CZ201499A3

CZ201499A3 - Výměník tepla tvořený dutými polymerními vlákny

Info

Publication number: CZ201499A3
Application number: CZ2014-99A
Authority: CZ
Inventors: Martin Horský; Lenka Raudenská; Miroslav Dohnal
Original assignee: Zena S. R. O.
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2015-05-20
Also published as: EP2942596A1; CZ305152B6

Abstract

Výměník tepla mezi proudícími médii tvořený dutými polymerními vlákny má teplosměnnou plochu v zóně výměny tepla tvořenu alespoň jedním svazkem (3) dutých polymerních vláken, která po délce nahodile a plynule nabývají různý, i opačný směr a jsou nahodile uspořádána v prostoru, přičemž vlákna jsou na každém konci svazku vzájemně fixována.

Description

Výměník tepla tvořený dutými polymerními vlákny

Oblast techniky

Vynález se týká výměníku tepla mezi proudícími médii na bázi dutých polymerních vláken, určeného zejména pro dopravní prostředky, klimatizaci, potravinářství, chemický průmysl, rekuperaci tepla a podobně.

Dosavadní stav techniky

Tepelné výměníky, chladiče, radiátory apod. tvoří často konstrukční prvek různých zařízení, v nichž se předává teplo mezi proudícími médii - kapalinami, plyny, vícefázovými směsmi nebo pevnými částicemi. Slouží například k chlazení a klimatizaci v dopravních prostředcích. Chladiče užívané v dopravních prostředcích jsou tvořeny většinou párem sběrných komor propojených zónou výměny tepla složenou z mnoha úzkých průchodů. V zóně výměny tepla je v poměrně malém objemu soustředěna velká teplosměnná plocha. Zóna výměny tepla je obvykle tvořena trubkami různých tvarů a žebry. Jsou spojovány tak, že tvoří kompaktní celek, ve kterém uvnitř trubek proudí jedno teplonosné medium a vně druhé teplonosné medium.

V současné době se komory výměníků pro dopravní prostředky zhotovují z plastu a zóna výměny tepla z hliníku. Chladicím médiem je proudící vzduch, přičemž proudění je vyvoláno buď náporově pohybem vozidla, nebo ventilátorem, který zajišťuje proudění v případě, že se vozidlo nepohybuje. Nevýhodou stávajících chladičů jsou výrobní náklady a nezanedbatelná hmotnost a objem. Vyžadují umístění na přídi vozidla nebo ve vzduchovém kanálu vytvořeném právě pro tento účel.

Obdobné nevýhody mají kovové i plastické tepelné výměníky užívané v klimatizačních zařízeních. Jsou poměrně hmotné a objemné, jsou těžko manipulovatelné a poměrně drahé.

Vynález si klade za úkol navrhnout výměník tepla, který by při nízkých výrobních nákladech a nízké hmotnosti a při podstatném zvýšení poměru teplosměnné plochy k objemu výměníku zajistil intenzivní výměnu tepla, variabilní umístění v různě tvarovaných prostorech a snadnou manipulaci při montáži a údržbě.

- 2 Podstata vynálezu

Uvedený úkol řeší výměník tepla mezi proudícími médii tvořený dutými polymerními vlákny, jehož podstata spočívá v tom, že teplosměnná plocha v jeho zóně výměny tepla je tvořena alespoň jedním svazkem zkadeřených dutých polymerních vláken tvořících chuchvalec, přičemž vlákna jsou na každém konci svazku vzájemně fixována, např. propojena do přírub. Pod pojmem „chuchvalec“ je třeba rozumět útvar tvořený vlákny, která po délce nahodile a plynule nabývají různý, i opačný směr a jsou nahodile uspořádána v prostoru.

Svazky vláken mohou být alespoň na jednom konci napojeny na sběrnou komoru výměníku.

Zóna výměny tepla v rámovém provedení výměníku je prostorově vymezena rámem umístěným v proudu média obtékajícího vlákna.

Výměník může být umístěn např. na dopravním prostředku v proudu náporového vzduchu obtékajícího dopravní prostředek nebojím procházejícího.

Zóna výměny tepla může být prostorově vymezena dutinou propojenou s okolním prostředím v místech rozdílných tlaků okolního prostředí zaručujících proudění vnějšího media zónou výměny tepla.

