvat van materiaal waarvan een hoofdoppervlak evenwijdig loopt aan de langsas (15) van de warmtewisselaar (10).

8. Warmtewisselaar volgens conclusie 7, waarbij de secundaire warmtegeleidende elementen (7) worden gevormd door gebogen plaatmateriaal.

9. Warmtewisselaar volgens conclusie 8, waarbij het gebogen plaatmateriaal een 15 steekafstand (s) heeft in een richting loodrecht op de langsas (15) van de warmtewisselaar (10), en de maximale steekafstand (s) bepaald wordt door een thermische penetratiediepte van het tweede fluïdum.

10. Warmtewisselaar volgens conclusie 9, waarbij de steekafstand (s) is gelegen in 20 het gebied van één maal en vijf maal de thermische penetratiediepte (8k).

11. Warmtewisselaar volgens één van de conclusies 1-10, waarbij het eerste fluïdumcircuit eerste kanalen (6a, 6b) omvat die ten minste gedeeltelijk coaxiaal aan de langsas (15) van de warmtewisselaar (10) lopen. 25

12. Warmtewisselaar volgens één van de conclusies 1-11, waarbij het eerste fluïdum een vloeistof is en het tweede fluïdum een gas is.

13. Thermo-akoestische inrichting omvattende ten minste één warmtewisselaar (10) 30 volgens een van de conclusies 1-12.