CZ30489U1 - Prstencový výměník tepla - Google Patents

Description

Technické řešení se týká prstencového výměníku tepla, zahrnujícího alespoň dva obvodově uzavřené a v sobě uspořádané trubkovité profily pro průtok médií, ve kterých je uspořádána teplovodivá struktura.

Dosavadní stav techniky

Výměníky tepla, zahrnující alespoň dvě v sobě uspořádané trubky pro průtok médií, se někdy označují jako výměníky „trubka v trubce“. Trubka ve výměnících „trubka v trubce“ má dvě hlavní funkce - odděluje média a zároveň slouží jako teplosměnná plocha. Pro výměnu tepla je rozhodující přestup tepla z média do materiálu výměníku, vedení tepla se uplatňuje minimálně, pouze stěnou trubky.

Zvětšením teplosměnné plochy dojde ke zvýšení výkonu výměníku. U výměníků „trubka v trubce“ je zapotřebí pro zvětšení teplosměnné plochy zvětšit délku trubek. Vzhledem k tomu, že trubka zároveň odděluje média, musí mít celá teplosměnná plocha tloušťku stěny takovou, aby snesla tlaky médií a jejich tlakový rozdíl. Tím vychází hmotnost (a rozměry) takových výměníků velmi velká.

Zvětšení teplosměnné plochy se dá dosáhnout žebrováním. Žebra jsou součástí trubky a mají tloušťku v řádu mm. V tomto případě se částečně uplatňuje jak přestup tepla, tak vedení tepla, stále je však rozhodující přestup tepla.

Žebrování (zvětšení teplosměnné plochy) se používá jednostranně - uvnitř nebo venku.

Aby se dosáhlo maximálního výkonu s minimální hmotností výměníku, je snaha zmenšovat tloušťku stěny oddělující média, což naráží na technologické limity, zejména pokud se jedná o média o rozdílných nebo vysokých tlacích. Navíc je potřeba tyto tenké stěny nějakým způsobem spojit - u deskových výměníků např. pájením nebo svařováním. To též naráží na určité technologické limity.

Trubka pro výměníky, vyplněná teplosměnnou plochou ve tvaru žeber, je znána například z patentu US 6533030.

Dále jsou známy tepelné výměníky vyplněné strukturou ve tvaru včelí plástve. Jako příklad lze uvést japonské dokumenty JPH 02150691 a JPS 62288495.

Dále jsou známy rotační regenerační výměníky tepla, například společnosti KASTT, které fungují na principu kondenzátoru, to znamená, že se cyklicky nabíjí a po otočení nabité části teplosměnné plochy do místa s nižší teplotou se zase vybíjí. Jedná se technicky o zcela odlišný způsob fungování výměníku, než jak fungují výměníky „trubka v trubce“.

Cílem technického řešení je upravit známé výměníky „trubka v trubce“ tak, aby se dosáhlo významného snížení hmotnosti a zvýšení výkonu výměníku.

Podstata technického řešení

Uvedeného cíle se dosahuje prstencovým výměníkem tepla, zahrnujícím alespoň dva obvodově uzavřené a v sobě uspořádané trubkovité profily pro průtok médií, ve kterých je uspořádána teplo vodivá struktura, podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že teplo vodivá struktura zahrnuje spirálovitě těsně svinutou dvojici na sobě ležících pásů, přičemž první pás je hladký, zatímco druhý pás je zvlněný napříč ke směru svinutí pro vytvoření průtokových kanálků.

Výhodou řešení podle technického řešení je^ že jednotlivé teplovodivé struktury jsou u výměníku podle technického řešení od sebe oddělené příslušnými trubkovitými profily, které ve standardních výměnících fungují jako teplosměnná plocha, ale ve výměníku podle technického řešení mají převážně funkci oddělovače médií. Trubkovité profily primárně netvoří teplosměnnou plo-1 CZ 30489 U1 chu, ale člen výměníku, který odděluje média, takže trubkovité profily mohou být dimenzovány na příslušný tlakový rozdíl a výměník podle technického řešení pak lze použít pro téměř libovolný tlakový rozdíl médií. Vzhledem k tomu, že teplovodivá struktura může mít bez ohledu na tlaky médií tloušťku v desítkách mikrometrů, kdežto tloušťka stěny i případných žeber v žebrovaných trubkách známých výměníků je v řádech milimetrů, tedy o 2 řády silnější, je i hmotnost výměníku podle technického řešení při stejném výkonu řádově nižší.

Trubkovité profily mohou mít v podstatě libovolný příčný průřez, zejména kruhový, oválný nebo hranatý.

Je výhodné, když teplovodivá struktura zcela vyplňuje trubkovité profily.

Objasnění výkresů

Na obr. 1 je schematicky zobrazen příčný řez prvním příkladem provedení prstencového výměníku tepla podle technického řešení. Na obr. 2 je detail provedení teplovodivé struktury v oblasti vnitřního profilu. Na obr. 3, 4, 5 a 6 jsou další příklady provedení prstencového výměníku tepla podle technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad provedení prstencového výměníku tepla podle obr. 1 zahrnuje tři soustředně uspořádané trubkovité profily pro průtok médií a to vnější profil 1, vnitřní profil 2 a středový profil 7. V tomto provedení jsou trubkovité profily 1, 2, 7 tvořeny trubkami s kruhovým průřezem. Meziprostory mezi těmito profily I, 2, 7 jsou zcela vyplněny teplovodivou strukturou 3, která je tvořena spirálovitě těsně svinutou dvojici na sobě ležících pásů 4, 5 z hliníkového plechu o tloušťce 0,05 mm. První pás 4 je hladký, zatímco druhý pás 5 je zvlněný napříč ke směru svinutí pro vytvoření průtokových kanálků 6 (viz obr. 2).

