NL9301995A - Vinbuis voor een warmteuitwisselinrichting. - Google Patents

Description

Titel: Vinbuis voor een warmteuitwisselinrichting.

De uitvinding heeft betrekking op een vinbuis, in hetbijzonder geschikt voor gebruik in een warmteuitwisselings-inrichting, welke vinbuis is vervaardigd uit metaal en isvoorzien van een buisvormig lijf dat een doorvoerkanaalbepaalt, aansluitmiddelen en zich vanaf het lijf uitstrekkendevin-vormige uitsteeksels.

Bij het verwarmen van vloeistoffen door warmteuitwis-seling wordt gebruik gemaakt van buizen, waarbij door eendoorvoerkanaal of aan de buitenzijde om de buis een sterk ver¬hit fluïdum wordt gevoerd. De buizen worden daardoor verhit enkunnen de aldus opgenomen warmte afgeven aan een te verwarmenvloeistof. Ten einde een goede warmteoverdracht te verkrijgentussen het verhitte fluïdum en de te verwarmen vloeistof zijndeze buizen gebruikelijk voorzien van op regelmatige onder¬linge afstanden van elkaar aangebrachte, zich vanaf de buiten¬zijde van de buis uitstrekkende vinnen. Een dergelijke buiswordt een vinbuis genoemd, en heeft het voordeel dat het con¬tactoppervlak als gevolg van de vinnen relatief groot is.

Vinbuizen worden vervaardigd door een geëxtrudeerdbuisvormig profiel met behulp van nabewerkingen, zoals draaienof frezen, of door bijvoorbeeld oplassen of koudvervormen tevoorzien van ten minste een reeks vinnen. Bovendien worden bijbekende vinbuizen de einden op vergelijkbare wijze voorzienvan bijvoorbeeld groeven voor het aanbrengen van pakkingringenof dergelijke afdicht- en aansluitmiddelen.

Het nabewerken van de geëxtrudeerde buizen heeft alsbelangrijk nadeel dat deze vinbuizen daardoor relatief duurzijn in productie. Bovendien gaat bij het nabewerken veelmateriaal verloren. Voorts hebben deze nabewerkingen alsgevolg dat spanningen in het materiaal ontstaan, die tijdensgebruik bijvoorbeeld spanningsbreuken tot gevolg kunnen heb¬ben. De bekende vinbuizen die door draaien worden nabewerktzijn relatief groot en hebben een regelmatige rotatiesymmetri-sche vorm, waardoor warmteuitwisselinrichtingen voorzien van dergelijke vinbuizen volumineus zijn en een rendement hebbendat niet optimaal is.

De uitvinding beoogt derhalve een vinbuis van de in deaanhef beschreven soort, waarbij de genoemde nadelen zijn ver¬meden en die een goede warmteoverdracht mogelijk maakt. Devinbuis volgens de uitvinding wordt daartoe gekenmerkt doordatdeze door spuitgieten in een matrijs is vervaardigd.

Door de vinbuis volgens de uitvinding door spuitgietenin een matrijs te vervaardigen wordt het voordeel bereikt datde vinnen en aansluitmiddelen direct aan het lijf kunnen wor¬den gevormd, zonder dat daarbij na het uitnemen van de vinbuisnog verdere vormende nabewerkingen noodzakelijk zijn. Bij dezevervaardigingswijze gaat slechts een minimum aan materiaalverloren en wordt een grote vrijheid in de vormgeving vanonder andere de vinnen en het doorvoerkanaal verkregen, waar¬door een optimale warmteoverdracht mogelijk kan wordengemaakt.

De in het algemeen in CV-ketels toegepaste vinbuiswordt aan de buitenzijde, in een richting loodrecht op hetdoorvoerkanaal omstroomd door rookgassen. Bij vinbuizen meteen cirkelvormige doorsnede is in bedrijf de in stroomaf¬waartse richting van de rookgassen gekeerde buitenzijde van debuis beduidend koeler dan de in stroomopwaartse richting vande rookgassen gekeerde buitenzijde van de buis doordat de instroomafwaartse richting gekeerde zijde van de vinbuis veelminder intensief in contact is met de hete rookgassen.

Bij de vinbuis volgens de uitvinding bestaat de moge¬lijkheid zowel het lijf als de vinnen van de vinbuizen eenanders dan cirkelvormige doorsnede te geven. De doorsnede vande buis en de uitvoering van de vinnen kan, doordat de buisdoor spuitgieten is vervaardigd, zodanig worden uitgevoerd datbij omstroming van de buis door gas loodrecht op het doorvoer¬kanaal de intensiteit van het contact tussen de buis en hetomstromende gas optimaal is. Zo kan bijvoorbeeld het oppervlakvan de in stroomafwaartse richting van de rookgassen gekeerdezijde van de vinbuis tot een minimum worden beperkt. Aldus kan een aanzienlijk beter thermisch rendement van de gehele ketelworden verkregen.

