DK159985B - Varmeveksler - Google Patents

Description

DK 159985 B

Opfindelsen angår en varmeveksler af den i indledningen til krav 1 nævnte art.

Varmeoverføringen mellem to varmetransporterende medier er påvirket af mange faktorer, men det er åbenbart, 5 at det er fordelagtigt at skabe en god kontakt mellem de forskellige komponenter. Opfinderen har konstateret, at når transportbanen indeholder komponenter af forskellige arter og eventuelt også af forskellige materialer, vil en fortrinlig metode til at sikre en høj varmeled-10 ningsevne bestå i at indlejre én komponent i en anden komponent ved støbning.

Formålet med opfindelsen er at foreslå en varmeveksler, der har høje varmetransmissionsegenskaber, og som er ejendommelig ved, at metallet er støbt omkring 15 røret (rørene), at kernen,i det mindste på den flade (de flader), som vender mod huset, er forsynet med overfladeforøgende flanger for at udvise sådanne kontaktflader i retning mod det andet medium, som er flere gange større end, hvad rø-20 ret (rørene) udviser i retning mod det første medium, at flangerne strækker sig parallelt med blokkens længdeakse, og at den/de flangede flade(r) af blokken er skåret på tværs ved hjælp af riller, som inddeler fladen i fel-25 ter, hvor flangerne i ét felt er forskudt sideværts, så de kommer til at flugte med rillerne i et tilgrænsende felt for at skabe en bugtet strømbane for det andet medium langs nævnte flade af blokken.

Blokken kan være prismatisk og omgive et antal rør, 30 og den kan eventuelt være ringformet.

Bindingen mellem røret og metallet såvel som varmeoverføringen derimellem forøges ved, at rørets yderflade er ru. Røret er fortrinsvis udført af rustfrit stål, som er bedre egnet end materialet i blokken 35 til at modstå korrosion, og som også har gode bindingsegsnskaber i forhold til det omgivende metal.

2

DK 159985 B

Der kan fordelagtigt være udformet et antal flanger i en extruderet stang af metal, som er indrettet til - sammen med yderligere stænger - at danne en form, hvori blokken, der omgiver røret, er støbt.

5 I en varmeveksler, der omfatter et antal blokke monteret i det samme hus, kan flangerne i én af blokkene strække sig ind i spalter mellem flanger i en anden blok. Som alternativ kan flangerne hos sidestillede blokflader være i kontakt med hinanden kant mod kant.

10 Et antal panel-formede blokke, der hver indeholder i det mindste én række rør til overføring af det første medium, kan være monteret i et hus, der passeres af en varmetransporterende gas, og hvor rørene er forbundet med fordelings- og samleorganer respektive -kasser for 15 det første fluidum.

Det første varmetransporter ende medium kan være elektrisk strøm, i hvilket tilfælde et antal rør, der omgiver elektriske modstande, er støbt ind i en rørformet blok, som indvendig og udvendig er i kontakt med et 20 varmefjernende fluidum.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser skematisk et varmevekslerelement ifølge opfindelsen, 25 fig. 2 et tværsnit af en varmeveksler, som inde holder et element ifølge fig. 1, fig. 3 et tværsnit af en varmeveksler, som har lighed med varmeveksleren ifølge fig. 2, men som indeholder et større element, 30 fig. 4 en varmeveksler, som indeholder elementer af en modificeret fom, fig. 5 en detalje ved et varmevekslerelement af en yderligere modificeret form, fig. 6 en detalje ved en varmeveksler, som inde-35 holder varmevekslerelementer ifølge fig. 5,

DK 159985 B

3 fig. 7 et længdesnit gennem en varmeveksler, som opvarmes af elektriske modstandselementer, fig. 8 et tværsnit af varmeveksleren ifølge fig. 7, 5 fig. 9 et tværsnit af en varmevekslerkerne, som er sammensat af flere elementer, og som f.eks. egner sig til brug i en varmeveksler ifølge fig. 7, fig. 10 en detalje ved en varmeveksler, som omfatter to varmevekslerelementer ifølge fig. 5, 10 fig. 11 i større skala en detalje ved en over fladeforøgende flange hos et varmevekslerelement, fig. 12 en detalje ved et element, hvor de overfladeforøgende flanger er udformet i profilstænger, der kan anvendes som en form, når elementet støbes, 15 fig. 13 et snit gennem en varmeveksler ifølge opfindelsen, som anvendes i en af afgangsgasser opvarmet kedel, og fig. 14 et tværsnit langs linien XIV-XIV i fig.

13.

