NL2011539C2 - Warmtewisselaar met een buis met een althans gedeeltelijk variabele doorsnede. - Google Patents

Description

WARMTEWISSELAAR MET EEN BUIS MET EEN ALTHANS GEDEELTELIJK VARIABELE DOORSNEDE

De uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar, omvattende een buis die althans over een deel een in lengterichting variabele doorsnede vertoont.

Een dergelijke warmtewisselaarbuis is bekend, bijvoorbeeld uit EP 1 429 085. Het genoemde document EP 1 429 085 beschrijft een warmtewisselaar met een aantal evenwijdige buizen. Daarbij verloopt de doorsnede van elke buis van rond nabij een eerste uiteinde, dat bevestigd is aan een montageplaat, naar elliptisch in een middendeel. Vandaar verandert de doorsnede weer in een ronde vorm aan het tweede uiteinde, dat eveneens aan een montageplaat is bevestigd. De ronde doorsnedevorm aan de einden is daarbij gekozen voor een eenvoudige montage in ronde openingen in de platen.

Uit US-A-3 724 523 is het bekend om een buis zodanig te deformeren dat de doorsnede in longitudinale richting in de stromingsrichting toeneemt, terwijl de omtrek van de buis, en bij voorkeur de kleinste omhullende cirkel, over de gehele lengte van de buis constant blijft.

De uitvinding beoogt nu een warmtewisselaar met een buis te verschaffen, waarvan de doorsnede in lengterichting van de buis zodanig varieert, dat een optimale warmteoverdracht van een door de buis stromend medium aan een de buis omringend medium mogelijk is. Volgens de uitvinding wordt dit bij een warmtewisselaar met een dergelijke buis volgens conclusie 1 bereikt, waarbij een oppervlak van de doorsnede van de buis afneemt van een maximale waarde nabij een uiteinde van de buis tot een minimale waarde nabij een tegenovergelegen uiteinde daarvan. Door het oppervlak van de buis te laten afnemen, wordt bereikt dat de snelheid van het door de buis stromende medium toeneemt, waardoor de warmteoverdracht wordt geoptimaliseerd.

De warmtewisselaar volgens de uitvinding is voorzien van ten minste één buis voor een eerste medium, welke ten minste ene buis in warmtewisselend contact verkeert met een daarlangs stromend tweede medium. Volgens de uitvinding is de ten minste ene buis een buis van het hiervoor beschreven type.

Voor een gecontroleerde warmteoverdracht is de ten minste ene buis opgenomen in een huis waarin het tweede medium stroomt.

Het huis vertoont een in of nabij een eerste zijde gevormde instroomopening voor het tweede medium en een in of nabij een tweede zijde gevormde uitstroomopening voor het tweede medium, en een aantal buizen zijn in hoofdzaak evenwijdig in het huis aangebracht, en sluiten een hoek in met een lijn die de instroomopening en de uitstroomopening met elkaar verbindt. Zo wordt een dwarsstroom- of kruisstroomwarmtewisselaar gevormd, die constructief eenvoudig, compact en doelmatig is.

Het huis vormt met de instroomopening en uitstroomopening onderdeel van een tapwaterleiding, terwijl de buizen onderdeel vormen van een rookgaskanaal van een verwarmingsbrander. Dan is de warmtewisselaar geschikt voor toepassing in een tapwaterinstallatie.

De verhouding tussen het doorsnede-oppervlak en de omtrek varieert over de lengte van de buis. Zo kunnen in de buis optimale stromingsomstandigheden voor het medium worden ingesteld.

Daarbij kan met voordeel een verhouding tussen de omtrek en het oppervlak van de doorsnede toenemen van een minimale waarde nabij een uiteinde van de buis tot een maximale waarde nabij een tegenovergelegen uiteinde daarvan. Deze verhouding bepaalt het wandoppervlak dat per eenheid van de buis beschikbaar is voor het warmtewisselend contact tussen de media in en om de buis.