In een bijzonder voordelige uitvoeringsvorm van devinbuis volgens de uitvinding heeft deze een in hoofdzaakovale, en bij voorkeur ellipsvormige doorsnede. Daardoor kaneen relatief groot aantal vinbuizen in een smalle ruimte wor¬den geplaatst, waardoor met een relatief klein volume van eenwarmteuitwisselingsinrichting een grote capaciteit kan wordenverkregen. Bovendien wordt, wannneer de vinbuizen zodanig zijngepositioneerd dat de lange as van de ellipsvormige doorsnedezich uitstrekt in de stromingsrichting van het rookgas,bewerkstelligd dat het grootste deel van het oppervlak inintensief contact is met de hete rookgassen aangezien hetoppervlak van de in stroomafwaartse richting van het rookgasgekeerde buitenzijde van de vinbuis dan minimaal is.

Volgens een nadere uitwerking van de uitvinding kanter vergroting van het warmtewisseloppervlak het binnenopper-vlak van de vinbuis zijn voorzien van zich evenwijdig aan hetdoorvoerkanaal uitstrekkende ribben.

In een nadere uitwerking van de vinbuis volgens deuitvinding heeft het lijf van de vinbuis in lengterichtinggezien een onregelmatige wanddikte en heeft het doorvoerkanaaleen variërende doorsnede. Daardoor kan dè stromingssnelheiddoor het doorvoerkanaal van de vinbuis, de mate van warmteaf-gifte door het verhitte, stromende fluïdum daaraan, en de matevan warmteafgifte aan de te verwarmen vloeistof op optimalewijze worden geregeld, waardoor het rendement van de warmte¬uitwisselingsinrichting, voorzien van een aantal vinbuizenvolgens de uitvinding aanmerkelijk kan worden verhoogd tenopzichte van een warmteuitwisselingsinrichting, die is voor¬zien van een aantal bekende vinbuizen.

De vinnen zijn bij een alternatieve uitvoeringsvormvan de vinbuis volgens de uitvinding met verschillende tussen¬afstanden op het lijf, hellend ten opzichte van het doorvoer¬kanaal aangebracht, en hebben een gekromd oppervlak. Doordatde vinnen met onregelmatige tussenafstanden op het lijf zijn aangebracht is het contactoppervlak op' verschillende positieslangs de vinbuis verschillend, waardoor de warmteoverdrachtverder kan worden geoptimaliseerd. Doordat de vinnen hellendten opzichte van het doorvoerkanaal zijn geplaatst en eengekromd oppervlak hebben, kan het tijdens gebruik langs devinbuis stromende fluïdum in werveling worden gebracht, waar¬door een beter contact tussen het fluïdum en de vinbuis, endaarmee een betere warmteoverdracht wordt verkregen. Bovendienheeft deze uitvoeringsvorm het voordeel dat de vinbuis eenrelatief kleine inbouwbreedte heeft, bij een relatief grootcontactoppervlak.

In een verdere uitvoeringsvariant van de vinbuis vol¬gens de uitvinding zijn de vinnen hol en naar het doorvoerka¬naal open uitgevoerd. Daardoor kan tijdens gebruik het doorhet doorvoerkanaal stromende fluïdum tevens door de vinnenstromen, waardoor het contactoppervlak tussen de vloeistof ende binnenzijde van de vinbuis aanmerkelijk is vergroot.

Het zal duidelijk zijn dat de vinbuis volgens- de uit¬vinding kan worden gebruikt in warmteuitwisselinrichtingen metverschillende werkingsprincipes. Zo kan bijvoorbeeld een ver¬hitte vloeistof of gas door het doorvoerkanaal worden geleid,en de vinbuis zijn omgeven door stilstaande of stromende, teverwarmen vloeistof, of kan een te verwarmen vloeistof doorhet doorvoerkanaal worden geleid, en de vinbuis zijn omgevendoor een verhitte vloeistof of gas. De vinbuis kan derhalvedirect of indirect worden verhit.