Příklad provedení prstencového výměníku tepla podle obr. 3 se od provedení podle obr. 1 liší pouze tím, že nemá středový profil 7 a celý vnitřní profil 2 je v podstatě zcela vyplněn teplovodivou strukturou 3.

Naopak příklad provedení prstencového výměníku tepla podle obr. 4 zahrnuje několik středových profilů 7. V takovém případě mohou být média dvě nebo může být výměník konstruován na výměnu tepla mezi více médii.

Na obr, 5 a 6 jsou zobrazeny příklady výměníků, jejichž trubkovité profily 1, 2 mají hranatý příčný průřez. Odborníkům je zřejmé, že profily 1, 2, 7 mohou mít v podstatě libovolný obvodově uzavřený průřez.

Prstencový výměník tepla podle technického řešení může být zapojen jako protiproudý nebo souproudý s libovolným počtem vložených profilů I, 2, 7. Výměník může být použit i pro média kapalina/kapalina, jeho přednosti se však nejvíce projeví při použití pro média plyn/plyn a plyn/kapalina a při aplikacích s velkým rozdílem tlaků na teplé a studené straně (parní generátory, rekuperátory spalovacích turbín, kondenzátory, výpamíky).

Funkce prstencového výměníku tepla podle technického řešení bude popsána na příkladu provedení podle obr. 1 a 2. Ostatní provedení fungují analogicky.

Teplé médium se přivádí do prostoru mezi vnitřním profilem 2 a středovým profilem 7, kde médium předává teplo teplovodivé struktuře 3. Teplovodivá struktura 3 toto teplo vede k trubce, která tvoří vnitřní profil 2 a následně je teplo vedeno do teplovodivé struktury 3, která vyplňuje prostor mezi vnitřním profilem 2 a vnějším profilem i. V tomto prostoru pak teplovodivá struktura 3 předává teplo chladnějšímu mediu, které v tomto prostoru proudí. Pohyb tepla je na obr. 2 vyznačen šipkami.

Prstencový výměník tepla podle technického řešení je tedy založený na kombinované výměně tepla, kde přestup tepla má stejnou váhu jako vedení tepla. Je u něj maximalizována teplosměnná plocha vložením shora popsané teplovodivé struktury 3. K výměně tepla se stejnou měrou využívá přestupu tepla do této teplovodivé struktury 3, poté vedení tepla touto teplovodivou struktu-2CZ 30489 U1 rou 3 k oddělovací stěně příslušného profilu I, 2, 7. V podstatně větší míře se tak uplatňuje vedení tepla teplovodivou strukturou 3, které je ve výměníku podle technického řešení stejně důležité jako přestup tepla.

Jednotlivé teplovodivé struktury 3 jsou od sebe oddělené příslušnými trubkovitými profily 1, 2, 7, které ve standardních výměnících fungují jako teplosměnná plocha, ale ve výměníku podle technického řešení však mají převážně funkci oddělovače médií.

Tím, že média oddělují trubkovité profily i, 2. 7, které jsou dimenzovány na příslušný tlakový rozdíl, může se výměník podle technického řešení použít pro téměř libovolný tlakový rozdíl médií. Trubkovité profily I, 2, 7 tak primárně netvoří teplosměnnou plochu, ale člen výměníku oddělující média. Vzhledem k tomu, že teplovodivá struktura může mít bez ohledu na tlaky médií tloušťku v desítkách mikrometrů, kdežto tloušťka stěny i případných žeber v žebrovaných trubkách známých výměníků je v řádech milimetrů, tedy o 2 řády silnější, je i hmotnost výměníku podle technického řešení při stejném výkonu řádově nižší.

Porovnávacím výpočtem pomocí numerického modelu v programu ANSYS CFD byl porovnán tepelný výkon přenesený 50 mm hliníkovou trubkou o průměru 20 mm ve čtyřech provedeních, simulujících 4 různé druhy výměníků:

- hladká trubka

- standardní žebrovaná trubka

- trubka s žebry podle patentu US 6533030

- výměník podle technického řešení

Výpočtové podmínky: z vnějšku na konstantní teplotu 100 °C zahřívaná trubka, do které vstupuje vzduch o teplotě 20 °C a rychlostí proudění 31,87 m/s.

Ideální výměník o 100% účinnosti by měl výkon 604 W. Pomocí numerického modelu byly vypočteny následující hodnoty:

Hladká trubka - 32 W (5 % ideálního výměníku)

Standardní žebrovaná trubka -146 W (24 % ideálního výměníku)

Trubka s žebry podle patentu US 6533030 - 252 W (42 % ideálního výměníku)

Výměník podle technického řešení - 375 W (62 % ideálního výměníku)

Z uvedeného je zřejmé, že výměník podle technického řešení má zcela jasně nej vyšší výkon.

Claims (3)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Prstencový výměník tepla, zahrnující alespoň dva obvodově uzavřené a v sobě uspořádané trubkovité profily (1, 2) pro průtok médií, ve kterých je uspořádána teplovodivá struktura (3), vyznačující se tím, že teplovodivá struktura (3) zahrnuje spirálovitě těsně svinutou dvojici na sobě ležících pásů (4, 5), přičemž první pás (4) je hladký, zatímco druhý pás (5) je zvlněný napříč ke směru svinutí pro vytvoření průtokových kanálků (6).
2. 2. Prstencový výměník tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že trubkovité profily (1,2) mají příčný průřez kruhový, oválný nebo hranatý.
3. 3. Prstencový výměník tepla podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že teplovodivá struktura (3) zcela vyplňuje trubkovité profily (1,2).