NO142050B - Varmeveksler, saerlig saakalt solvarmefanger - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører en varmeveksler, særlig såkalt solvarmefanger, omfattende et panel av metall med et indre system med rørformede kanaler for et varmevekslemedium anordnet mellom veggpartiene av panelmaterialet og som strekker seg mellom ved panelets ender anordnede fordelere/samlere, og hvor fordeleren og samleren henholdsvis har et innløp og et utløp som strekker seg fra samme til hver sin endekant av panelet og slutter med innløps-hhv. utløpsåpning for varmevekslemedium som strømmer fra fordeleren gjennom kanalene til samleren.

Varmevekslere av denne art er kjent i forskjellige utfø-relser. I US patent 2 609 002 er det beskrevet på hvilken måte en sådan varmeveksler kan fremstilles. I US patent nr. 3 067 492

er en varmeveksler beskrevet i form av et ved oppblåsing av et platelaminat fremstilt metallpanel med flere plater med langsgående kanaler som sett i tverrsnitt er innbyrdes forskjøvet i panelets bredderetning. US patent 3 346 936 beskriver en fremgangsmåte til fremstilling av et panel med et innvendig rørsystem omfatten-

de rørformede kanaler og forgreningsseksjoner eller dobbeltkanaler som er anordnet i serie etter hverandre og med en rørtilkobling ved panelets ene endekant. I US patent 3 364-549 er en fremgangsmåte beskrevet til fremstilling av et med kanaler forsynt panel omfattende en tett plate av metall og en plate av porøst materiale. Panelets innbyrdes parallelle, langsgående kanaler er forbundet

med hverandre ved hjelp av tverrgående kammere ved enden av panelet Tysk offti.skrift DE OS 2 318 642 angår en varmeveksler som består av to fortrinnsvis ved støpning fremstilte platedeler som er forsynt med utvendige ribber og som mellom seg danner et kanalsystem. Panelet er forsynt med et eller flere innløp og turbulensfremkal-lende elementer kan være anordnet i panelets passasjer.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe en varmeveksler av den innledningsvis nevnte art, men med fordeler- og samler-kammere utformet og anordnet slik at det oppnås best mulig fordeling av det strømmende medium under passering fra innløpet til de parallelle kanaler og fra kanalene til utløpet. Ifølge oppfinnelsen er dette oppnådd ved at fordeleren og samleren stort sett har trekantet omriss, hvor en av trekantens sider er dannet av kanalinnløpene og hvor fordelerens innløpsparti og samlerens utløpsparti danner en vinkel med innløpets og utløpets akse som er minst 91°, og hvor fordeleren og samleren omfatter flere kompakte partier av panelmaterialet som forbinder fordelerens/samlerens motsatte sidevegger i tykkelsesretningen og tjener til bedre fordeling av fluidumstrømmen mellom innløpet og kanalene og med effektiv oppsamling mellom kanalene og utløpet.

Den ensartede og jevne strømning gjennom panelets kanaler resulterer umiddelbart i maksimal utnyttelse av panelets varme-overføringskapasitet. Risikoen for oppsamling av gasser og dermed dannelse av gasslåser som forhindrer varmeoverføring, unngås. Anordningen av de kompakte materialpartier som forbinder fordelerens og samlerens motsatte sidevegger med hverandre, bidrar direkte til økning av panelets konstruksjonsstyrke.

Ved en foretrukken utførelse omfatter fordeleren/samle-

ren flere parallelle fordelingskanaler forløpende stort sett på tvers av varmevekslerens gjennomstrømningsretning.

I det minste et kompakt parti som er utført kileformet,

kan være anordnet foran innløpet/utløpet i fordeleren/samleren.

Innløps/utløps-partiene av fordeleren/samleren, som danner en vinkel på minst 91° med innløpet henholdsvis utløpet, kan ha kamaktig eller bølgeaktig ytteromriss.