In een voorkeursuitvoering van de buis neemt de verhouding tussen de omtrek en het oppervlak van de doorsnede toe in de richting van de buis waarin het doorsnede-oppervlak afneemt. Zo neemt de snelheid en de turbulentie van het medium toe, waardoor de warmteoverdracht verbetert.

Hoewel het denkbaar is dat de doorsnede van de buis nabij het ene uiteinde in hoofdzaak rond is en nabij het andere uiteinde een platte vorm vertoont, wordt een verdere voordelige uitvoeringsvorm verkregen indien de omtreksvorm nabij het ene uiteinde in hoofdzaak rond is en nabij het andere uiteinde in hoofdzaak stervormig is. Bij een ronde doorsnede is de verhouding tussen de omtrek en het oppervlak minimaal, terwijl deze bij een stervorm juist relatief groot is. De ster kan daarbij drie of meer punten hebben. Een cirkel heeft een maximaal doorsnede-oppervlak ten opzichte van de omtrek, waardoor de warmteoverdracht aan het uiteinde waar de buis een ronde doorsnede vertoont bewust beperkt kan worden gehouden teneinde te voorkomen dat de buis daar tot ongewenst hoge temperaturen opwarmt. Nabij het uiteinde waar de buis de stervormige omtrek vertoont, wordt daarentegen juist een hoge warmteoverdracht verkregen.

Een constructief eenvoudige oplossing wordt verkregen, wanneer de variatie van het oppervlak en/of de omtreksvorm van de doorsnede bereikt is door vervorming van althans een deel van een wand van de buis.

Verder verdient het de voorkeur dat voor elke doorsnede van de buis een de doorsnede omhullende lijn bepaald is, en de omhullenden in hoofdzaak identiek zijn over de lengte van de buis. Zo blijft de uitwendige maat van de buis over zijn lengte constant, waardoor het eenvoudig is een aantal buizen naast elkaar te plaatsen in een warmtewisselaar.

In dat geval kan de variabele omtreksvorm gevormd zijn door ten minste één naar binnen geplooid deel van de buiswand. Door de wand naar binnen te plooien blijft de doorsnede binnen de constante omhullende.

Teneinde verstoring van de stroming van het medium in de buis te voorkomen, verdient het de voorkeur dat de variatie van het oppervlak en/of de omtreksvorm van de doorsnede in hoofdzaak gelijkmatig verloopt. Overigens kan de buis ook een deel vertonen met constante doorsnede. Maar daar waar er sprake is van variatie, verloopt deze dus bij voorkeur vloeiend.

Zoals gezegd biedt de variatie van de doorsnede de mogelijkheid deze af te stemmen op de temperatuurgradiënt in het medium in de buis. Dit is met name van voordeel wanneer het eerste medium een verwarmingsmedium is, en de ten minste ene buis verbonden is met een warmtebron, terwijl het tweede medium een warmteopnemend medium is. De temperatuur van het verwarmingsmedium is immers goed te regelen door middel van de warmtebron.

Bij voorkeur is het uiteinde van de ten minste ene buis waar het doorsnede-oppervlak maximaal is en/of de verhouding tussen de omtrek en het oppervlak van de doorsnede een minimale waarde vertoont met de warmtebron verbonden. Zodoende wordt bereikt dat het verwarmingsmedium eerst relatief langzaam door het wijde deel van de buis stroomt, zodat er voldoende tijd is om de grote hoeveelheid warmte in het verwarmingsmedium over te dragen aan het warmteopnemend medium rond de buis. Wanneer het grootste deel van de warmte is overgedragen kan de stroming van het verwarmingsmedium dan worden versneld door het vernauwen van de buis.

Het huis met de instroomopening en uitstroomopening kan onderdeel vormen van een kringloop in een centrale verwarmingsinstallatie en de buizen kunnen onderdeel vormen van een rookgaskanaal van een verwarmingsbrander. Zo kan de warmtewisselaar in een centrale verwarmingsinstallatie worden toegepast.

