BE1016886A3 - Verbeterde warmtewisselaar. - Google Patents

Abstract

Verbeterde warmtewisselaar die is voorzien van een behuizing (2) met een toevoeropening en een afvoeropening (10) voor een eerste fluïdum; en twee of meer warmtewisselelementen die in de voornoemde behuizing (2) zijn aangebracht en die zijn uitgevoerd in de vorm van naast elkaar opgestelde profielen (12, 13, 19, 20) die elk een inwendig kanaal (14) definiëren dat een doorgang vormt voor een tweede fluïdum, daardoor gekenmerkt dat op de buitenzijden van de voornoemde profielen (12, 13, 19, 20) ribben (16) zijn voorzien; en dat aangrenzende profielen (12, 13, 19, 20) minstens met een deel van hun ribben (16) in elkaar grijpen, zodanig dat tussen deze ribben (16) nauwe doorstroomkanalen (18) worden gevormd.

Description

Verbeterde warmtewisselaar.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een verbeterde warmtewisselaar.

Meer speciaal heeft de huidige uitvinding betrekking op een warmtewisselaar die is voorzien van een behuizing met een toevoeropening en een afvoeropening voor een eerste fluïdum; en twee of meer warmtewisselelementen die in de voornoemde behuizing zijn aangebracht en die zijn uitgevoerd in de vorm van naast elkaar opgestelde profielen die elk een inwendig kanaal definiëren dat een doorgang vormt voor een tweede fluïdum.

De werking van zulke bekende warmtewisselaars is welbekend, waarbij langsheen de voornoemde toevoer- en afvoeropening en doorheen de voornoemde behuizing een eerste fluïdum stroomt, terwijl doorheen de kanalen in de profielen een tweede fluïdum stroomt, één en ander zodanig dat een warmteoverdracht tussen het eerste en het tweede fluïdum plaatsvindt.

Het is reeds bekend dat, teneinde de warmteoverdracht tussen beide fluïda te verbeteren, op de respectievelijke buitenwanden van de voornoemde warmtewisselelementen koelribben worden voorzien, die bijvoorbeeld worden bekomen tijdens het extrusieproces voor het vormen van de profielen.

Bij deze bekende warmtewisselaars is de afstand tussen de koelribben steeds relatief groot omwille van beperkingen in de gebruikte productieprocessen, waardoor de hydraulische diameter relatief groot blijft en waardoor de warmteoverdracht niet efficiënt is.

Tevens vertonen zulke bekende warmtewisselaars het nadeel dat slechts een beperkt warmtewisselend oppervlak tussen het eerste en het tweede fluïdum mogelijk is binnen een bepaald volume van warmtewisselaar, aangezien de profielen op een aanzienlijke afstand van elkaar dienen te worden geplaatst door de aanwezigheid van deze ribben.

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

Hiertoe betreft de huidige uitvinding een verbeterde warmtewisselaar die is voorzien van een behuizing met een toevoeropening en een afvoeropening voor een eerste fluïdum; en twee of meer warmtewisselelementen die in de voornoemde behuizing zijn aangebracht en die zijn uitgevoerd in de vorm van naast elkaar opgestelde profielen die elk een inwendig kanaal definiëren dat een doorgang vormt voor een tweede fluïdum, waarbij op de buitenzijden van de voornoemde profielen ribben zijn voorzien; en waarbij aangrenzende profielen minstens met een deel van hun ribben in elkaar grijpen, zodanig dat tussen deze ribben nauwe doorstroomkanalen worden gevormd.

Een belangrijk voordeel van zulke verbeterde warmtewisselaar volgens de uitvinding is dat door de vorming van de nauwe doorstroomkanalen tussen de respectievelijke ribben op de profielen, een kleine hydraulische diameter kan worden verkregen, waardoor bij gelijkblijvende drukverliezen een efficiëntere koeling wordt verwezenlijkt dan met de klassieke warmtewisselaars.

Nog een voordeel hiervan is dat het warmtewisselend oppervlak tussen het eerste en het tweede fluïdum aanzienlijk toeneemt en hierdoor de capaciteit van de warmtewisselaar toeneemt, aangezien de warmtewissel-elementen in elkaar grijpen en er zodoende in eenzelfde volume van warmtewisselaar, bepaald door het volume van de behuizing, meer warmtewisselelementen kunnen worden aangebracht.

Nog een voordeel van een verbeterde warmtewisselaar volgens de uitvinding is dat het warmtewisselende oppervlak aan de kant van het eerste fluïdum veel groter is dan dat aan de kant van het tweede fluïdum. Dit is vooral voordelig wanneer de warmtewisselende karakteristieken van beide fluïda verschillen zoals bijvoorbeeld het geval is met lucht en water.