Vinkelen mellom innløpet/utløpet og fordelerens/samlerens innløpsparti/utløpsparti kan være mellom 92,5° til 97,5°.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere i forbindelse med metallpaneler som har et system med indre fluidumkanaler ved hjelp av eksempler og under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser skjematisk på hvilken måte panelene iføl-ge oppfinnelsen kan benyttes. Fig. 2 er et perspektivriss av en metallflate med et mønster av sveisehindrende materiale påført overflaten, fig. 3 er et perspektivriss av et sammensatt metall-emne med to metallplater anbragt på hverandre med det sveisehindrende mønster beliggende mellom dem, mens fig. 4 viser i perspek-tiv og skjematisk hvordan flatene sveises sammen mens de føres mellom to valser. Fig. 5 er et grunnriss av et panel ifølge oppfinnelsen med indre rørformede kanaler beliggende mellom adskilte panelpartier med panelets tykkelse, idet kanalene ligger hvor det sveisehindrende materiale befant seg. Fig. 6 viser et snitt langs lin-jen 6-6 på fig. 5, og fig. 7 viser et alternativt snittriss med en annen kanalutforming. Fig. 8,9,10,11,12 og 13 er toppriss som viser forskjellige panelutforminger ifølge oppfinnelsen.

Panelene ifølge oppfinnelsen benyttes fortrinnsvis i et varmesystem basert på solenergi, som vist på fig. 1, hvor et antall paneler 10 ifølge oppfinnelsen er anordnet på taket 11 av en bygning 12 med kanaler 13 og 14 forbundet på en hensiktsmessig måte med bygningens utstyr ved hjelp av forbindelser som ikke er vist. Kaldt vann kan f.eks. føres inn i kanalen 13 fra bygningen 12 ved hjelp av en vanlig pumpe e.l. Vannet strømmer langs en

felles fordelingskanal 13a og fordeles over panelene 10. Vannet strømmer gjennom panelene 10 og oppvarmes av solenergien, og sam-les i samlekanaler 14a og strømmer inn i kanalen 14. Det oppvarmede vann oppmagasineres eller utnyttes på kjent måte i et varme-vekslersystem. Om ønsket kan vannstrømmen reverseres, slik at kaldt vann kommer gjennom ledningen 14 og varmt vann går ut gjennom ledningen 13. Alternativt kan solvarmeenheten ifølge oppfinnelsen benyttes eller plasseres i hvilke som helst passende omgi-velser, såsom på bakken med hensiktsmessige fester for å hindre

forskyvning på grunn av vind eller som følge av tyngden. Solvarmeenheten ifølge oppfinnelsen kan brukes til oppvarming av boli-ger, såsom for tilbereding av varmt vann i leiligheter e.l. Som eksempel kan nevnes at tre paneler ifølge oppfinnelsen med dimen-sjoner 2,4 x 1,2 m ville sikre tilstrekkelig varmtvannstilførsel for en gjennomsnittshusholdning på fire. Alternativt kan solpane-lene ifølge oppfinnelsen benyttes til oppvarming av vann i svømme-bassenger eller til forvarming av vann for gassfyrte eller olje-fyrte varmtvannsberedere til husholdningsbruk. Fluidumet er fortrinnsvis anbragt i et lukket system, hvor vann oppvarmes i solvarmeenheten og leveres til en isolert sisterne eller tank, slik at det oppvarmede fluidum kan oppsamles mens det er solskinn for å brukes når det er skyet eller om natten når oppvarmingen av fluidumet i panelene ikke vil bli tilstrekkelig for å sikre den nødvendige varmemengde på forbruksstedet.

En termostat som ikke er vist, er hensiktsmessig plassert på toppen av solvarmeenheten og termostaten kan være innstilt for igangsetting av en sirkulasjonspumpe hver gang temperaturen når et forutbestemt nivå. Pumpen vil da pumpe vann gjennom systemet stort sett som forklart ovenfor.