Tenslotte betreft de uitvinding nog een centrale verwarmingsinstallatie en een tapwaterinstallatie waarin een warmtewisselaar van de hiervoor beschreven soort wordt toegepast. Daarbij omvat de centrale verwarmingsinstallatie een verwarmingsbrander, een zich langs een of meer ruimten uitstrekkende kringloop waarin een medium circuleert en een warmtewisselaar volgens de uitvinding, die de brander en de kringloop met elkaar verbindt. Op overeenkomstige wijze omvat de tapwaterinstallatie een verwarmingsbrander, een zich vanaf een waterbron naar een tappunt uitstrekkende waterleiding en een de brander en de waterleiding met elkaar verbindende warmtewisselaar.

De uitvinding wordt nu toegelicht aan de hand van een tweetal voorbeelden, waarbij wordt verwezen naar de bijgevoegde tekening, waarin overeenkomstige onderdelen met dezelfde verwijzingscijfers zijn aangeduid, en waarin:

Figuur 1 een schematisch aanzicht toont van een warmtewisselaar met buizen volgens een eerste uitvoeringsvorm van de uitvinding,

Figuur 2 een perspectivisch aanzicht is van een buis voor toepassing in de warmtewisselaar van Figuur 1, met daarbij de stromingssnelheden van een medium in de buis,

Figuren 3 en 4 doorsneden tonen volgens de lijnen III—III, respectievelijk IV-IV in Figuur 2,

Figuur 5 een schematisch aanzicht is van een tweede uitvoeringsvorm van de warmtewisselaar,

Figuur 6 een met Figuur 2 overeenkomend aanzicht is van de tweede variant van de buis, en

Figuren 7 en 8 doorsneden tonen volgens de lijnen VII-VII, respectievelijk VIII-VIII in Figuur 6.

Een centrale verwarmings- of CV-installatie 1 (Fig. 1) omvat een verwarmingsbrander 2 en een (hier niet getoonde) kringloop voor een medium M2, dat langs een of meer ruimten geleid wordt en daar door radiatoren stroomt. Het medium M2 wordt indirect verwarmd door de brander 2. Daartoe is tussen de kringloop en de verwarmingsbrander 2 een warmtewisselaar 3 geplaatst, waarin een medium Ml stroomt.

In het getoonde voorbeeld wordt het medium Ml gevormd door de rookgassen die vrijkomen wanneer in de brander 2 een brandbaar mengsel C wordt verbrand. Dit brandbaar mengsel C wordt aan de brander 2 toegevoerd door een leiding 4, terwijl de rookgassen die de brander 2 verlaten in eerste instantie worden opgevangen in een uitlaatspruitstuk 5. Van daar verdelen de rookgassen zich over een aantal evenwijdige buizen 6, die zijn aangebracht in een huis 7 van de warmtewisselaar 3. Aan een tegenovergelegen zijde van het huis 7 monden de buizen 6 uit in een verzamelkamer 8, vanwaar de rookgassen door een uitlaat 9 worden afgevoerd.

Het huis 7 is verder voorzien van een instroomopening 10 in een zijde 11 en een uitstroomopening 12 in een tegenovergelegen zijde 13. De instroomopening 10 is hier verbonden met een retourleiding 14 van de kringloop van de CV-installatie 1, terwijl de uitstroomopening 12 verbonden is met een aanvoerleiding 15 van de kringloop. Zo kan het medium M2 na het doorlopen van de kringloop, wanneer dit zijn warmte heeft afgegeven aan de te verwarmen ruimten, door de warmtewisselaar 3 stromen en daar in warmtewisselend contact gebracht worden met het verwarmingsmedium Ml (de rookgassen), dat door de buizen 6 stroomt. Daarna kan het opgewarmde medium M2 weer opnieuw de kringloop doorlopen.