20 Fig. 1 viser et varmevekslerelement 10 af basis typen - omfattende et rør 11 for et første varmeover-førende medium, hvilket rør 11 er støbt ind i en blok 12 af et metal, som har en god varmeledningskapa-citet, f.eks. aluminium eller en aluminiumslegering.

25 Dette element monteres i et hus 13, fig. 2, der omgiver elementet med et spillerum 14, så der dannes en passage for et andet varmetransporterende medium. Som alternativ kan der være monteret et antal af sådanne elementer i indbyrdes afstand.

30 Der opnås en bedre binding mellem røret og metal let og derudover en forbedret varmeoverføring, hvis yderfladen af røret 11 er ru eller er forsynet med tværgående furer.

Flangerne vil forøge kontaktfladearealet i rela-35 tion til det andet medium, så det kommer til at andrage fem-ti gange kontaktfladearealet mellem røret og det første medium. Dette vil kompensere for differencen i

DK 159985B

4 varmeoverfØringskoeff ic ienter, som ofte sætter en grænse for varmebelastningen på varmevekslere.

For at forbedre varmeoverføringen til det andet medium er blokken forsynet med flanger 15. Afhængigt 5 af strømningsretningen for det andet medium kan flangerne være anbragt parallelt med eller vinkelret på røret 11's længdeakse. I tilfælde af, at blokken er rørformet, kan flangerne eventuelt forløbe i en skrue-linieformet bane rundt om elementets ydre omslutnings-10 flade. Flangerne udformes fortrinsvis under støbningen, men kan også udformes ved mekanisk bearbejdning.

Som det vil blive forklaret bedre i forbindelse med fig. 7, skal flangerne fortrinsvis ikke forløbe uden afbrydelse langs fladen af blokkene, men skal være 15 forskudt, så der dannes en bugtet strømbane for det andet medium.

Et antal elementer af den i fig. 1 viste basistype, og som har varierende tværsnitsformer, kan bygges sammen i et fælles hus, men der er også mulighed for 20 - som vist i fig. 3 - at indlejre et antal parallelle rør 11 i den samme blok 12a - for anbringelse i et omgivende hus 13.

I fig. 2 og 3 angiver pile, der er rettet radialt mod eller bort fra rørene, retningen for den koncen-25 trerede strøm af varme rundt om rørene. På grund af den intime metalliske kontakt mellem de to komponenter bliver varmeoverføringen meget intens.

Fig. 4 viser en varmeveksler, der indeholder et antal elementer 12 ifølge fig. 1 såvel som fire 3Q elementer 12b af en speciel form, hvilke elementer sammen danner et cylindrisk legeme indesluttet i et rør 16, som holder de forskellige komponenter sammen.

Mellem de forskellige elementer vil der efterlades passager 14a for det andet varmeoverførende medium.

35 Rørene 11 kan være forbundet i parallel, men kan selvsagt også være forbundet på anden måde, f.eks.

DK 159985 B

5 gruppevis i serie. I sådanne tilfælde findes der passende fordelings- og samleorganer respektive -kasser ved elementernes ender.

Den i fig. 4 viste varmevekslerpakke kan være 5 indesluttet i et hus, der afgrænser en strømbane for det andet varmeoverførende medium - uden for røret 16. Flangerne 15 kan være udformet på forskellige måder og kan - som angivet ved 17 i den nedre højre del af figuren - være afgrænset af halvcirkulære riller.

10 Fig. 5 viser en ringformet blok 20, hvori der er indlejret et antal rør 11. Denne blok har såvel indvendig som udvendig overfladeforøgende flanger 15.

Fig. 6 viser komponenter for en varmeveksler -omfattende koncentriske ringf omede blokke 20a, 20b af 15 forskellig diameter. Blokkene er monteret sammen, så flangerne 15 hos ét element passer ind i spalterne mellem flangerne 15 hos det andet element. På denne måde dannes der mellem blokkene en begrænset siksak-formet passage 21 for det andet varmeoverførende 20 medium.

I de i det foranstående beskrevne udførelsesformer er rørene 11 indrettet til at optage et fluidum - i form af en væske eller damp - men det første varmeoverførende medium kan meget vel være elektrisk 25 strøm, som via indlejrede modstandselementer omdannes til varme.

Fig. 7 og 8 viser en elektrisk opvarmet olieforvarmer. Tre rør 25, der er bukket i U-form, og som omgiver elektriske modstande 26, er indlejret i en 30 ringformet blok 27 af den samme type som den i fig. 5 viste blok - og er her forsynet med indre og ydre overfladeforøgende flanger 15. Et udfyldningslegeme 28 er monteret centralt i blokken og afgrænser en passage 29 langs blokkens inderflade.