Som nevnt angår oppfinnelsen en særlig foretrukket pa-nelutførelse for maksimal utnyttelse av et solvarmesystem. Panelet ifølge oppfinnelsen fremstilles hensiktsmessig som forklart i U.S. patent 2 609 002. Fig. 2 viser en enkelt panelplate 20 av metall, f.eks. aluminium eller kobber eller legeringer derav, som på sin rene flate 21 er påført et mønster av sveisehindrende materiale 22 som svarer til det endelige forønskede kanalmønster. Fig<*>.

3 viser platen 20 anbragt på en annen plate 23 med et mønster av

sveisehindrende materiale 22 beliggende mellom dem. Platene 20 og 23 heftes sammen ved hjelp av heftesveiser 24 for å hindre forskyvning mellom dem, hvoretter platene sveises sammen, som vist på fig. 4, ved at de føres mellom to valser 25 for dannelse av et sveiseemne 26. Vanligvis er det nødvendig at platene 20,23 opphe-tes før passeringen av valsene for å sikre grundig sammensveising, men en annen kjent teknikk kan også benyttes.

Emnet 26 består altså av plater 20 og 23 som er sveiset sammen bortsett fra det område hvor det finnes eller fantes

sveisehindrende materiale 22. Emnet 2 6 kan gjøres mykere på en ;

hensiktsmessig måte, såsom ved anløpning, og deretter kan emnet

kaldvalses for oppnåelse av jevnere tykkelse og anløpes på ny. Partiet av-panel som ligger innved, det sveisehindrende materiale-

22 blåses så opp ved innføring av et fluidum under trykk, såsom luft eller vann, for på kjent måte å danne et system av indre rør-formede kanaler 30 forløpende etter det mønster som det sveisehindrende materiale på fig. 5 hadde. Kanalene 30 strekker seg i panelet 10 mellom adskilte partier av panelets tykkelse. Panelet 10 utgjør således et hult panel eller en hul plate med et kanalsystem 30 for et varmevekslemedium. Hvis kanalene dannes ved oppblåsing ved innføring av fluidum under trykk mellom plane dynepla-ter, vil kanalformen være med flat topp, som vist ved 31 på fig. 6. Hvis kanalene 30 blåses opp uten begrensning, vil formen bli halvsirkelaktig, som vist ved 32 på fig. 7.

Av fig. 5 fremgår at kanalene 30 omfatter også motsatte samlekanaler 33 som er forbundet med forbindelsespartier 34 av nevnte kanaler som strekker seg langs panelet 10 mellom samlekanalene 33 for å forbinde disse med hverandre. De motsatte samlekanaler 33 strekker seg i en retning på tvers av de langsgående kanaler. Fortrinnsvis er de motsatte samlekanaler 33 forbundet med flere adskilte, parallelle bindepartier 34 av kanalene som strekker seg mellom samlekanalene.

Kanalene omfatter et innløpsparti 35 og et utløpsparti 36 som går ut av samlekanalene 33 for dannelse av innløps- og ut-løpsåpninger for varmevekslemediet. Det er et viktig trekk ved oppfinnelsen at samlekanalene danner en vinkel 37 på minst 91° med fluidumstrømmen og stort sett med innløps- og utløpspartiene henh. 35 og 36, som de strekker seg fra. Vanligvis ligger vinkelen mellom 92° og 100° og fortrinnsvis fra 92^° til 97^°. Valget av vinkelen 37 sikrer en på skrå forløpende samlekanal som til-later jevn fluidumfordeling i panelet 10. Det er således tilveie-bragt en innretning for fullstendig tømming av fluidet fra enheten og for tømming av oppsamlede gasser, slik at luftlås eller luft-lommer unngås. Sikring av riktig tømming overvinner alvorlige vanskeligheter som man hittil hadde. Riktig tømming reduserer f.eks. muligheten for at mediet i panelet fryser med den eventuel-le følge at rørveggen utvides og til slutt brister. Dessuten eli-minerer fullstendig tømming av fluidum muligheten for avleiring i enheten, hvilket ellers ville skape et miljø som lett kan frem-bringe korrosjon. En effektivt tømt enhet tilveiebringer et mer effektivt system og dermed en mer fullstendig utnyttelse av den solenergi man har til rådighet.