Zóna výměny tepla může být vymezena např. konstrukční dutinou v podvozku nebo v karoserii dopravního prostředku.

Konce svazků vláken, např. v podobě přírub, mohou být upevněny na jakýchkoli konstrukčních prvcích systému, ve kterém je výměník uplatněn, jako např. na nosné konstrukci klimatizace.

Objasnění obrázků na výkrese

Vynález bude dále objasněn pomocí výkresu, na němž obr. 1 představuje schematicky v axonometrickém promítání rámové provedení tepelného výměníku podle vynálezu ve formě náporového chladiče, na obr. 2 je v řezu výměník tepla, jehož zóna výměny tepla je vymezena trubkou, na obr. 3 je v řezu zóna výměny tepla vymezená zvlněnou podélnou dutinou o proměnlivém průřezu simulující reálnou konstrukční dutinu na vozidle, na obr. 4 je boční profil vozidla s vyznačením vertikálních konstrukčních dutin a s průběhem tlaků okolního

- 3 prostředí podél pohybujícího se vozidla a na obr. 5 je samotný, přírubami opatřený teplosměnný svazek dutých organických vláken tvořících chuchvalec.

Příklady uskutečnění vynálezu

Výměník tepla rámové konstrukce, v daném případě chladič automobilu, schematicky vyobrazený na obr. 1, je tvořen párem protilehlých sběrných komor 1 s nátrubky 2 a zónou výměny tepla složenou v tomto případě ze tří teplosměnných svazků 3 dutých organických vláken zaústěných svými přírubami 4 do komor 1. V teplosměnných svazcích 3 se nacházejí vlákna o shodné délce, která jsou zkadeřena a tvoří chuchvalec. Chuchvalce vláken v podstatě zaplňují prostor rámu. Ve skutečném provedení jsou na lících rámu upevněny sítě nebo mřížky, které udržují chuchvalec ve vymezeném prostoru. Samotný, přírubami opatřený teplosměnný svazek 3 zkadeřených vláken tvořících chuchvalec je pro názornost uveden na obr. 4.

Chladicí kapalina ohřátá v motoru vozidla proudí do jedné ze sběrných komor 1 a poté, co je během průchodu dutými vlákny ochlazena proudícím vzduchem, je odváděna z druhé komory 1- Výměník tepla podle obr. 1 může sloužit jako běžný automobilový chladič, umístěny typicky např. před blokem motoru.

Výměník tepla podle obr. 2 uložený v trubce je výhodný zejména při přenosu tepla mezi dvěma kapalnými médii.

Součástí konstrukce karoserie nebo i podvozku vozidla jsou dutiny. Na obr. 4 je schematicky znázorněn průběh konstrukčních dutin 5 u běžného osobního automobilu. Na témže obrázku je zakreslen průběh tlaku resp. podtlaku působícího na karoserii vozidla v důsledku obtékání vzduchu při pohybu vozidla rychlostí V. Tlak na horní stranu karoserie v místech zaústění dutin 5 dosahuje hodnot Pí, P₂, P3, P4, tlak na spodní stranu pak hodnot Pi, P¹?, P3, P4. Je zřejmé, že se v dutinách 5, pokud na koncích komunikují s okolním prostředím, vytvoří během jízdy tlakový spád, který vyvolá proudění vzduchu. Je-li taková dutina, jak je zřejmé z obr. 3, vyplněna chuchvalcem dutých vláken propojených na koncích do přírub 4 a napojených na sběrné komory 1, pak vymezuje zónou výměny tepla

- 4 podle vynálezu.

V laboratorních podmínkách byl vytvořen výměník tepla rámové konstrukce, jehož komory byly propojeny čtyřmi teplosměnnými svazky dutých vláken. Tvarem se podobal běžnému automobilnímu chladiči. Byl profukován vzduchem v podstatě kolmo na plochu výměníku.