35 Ved 31 indføres der olie i det omgivende hus 30, og denne olie strømmer udvendigt rundt om blokken 6

DK 159985 B

27, foretager en 180°-drejning og strømmer via passagen 29 i retning mod en afgang 32.

En temperaturføler 33 strækker sig radialt gennem udfyldningslegemet og har sin indre ende placeret 5 nær ved afgangen 32. Føleren styrer på velkendt måde tilførslen af elektrisk strøm til modstandene 26.

En glat forløbende strøm langs en flade kan have tendens til at skabe en for lille varmeoverføring, og for at forbedre varmeoverføringen er den flangede flade 10 af en blok fortrinsvis skåret i felter, hvor flangerne i ét felt er forskudt sideværts, så de kommer til at flugte med rillerne i et følgende felt. Herved sikres der en bugtet strømbane for det andet medium.

I fig. 7 er yderfladen såvel som inderfladen af 15 den ringformede blok 28 ved hjælp af riller 34 skåret på tværs af blokkens længdeakse. På denne måde inddeles blokkens kontaktflader i felter 35a, 35b, hvor flangerne 15a hos ét felt er forskudt sideværts, så de kommer til at flugte med rillerne 15b hos det 20 tilgrænsende felt.

En begrænsende faktor ved konventionelle elektriske olievarmere, hvor de modstands-indesluttende rør kommer i direkte kontakt med olien, er, at belastningen 2 ikke kan overstige 1,5-2 W/cm , idet der i modsat 25 fald vil være en åbenbar risiko for oliekogning i området af rørets yderflade.

I den foreliggende udførelsesform kan belastningen på blokfladerne holdes på en værdi, der er sikker med hensyn til kogning, men belastningen på de elektriske 30 modstande kan forøges væsentligt, hvilket betyder, at den totale dimension af varmeveksleren - for samme varmekapacitet - vil blive meget mindre end ved en konventionel elektrisk olievarmer.

Fig. 9 viser en yderligere modificeret udførelses-35 form, der er sammensat af et antal støbte blokke 36a, 36b, 36c, som hver omgiver et antal rør 11. Denne 7

DK 15 99 8 5 B

udførelsesform kan betragtes som en modifikation af den i stanglignende dele viste udførelsesform.

Den centrale blok 36c kan meget vel anvendes i stedet for udfyldningslegemet 33 i udførelsesformen 5 ifølge fig. 7 og 8.

I mange tilfælde foretrækkes der de i fig. 8 viste U-formede rør med indesluttede elektriske modstande.

Formen af en stang får i så fald større lighed med den i fig. 3 viste, hvor det centrale rørhulrum kan inde-10 holde temperaturføleren, medens de to ydre rørhulrum er forenet i en U-form.

Fig. 10 viser en detalje ved et modificeret arrangement af komponenter i lighed med de i fig. 6 viste. De ringformede blokke 20a, 20b er imidlertid 15 her monteret således, at flangerne 15 er i kontakt med hinanden kant mod kant.

Blokkene er i dette tilfælde monteret mellem et indre og et ydre hus 37 og 38.

Som nævnt i det foranstående kan flangerne være 20 udformet forskelligt. Ved større enheder er der også mulighed for at forsyne de individuelle flanger 15a med ribber eller finner 39, fig. 11, for yderligere at forøge kontaktfladen, som passeres af det andet medium.

25 Som vist i fig. 12 kan det i visse tilfælde være fordelagtigt at anbringe flangerne 15 på særskilte, extruderede profilstænger 40 af det samme materiale som i blokken 12. Disse profilstænger er udformet og indrettet til at kunne anvendes som en ydre form til 30 støbning af blokken - og vil fastholdes permanent dertil. Dette forenkler støbningen af større enheder og gør dem også billigere end enheder, der er støbt som sammenhængende legemer med flanger. Det kan undertiden være vanskeligt at fjerne en flanget blok fra en 35 omgivende form, men ved at anvende de flange-bærende stænger til at danne en del af først formen og derefter 8

DK 159985 B

blokken elimineres denne vanskelighed.

I de i det foranstående beskrevne udførelsesformer er det andet medium et fluidum, men opfindelsen kan også anvendes ved varmevekslere, hvor det andet 5 medium er gasformigt, f.eks. afgangsgasser fra en forbrændingsmotor eller et procesanlæg.

Pig. 13 og 14 viser skematisk en varmtvandskedel 45, der opvarmes af afgangs- respektive udstødsgasser fra en ikke vist forbrændingsmotor.

10 Et antal panel-formede blokke 12c, der har lighed med den i fig. 3 viste blok, men som hver omgiver et større antal rør 11, er anbragt side om side i et hus 46, der gennemstrømmes af varne gasser fra en tilgang 47 til en afgang 48. Panelerne er monteret i 15 huset på en sådan måde, at gasserne tvinges til også at passere gennem passager 49 mellem panelerne.