Nog een voordeel van een verbeterde warmtewisselaar volgens de uitvinding is dat voor de vervaardiging van de profielen gebruik kan worden gemaakt van bestaande, goedkope productietechnieken, zoals extrusie, aangezien de afstand tussen naast elkaar gelegen ribben beperkt wordt doordat hier ribben van een ander profiel ingrijpen.

Met het inzicht de kenmerken van de huidige uitvinding beter aan te tonen, is hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter een voorkeurdragende uitvoeringsvorm van een verbeterde warmtewisselaar volgens de uitvinding weergegeven met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin : figuur 1 schematisch en in perspectief en met gedeeltelijke weglating een verbeterde warmtewisselaar volgens de uitvinding weergeeft; figuur 2 een doorsnede weergeeft volgens lijn II-II in figuur 1; figuur 3 meer in detail een warmtewisselelement weergeeft dat in figuur 2 is aangeduid door pijl F3; de figuren 4 tot en met 7 varianten weergeven van een warmtewisselaar volgens figuur 2.

In figuur 1 is een verbeterde warmtewisselaar 1 volgens de uitvinding weergegeven die in hoofdzaak bestaat uit een behuizing 2 in de vorm van een koker die begrensd wordt door vier aansluitende wanden 3, 4, 5 en 6 en die aan zijn uiteinden is afgesloten door eindwanden 7 en 8,

In één van de voornoemde eindwanden 7 is een toevoeropening 9 voor een eerste fluïdum voorzien, terwijl in de daar tegenover aangebrachte eindwand 8 een afvoeropening 10 voor dit eerste fluïdum is voorzien.

Aan weerszijden van de voornoemde toevoeropening 9 en van de voornoemde afvoeropening 10, is telkens een bijkomende opening 11 voorzien.

Volgens de uitvinding zijn in de voornoemde behuizing 2 van de warmtewisselaar 1 tevens ten minste twee warmtewisselelementen voorzien, die zijn uitgevoerd in de vorm van naast elkaar opgestelde profielen 12 en 13 die elk een inwendig kanaal 14 definiëren dat een doorgang vormt voor een tweede fluïdum.

De voornoemde profielen 12 en 13 zitten met hun respectievelijke uiteinden gevat tussen de voornoemde eindwanden 7 en 8, één en ander zodanig dat de voornoemde kanalen 14 een verbinding vormen tussen twee tegenover elkaar aangebrachte openingen 11 van een respectievelijke eindwand 7 en 8.

In dit geval vertonen de voornoemde profielen 12 en 13, die bijvoorbeeld kunnen worden vervaardigd door middel van extrusie, een in hoofdzaak rechthoekige dwarsdoorsnede met zijwanden 15.

Zoals weergegeven in de figuren 2 en 3, zijn, volgens de uitvinding, minstens op de naar elkaar gerichte zijwanden 15 van de profielen 12 en 13, ribben 16 voorzien die zich_______________ nagenoeg uitstrekken volgens de lengterichting van de respectievelijke profielen 12 en 13 en die een lengte L en een dikte A vertonen, en waartussen zich groeven 17 uitstrekken met een breedte B die een weinig groter is dan de dikte A van de ribben 16.

De voornoemde profielen 12 en 13 zijn zodanig in de warmtewisselaar 1 aangebracht dat de respectievelijke ribben 16 van het ene profiel 12 in de groeven 17 van het andere profiel 13 grijpen en vice versa.

Hiertoe zijn, in dit geval, de ribben 16 waarmee de aangrenzende profielen 12 en 13 in elkaar grijpen evenwijdig of nagenoeg evenwijdig met elkaar.

Doordat de ribben 16 van de respectievelijke profielen 12 en 13 in elkaar grijpen, worden hiertussen nauwe doorstroomkanalen 18 gevormd.

Door de opstelling van de profielen 12 en 13 in de behuizing 2, komen de uiteinden van deze doorstroomkanalen 18 tegenover de toevoeropening 9, respectievelijke de afvoeropening 10, te liggen.

De werking van een verbeterde warmtewisselaar 1 volgens de uitvinding is zeer eenvoudig en als volgt.

Langsheen de toevoeropening 9 wordt een eerste fluïdum, bijvoorbeeld een te koelen gas, doorheen de behuizing 2 van de warmtewisselaar 1 en tussen de ribben 16 van de profielen 12 en 13 gestuurd, zoals in figuur 1 schematisch is weergegeven door pijl C, waarna dit eerste fluïdum via de voornoemde afvoeropening 10 deze behuizing 2 verlaat.

