BE1021942B1

BE1021942B1 - Warmtewisselaar voor mistgenerator

Info

Publication number: BE1021942B1
Application number: BE2014/0449A
Authority: BE
Inventors: Alfons Vandoninck
Original assignee: Bandit Nv
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2016-01-27
Also published as: EP2955474A1

Abstract

De uitvinding voorziet een warmtewisselaar (1) voor het vergassen van mistvloeistof in een mistgenerator, de warmtewisselaar bevattende meerdere lagen (2) met een gemeenschappelijke as en een tussenliggende ruimte (3) tussen de lagen, zo geconstrueerd dat de mistvloeistof axiaal doorheen de tussenliggende ruimte vloeit.

Description

Warmtewisselaar voor mistgenerator

ACHTERGROND VAN DE UITVINDING

Een mistgenerator voor beveiligingstoepassing is normaliter technisch gebaseerd op het principe van het verstomen van een glycol (de mistvloeistol). Waarbij de verstoomde mistvloeistof via een uitgangskanaal en spuitmond in de “in te misten ruimte” uitgestoten wordt om daar dan onder atmosferische druk en kamertemperatuur onmiddellijk af te condenseren naar een verspreide aerosol-achtige mist. Deze mist beneemt het zicht en desoriënteert de crimineel.

Om de temperatuur van de mistvloeistof van kamer- tot verstoomtemperatuur (~250°C) te verhogen is 0.8 tot 1 kJ nodig per ml. (afhankelijk van de toegepaste formulatie van de mistvloeistof oa. het watergehalte). De warmtestroming naar de overdrachtoppervlakken van de verstoomkanalen/doorgangen wordt hoofdzakelijk voorzien via thermische geleiding. Een warmtewisselaar zijn ingang is gekoppeld aan een mistvloeistof reservoir, waarbij op het gewenste moment (mistuitstoot) deze mistvloeistof door overdruk in de ingang van de warmtewisselaar wordt ingespoten. Deze overdruk kan worden gegenereerd door: a) een mechanische pomp en/of potentiële elastische energie (opgespannen veer tegen een zuiger) b) drijfdruk door gecomprimeerd of vloeibaar (dampspanning drijfgas) drijfgas, en/of c) drijfdruk door gas gegenereerd als resultaat van een chemische reactie of kettingreactie.

Een warmtewisselaar in een mistgenerator voor beveiligingstoepassing wordt gekenmerkt door: - Een component waarin warmte (joules) wordt opgeslagen door zijn warmtecapaciteit C (bv. staal: ~0.46J/°C per g) en/of eventueel latente stollingswarmte van een fase-overgangmedium (zie bijvoorbeeld de warmtewisselaar beschreven in EP2259004) - De temperatuur van de warmtewisselaar, minstens ter hoogte van de uitgang, is hoger dan het kookpunt van de te verstomen mistvloeistof. - De verwarming van de warmtewisselaar tot de gewenste temperatuur gebeurt regulier via Joules- overdracht vanuit een elektrische weerstandsdraad. - De overdracht van Joules gebeurt intensief tussen de inwendige kanalen en/of vrije doorgangen van de warmtewisselaar en de doorstromende mistvloeistof. - Alle verstoomde mistvloeistof wordt via een uitgangskanaal en spuitmond in de “in te misten ruimte” uitgestoten om daar dan onder atmosferische druk en kamertemperatuur onmiddellijk af te condenseren naar een verspreide aersol-achtige mist.

Het mistgeneratievermogen (debiet ml/sec) van een warmtewisselaar is sterk afhankelijk van de mistvloeistof voedingsdruk aangeboden aan zijn ingang en zijn design. In mistgeneratoren volgens de stand-der-techniek is de warmtewisselaar voorzien van een kanaal of enkele kanalen die op hoge temperatuur gehouden wordt (Fig. 1). De mistvloeistof wordt verstoomd door deze door het warme kanaal te drijven. Vanzelfsprekend is de snelheid van mistvorming cruciaal voor mistgeneratoren voor beveiligingstoepassingen. De huidige vernieuwingen in het veld zijn dan ook gericht op het verhogen van de snelheid waarmee mist gegenereerd wordt (zowel de snelheid van de start van mistvorming als het volume mist dat wordt uitgestoten per seconde). Zo wordt in PCT/EP2013/078112 een mistgenerator voorgesteld waarin de mistvloeistof wordt uitgestuwd door middel van de gasgeneratie vanuit een pyrotechnische stof. De mistvloeistof kan ook worden uitgedreven door een gecomprimeerd/vloeibaardrijfgas onder hoge druk (bv. 80 bar). Er is echter vastgesteld dat de warmtewisselaars volgens de stand-van-techniek niet optimaal werken voor het dergelijk, als het ware explosief, inpersen van de mistvloeistof. Doordat het debiet aan mistvloeistof al snel 10x groter is dan in de huidige toestellen, kunnen dergelijke warmtewisselaars de vloeistof niet volledig verstomen, meestal omdat tijdens de doorstromingsperiode van de mistvloeistof er in de warmtewisselaar niet voldoende optimaal overdraagbare Joules beschikbaar waren ter hoogte van een warmte-overdraagoppervlak. Bijgevolg wordt niet enkel gas, maar ook mede mistvloeistof uitgestoten via de uitgang. Immers, de warmtestroming via geleiding heeft amper de tijd om een weg af te leggen (de thermische gradiënt) van meerdere millimeters door de snelle doorstroming van de mistvloeistof. PCT/EP2013/078112 biedt hieraan een oplossing door het aanbieden van een plaatjeswarmtewisselaar met labyrint-design (Fig. 2), deze ontwikkeling maakt een snelle warmte-overdacht mogelijk maar vormt ook een relatief grote dynamische weerstand (wegens de relatief lange af te leggen weg van de te verstomen vloeistof). Een drukval tussen de in- en uitgang van de warmtewisselaar van 50 bar is te verwachten bij een debiet van 100 ml mistvloeistof per seconde. Hoewel deze drukval op zich niet zo problematisch is, door de hoge initiële druk (80 bar en hoger), heeft deze warmtewisselaar nog een aantal nadelen. Zo is de warmtewisselaar omslachtig om te produceren. Zo moeten de plaatjes worden voorgevormd en individueel aan elkaar worden vastgelast.