Et ytterligere og viktig trekk ved panelene ifølge oppfinnelsen er anordningen av samlekanalene 33 som omfatter sammenbundne partier 38 av metall som er sveiset sammen for tilveie-bringelse av større styrke i samlekanalsystemet og bedre fluidum-strømkontroll og retningsstabilitet og for å tilveiebringe, avbrudd i strømmen av varmevekslemedium. Dette kan lett oppnås ved at man ikke plasserer noe sveisehindrende materiale i de partier som ønskes bundet sammen til bindepartier 38. Som vist på fig. 5 fore-trekkes det samlekanaler som er vaffelaktig utformet ved at flere sammenbundne platepartier 38 mer eller mindre symmetrisk er plassert ved begge samlekanaler 33 slik at fluidumstrømmen ledes på en forutbestemt måte. Selvfølgelig kan også usymmetriske mønstere for bindepartiene 38 benyttes og forskjellige mønstere kan fore-komme .

Ved den foretrukne utførelse skjærer innløps- og utløps-partiene 35 hhv. 36 hver sin samle/dele-kanal på midten av samme og innløps- og utløpspartiene er i flukt med hverandre. Om ønsket kan imidlertid innløps- og utløpspartiene skjære de respektive samlekanaler ved panelets motsatte ender, slik som vist på fig. 10 for partiene 35c og 36c. Om ønsket kan disse innløps- og ut-løpspartier også forløpe i samme retning som samlekanalene, såsom vist med strekede linjer 35c' og 36c' på fig. 10. I dette tilfel-le vil vinkelen for samlekanalene være dannet med fluidumets strøm-ningsretning eller med horisontalen.

Den symmetriske utforming av panelene ifølge oppfinnelsen gjør håndteringen av panelene lettere, idet enhver av endene kan være toppen eller bunnen. Man kan også se at samlekanaler som forløper i vinkel, fremmer bedre drenering av panelets to en-departier.

Fig. 8,9 og 10 viser variasjoner i panelutformingen ifølge oppfinnelsen. Fig. 8 viser et panel 10a, hvor partiene av samlekanalene 33a, som danner en vinkel 37a med innløps- og ut-løpspartiene 35a hhv. 36a, er formet rundtakket som vist ved 40. Denne utforming sikrer hensiktsmessig og effektiv ledning av. fluidumstrømmen gjennom systemet. Som vist på fig. 8 er de motsatte samlekanaler 33a forbundet ved flere parallelle bindepartier 34a av kanalene forløpende mellom samlekanalene. Et antall bindepartier 38a er inkludert i samlekanalene 33a. Fig. 9 viser en al-ternativ utførelse hvor panelet 10b omfatter flere bindepartier

38b fordelt såvel over samlekanalsystemet 33b som over panelet. Dette system sikrer en effektiv oppdeling av fluidumstrømmen og

fordeling utover panelet samt en økning av panelets styrke foruten bra strømningskontroll og god retningsstabilitet over hele panelet. Panelet 10b har innløps- og utløpspartier 35b hhv. 36b som danner en vinkel 3 7b med samlekanalene 33b. Kanalenes bindepartier 34b strekker seg mellom samlekanalene 33b. Det midtre eller sentrale sammenbundne parti 39 kan benyttes som plasseringsføring under oppblåsningsoperasjonen.

Som vist på fig. 10 skjærer innløps- og utløpspartiene 35c og 36c hver sin samlekanal 33c ved panelets motsatte ender og danner en vinkel 37c med disse.

