DK164179B - Varmevekslingsapparat - Google Patents

Description

DK 164179B

i

Opfindelsen angår et varmevekslings- eller cirkulationsapparat omfattende et system af ledninger, der er koblet til et indløb og et udløb til cirkulering af vand eller en anden praktisk talt usammentrykkelig væ-5 ske gennem systemet, hvor varme overføres gennem ledningsvæggene og cirkulation i apparatet periodisk afbrydes, hvorefter fortsat varmeoverføring gennem ledningsvæggene bevirker frysning af væsken til is i ledningerne .

i o Installationer med vand/luftvarmevekslere af forskellige arter, varmebatterier i luftkonditioneringsudstyr, almindelige vandradiatorer osv. har ofte problemer med rørbrud som følge af frysning i lave lufttemperaturer. Forsøg på at opnå en pålidelig be-15 skyttelse imod rørbrud som følge af frysning i sådanne installationer har indtil nu ikke været kronet med held. De svært dimensionerede rør har ikke været i stand til at modstå den kraftige kompressionskraft, der optræder, når der dannes is i rørsystemet. Rørbrud i 20 den i fig. 1 viste type varmebatterier optræder almindeligvis ved rørbøjningerne, og for at hindre frysning af disse dele er de blevet yderligere isoleret imod kold luft, der løber igennem batteriet. Disse foranstaltninger har imidlertid været uden held af grunde, 25 der klart fremgår af nedenstående.

Der er også gjort forsøg på at føle temperaturen på steder, hvor rørbrud almindeligvis optræder. Når temperaturen nærmer sig 0°C ved følerne, forøges strømningshastigheden automatisk ved hjælp af en regu-30 leringsenhed. Disse forsøg har også været uden held af samme grunde, som skal forklares i det følgende.

Inden for industrien har disse problemer med brud som følge af frysning i nogen tid været betragtet som mere eller mindre uløselige. Det er derfor opfin-35 delsens formål at tilvejebringe en varmeveksler af den ovenfor nævnte art, dvs. varmebatterier og radiatorer, 2

DK 164179 B

der er beskyttet imod rørbrud, dersom der skulle optræde isdannelse i røret. Varmeveksleren skal være pålidelig, vedligeholdelsesfri og fungere uden elektronik eller andre følere. Dette opnås ved en varmeveksler af 5 den i indledningen beskrevne art, der er ejendommelig ved, at to første forbindelsesrør for ledningerne er varmeisoleret eller skærmet imod omgivende strømmende kold luft for at opnå forsinket frysning af vandet i disse forbindelsesrør i forhold til væskens frysning 10 til is i uisolerede andre ledninger i systemet, der er placeret mellem de første to forbindelsesrør, således at is, der vokser i ledningerne henimod disses ender, der står i forbindelse med de nævnte to første forbindelsesrør, vil resultere i et forøget tryk på den 15 ufrosne væske i de isolerede forbindelsesrør, hvor det forøgede vandtryk aflastes ved at de to første forbindelsesrør hver især er koblet gennem isolerede grenledninger til et lukket isoleret trykaflastningskammer med et trykkammer for således at undgå brud af ledningerne 20 i nogen del af systemet.

Den løsning, som opfindelsen tilkendegiver, er delvis baseret på en opdagelse, der er fuldstændig u-forenelig med den almindeligt accepterede forståelse af, hvorledes rørbrud optræder under frysning, og på 25 hvilken alle tidligere forsøg på at tilvejebringe en tilfredsstillende løsning har været baseret. Prøver udført under kontrollerede forhold i et forskningslabora-torie har nemlig vist, at rørbrud under frysning ikke optræder ved den dannede isprop, men ved en del af rø-30 ret, hvor vandet endnu ikke er frosset. Rørbrud optræder almindeligvis som følge af det forøgede tryk i det stadigt ikke frosne vand som følge af en voksende isprop et eller andet sted i røret. Dette forklarer hvorfor temperaturstyrede frostbeskyttelsesorganer ikke har 35 været i stand til at løse problemet. Det er ikke muligt at måle temperaturen overalt i det cirkulerende system.