Een nog groter probleem bleek echter het trekken van de plaatjes wegens de optelling van alle kleine vervormingen tijdens en na het nakrimpen van de gelaste onderdelen. Zelfs onder een axiale pers is de som van al de ongewenste vervormingen moeilijk onder controle te houden, dit versterkt door de onbeheersbare vervorming wegens de snelle overgang van warm naar koud van de “eerst geplaatste plaatjes tov. de ingang" tijdens het inspuiten van de koude vloeistof tot onvoorpelbaar klikken. Bovendien is het bijzonder kostelijk en moeilijk om de warmtewisselaar op een corrosiebestendige manier uit te voeren. Dit is net van groot belang voor een warmtewisselaar in een mistgenerator, gezien de hoge temperaturen en de intredende zuurstof vanuit de atmosferische omgeving (normaliter intredend vanuit de spuitmond of als resultaat van beschikbare zuurstof uit de thermische eindreactie), met als gevolg de “corrosieve" zuurtegraad van de gebruikte vloeistoffen hun thermische afbraakproducten.

Er is bijgevolg een noodzaak aan een warmtewisselaar voor een mistgenerator die een groot debiet aan mistvloeistof volledig kan verstomen, dewelke bestand is tegen een hoge bedrijfedruk, die eenvoudig te produceren is aan een lage kost en die naar behoren corrosiebestendig kan worden uitgevoerd.

BESCHRIJVING VAN DE UITVINDING

De warmtewisselaar voor het vergassen van mistvloeistof in een mistgenerator volgens de uitvinding bevat meerdere lagen met een gemeenschappelijke as en een tussenliggende ruimte tussen de lagen, zo geconstrueerd dat de mistvloeistof axiaal doorheen de tussenliggende ruimte vloeit. Bij voorkeur is de dikte van de lagen groter dan de dikte van de tussenliggende ruimte. In een bepaalde uitvoeringsvorm ligt de ratio van de dikte van de tussenliggende ruimte en de dikte van de lagen tussen 1:2 en 1:50. In een bijzondere uitvoeringsvorm hebben de lagen een dikte tussen 0.1 mm en 5 mm.

De lagen zijn opgebouwd uit een warmtebehoudend materiaal. In een bepaalde uitvoeringsvorm bevatten de lagen een metalen kern, zoals staal, ijzer, koper, aluminium, of metalen legeringen. In een verdere uitvoeringsvorm bestaan de lagen tenminste gedeeltelijk uit een corrosiebestendig materiaal. Zo kan corrosie bijvoorbeeld vermeden worden door het aanbrengen van een corrosiewerende laag op een stalen of koperen laag, of kunnen de lagen gedeeltelijk of volledig bestaan uit roestvrij staal of keramische of koolstofbehoudende materialen, in het bijzonder roestvrij staal. Bij voorkeur zijn de lagen niet hol.

De warmtewisselaar volgens de uitvinding bevat bij voorkeur een ingang voor de mistvloeistof aan een eerste axiaal uiteinde van de lagen en een uitgang voor vergaste mistvloeistof aan een tweede tegenoverliggend axiaal uiteinde.

Er zijn verschillende manieren om lagen te bekomen met een tussenliggende ruimte. Een praktische uitvoeringsvorm maakt gebruik van spacers die de tussenliggende ruimte bepalen. Bij voorkeur zijn de spacers bevestigd aan of maken ze deel uit van de lagen.

In een andere uitvoeringsvorm bevinden de lagen zich in een behouder en is het inwendig volume van de behouder voor meer dan 50%, in het bijzonder voor meer dan 70%, meer in het bijzonder voor meer dan 80%, gevuld door de lagen. Bij voorkeur bevat de warmtewisselaar volgens de uitvinding bovendien een verdelingsmiddel. Het verdelingsmiddel verdeelt/verspreid de mistvloeistof over de sectie nabij de ingang van de warmtewisselaar. Eender welk verdelingsmiddel kan gebruikt worden. Zo kan de ingang van de warmtewisselaar zo uitgewerkt worden dat de inkomende vloeistof over meerdere kanalen verspreid wordt en/of kan er een verdeelplaat zijn waarin gaatjes voor een uniforme verspreiding zorgen. Het is eveneens mogelijk om bv. een laag pareltjes te voorzien waartussen de mistvloeistof verspreid wordt en zo op een meer homogene manier tussen de lagen vloeit.