Langsheen de openingen 11 in de eindwand 7, wordt doorheen de voornoemde kanalen 14 in de respectievelijke profielen 12 en 13 een tweede fluïdum gestuurd, zoals bijvoorbeeld een koelvloeistof zoals water, wat schematisch is weergegeven door de pijlen D.

Vervolgens wordt dit tweede fluïdum langs de openingen 11 in de eindwand 8 afgevoerd.

Aangezien tussen de ribben 16 van de respectievelijke profielen 12 en 13 slechts nauwe doorstroomkanalen 18 aanwezig zijn, is de hydraulische diameter van het eerste fluïdum tussen deze profielen 12 en 13 klein, waardoor de warmteoverdracht zeer efficiënt verloopt.

Hiertoe dienen de vormgeving en dimensionering van de warmtewisselelementen, en meer speciaal de breedte B van de groeven 17 en de dikte A van de ribben 16, zeer specifiek te worden gekozen, in functie van talrijke fysische parameters, zoals bijvoorbeeld: de stromingssnelheid van de fluïda, het temperatuursverloop van de fluïda doorheen de warmtewisselaar 1, de ruwheid van de ribben 16, de samenstelling van de fluïda, de materiaalkeuze van de profielen 12 en 13 en dergelijke.

Ook kunnen, doordat de ribben 16 in elkaar grijpen, de profielen 12 en 13 zeer dicht tegen elkaar worden geplaatst, waardoor, voor een beperkt volume van warmtewisselaar 1, toch een groot warmtewisselend oppervlak kan worden verkregen.

In dit geval is de lengte L van de respectievelijke ribben 16 van de profielen 12 en 13 overal gelijk, doch, het is volgens de uitvinding niet uitgesloten dat verschillende profielen 12 en 13 ribben 16 bevatten met een andere lengte L of dat de respectievelijke ribben 16 op eenzelfde profiel 12 of 13 onderling verschillen.

In figuur 4 is een variante weergegeven van een verbeterde warmtewisselaar 1 volgens de uitvinding, waarbij de ribben 16 van elk van de profielen 12 en 13 tot tegen een zijwand 15 van het andere profiel 13, respectievelijk 12, komen, zoals weergegeven in de figuren 5 tot en met 7 kunnen de profielen desgewenst lekdicht met elkaar worden verbonden bijvoorbeeld door middel van lassen of solderen één en ander zodanig dat de behuizing 2 gevormd wordt.

Het is duidelijk dat de uitvinding niet beperkt is tot het gebruik van profielen 12 en 13 die slechts op één zijwand 15 zijn voorzien van ribben 16, doch dat ook op twee of meer zijwanden 15 ribben 16 kunnen worden voorzien.

In figuur 5 is zulke variante van een verbeterde warmtewisselaar 1 volgens de uitvinding weergegeven, waarbij tussen de profielen 12 en 13 bijkomende profielen 19 en 20 zijn aangebracht die op twee van hun respectievelijke zijwanden 15 zijn voorzien van ribben 16, één en ander zodanig dat de ribben 16 van elk profiel 19 en 20 in de ribben 16 van twee daarnaast gelegen profielen grijpen.

Het is eveneens duidelijk dat de huidige uitvinding niet beperkt is tot het gebruik van een profiel 12 of 13 met een rechthoekige dwarsdoorsnede, doch dat andere vormen van profielen 12 en/of 13 mogelijk zijn.

In figuur 6 is zulke variante weergegeven. De profielen 12, 13, 19 en 20 worden hierbij gevormd uit twee of meer samenstellende profielen zonder inwendig kanaal, respectievelijk 12A-12B, 13A-13B, 19A-19B en 20A-20B, waarbij het inwendig kanaal 14 in dit geval wordt gevormd tussen deze samenstellende profielen.

Deze kanalen 14 kunnen eventueel ook worden gevormd tussen in elkaar grijpende ribben 16 van de voornoemde samenstellende profielen 12A-12B, 13A-13B, 19A-19B en 20A-20B, zoals weergegeven in figuur 7. De ribben 16 aan weerszijden van het profiel 12, 13, 19 en 20 hoeven niet gelijk in vorm of aantal te zijn.

Het spreekt voor zich dat een warmtewisselaar 1 volgens de uitvinding niet beperkt is tot uitvoeringsvormen waarbij de stromingszin van beide fluïda gelijk is, maar tevens kan worden uitgevoerd in de vorm van een zogenaamde "tegenstroom warmtewisselaar" waar de stromingszin van de fluïda tegengesteld is.

Het is volgens de uitvinding tevens niet uitgesloten dat in de voornoemde kanalen 14 van de profielen 12 en 13 eveneens ribben voorzien kunnen zijn, waardoor het warftvtewis seiend oppervlak tussen de beide fluïda nog toeneemt.