3

DK 164179 B

Rørbrud optræder hvor vandet er varmest, og det er her temperaturfølerne har været anbragt. Pålidelig temperaturføling i ubeskyttede varmevekslende dele af rør er ikke mulig som følge af de vidt varierende temperaturer 5 mellem rørfinneoverfladen, der udsættes for strømmende kold luft, og det indre af røret. Endvidere har følerne en reaktionstid, der er for lang i den hurtige frysningsproces.

Denne situation, at rørbrud finder sted i en del 10 af røret, hvor vandet ikke er frosset endnu, har undgået opdagelse som følge af en anden sjældent bemærket egenskab ved vand, nemlig at dets frysepunkt falder med voksende tryk. Voksende ispropper øger trykket i den endnu ikke frosne del, samtidig med at temperaturen kan 15 falde under 0°C i det stadig ikke frosne vand. Når røret derefter brister, falder trykket pludselig, og frysepunktet stiger øjeblikkeligt til 0°C igen, medens vandet umiddelbart fryser til is. I de fleste tilfælde står reparatøren over for en udragende isprop i stedet 20 for et brud og drager den konklusion, at røret var dårligt isoleret på dette specielle sted, eftersom der tydeligt nok er dannet en brydende isblok dér. Denne almindeligt accepterede "viden" om, hvorledes rørbrud optræder, har blot ledt en fagmand til løsninger, fx 25 ekstra isolering, der har gjort problemet værre snarere end at løse det.

Som følge af denne opdagelse har det været muligt at angribe problemet med en helt anden forståelse og at opnå en løsning, der er simpel, pålidelig, fuld-30 stændig vedligeholdelsesfri og let at anvende på eksisterende opbygninger. Det er også gjort muligt at anvende tyndere kobberrør og derved forøge de uisolerede rørdeles varmeledende evne (kuldeoptagelse).

Opfindelsen beskrives nærmere under henvisning 35 til nogle eksempler, der er vist på tegningen, hvor fig. 1 skematisk i snit viser et konventionelt varmebatteri tilvejebragt i en kanal til ledning af kold luft fra ydersiden til indersiden af en bygning, 4

DK 164179 B

fig. 2 skematisk det ovennævnte kendte varme-batteri forbedret ifølge opfindelsen, fig. 3 i større målestok et snit gennem det øverste hjørne af fig. 2, 5 fig. 4 en radiator, der danner en varmeveksler ifølge opfindelsen, set forfra, fig. 5 den i fig. 4 viste radiator set fra enden, fig. 6 i større målestok et snit efter linien 10 6-6 i fig. 4 og fig. 7, fig. 7 en alternativ udførelsesform for den i fig. 4 viste radiator, fig. 8 den i fig. 7 viste radiator set fra enden, 15 fig. 9 i større målestok et snit efter linien 9-9 i fig. 7, og fig. 10 en yderligere alternativ udførelsesform for en radiator som varmeveksler ifølge opfindelsen.

Det konventionelle varmebatteri 10, der er vist 20 i fig. l, er placeret i et rum 10A i en bygning og anvendes i en luftkonditioneringsinstallation til opvarmning af frisk udendørsluft, der af en ventilator blæses gennem en kanal 11 og forbi de uisolerede dele 12 af rørsystemet, der fører det varme vand fra et 25 distriktvarmenetværk, en varmeenhed eller lignende, hvor det varme vand træder ind ved indløbet 13 og løber ud gennem udløbet 14. Rørbøjningerne 15 er almindeligvis ikke udsat for den kolde luft og er således forholdsvis isolerede. Hvis vandcirkulationen finder 30 sted for langsomt eller fuldstændigt ophører af en eller anden grund, kan ispropper dannes i de uisolerede, ubeskyttede rørdele 12 og hurtigt øge trykket i de isolerede rørbøjninger 15, hvad der fører til rørbrud dér. Rørbrud i bøjningerne kan fx optræde efter nogle 35 få minutter i meget koldt vejr, hvis cirkulationspumpen skulle standse og ventilatoren skulle fortsætte med at 5

DK 164179 B

blæse kold luft gennem installationen. Selv hvis ventilatoren automatisk lukkes ned, når cirkulationen er ringe, fortsætter luftstrømmen som følge af såkaldt "neddrift".