Gelijkaardig aan het verdelingsmiddel dat zich in de nabijheid van de ingang van de warmtewisselaar bevindt, is het ook mogelijk om collectiemiddelen te voorzien in de nabijheid van de uitgang. De collectiemiddelen kunnen helpen in het collecteren van al het gevormde gas in bv. één uitgangskanaal in de warmtewisselaar.

In een andere voorkeursuitvoering, bevat de warmtewisselaar volgens de uitvinding bovendien inerte kralen. De inerte kralen kunnen uit eender welk materiaal gemaakt worden, zolang ze compatibel zij met de druk en temperatuur in de warmtewisselaar en met het contact met de mistvloeistof. Ze kunnen bijvoorbeeld uit thermoresistente kunststof of keramische- of koolstofbehoudende materialen gemaakt zijn, of uit materialen die meer bijdragen aan de warmtecapaciteit van de warmtewisselaar, zoals bv. metaal. In een voorkeursvorm bestaan ze uit corrosiebestendig metaal, zoals roestvrij staal. In een voorkeursuitvoering is de gemiddelde diameter van de kralen groter dan de dikte van de tussenliggende ruimte.

In een bijzondere uitvoeringsvorm bestaan de lagen uit meerdere buizen met een verschillend intern volume. Zo kunnen de lagen bestaan uit meerdere cilindrische buizen met een verschillende diameter. Daarnaast is het eveneens mogelijk om gebruik te maken van bv. drie-, vier- of meerhoekige buizen met een verschillend intern volume. Zodoende vormen de (concentrische) wanden van de buizen de meerdere lagen met een gemeenschappelijke as en ontstaat een tussenliggende ruimte tussen de buizen waartussen de vloeistof axiaal kan stromen.

Bij voorkeur bestaan de lagen uit spiraalwindingen van een opgerolde (spiraalvormige) plaat. Deze uitvoeringsvorm heeft bovendien het voordeel dat ze zeer eenvoudig geproduceerd kan worden. De huidige uitvinding eveneens een methode voor het produceren van een dergelijke warmtewisselaar, de methode omvattende: - het oprollen van een plaat in spiraalvorm met het vormen van een tussenliggende ruimte tussen de spiraalwindingen, en - het inbrengen van de spiraalvormige plaat in een behuizing, zodat mistvloeistof axiaal doorheen de tussenliggende ruimte kan stromen.

Bij voorkeur omvat de methode eveneens het aanbrengen van spacers op de plaat alvorens het oprollen in spiraalvorm.

Daarnaast voorziet de huidige uitvinding een methode om een dichte, ondoorzichtige mist te genereren, de methode omvattende de volgende stappen: - het opwarmen van de warmtewisselaar volgens de uitvinding; - het inbrengen van mistvloeistof in de warmtewisselaar via een ingang in de warmtewisselaar, waardoor de mistvloeistof axiaal doorheen de tussenliggende ruimte tussen de lagen stroomt en wordt omgezet in zijn gasvorm; en - het laten uitstromen van het bekomen gas via een uitgang van de warmtewisselaar waardoor het een dichte, ondoorzichtige mist genereert zodra het in de omgeving komt.

De huidige uitvinding voorziet bovendien een mistgenerator omvattende een warmtewisselaar zoals hier beschreven. Verder voorziet de huidige uitvinding eveneens een mistgenerator omvattende een reservoir dat een mistgenererende vloeistof bevat en een warmtewisselaar volgens een van de uitvoeringsvormen van de huidige vinding. Het reservoir voor de mistgenererende vloeistof kan zowel vervangbaar als onvervangbaar in de mistgenerator zijn ingewerkt.

KORTE BESCHRIJVING VAN DE FIGUREN

Fig. 1: Mistgenerator volgens de stand-van-techniek (beschreven in EP1985962)

Fig. 2: Verbeterde mistgenerator beschreven in PCT/EP2013/078112 (niet stand-van-techniek)

Fig. 3: Mistgenerator volgens de uitvinding: Doorsnede van de warmtewisselaar langs de as (12) van de lagen.

Fig. 4: Mistgenerator volgens de uitvinding: A. Doorsnede van de warmtewisselaar dwars op de as van de lagen (2). B. Vergroting van het aangeduide deel van A.

Fig. 5: Lagen met spacers. Zijaanzicht van een laag (2) waarop spacers (8) zijn aangebracht in een patroon. De stroomrichting van de mistvloeistof is aangegeven met een pijl.

Fig. 6,7 en 8: Lagen met spacers. Doorsnede van lagen (2) van de warmtewisselaar volgens de uitvinding met spacers (8) die een tussenliggende ruimte (3) tussen de lagen bepalen. Verschillende uitvoeringsvormen van de spacers (8) zijn weergegeven in figuren 6, 7 en 8.