Tevens kunnen volgens de uitvinding op de voornoemde ribben 16 nog eens bijkomende ribben worden voorzien, waardoor het warmtewisselend oppervlak nog meer toeneemt.

Het is volgens de uitvinding niet uitgesloten dat tussen de in elkaar grijpende ribben 16 van aangrenzende warmtewisselelementen afstandshouders worden aangebracht, waardoor deze ribben 16 op gewenste tussenafstanden ten opzichte van elkaar kunnen worden gehouden en waardoor de montage van de warmtewisselaar 1 wordt vereenvoudigd.

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

Claims (15)

1. Verbeterde warmtewisselaar die is voorzien van een behuizing (2) met een toevoeropening en een afvoeropening (10) voor een eerste fluïdum; en twee of meer warmtewisselelementen die in de voornoemde behuizing (2) zijn aangebracht en die zijn uitgevoerd in de vorm van naast elkaar opgestelde profielen (12, 13, 19, 20) die elk een inwendig kanaal (14) definiëren dat een doorgang vormt voor een tweede fluïdum, daardoor gekenmerkt dat op de buitenzijden van de voornoemde profielen (12, 13, 19, 20. ribben (16) zijn voorzien; en dat aangrenzende profielen (12, 13, 19, 20) minstens met een deel van hun ribben (16) in elkaar grijpen, zodanig dat tussen deze ribben (16) nauwe doorstroomkanalen (18) worden gevormd.

2. Verbeterde warmtewisselaar volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de warmtewisselelementen zodanig gevormd en gedimensioneerd zijn, dat in de voornoemde nauwe doorstroomkanalen (18) tussen de ribben (16), een laminaire stroming van het eerste fluïdum wordt verkregen.

3. Verbeterde warmtewisselaar volgens één van de conclusies 1 en 2, daardoor gekenmerkt dat de ribben (16) waarmee aangrenzende profielen (12, 13, 19, 20) in elkaar grijpen evenwijdig, of nagenoeg evenwijdig, zijn met elkaar.

4. Verbeterde warmtewisselaar volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de afstand (B) tussen twee naast elkaar gelegen ribben (16) een weinig groter is dan de dikte (Δ) van de ribben (16).

5. Verbeterde warmtewisselaar volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde profielen (12, 13, 19, 20) zijn uitgevoerd in de vorm van geëxtrudeerde profielen.

6. Verbeterde warmtewisselaar volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde ribben (16) zich nagenoeg uitstrekken volgens de lengterichting van de respectievelijke profielen (12, 13, 19, 20).

7. Verbeterde warmtewisselaar volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde profielen (12, 13, 19, 20) in hoofdzaak een rechthoekige dwarsdoorsnede vertonen met zijwanden (15) en dat minstens op de naar elkaar gerichte zijwanden (15) van aangrenzende profielen (12, 13, 19, 20) ribben (16) zijn voorzien.

8. Verbeterde warmtewisselaar volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde ribben (16) allemaal hoofdzakelijk dezelfde lengte (L) vertonen.

9. Verbeterde warmtewisselaar volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat in de voornoemde inwendige kanalen (14) van de profielen (12, 13, 19, 20) eveneens ribben (16) zijn aangebracht.

10. Verbeterde warmtewisselaar volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat op de voornoemde ribben (16) bijkomende ribben zijn voorzien, om het warmtewisselend oppervlak te vergroten.

11. Verbeterde warmtewisselaar volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat tussen de voornoemde in elkaar grijpende ribben (16) van aangrenzende profielen (12, 13, 19, 20) afstandshouders zijn aangebracht.

12. Verbeterde warmtewisselaar volgens één of meer van de voornoemde conclusies, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde ribben (16) van aangrenzende profielen (12, 13. 19, 20), over hun volledige, of nagenoeg hun volledige, lengte (L) in elkaar grijpen.

13. Verbeterde warmtewisselaar volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de behuizing (2) wordt gevormd door het lekdicht aan elkaar verbinden van aangrenzende profielen (12, 13, 19, 20).

14. Verbeterde warmtewisselaar volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat elk van de voornoemde profielen (12, 13, 19, 20) wordt gevormd door twee of meer samenstellende profielen (12A-12B, 13A-13B, 19A-19B, 20A-20B).

15. Verbeterde warmtewisselaar volgens conclusie 14, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde kanalen (14) worden gevormd tussen in elkaar grijpende ribben (16) van de voornoemde samenstellende profielen (12A-12B, 13A-13B, 19A-19B, 20A-20B).