Doordat de buizen 6 zich in het getoonde voorbeeld uitstrekken onder een nagenoeg rechte hoek ten opzichte van een lijn die de instroomopening 10 en de uitstroomopening 12 met elkaar verbindt, is er in het getoonde voorbeeld sprake van een dwarsstroom- of kruisstroomwarmtewisselaar.

Volgens de uitvinding hebben de buizen 6 in elk geval over een deel van hun lengte een variabele doorsnede. In het getoonde voorbeeld zijn de variaties beperkt tot het laatste deel van de buizen 6, beschouwd in de stromingsrichting van het medium Ml. Over de eerste helft van hun lengte L hebben de buizen 6 hier een constante doorsnede, maar daarna veranderen zowel het oppervlak A als de omtreksvorm P van de doorsnede.

Daarbij neemt het oppervlak A in de stromingsrichting beschouwd af, zodat het uitstroomoppervlak kleiner is dan het instroomoppervlak: Auit < Aj_n. De afname van het oppervlak heeft tot gevolg dat de stromingssnelheid van het medium Ml in de buis 6 zal toenemen om een constante massastroom in stand te houden: Vuit > Vin. Door de lagere stromingssnelheid in het eerste deel van de buis 6, nabij de brander 2, is de verblijfstijd van het medium Ml in dat deel van de buis 6 relatief lang, waardoor het dan nog zeer hete medium Ml een grotere hoeveelheid warmte kan overdragen aan het medium M2. Naarmate de stromingssnelheid toeneemt als gevolg van de vernauwing van de buis 6 neemt de verblijfstijd af, waardoor ook minder warmte overgedragen zal worden.

Dit effect wordt gecompenseerd doordat in het getoonde voorbeeld ook de omtreksvorm van de buis 6 verandert, en wel zo dat verhouding tussen de omtrek P en het oppervlak A van de doorsnede toeneemt. Hierdoor komt per eenheid doorstroomoppervlak A van de buis 6 een steeds groter wanddeel 16 van de buis 6 beschikbaar voor warmtewisselend contact tussen de beide media Ml en M2 aan weerszijden van de wand 16.

In het getoonde voorbeeld varieert de buitenmaat van de buis 6 niet. Het oppervlak A past op ieder punt van de buis 6 binnen eenzelfde omhullende 17. Hierdoor kunnen de buizen 6 eenvoudig met constante tussenruimte naast elkaar opgenomen worden in het huis 7. De variatie van de omtreksvorm P en de oppervlakte A van de buis 6 wordt daarbij gevonden binnen deze constante omhullende 17.

Daartoe wordt de wand 16 van de buis 6 plaatselijk vervormd. In het getoonde voorbeeld is de wand 16 op drie plaatsen naar binnen geplooid, waardoor drie uitsparingen 18 ontstaan. Deze uitsparingen 18 nemen in de stromingsrichting beschouwd toe in diepte en breedte, waardoor de gezochte verkleining van het oppervlak A en de gewenste vergroting van de omtrek P wordt bereikt. De doorsnede van de buis 6 krijgt op deze wijze de vorm van een driepuntige ster met afgeronde punten (Fig. 4).

Een cirkel heeft de kleinste verhouding tussen de omtrek en het omsloten oppervlak. Zoals te zien bij vergelijking van Figuren 3 en 4 is de omtrek PUit van de "stervorm" aanzienlijk langer dan die van de cirkel - Pin. Tegelijkertijd is het door de stervorm omsloten oppervlak Auit aanzienlijk kleiner dan het door de cirkel omsloten oppervlak Ain - het verschil wordt gevormd door de oppervlakten van de uitsparingen 18. Dit hangt natuurlijk samen met het feit dat de stervorm binnen dezelfde omhullende 17 valt als de cirkel.

De variatie in het oppervlak A en de omtreksvorm P van de buis 6 verloopt overigens geleidelijk, zodat er geen risico bestaat stromingsloslating en turbulentie in de buis 6. De wand 16 gaat vloeiend over van een cilinder in een geplooide vorm, waarna de plooien gelijkmatig in omvang toenemen.