Zoals hierin reeds beschreven, bevat een mistgenerator volgens de stand-van-techniek (Fig. 1) een reservoir (A) met daarin mistgenererende vloeistof (B). Deze vloeistof wordt gestuwd, bv. door een pomp of een drijfgas (C) naar een warmtewisselaar (D) die bestaat uit een kana(a)l(en) (E) omgeven door een warmtebehoudend materiaal dat opgewarmd is door een verwarmingselement (F). Bij het doorstromen door het kana(a)l(en) wordt de vloeistof omgezet in zijn gasfase. Op die manier wordt een dichte mist gevormd bij het uitstoten van het gas door de daaropvolgende condensatie ervan in de atmosfeer.

Een verbeterde warmtewisselaar, die beter kan omgaan met de hoge debieten nodig voor een hoger debiet aan mistvloeistofvergassing, wordt voorgesteld in Fig. 2 (PCT/EP2013/078112). Hierin bevindt zich eveneens een reservoir (A) met mistgenererende vloeistof (B). Deze wordt gestuwd door gas gegenereerd na de ontsteking van een pyrotechnische stof (H). De warmtewisselaar (D) bestaat uit meerdere gestapelde plaatjes (G). De plaatjes hebben een doorgang (I). Door de geschakelde stapeling van deze doorgangen, dient de mistvloeistof een “labyrint-weg” af te leggen. Aldus komt de vloeistof uitgebreid in contact met praktisch de totale oppervlakte van de hete plaatjes en wordt deze zo omgezet in zijn gasvorm. De warmtewisselaar uit PCT/EP2013/078112 wordt gekenmerkt door volgende gegevens: ongeveer 70% van de inwendige ruimte wordt opgevuld door de plaatjes (193 ml plaatjes tov 82 ml vrij volume) en er is een rakend oppervlak tussen de plaatjes en de doorstromende vloeistof van ongeveer 11 dm2 (oppervlak beschikbaar voor warmteuitwisseling).

Figuren 3 en 4 tonen een bepaalde uitvoeringsvorm van de warmtewisselaar volgens de uitvinding (1). De warmtewisselaar (1) bevat meerdere lagen (2) met een gemeenschappelijke as (12) en een tussenliggende ruimte (3) tussen de lagen. De warmtewisselaar bevat een ingang (4) voor de mistvloeistof en een uitgang (5) voor de vergaste mistvloeistof. De lagen bestaan uit een temperatuurbehoudend materiaal, bv. metaal. Door deze op hoge temperatuur te brengen (boven het kookpunt van de mistvloeistof, bv. 250 °C), zal de mistvloeistof vergassen wanneer deze van de ingang (4) axiaal doorheen de tussenliggende ruimte naar de uitgang (5) stroomt.

Bij voorkeur is de dikte van de lagen groter dan de dikte van de tussenliggende ruimte. In een bijzondere uitvoeringsvorm ligt de ratio tussen de dikte van de tussenliggende ruimte en de dikte van de lagen tussen 1:2 en 1:50, in het bijzonder tussen 1:3 en 1:30, meer in het bijzonder tussen 1:4 en 1:20. In een andere bijzondere uitvoeringsvorm is de ratio tussen de dikte van de tussenliggende ruimte en de dikte van de lagen ongeveer 1:10. De lagen hebben bij voorkeur een dikte van minder dan 5 mm, in het bijzonder minder dan 3mm, meer in het bijzonder minder dan 2 mm. In een bijzondere uitvoeringsvorm is de dikte van de laag 0.1 mm of groter, in het bijzonder groter dan 0.2 mm. Bij voorkeur hebben lagen een dikte tussen 0.1 mm en 5 mm. De dikte van de tussenliggende ruimte is bij voorkeur kleiner dan 1 mm, in het bijzonder kleiner dan 0.5 mm, meer in het bijzonder kleiner dan 0.3 mm. In een bijzondere uitvoeringsvorm is de dikte van de tussenliggende ruimte ongeveer 0.05 mm. In een bepaalde uitvoeringsvorm bevat de warmtewisselaar volgens de uitvinding minstens 5 lagen, in het bijzonder minstens 10 lagen, meer in het bijzonder minstens 15 lagen. Bij voorkeur bevat de warmtewisselaar volgens de uitvinding minstens 20 lagen. Eén van de voordelen van de warmtewisselaar volgens de uitvinding is de hoge vullingsratio (de grote hoeveelheid warmtebehoudend materiaal per intern volume van de behouder) gekoppeld aan een zeer groot oppervlak voor warmtewisseling en tegelijk een lage dynamische drukval.

Stel een uitvoeringsvorm zoals weergegeven in Fig. 2 met een centrale volle metalen staaf (6) van 16 mm diameter, een behouder (7) met een binnendiameter van 54 mm en een lengte van 140 mm. Indien de behouder volledig gevuld zou zijn met staal met een soortelijk gewicht van 7.8 kg/l, dan is het gewicht van deze solide staaf: π * (54 mm / 2)2 * 140 mm = 0.320 I => 2.5 kg staal

Bij de uitvoeringsvorm zoals weergegeven in Fig. 2 is:

Het gewicht van de centrale staaf: π * (16 mm/2)2 * 140 mm = 0.028 I => 0.218 kg staal en een spiraalvormige plaat van 3843 mm met een dikte van 0.5 mm: 3843 mm * 140 mm * 0.5 mm = 0.269 I => 2.1 kg staal

Dus de vulratio van een uitvoering zoals voorgesteld in fig. 2 in vergelijking met een solide volle staaf is: (0.218 kg + 2.1 kg) ten opzichte van 2.5 kg = 92 %

In het bovenstaande voorbeeld is de doorlaatsectie van de tussenliggende ruimte 182.15 mm2 (3843 mm * 0.5 mm), wat overeenkomt met een (lege) buis van 15.6 mm. Gezien de tussenliggende ruimte smal is, zal de viskeuze doorstromingsweerstand groter zijn, maar de dynamische drukval bij een debiet van 70 ml/sec blijft verwaarloosbaar.