Ter verduidelijking van de uitvinding zal een aantaluitvoeringsvoorbeelden van de vinbuis, onder verwijzing naarde tekening, worden beschreven

Fig. 1 toont een vinbuis volgens de uitvinding, indeels doorgesneden zij-aanzicht; fig. 2 toont een dwarsdoorsnede-aanzicht van de vin¬buis volgens de lijn II - II in fig. 1; fig. 3 toont een dwarsdoorsnede-aanzicht van eenalternatieve uitvoeringsvorm van een vinbuis volgens de uit¬vinding; en fig. 4 toont een alternatieve uitvoering van de vin-buis volgens de uitvinding, in doorsnede-aanzicht.

De vinbuis zoals getoond in fig. 1 omvat een buisvor¬mig lijf 1, voorzien van een doorvoerkanaal 2, dat aansluit-baar is op een in de tekening niet weergegeven aan- en afvoer¬kanaal. Vanaf het lijf 1 strekt zich een reeks door tussen¬ruimten 8a-8z van elkaar gescheiden vinnen 3a-3z uit, waarbijde vinnen 3 elk in een vlak liggen dat ongeveer haaks op delengterichting van het doorvoerkanaal 2 staat. De in de teke¬ning gezien onderste vin 3a en de bovenste vin 3z liggen elkop enige afstand van het nabijgelegen einde 4 resp. 5. Aantwee diametraal gelegen zijden van het lijf 1 strekt zich tus¬sen de onderste vin 3a en de bovenste vin 3z een rug 6 uit.Door het doorvoerkanaal 2 van de vinbuis stroomt een fluïdum,bijvoorbeeld een te verhitten vloeistof zoals CV-water. Rondomde vinbuis stroomt, in het algemeen in een richting die zichuitstrekt in een loodrecht op het doorvoerkanaal 2 gelegenvlak, een fluïdum. Het fluïdum kan bijvoorbeeld een heet gaszijn, zoals heet rookgas afkomstig van een brander.

Zoals blijkt uit fig. 2 hebben de vinnen en het door¬voerkanaal 2 volgens fig. 1 een ellips-vormige doorsnede,waarbij de beide ruggen 6 op de korte as- K van de ellips zijngelegen. De ellipsvormige doorsnede leidt tot een verbeterdewarmteuitwisseling tussen het, de vinbuis in een richting 10loodrecht op het doorvoerkanaal 2 omstromende fluïdum, zoalsbijvoorbeeld hete rookgassen, en de vinbuis. Bovendien kan metellips-vormige buizen een betere opvulling van de ruimte,zoals bijvoorbeeld een rookgaskanaal, waardoorheen het omstro¬mende fluïdum 10 stroomt worden verkregen dan wanneer dezeruimte wordt gevuld met vinbuizen met een cirkelvormige door¬snede. Het doorvoerkanaal 2 van de vinbuis heeft een door¬snede, die vanaf het midden naar de uiteinden een toenemendoppervlak heeft, terwijl de wanddikte 7 in dezelfde richtingafneemt. Dit is bijzonder voordelig indien de, eventueel onderdruk spuitgegoten vinbuis lossend moet zijn opdat de doornenter vorming van het doorvoerkanaal 2 uit dit doorvoerkanaal 2 kunnen worden verwijderd. Eventueel kan, zoals weergegeven infiguren 1, 2 en 3 het binnenoppervlak van het doorvoerkanaal 2zijn voorzien van zich in lengterichting uitstrekkende ribben11. Deze ribben 11 vergroten het warmte-uitwisselingsoppervlakaan de binnenzijde van de buis hetgeen een verbetering van hetrendement van de vinbuis bewerkstelligt.

In een alternatieve uitvoeringsvorm van de vinbuis,zoals getoond in fig. 3 hebben de vinnen 3 een ellipsvormigedoosnede, terwijl het doorvoerkanaal 2 een cirkelvormige door¬snede heeft. Deze uitvoeringsvorm heeft het voordeel dat devinnen 3 een optimale warmteuitwisseling mogelijk maken, ter¬wijl de vinbuis kan worden aangesloten op gebruikelijke cir¬kelvormige aansluitopeningen, waarbij voor de afdichting alge¬meen verkrijgbare afsluitmiddelen kunnen worden gebruikt,zoals O-ringen. In de in fig. 3 weergegeven uitvoeringsvorm ishet doorvoerkanaal 2 in het midden van de ellipsvormige vinnen3 geplaatst, maar het is uiteraard evenzeer mogelijk het mid¬den van de doorsnede van het doorvoerkanaal 2 dichter bij één'van de randen van de ellips- of eventueel!andersvormige vinnen3 te leggen, waardoor aan één zijde van de vinbuis een groterwarmteoverdragend oppervlak wordt verkregen dan aan de tegen¬over gelegen zijde.