Parametry výměníku:

Počet vláken -1880

Vnější průměr vlákna D_o = 0,7 mm, vnitřní D, = 0,6 mm, délka vlákna L = 650 mm Celková plocha přenosu tepla uvnitř vláken A_in = 2,30 m²

Poměr teplosměnné plochy k objemu aktivní zóny (bez přírub) A_in/V = 330 m²/m³

Testovací podmínky:

Uvnitř vláken: 50% roztok ethylenglycol-voda, průtok: 10 l/min, vstupní teplota: 60 °C

Vně vláken: vzduch o rychlostí 10 m/s, vstupní teplota 20 °C

Celkový výkon výměníku: Q = 11,3 kW

Celkový součinitel prostupu tepla: U_o = 213 W/m²K Střední logaritmicky rozdíl teplot: LMTD = 24,4 °C Účinnost: e = 0,483

Číslo jednotek přenosu (velikost výměníku pro stanovené podmínky): NTU = 0,82

Dále byl vytvořen výměník tepla, jehož aktivní zóna byla tvořena čtyřmi teplosměnnými svazky dutých vláken v trubkách kruhového průřezu.

Parametry výměníku:

Počet vláken -1800

Vnější průměr vlákna D_o = 0,7 mm, vnitřní D, = 0,6 mm, délka vlákna L = 1300 mm Celková plocha přenosu tepla uvnitř vláken A_n = 4,41 m²

Poměr teplosměnné plochy k objemu aktivní zóny (bez přírub) A_in/V = 900 m²/m³

- 5 Testovací podmínky:

Uvnitř vláken: 50% roztok ethylenglycol-voda, průtok: 10 l/min, vstupní teplota: 60 °C;

Vně vláken: vzduch o rychlosti 10 m/s, vstupní teplota: 20 °C

Celkový výkon výměníku: Q = 8,3 kW

Celkový součinitel prostupu tepla: U_o = 79 W/m²K

Střední logaritmicky rozdíl teplot: LMTD = 23,5 °C Účinnost: e = 0,543

Číslo jednotek přenosu (velikost výměníku pro stanoveny podmínky): NTU = 0,93

Oba výměníky byly testovány v akreditované zkušebně chladičů, proto se jako chlazené médium nabízel 50% roztok ethylenglycol-voda, který se používá v automobilech. Při použití čisté vody by testované výměníky vykázaly vyšší výkon.

V laboratorních podmínkách byl vytvořen výměník pro přenos tepla mezi dvěma kapalinami. Svazek dutých vláken byl umístěn v trubce. Uvnitř svazku protékala ohřívaná voda a v prostoru mezi vlákny protékala v protisměru teplá voda, ze které byla odebírána tepelná energie.

Parametry výměníku:

Počet vláken - 470

Vnější průměr vlákna D_o = 0,7 mm, vnitřní D, = 0,6 mm, délka vlákna L_ef = 650 mm.

Celková plocha přenosu tepla uvnitř vláken A_in = 0,57 m²

Poměr teplosměnné plochy k objemu aktivní zóny (bez přírub) A_in/V = 180 m²/m³

Testovací podmínky:

Uvnitř vláken: voda, průtok - 10 l/min, vstupní teplota 10 °C

Vně vláken: voda o rychlosti 0,035 m/s (20 l/min), vstupní teplota 28 °C

- 6 Celkový výkon výměníku: Q = 6,5 kW

Celkový součinitel prostupu tepla: U_o = 1800 W/m²K

Střední logaritmicky rozdíl teplot: LMTD = 7 °C

Účinnost: e = 0,76

Číslo jednotek přenosu (velikost výměníku pro stanoveny podmínky): NTU = 1,88

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Výměník tepla mezi proudícími médii tvořený dutými polymerními vlákny, vyznačující se tím, že teplosměnná plocha v jeho zóně výměny tepla je tvořena alespoň jedním svazkem (3) dutých polymerních vláken, která po délce nahodile a plynule nabývají různý, i opačný směr a jsou nahodile uspořádána v prostoru, přičemž vlákna jsou na každém konci svazku vzájemně fixována.
2. Výměník tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že svazky vláken jsou alespoň na jednom konci napojeny na sběrnou komoru (1) výměníku.
3. Výměník tepla podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že zóna výměny tepla je prostorově vymezena rámem umístěným v proudu média obtékajícího vlákna.
4. Výměník tepla podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že zóna výměny tepla je prostorově vymezena dutinou (5) propojenou s okolním prostředím v místech rozdílných tlaků okolního prostředí.
5. Výměník tepla podle nároku 3, vyznačující se tím, že zóna výměny tepla je vymezena konstrukční dutinou (5) v podvozku nebo v karoserii dopravního prostředku.