Ter vergelijking met de warmtewisselaar voorgesteld in PCT/EP2013/078112 (zie fig. 2 van de huidige aanvraag):

Het is dus duidelijk dat de warmtewisselaar volgens de uitvinding op eenvoudige wijze een zeer hoge vuiïmgsratio en een bijzonder hoog oppervlakte voor warmtewisseling toelaat.

Als voorbeeld kan een spiraalvormige plaat van 3843 mm genomen worden met een breedte van 110 mm en een dikte van 0.5 mm. Indien deze in roestvrij staal wordt uitgevoerd (bv. AISI 430), heeft deze een thermische geleidbaarheid van 25 W/m.K bij een delta(T) van 100 °C. Voor één zijde van de plaat (halve dikte), is het beschikbaar vermogen dus:

Voor de 2 zijden samen is dit dus 8454600 W. Gezien er ongeveer 900 Joule (W.s) nodig is om 1 ml mistvloeistof the verstomen, wil dit zeggen dat een dergelijke warmtewisselaar theoretisch in staat is om 150 ml mistvloeistof te verstomen in minder dan een tiende van een seconde. Een dergelijke hoeveelheid mistvloeistof volstaat dan weer om een ruimte van 150 m3 volledig te vullen met een ondoorzichtige mist.

Er zijn verschillende productiemethodes om een warmtewisselaar volgens de uitvinding te bekomen. In een specifieke uitvoeringsvorm bestaan de lagen uit meerdere buizen met een verschillend intern volume. Zo kunnen bijvoorbeeld ronde, driehoekige, vierhoekige,... buizen met een verschillend intern volume concentrisch over elkaar worden geschoven en gefixeerd (bv. door het gebruik van metalen fixeerlippen of het vastlassen aan een fixeermiddel aan één of beide axiale uiteinden van de buizen. In een andere uitvoeringsvorm bestaan de lagen uit de spiraalwindingen van een spiraalvormige plaat. In dit geval kan bv. een plaat worden opgerold in spiraalvorm en worden ingebracht in een behuizing. Gezien de eenvoud van productie van een dergelijke warmtewisselaar, is de warmtewisselaar met de spiraalvormige plaat de voorkeursuitvoeringsvorm. De eenvoudigste wijze van productie is als op te rollen materiaal te kiezen voor een metalen plaat met een hoge elasticiteitswaarde (bv. verenstaai). De plaat wordt strak opgerold en ingebracht in de behouder (7) die een iets grotere diameter heeft dan de diameter van de opgerold plaat. Na het inbrengen zal de spiraal zich deels afrollen, waardoor een gelijkmatige tussenliggende ruimte ontstaat tussen de spiraalwindingen van de plaat. Het is mogelijk om de plaat bijkomend te fixeren door deze bv. vast te lassen aan een fixeermiddel aan één of beide axiale uiteinden van de spiraalvormige plaat of op te vullen met een poreus (vloeistof-gasdoorlatend) permanent opvulmiddel zoals kleine kraaltjes..

In een bepaalde uitvoeringsvorm wordt de dikte van de tussenliggende ruimte bepaald door spacers (8). Bij voorkeur zijn de spacers bevestigd aan of maken ze deel uit van de lagen. Zo kunnen spacers aangebracht worden aan de buizen of op een plaat die in spiraalvorm wordt gewikkeld. De spacers laten toe om zeer nauwkeurig en gelijkmatig de dikte van de tussenliggende ruimte te bepalen en kunnen de lagen ten opzichte van elkaar fixeren. Het is mogelijk om verwijderbare spacers te gebruiken om de lagen ten opzichte van elkaar te positioneren tijdens de productie en de spacers erna te verwijderen. Zo kunnen spacers bevestigd worden met bv. een solvent-oplosbare lijm. Nadat de lagen ten opzicht van elkaar gefixeerd worden met een fixeermiddel aan één of beide axiale uiteinden van de lagen, kunnen de spacers verwijderd worden door middel van een solvent dat de lijm oplost. Bij voorkeur blijven de spacers echter aanwezig in de warmtewisselaar.

Eender welke manier kan gebruikt worden voor het aanbrengen van spacers in of aan de lagen, zolang de spacers voldoende tussenliggende ruimte vrijlaten voor het axiaal doorstromen van de mistvloeistof toe te laten. Zo kunnen bijvoorbeeld deeltjes (bv. een enkele laag kraaltjes) verlijmd worden op de lagen, waardoor de dikte van de kraaltjes (en lijm) de dikte van de tussenliggende lagen bepaalt. De deeltjes kunnen bv. in een patroon worden verlijmd met voldoende ruimte voor doorstroming, of de deeltjes kunnen over de ganse laag worden aangebracht en nadien verwijderd of opgelost worden, bv. na fixatie van de lagen.