Som nevnt ovenfor kan panelene ifølge oppfinnelsen fremstilles med forskjellige mønstere og former for å sikre for-delaktig fluidumstrømning og fordeling. På fig. 11 er vist et panel 39 med samlekanaler 40 som er anordnet i en vinkel a beliggende mellom 91° og 100°, som forklart i forbindelse med vinkelen 37 på fig. 5. Panelet 39 har dessuten kanaler 41 som også er anordnet i en vinkel 6 i forhold til panelets lengdedimensjon bestemt ved panelets langsgående kant som antydet med streklinjen 42. Vinkelen med lengdekanten 4 2 er på minst 1° og vanligvis mellom 2° og 10°, og fortrinnsvis mellom 2^° og .7^°. Vinkelen p i forbindelse med vinkelen a sikrer tilsvarende hellinger i begge samlekanaler 40 og bindepartiene 41 som gjør det mulig at panelet 39 kan tømmes effektivt uavhengig av i hvilket plan panelet er mon-tert. Man vil forstå at panelet kan dreies 90°, slik at innløps-porten 42 og utløpsporten 43 mer eller mindre inntar hverandres plass som antydet med strekede linjer og henvisningstall 42' og 43'. Panelet 39 er således mer anvendelig med hensyn til plassering og kan monteres både horisontalt og vertikalt og det er sta-dig en passende helling til stede for sikker strømning og tømning av fluidum. De sammenbundne partier 45 i samlekanalsystemet 40 bidrar til større styrke og bedre strømningsfordeling.

Fig. 12 viser enda en utførelse av panelet hvor panelet 46 er utstyrt med samlekanaler 47 med stort sett trekantform og med begrensningssider 48 som danner en del av kanalenes 49 ytre omkrets og dessuten to av samlekanalsystemets tre sider.

Begrensningssidene 35 går i ett med fluidumportene med innløpsparti 49 og utløpsparti 50, slik at lengdedimensjonen av i. det minste en av de respektive sider 48 befinner seg i det vesentlige i samme plan som den side som inneholder lengdedimensjonen av den angjeldende port.. På fig. 12 utgjør lengdedimens jonen ay sidene 48 og av innløps- og utløpspartiene det samme langsgående plan.

Fordelen med denne utførelse er at det finnes den stør-ste dybde eller kapasitet for samlekanalen 47 nærmest, det område hvor det finnes størst turbulens og kraftigst strømning, dvs. i området for innløpet og utløpet for varmevekslefluidumet. Fluidum som f.eks. går inn i innløpspartiet 49 ifølge fig. 12, møter partiet med størst dybde av samlekanalen 47 som bestemt av den vertikalt forløpende side 48 på figuren. Da panelet 46 vanligvis benyttes i oppreist stilling hvor toppkanten omfatter stedet for innløpspartiet 49, er hovedretningen for strømmen naturligvis bestemt av tyngdekraften og er rettet vertikalt nedover som den kor-teste strømningsvei. Fluidum som kommer inn i partiet 49 søker derfor å strømme rett ned gjennom de ved nærmeste vertikale bindepartier 51 og når disse partier er fylt, vil fluidet søkes å spres utover til de sideveis forskjøvne parallelle bindekanalpar-tier.

I samsvar med hva som er nevnt ovenfor, består et ytterligere trekk i anordningen av de sammenbundne partier 52 som

er avlange i form og som er plassert slik at de danner parallelt-rettede fluidumkanaler 53 som går i ett med de nevnte bindekanal-partier og strekker seg i det vesentlige på tvers av disse, hvilket tjener til økning av den sideveise forskyvning av det inn-strømmende fluidum i forhold til bindekanalpartiene 51. Selv om oppfinnelsen er forklart i forbindelse med sammenbundne partier 52 i form av avlange eller mer eller mindre firkantede elementer, er det å forstå at oppfinnelsen ikke er begrenset til denne utfø-relse ettersom forskjellig elementform kan benyttes for tilveie-bringelse av de parallelle kanalpartier 53.