De tussenruimte 8 tussen de vinnen 3 kan in het middenkleiner zijn dan aan de uiteinden. De minder goede warmte-uit-wisseling in het midden van de vinbuis, die ontstaat door degrotere stroomsnelheid aldaar welke het gevolg is van hetkleinere doorstroomoppervlak in het midden van de vinbuis,wordt aldus gecompenseerd door het grotere aantal vinnen 3 perlengte-eenheid.

Fig. 4 is een doorsnede-aanzicht van een ander uitvoe-ringsvoorbeeld van een vinbuis volgens de uitvinding. Hetgetoonde uitvoeringsvoorbeeld wordt gekenmerkt door een grotevormvariëteit van de vinnen 12 van de vinbuis. De vinnen 12zijn zelfs gedeeltelijk hol 13 uitgevoerd hetgeen de warmte-uitwisselingseigenschappen van de vinbuis in positieve zinbeïnvloedt. Bovendien zijn de vinnen 12 enigszins schuin ten opzichte van het doorvoerkanaal 2 opgesteld hetgeen wervelin¬gen van het omstromende fluïdum 10 kan veroorzaken, waardoorde intensiteit van het contact tussen het omstromende fluïdumen de vinbuis gunstig wordt beïnvloed en derhalve het warmte-uitwisselingrendement van de vinbuis wordt verbeterd. Het isduidelijk dat bij de vervaardiging van een dergelijke vinbuiseen afbreekbare kern moet worden toegepast omdat het doorvoer¬kanaal 2 door de van holtes 13 voorziene vinnen 12 een niet-lossende vorm heeft.

Opgemerkt wordt dat de uitvinding niet is beperkt totde getoonde uitvoeringsvoorbeelden maar dat diverse wijzigin¬gen mogelijk zijn zonder buiten het raam van de uitvinding tetreden.

Claims (12)

1. Vinbuis, in het bijzonder geschikt voor gebruik in eenwarmteuitwisselings-inrichting, welke vinbuis is vervaardigduit metaal en is voorzien van een buisvormig lijf (1) dat eendoorvoerkanaal (2) bepaalt, aansluitmiddelen (4, 5) en zichvanaf het lijf uitstrekkende vin-vormige uitsteeksels (3, 12),met het kenmerk, dat de vinbuis door spuitgieten in eenmatrijs is vervaardigd.

2. Vinbuis volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat dedoorsnede van de buis (1) en de uitvoering van de vinnen (3;12) door het spuitgieten zodanig zijn vormgegeven, dat bijomstroming van de buis door gas in hoofdzaak loodrecht op hetdoorvoerkanaal (2) de intensiteit van het contact tussen devinbuis en het omstromende gas optimaal is.

3. Vinbuis volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat devinbuis een in hoofdzaak ovale, en bij voorkeur ellipsvormigedoorsnede heeft.

4. Vinbuis volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat hetdoorvoerkanaal (2) een in hoofdzaak cirkelvormige doorsnedeheeft.

5. Vinbuis volgens één der voorgaande conclusies, met hetkenmerk, dat het binnenoppervlak van de vinbuis is voorzienvan zich evenwijdig aan het doorvoerkanaal (2) uitstrekkenderibben (11).

6. Vinbuis volgens één der voorgaande conclusies, met hetkenmerk, dat het lijf (1) een onregelmatige wanddikte (7)heeft.

7. Vinbuis volgens één der voorgaande conclusies, met hetkenmerk, dat het doorvoerkanaal (2) in lengterichting gezieneen variërende doorsnede heeft.

8. Vinbuis volgens één der voorgaande conclusies, met hetkenmerk, dat de vinnen (3; 12) met verschillende tussenafstan-.den (8) op het lijf (1) zijn aangebracht.

9. Vinbuis volgens één der voorgaande conclusies, met hetkenmerk, dat de vinnen (12) ten.opzichte van het doorvoerka¬naal (2) hellend zijn aangebracht.

10. Vinbuis volgens één der voorgaande conclusies, met hetkenmerk, dat de vinnen (12) een gekromd oppervlak hebben.

11. Vinbuis volgens één der voorgaande conclusies, met hetkenmerk, dat de vinnen (12) hol (13) en naar het doorvoerka¬naal (2) open zijn uitgevoerd.

12. Vinbuis volgens één der voorgaande conclusies, met hetkenmerk, dat de aansluitmiddelen (4, 5) een aan de vinbuisgevormde opneemruimte voor een pakking omvatten.