Een favoriete uitvoering qua eenvoud, nauwkeurigheid en kosten is het aanbrengen van spacers in een patroon op de lagen (zie fig. 5). In een bepaalde uitvoeringsvorm is het patroon zo gevormd dat er geen rechtlijnige axiale vloeistofstroom mogelijk is. De vloeistofstroom doorheen de tussenliggende ruimte wordt dan dus verstoord tot een opsplitsende en/of meanderende doorstroming, wat de warmtewisseling ten goede komt.

Zoals eerder gesteld kunnen de spacers op verschillende manieren worden aangebracht. Zo kunnen de spacers bijvoorbeeld bestaan uit metaal, bijvoorbeeld door het gebruik van (bv. zelfklevende) metaalfolie. Naar productie toe is het voordelig om in dit geval voorgestanste zelfklevende metaalfolie te gebruiken die zelf op een foliedrager kleeft. Door de foliedrager met klevende metaalfolie op de lagen (bv. buizen of plaat) te drukken, blijven de gestanste spacers kleven op de lagen in het gewenste patroon. Voor deze toepassing kan bv. een roestvrij stalen folie met de gewenste dikte (bv. 0.05 mm) gebruikt worden. Dit productieproces kan eenvoudig geautomatiseerd worden, in het bijzonder wanneer gebruik wordt gemaakt van een plaat die spiraalvormig wordt opgerold. In dit geval kunnen voor of tijdens het oprollen de spacers worden aangebracht op de plaat door de foliegedragen metaalfolie gelijktijdig met de plaat doorheen een aandrukrol te laten passeren. Hierdoor worden de spacers in het gewenste patroon aangebracht voor of tijdens het oprollen van de plaat in spiraalvorm. De dikte van de spacers bepaalt de dikte van de tussenliggende ruimte tussen de lagen (in dit geval de spiraalwindingen van de plaat). Fig. 6 toont een dwarse doorsnede doorheen een aantal lagen (2) waarop spacers (8) zijn aangebracht die de dikte van de tussenliggende ruimte (3) bepalen.

In een andere uitvoeringsvorm maken de spacers deel uit van de lagen. De lagen kunnen bijvoorbeeld vervormd worden om aldus spacers te vormen. Door uitstulpingen of ribbels in het oppervlak aan te brengen wordt voorkomen dat de lagen vlak tegen mekaar komen te liggen. De dikte van de uitstulpingen (spacers) bepaalt de dikte van de tussenliggende ruimte. De lagen kunnen bijvoorbeeld doorgedrukt worden op verschillende plaatsen om dergelijke spacers te bekomen, zoals bv. getoond in fig. 7. Een alternatieve mogelijkheid is om de lagen in te drukken om aldus spacers te bekomen, zoals getoond in fig. 8. Indrukken kan door bv. de plaat doorheen twee walsen te laten lopen, waarvan minstens één wals een indrukprofiel heeft, waardoor er materiaal uit de laag wordt weggeduwd volgens het profiel van de wals. Eén van de voordelen van de huidige uitvinding is dat de warmtewisselaar eenvoudig gemaakt kan worden met desondanks een zeer nauwkeurige en uniforme dikte van de tussenliggende ruimte. Door de dikte van de tussenliggende ruimte dun te houden, kan verzekerd worden dat de mistvloeistof goed wordt omgezet in zijn gasvorm. Desondanks kunnen bij de productie niet-optimale ruimtes (9) voorkomen die een grotere dikte hebben dan de dikte van de (optimale) tussenliggende ruimte. Bijvoorbeeld bij het oprollen van een plaat in spiraalvorm kan aan het begin en het einde van de plaat, deze plaat bv. niet perfect aansluiten bij de behouder en/of een interne staaf. In een ander voorbeeld kan bij over elkaar geschoven buizen bv. de buis met het kleinste intern volume nog steeds een grotere sectie hebben dan een tussenliggende ruimte tussen twee buizen. Ook indien de warmtewisselaar niet zorgvuldig wordt uitgevoerd (bv. ongelijke dikte van spacers), kunnen ook grotere en dunnere tussenliggende ruimtes ontstaan. Indien grotere (niet-optimale) ruimtes ontstaan, hebben deze een negatief effect op de mistvorming, aangezien er een ‘koud kanaal’ kan ontstaan waarin de mistvloeistof niet volledig wordt omgevormd in zijn gasfase. Dit kan eventueel aanleiding geven tot ‘sputteren’.

De uitvinder heeft echter vastgesteld dat de warmtewisselaar volgens de uitvinding zeer eenvoudig en goedkoop verder verbeterd kan worden, zodat zelfs bij een productie met imperfecties de warmtewisselaar toch perfect kan functioneren zonder de vorming van koude kanalen. Nadat de lagen met warmtebehoudend materiaal in de behouder is geplaatst, kunnen er inerte kralen (11) worden ingebracht. Bij voorkeur hebben deze een diameter die zo groot is dat ze niet in de (perfect gevormde) tussenliggende ruimte kunnen terechtkomen, maar wel in de grotere ruimtes (de zogenaamde ‘‘niet-optimale ruimtes”). De kraaltjes vernauwen de niet-optimale ruimtes en voorkomen dat deze nog kanalen vormen met een afwijkend grote doorstroming “koude kanalen”, terwijl ze de (perfect gevormde) tussenliggende ruimtes volledig vrij houden voor de doorgang van de mistvloeistof. Binnen deze aanvraag wordt met “optimale ruimtes” tussenliggende ruimtes bedoeld met de gewenste dikte (bv. de dikte van uniforme spacers). “Niet-optimale ruimtes” zijn ruimtes met een grotere dikte.