5 Fig. 2 viser et varmebatteri 10A ifølge opfin delsen, hvor hver rørbøjning 15 står i forbindelse med et samlekammer 16 og et trykkammer 16A. Samle-kammeret 16 og grenledningerne 17 mellem dette kammer og rørbøjningerne 15 er varmeisolerede. Grenled-10 ningerne eller rørene 17 er begrænset til en diameter på kun 2-3 mm for ikke at forstyrre vandcirkulationen ved normal funktion. Vandet i rørsystemet er normalt under et tryk på 200 kPa, og luften i trykkammeret 16A er derfor under det samme tryk på 200 kPa. Hvis der 15 dannes ispropper i de uisolerede rørdele 12, vokser trykket i rørbøjningerne 15, når isproppen vokser.

Dette tryk optages af den sammentrykkelige luft i trykkammeret 16A og hindrer således rørbrud, der ellers ville optræde. Selv hvis al vandet i varmebatteriet 20 skulle fryse til is, vil trykket aldrig gå over 600 kPa, der er langt under det normerede tryk for almindelige kobberrør. I denne forbindelse er det vigtigt, at rørbøjningerne 15, de indsnævrede grenledninger 17, det rørformede samlekammer 16 og tryk-25 kammeret 16A er forholdsvis isolerede for at være helt sikker på, at vandet her fryser sidst. Opfindelsens principper kan anvendes på andre typer varmevekslere, såsom radiatorer, hvor cirkulationen holdes i-gang, selv om der er dannet ispropper i nogle af rør-30 spolerne.

Det er naturligvis muligt indenfor opfindelsens område at anvende andre trykudløsende organer end et trykkammer med en indesluttet gaspude, fx forskellige slags sikkerhedsventiler, og at anvende opfindelsen i 35 helt andre forbindelser, hvor rørbrud som følge af frysning optræder, fx i nedgravede vandrør eller rør i 6

DK 164179 B

bygninger, hvor rørene overfører varme til den omgivende jord eller luft. Ved sådanne anvendelser af opfindelsen, vokser isproppen, når det begravede rør fryser, i begge retninger og når et område, hvor vandet, der 5 skubbes af isproppen, løber ind i en samlekanal, der er forbundet til et trykkammer, hvilket organ tillader trykket at stige til en forud fastlagt værdi, men et godt stykke under den værdi, der ville resultere i et rørbrud.

10 For at lette forståelsen af opfindelsen henvises der til fig. 3.

Rørene eller ledningerne 12 er forsynet med flanger 12A.

I begge rør vokser en isprop 18 imod rørbøj -15 ningen 15. I kendte rørsystemer ville dette hurtigt øge vandets tryk i rørbøjningen til en værdi, der ville resultere i brud.

Ifølge opfindelsen er rørbøjningerne 15, grenrørene 17, samlekammeret 16 og trykkammeret 16A 20 alle varmeisoleret ved hjælp af varmeisolerende materiale, der er betegnet med henvisningsbetegnelsen 19, og som vil hindre vand i disse elementer i at fryse.

Den relative isolering af disse elementer kan også opnås ved simpelhen at beskytte dem imod den kolde luft, 25 som de andre røroverflader er udsat for. Følgelig får vandet lov til at strømme langsomt under den voksende isprop 18's skubbende virkning.

I trykkammeret stiger vandniveauet fra det normale niveau 20 til niveauet 21, hvilket resulterer 30 i en sammentrykning af luften i rummet 22.

Trykkammeret 16A kan være forladet med en gas under forholdsvis højt tryk leveret gennem en ventil 23.