I samsvar med oppfinnelsen kan samlekanalene være ytterligere modifisert ved anordning av sammenbundne panelpartier som positivt skal påvirke fordelingen av strømmen som passerer gjennom dem. Således omfatter panelet 54 på fig. 13 kanaler 55 og motsatt anordnede samlekanaler 56 som er forbundet med hverandre ved hjelp av forbindelseskanalpartier 57 og som har innløps-partier 58 og utløpspartier 59 rettet utover fra motsatte ender, hvor det også er anordnet et kompakt eller sammenbundet parti 60 til fordeling av fluidumstrømmen. Et panel ifølge oppfinnelsen kan selvfølgelig omfatte flere slike sammenbundne partier og samlekanaler med forskjellige utforminger. Partiet 60 danner på i det minste et sted av sin omkrets et kileformet fremspring 61 som bidrar til fordelingen av varmevekslemediet. Fremspringene 61 er plassert like overfor henholdsvis innløpet 58 og utløpet 59 som vist på fig. 13. Denne plassering av fremspringet 61 tjener til lettere fordeling av den innkommende strøm i to adskilte kanaler. Videre tjener anordningen av det sammenbundne parti 60 til opprett-holdelse i hver kanal av ensartet trykk, hvilket overvinner de tidligere nevnte problemer med trykkfall. Fluidumet som forlater samlekanalen 56, har anledning til å strømme jevnt og raskt til de respektive forbindelseskanalpartier 57, mens anordningen av partiet 60 ved utløpet 59 forhindrer utviklingen av trykkfall når det strømmende medium når den motsatte ende av panelet 54.

Selv om oppfinnelsen er forklart i forbindelse med varme-vekslerpaneler som er fremstilt ved mønsterlaminering og oppblås-ning, er det klart at oppfinnelsen også kan anvendes i andre varmevekslere, f.eks. slike som er fremstilt ved ekstrudering, press-forming eller på annen måte.

Claims (5)

1. Varmeveksler, særlig såkalt solvarmefanger, omfattende et panel (10,10a-c,39,46) av metall med et indre system med rør-formede kanaler (30,34,34a-c,41,51) for et varmevekslemedium anordnet mellom veggpartiene (31,32) av panelmaterialet og som strekker seg mellom ved panelets ender anordnede fordelere/samlere (33, 33a-c,40,47), og hvor fordeleren og samleren henholdsvis har et innløp (35,35a-c,43,49) og et utløp (36,36a-c,44,50) som strekker seg fra samme til hver sin endekant av panelet og slutter med innløps- hhv. utløpsåpning for varmevekslemedium som strømmer fra fordeleren gjennom kanalene til samleren, karakterisert ved at fordeleren og samleren stort sett har trekantet omriss, hvor en av trekantens sider er dannet av kanalinnløpene og hvor fordelerens innløpsparti og samlerens utløpsparti danner en vinkel med innløpets (35,35a-c,43,49) og utløpets (36,36a-c, 44,50) akse som er minst 91° (37,37a-c,6), og hvor fordeleren og samleren omfatter flere kompakte partier av panelmaterialet (38, 38a-c,45,52) som forbinder fordelerens/samlerens motsatte sidevegger i tykkelsesretningen og tjener til bedre fordeling av flui-dumstrømmen mellom innløpet og kanalene og med effektiv oppsam-, ling mellom kanalene og utløpet.

2. Varmeveksler ifølge krav 1, karakterisert ved at fordeleren/samleren omfatter flere parallelle fordelingskanaler forløpende stort sett på tvers av varmevekslerens gjennom-strømningsretning.

3. Varmeveksler ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at i det minste et kompakt parti som er utført kileformet, er anordnet foran innløpet/utløpet i fordeleren/samleren.

4. Varmeveksler ifølge krav 1,2 eller 3, karakterisert ved at innløps/utløps-partiene av fordeleren/samleren, som danner en vinkel på minst 91° med innløpet hhv. utløpet, har° kamaktig eller bølgeaktig ytteromriss.

5. Varmeveksler ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at vinkelen mellom innløpet/utløpet og fordelerens/samlerens innløpsparti/utløpsparti er mellom 92,5° - 97,5°.