Een bijzonder praktische methode voor het aanmaken van de warmtewisselaar volgens de uitvinding is dat er na het inbrengen van de lagen in de behouder (bv. een cilindervormige buis (7) zoals getoond in Fig. 3 en 4), er bovenop kraaltjes uitgestrooid worden. Door het geheel bv. te laten trillen zullen de kraaltjes invallen in alle ruimtes waar ze in passen. In het bijzonder wordt de diameter van de kraaltjes zo gekozen dat ze groter is dan de dikte van de (optimale) tussenliggende ruimtes. Met andere woorden, bij de designkeuze aangaande de tussenliggende ruimte hoort tevens een in verhouding staande minimale diameter van de opvulkraaltjes. De uitvinding laat dus toe om op een eenvoudige manier zeer nauwkeurig de kanaalparameters in te stellen. Indien de gewenste dikte van de tussenliggende ruimte bv. 0.05 mm is (bv. door gebruik van spacers met die dikte), kunnen kralen van bv. 0.06 mm gebruikt worden. Op die manier worden alle ruimtes met een dikte van 0.06 mm of groter opgevuld door de kraaltjes en blijven enkel ruimtes over met een gewenste dikte van minder dan 0.06 mm. Door een overvloed kraaltjes uit te strooien op de staafjes creëert men bovendien een laag kraaltjes bovenop de lagen. Deze kunnen worden weggenomen, maar kunnen ook benut worden als verdelingsmiddel. In een voorkeursuitvoering bevat de warmtewisselaar volgens de uitvinding eveneens een filtermiddel, dit om uitstroom van de kraaltjes uit de behouder te vermijden. Dergelijk filtermiddel kan in de nabijheid van de uitgang en/of ingang gelokaliseerd zijn. Het filtermiddel kan hetzelfde of verschillend zijn aan het verdelingsmiddel. Een voorbeeld is het gebruik van tressengaas (10a en 10b) bovenaan en/of onderaan de behouder.

De kraaltjes (11) kunnen uit een materiaal gekozen worden dat al dan niet bijdraagt aan de warmtecapaciteit van de warmtewisselaar. Bij voorkeur is het materiaal van de kraaltjes een materiaal dat bijdraagt aan de warmtecapaciteit, zoals metalen kraaltjes. De kraaltjes kunnen eender welke vorm hebben, maar zijn in een bijzondere uitvoeringsvorm substantieel bolvorming. De kraaltjes bevatten bij voorkeur tenminste gedeeltelijk een corrosiebestendig materiaal. In een bijzondere uitvoeringsvorm bevatten de kraaltjes roestvrij staal. In een andere uitvoeringsvorm bevatten de kraaltjes een metalen kern die omgeven is door een corrosiebestendige laag.

De as (12) van de warmtewisselaar volgens de uitvinding kan eveneens een warmtebehoudend materiaal bevatten, hoewel dit geen vereiste is. Voor een warmtewisselaar met een spiraalvormige plaat, kunnen de spiraalwindingen vanuit de aslijn (12) radiaal naar buiten toe starten, of ze kunnen starten vanaf een afstand van deze as radiaal naar buiten toe. Dit laatste is bijvoorbeeld getoond in fig. 3 en 4, waarin zich een centrale staaf bevindt. De spiraalwindingen starten vanaf de omtrekdiameter van de centrale staaf en lopen radiaal naar buiten toe. Hetzelfde geldt voor een warmtewisselaar met buizen met een verschillend intern volume. Zo kan de binnenste buis een dergelijk lage diameter hebben dat de doorstroming hetzelfde is als bij de gemiddelde tussenliggende ruimte. Indien het intern volume groter is, kan deze eveneens opgevuld worden met de eerder beschreven inerte kralen. De centrale staaf kan hol of vol zijn. Indien ze vol is, bevat ze bij voorkeur een warmtebehoudend materiaal, zoals metaal en/of een faseveranderend materiaal zoals beschreven in EP2259004. Indien ze hol is, kan ze gevuld worden met inerte kralen, of kan de warmtewisselaar zo worden geconstrueerd dan er geen mistvloeistof doorheen de holle ruimte kan vloeien. In een bepaalde uitvoeringsvorm bevat de warmtewisselaar volgens de uitvinding een verwarmingselement aan de as van de lagen. In een verdere uitvoeringsvorm bevat de warmtewisselaar volgens de uitvinding een verwarmingselement omgeven door de meerdere lagen. Dit verwarmingselement is bij voorkeur centraal gelokaliseerd. Deze uitvoeringsvorm zorgt voor een goede verspreiding van de warmte naar de omliggende lagen en een eenvoudig productieproces. De huidige uitvinding voorziet dus ook een warmtewisselaar (1) voor het vergassen van mistvloeistof in een mistgenerator, de warmtewisselaar bevattende een verwarmingselement omgeven door meerdere lagen (2) een gemeenschappelijke as (12) en een tussenliggende ruimte (3) tussen de lagen, zo geconstrueerd dat de mistvloeistof axiaal doorheen de tussenliggende ruimte vloeit.