Der kan også være tilvejebragt en sikkerhedsven-35 til 24, der åbner ved et forud fastlagt tryk.

Alternativt kan trykkammeret 16A være fyldt med vand, og i dette tilfælde tillader sikkerhedsven-

Claims (4)

7 DK 164179 B tilen 24 vandet at udlades ved et forud fastlagt tryk. I fig. 4 er der vist en konventionel radiator 25 med lodrette vandkanaler 26, der forbinder et 5 nedre samlekammer 27 med et øvre samlekammer 28. Et øvre trykkammer 29 og et nedre trykkammer 30 er delt i to afdelinger af en skillevæg 31. Hver af afdelingerne er forbundet til det tilstødende trykkammer henholdsvis 29 og 30 gennem et 10 isoleret grenrør 32, hvor ind i en isprop 18 kan gro og trykke vandet ind i kammeret 29 og derved hindre brud på systemets ledninger. Pig. 7 viser en modificeret radiator 25A i forhold til radiatoren i fig. 6. Det nedre trykkammer 1 5 30 er udeladt, og i stedet er de yderste lodrette vandkanaler 33, 34 isoleret ved hjælp af varmeisolerende materiale 19 som vist i fig. 9. Pig. 10 viser en anden konventionel radiator 35, der har parallelle rør 36, isolerede rørbøjnin- 20 ger 37, isolerede grenrør 38, isolerede samlekamre 39, 40 og isolerede trykkamre 41, 42 i hovedsagen indrettet som i den i fig. 2 viste udførelsesform. Varmebatteriet 10A i fig. 2 og radiatoren 25 i fig. 4 har været prøvet ned til -20°C under lange og 25 gentagne prøveperioder uden noget brud i rørsystemet. Opfindelsen har derfor vist sig at være yderst anvendelig og effektiv i praksis. 30 PATENTKRAV

1. Varmevekslings- eller cirkulationsapparat omfattende et system af ledninger (12), der er koblet til et indløb (13) og et udløb (14) til cirkulering af vand 35 eller en anden praktisk talt usammentrykkelig væske gennem systemet, hvor varme overføres gennem lednings- 8 DK 164179 B væggene og cirkulation i apparatet periodisk afbrydes, hvorefter fortsat varmeoverføring gennem ledningsvæggene bevirker frysning af væsken til is i ledningerne (12), kendetegnet ved, at to første forbin-5 delsesrør (15) for ledningerne (12) er varmeisoleret eller skærmet imod omgivende strømmende kold luft for at opnå forsinket frysning af vandet i disse forbindelsesrør (15) i forhold til væskens frysning til is i u-isolerede andre ledninger i systemet, der er placeret 10 mellem de første to forbindelsesrør (15), således at is, der vokser i ledningerne henimod disses ender, der står i forbindelse med de nævnte to første forbindelsesrør (15), vil resultere i et forøget tryk på den ufrosne væske i de isolerede forbindelsesrør, hvor det 15 forøgede vandtryk aflastes ved at de to første forbindelsesrør hver især er koblet gennem isolerede grenledninger (17) til et lukket isoleret trykaflastningskammer (16) med et trykkammer (16A) for således at undgå brud af ledningerne (12) i nogen del af systemet.

2. Apparat ifølge krav l, kendetegnet ved, at det respektive trykkammer (16A) er udformet med et gasvolumen (22), som danner en sammentrykkelig gaspude, for at tillade at vand, der af isen skubbes ind i den anden del af systemet, træder ind i trykkammeret 25 (16A) under øget modtryk fra gaspuden.

3. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at trykkammeret (16A) er forsynet med en sikkerhedsventil (24), der åbner ved et forud fastlagt vandtryk for at hindre brud af ledningerne.

4. Apparat ifølge krav 2, kendetegnet ved, at trykkammeret (16A) er forladet med en gas ved et forud fastlagt højt tryk over det normale vandtryk i systemet, når det aflukkes og før frysning.