Rørene 11 er forbundet med fordelings- og samleorganer respektive -kasser 50 og 51, og kedlen er forsynet med et ikke vist konventionelt styrings-20 og overvågningsudstyr.

De i det foranstående beskrevne og på tegningen viste udførelsesformer er blot eksempler, og det er åbenbart,-at de i fig. 1 viste blokke af basistypen kan være udformet og kombineret på mange måder inden for 25 rammen af de efterfølgende krav.

Som det fremgår af den nedre del af fig. 9, kan spalterne mellem flangerne være afgrænset af i hovedsagen parallelle vægge, hvorved flangerne bibringes flade kantflader. Ved at gøre en centralt anbragt flange 30 hos de individuelle blokke en smule højere end de tilgrænsende flanger er der mulighed for at sikre en bestemt afstand mellem blokkene, hvortil kommer, at strømpassagen mellem blokkene bliver inddelt i parallelle baner.

35 En åbenbar fordel ved de støbte blokke er, at de er nemmere at rense end tidligere udførelsesformer med parallelle underlagsskiver eller plader monteret på rørene.

9 ϋΚ 15998bb

Hvis blokpanelerne i udførelsesformen ifølge fig. 13 og 14 er monteret således, at flangerne - som vist i fig. 6 - skærer hinanden, er der mulighed for, at man på en enkel måde kan bestemme arealet af gas-5 passager ved parallel forskydning af blokpanelerne.

Man får herved mulighed for at kunne variere gasstrømmens hastighed og dermed også varmeoverføringskoeffici-enten.

Claims (7)

1. Varmeveksler omfattende en kerne, som indeholder i det mindste én aflang blok (12, 20, 27) af et metal med en høj varmeledningskapacitet, og som indeslut-ter i det mindste ét rør (11, 25) for det første me- 5 dium, hvilken kerne er indesluttet i et hus (13, 30, 37, 38, 40), som styrer strømmen af et andet varmetransporterende medium langs blokken, kendetegnet ved, at metallet er støbt omkring røret (rørene), at kernen, i det mindste på den flade (de flader), 10 som vender mod huset, er forsynet med overfladeforøgende flanger (15) for at udvise sådanne kontaktflader i retning mod det andet medium, som er flere gange større end, hvad røret (rørene) udviser i retning mod det første medium, 15 at flangerne strækker sig parallelt med blokkens ( 12, 20, 27) længdeakse, og at den/de flangede flade(r) af blokken (12, 20, 27. er skåret på tværs ved hjælp af riller (34), som inddeler fladen i felter (35a, 35b), hvor flangerne (15a) i 20 ét felt (35a) er forskudt sideværts, så de kommer til at flugte med rillerne (15b) i et tilgrænsende felt (35b) for at skabe en bugtet strømbane for det andet medium langs nævnte flade af blokken.

2. Varmeveksler ifølge krav 1, kendete g-25 n e t ved, at yderfladen af røret (11) er ru.

3. Varmeveksler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at et antal flanger (15) er udformet i en ekstruderet stang (40) af metal, som er indrettet til -sammen med yderligere stænger - at danne en form, hvori 30 blokken (12), der omgiver røret (11), er støbt.

4. Varmeveksler ifølge ethvert af de foregående krav og omfattende et antal blokke (20a, 20b), som er monteret koncentrisk i det samme hus, kendetegnet ved, at der i én af blokkene findes flanger (15), 35 som strækker sig ind i spalter mellem flanger i en anden blok. DK 1599δ5 B π

5. Varmeveksler ifølge ethvert af kravene 1-3 og omfattende et antal blokke (20a, 20b, 36a, 36b), som er monteret koncentrisk i det samme hus (37, 38), kendetegnet ved, at flanger (15) hos sidestillede 5 blokflader er i kontakt med hinanden kant mod kant.

6. Varmeveksler ifølge ethvert af kravene 1-3, kendetegnet ved et antal panel-formede blokke (12c), der hver indeholder i det mindste én række rør (11) til overføring af det første medium, og som er mon- 10 teret i et hus (46), der passeres af en varmetransporterende gas, og hvor rørene (11) er forbundet med fordelings- og samleorganer respektive -kasser (50, 51) for det første fluidum.

7. Varmeveksler ifølge ethvert af kravene 1-6, 15 kendetegnet ved, at det første varmetransporterende medium er elektrisk strøm, og at et antal rør (25), der omgiver elektriske modstande (26), er støbt ind i en rørformet blok (27), som i det mindste udvendig er i kontakt med et varmefjernende fluidum. 20