De huidige uitvinding voorziet ook een methode voor het produceren van een warmtewisselaar zoals hierin beschreven, de methode omvattende: - het oprollen van een plaat in spiraalvorm met het vormen van een tussenliggende ruimte tussen de spiraalwindingen, en - het inbrengen van de spiraalvormige plaat in een behuizing, zodat mistvloeistof axiaal doorheen de tussenliggende ruimte kan stromen.

De methode kan verder omvatten het aanbrengen van spacers op de plaat alvorens het oprollen van de plaat. Bovendien kan de methode omvatten het toevoegen van kraaltjes nadat de spiraalvormige plaat is ingebracht in de behuizing.

De warmtewisselaar volgens de uitvinding is bijzonder eenvoudig te produceren en vereist geen laswerk van het materiaal dat voor de warmte-opslag en -overdracht zorgt. Bovendien kan het op een goedkope manier geproduceerd worden met een goede corrosiebestendigheid. Voor het aanmaken van de lagen kan bv. roestvrij stalen plaatmateriaal gebruikt worden. Dit materiaal is makkelijk bruikbaar en goedkoop. Indien kraaltjes gebruikt worden, is er bijzonder weinig materiaal nodig (paar gram per warmtewisselaar). Bovendien zijn roestvrij stalen kraaltjes van bv. 0.06 mm bijzonder goedkoop in aanschaf. De warmtewisselaar laat bovendien toe om onder zeer hoge druk een ingespoten hoeveelheid mistvloeistof bijzonder snel te vergassen dankzij zijn groot warmtewisseloppervlak in verhouding tot zijn gewicht en ingenomen volume.

Claims

CONCLUSIES

1. Een warmtewisselaar (1) voor het vergassen van mistvloeistof in een mistgenerator, de warmtewisselaar bevattende meerdere lagen (2) met een gemeenschappelijke as (12) en een tussenliggende ruimte (3) tussen de lagen, zo geconstrueerd dat de mistvloeistof axiaal doorheen de tussenliggende ruimte vloeit.
2. De warmtewisselaar volgens conclusie 1, waarin de dikte van de lagen (2) groter is dan de dikte van de tussenliggende ruimte (3).
3. De warmtewisselaar volgens conclusie 2, waarin de ratio tussen de dikte van de tussenliggende ruimte en de dikte van de lagen tussen 1:2 en 1:50 ligt.
4. De warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarin de lagen een dikte hebben tussen 0.1 mm en 5 mm.
5. De warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarin de lagen een metalen kern bevatten.
6. De warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarin de lagen tenminste gedeeltelijk uit een corrosiebestendig materiaal bestaan.
7. De warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarin de warmtewisselaar een ingang (4) voor de mistvloeistof bevat aan een eerste axiaal uiteinde van de lagen en een uitgang (5) voor vergaste mistvloeistof aan een tweede tegenoverliggend axiaal uiteinde.
8. De warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarin de dikte van de tussenliggende ruimte bepaald wordt door spacers (8).
9. De warmtewisselaar volgens conclusie 8, waarin de spacers (8) bevestigd zijn aan of deel uitmaken van de lagen (2).
10. De warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, verder bevattende inerte kralen (11).
11. De warmtewisselaar volgens claim 10, waarin de diameter van de kralen (11) groter is dan de gemiddelde dikte van de tussenliggende ruimte (3).
12. De warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarin de lagen zich in een behouder (7) bevinden en waarin het inwendig volume van de behouder voor meer dan 70% gevuld is door de lagen (2).
13. De warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarin de lagen bestaan uit spiraalwindingen van een spiraalvormige plaat.
14. De warmtewisselaar volgens een der conclusies 1 tot 12, waarin de lagen bestaan uit meerdere buizen met een verschillend intern volume.
15. Een methode voor het produceren van een warmtewisselaar volgens conclusie 13, de methode omvattende: - het oprollen van een plaat in spiraalvorm met het vormen van een tussenliggende ruimte (3) tussen de spiraalwindingen, en - het inbrengen van de spiraalvormige plaat in een behuizing (7), zodat mistvloeistof axiaal doorheen de tussenliggende ruimte (3) kan stromen.
16. De methode volgens conclusie 15, verder omvattend het aanbrengen van spacers (8) op de plaat alvorens het oprollen in spiraalvorm.
17. Een methode om een dichte, ondoorzichtige mist te genereren, de methode omvattende de volgende stappen: - het opwarmen van de warmtewisselaar (1) volgens een der conclusies 1 tot 14; - het inbrengen van mistvloeistof in de warmtewisselaar via een ingang (4) in de warmtewisselaar, waardoor de mistvloeistof axiaal doorheen de tussenliggende ruimte (3) tussen de lagen (2) stroomt en wordt omgezet in zijn gasvorm; en - het laten uitstromen van het bekomen gas via een uitgang (5) van de warmtewisselaar waardoor het een dichte, ondoorzichtige mist genereert zodra het in de omgeving komt.
18. Een mistgenerator omvattende een warmtewisselaar volgens een der conclusies 1 tot 14.