Bij een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding zijn de buizen 6 voorzien van vier uitsparingen 18 en lopen zij uit in een vierpuntige ster (Fig. 8). Hierdoor is de verhouding tussen de omtrek P en het oppervlak A nog groter, omdat de wand 16 sterker afwijkt van de cirkelvorm. Een groter aantal uitsparingen 18 leidt tot een relatief langere omtrek P en dus een grotere warmtewisselende wand 16.

Deze uitvoering van de buis 6 is getoond in combinatie met een warmtewisselaar 3 voor een tapwaterinstallatie 20. De instroomopening 10 van het huis 7 is hier verbonden met een leiding 21 die koud water aanvoert vanaf een (hier niet getoonde) waterbron, bijvoorbeeld het waterleidingnet. Dit koude tapwater wordt als warmteopnemend medium M2 door de warmtewisselaar 3 geleid en daarin op een gewenste temperatuur gebracht door het contact met het medium Ml (de rookgassen) in de buizen 6 (waarvan slechts een deel getoond is). Daarna verlaat het opgewarmde tapwater de warmtewisselaar door de uitstroomopening 12 en stroomt door een leiding 22 naar een (hier niet getoond) tappunt, bijvoorbeeld een drinkwaterkraan. Ook bij deze uitvoering staan de buizen 6 weer ongeveer dwars op de richting waarin het medium M2 van de instroomopening 10 naar de uitstroomopening 12 door het huis 7 stroomt.

Verder is bij deze uitvoering onderin de verzamelkamer 8 voor de rookgassen nog een afvoeropening 23 voor condens getoond. Wanneer de rookgassen hun warmte afgeven aan het tapwater en daarbij afkoelen, zal in de rookgassen aanwezige waterdamp condenseren en zal de condens zich verzamelen op het laagste punt van de warmtewisselaar 3, in het getoonde voorbeeld dus op de bodem van de verzamelkamer 8. Hoewel niet getoond kan ook in de eerste uitvoering een dergelijke condensafvoer aanwezig zijn.

Hoewel de uitvinding hiervoor is toegelicht aan de hand van een tweetal voorbeelden, zal het duidelijk zijn dat deze daartoe niet is beperkt, maar op velerlei wijze kan worden gevarieerd. Zo verlopen bijvoorbeeld de uitsparingen in de getoonde voorbeelden in axiale richting van de buis, maar is het ook denkbaar dat zij onder een hoek met de axiale richting verlopen, waardoor de buiswand een enigszins getordeerd uiterlijk krijgt. Verder zijn de uitsparingen in de getoonde voorbeelden gelijkmatig over de omtrek van de buis verdeeld, maar dit is niet noodzakelijk. Ook andere verdelingen zijn mogelijk. Ook kan een andere uitgangsvorm voor de buizen worden gekozen dan de getoonde cirkelvorm. Zo zou de instroomzijde van de buizen elliptisch uitgevoerd kunnen zijn, eventueel zelfs met afgeplatte zijden. Ook niet-gekromde omtreksvormen, zoals al dan niet regelmatige veelhoeken zouden denkbaar zijn. Verder kunnen de buizen en daarmee uitgeruste warmtewisselaars ook in andere toepassingen dan CV-installaties en tapwatersystemen worden toegepast. Ook in industriële procesinstallaties kan de in lengterichting variabele doorsnede van de buizen voordelen bieden.

De omvang van de uitvinding wordt dan ook uitsluitend bepaald door de nu volgende conclusies.

Claims (15)

1. Warmtewisselaar, voorzien van ten minste één buis voor een eerste medium, welke ten minste ene buis in warmtewisselend contact verkeert met een daarlangs stromend tweede medium; - waarbij althans een deel van de buis een in lengterichting variabele doorsnede vertoont en waarbij een oppervlak van de doorsnede afneemt van een maximale waarde nabij een uiteinde van de buis tot een minimale waarde nabij een tegenovergelegen uiteinde daarvan; - waarbij de ten minste ene buis is opgenomen in een huis waarin het tweede medium stroomt; - waarbij het huis een in of nabij een eerste zijde gevormde instroomopening voor het tweede medium en een in of nabij een tweede zijde gevormde uitstroomopening voor het tweede medium vertoont, en een aantal buizen in hoofdzaak evenwijdig in het huis zijn aangebracht en een hoek insluiten met een lijn die de instroomopening en de uitstroomopening met elkaar verbindt; en - waarbij het huis met de instroomopening en uitstroomopening onderdeel vormt van een tapwaterleiding en de buizen onderdeel vormen van een rookgaskanaal van een verwarmingsbrander.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de omtreksvorm van de doorsnede van de buis in lengterichting van de buis varieert.

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat een verhouding tussen de omtrek en het oppervlak van de doorsnede van de buis toeneemt van een minimale waarde nabij een uiteinde van de buis tot een maximale waarde nabij een tegenovergelegen uiteinde daarvan.

4. Warmtewisselaar volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de verhouding tussen de omtrek en het oppervlak van de doorsnede van de buis toeneemt in de richting van de buis waarin het doorsnede-oppervlak afneemt.

5. Warmtewisselaar volgens één der conclusies 2-4, met het kenmerk, dat de omtreksvorm nabij het ene uiteinde van de buis in hoofdzaak rond is en nabij het andere uiteinde een in hoofdzaak platte vorm vertoont.

6. Warmtewisselaar volgens één der conclusies 2-4, met het kenmerk, dat de omtreksvorm nabij het ene uiteinde van de buis in hoofdzaak rond is en nabij het andere uiteinde in hoofdzaak stervormig is.

7. Warmtewisselaar volgens één der conclusies 2-6, met het kenmerk, dat de variatie van het oppervlak en/of de omtreksvorm van de doorsnede van de buis bereikt is door vervorming van althans een deel van een wand van de buis.

8. Warmtewisselaar volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat voor elke doorsnede van de buis een de doorsnede omhullende lijn bepaald is, en de omhullenden in hoofdzaak identiek zijn over de lengte van de buis.

9. Warmtewisselaar volgens conclusie 6 en 7, met het kenmerk, dat de variabele omtreksvorm gevormd is door ten minste één naar binnen geplooid deel van de buiswand.

10. Warmtewisselaar volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de variatie van het oppervlak en/of de omtreksvorm van de doorsnede van de buis in hoofdzaak gelijkmatig verloopt.

11. Warmtewisselaar volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het eerste medium een verwarmingsmedium is, en de ten minste ene buis verbonden is met een warmtebron, terwijl het tweede medium een warmteopnemend medium is.

12. Warmtewisselaar volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat het uiteinde van de ten minste ene buis waar het doorsnede-oppervlak maximaal is en/of de verhouding tussen de omtrek en het oppervlak van de doorsnede een minimale waarde vertoont met de warmtebron verbonden is.

13. Warmtewisselaar volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het huis met de instroomopening en uitstroomopening onderdeel vormt van een kringloop in een centrale verwarmingsinstallatie en de buizen onderdeel vormen van een rookgaskanaal van een verwarmingsbrander.

14. Centrale verwarmingsinstallatie, omvattende een verwarmingsbrander, een zich langs een of meer ruimten uitstrekkende kringloop waarin een medium circuleert en een de brander en de kringloop met elkaar verbindende warmtewisselaar volgens één van de voorgaande conclusies.

15. Tapwaterinstallatie, omvattende een verwarmingsbrander, een zich vanaf een waterbron naar een tappunt uitstrekkende waterleiding en een de brander en de waterleiding met elkaar verbindende warmtewisselaar volgens één van de voorgaande conclusies.