JP3122464B2 - 渦巻形熱交換器 - Google Patents
渦巻形熱交換器Info
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- JP3122464B2 JP3122464B2 JP03517462A JP51746291A JP3122464B2 JP 3122464 B2 JP3122464 B2 JP 3122464B2 JP 03517462 A JP03517462 A JP 03517462A JP 51746291 A JP51746291 A JP 51746291A JP 3122464 B2 JP3122464 B2 JP 3122464B2
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- JP
- Japan
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- spiral
- conduit
- heat exchanger
- medium
- conduits
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
- F28F21/04—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
- F28D7/022—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of two or more media in heat-exchange relationship being helically coiled, the coils having a cylindrical configuration
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、第１媒体が流通する円筒ケーシングと、シ
リンダー軸の回りに渦巻形に走行し、第２媒体が流通す
る導管とを備えた渦巻形熱交換器に関する。この形式の
渦巻形熱交換器は、公開文書DE−3519315 A1において
開示される。
リンダー軸の回りに渦巻形に走行し、第２媒体が流通す
る導管とを備えた渦巻形熱交換器に関する。この形式の
渦巻形熱交換器は、公開文書DE−3519315 A1において
開示される。
この出版において開示された熱交換器の場合に、第２
媒体が流通する渦巻形式における導管は、第１媒体が流
通する円筒ケーシング内部に設けられる。この熱交換器
は、通常、中央加熱回路において使用され、排出ガス
は、ケーシングを通って加熱ボイラーから流出し、渦巻
形導管を通って流れる戻り水に熱を部分的に解放し、燃
料消費において節約を生む。渦巻形導管は、二重巻きで
あり、入口と出口は、円筒ケーシングの一方の側にあ
る。この熱交換器での問題は、比較的穏やかな熱伝達で
ある。
媒体が流通する渦巻形式における導管は、第１媒体が流
通する円筒ケーシング内部に設けられる。この熱交換器
は、通常、中央加熱回路において使用され、排出ガス
は、ケーシングを通って加熱ボイラーから流出し、渦巻
形導管を通って流れる戻り水に熱を部分的に解放し、燃
料消費において節約を生む。渦巻形導管は、二重巻きで
あり、入口と出口は、円筒ケーシングの一方の側にあ
る。この熱交換器での問題は、比較的穏やかな熱伝達で
ある。
家庭環境とプロセス産業において、小形熱交換器が、
一方においてあるプロセス条件下における空間の不足と
関連して、そして他方において、媒体間の特定温度差に
対する熱交換器の好都合な比出力（kW/m3）と、結果と
して可能な熱交換表面の平方メートル当たりの低い比費
用価格に関連して、非常に重要であることが判明した。
さらに産業において、幾つかの媒体流が互いに熱を交換
する小寸法の熱交換器を必要とする応用が出現した。
一方においてあるプロセス条件下における空間の不足と
関連して、そして他方において、媒体間の特定温度差に
対する熱交換器の好都合な比出力（kW/m3）と、結果と
して可能な熱交換表面の平方メートル当たりの低い比費
用価格に関連して、非常に重要であることが判明した。
さらに産業において、幾つかの媒体流が互いに熱を交換
する小寸法の熱交換器を必要とする応用が出現した。
発明の目的は、上記の問題を克服し、熱伝達が特に高
い小形熱交換器を設けることであり、寸法の結果とし
て、複数の熱交換器のモジュラー構造が簡単に達成され
る。
い小形熱交換器を設けることであり、寸法の結果とし
て、複数の熱交換器のモジュラー構造が簡単に達成され
る。
これは、序文において述べた形式の熱交換器の場合に
おいて達成され、一つの渦巻形導管のほかに、各場合に
それと代替的に、第３媒体が流通する少なくとも一つの
付加渦巻形導管が設けられ、第１媒体が流通する直線導
管が、２つの渦巻形導管内の中央に形成され、そして少
なくとも２つの渦巻形導管は良好な熱伝達率の金属壁を
有し、これらの壁の間と回りの空間は、良好な熱伝達率
の材料の流入により完全に満たされ、これにより、導管
の周囲熱伝達を可能にし、そして優れた熱伝達が獲得さ
れる如く、媒体の激しい乱流を誘導する小曲率半径を有
する。
おいて達成され、一つの渦巻形導管のほかに、各場合に
それと代替的に、第３媒体が流通する少なくとも一つの
付加渦巻形導管が設けられ、第１媒体が流通する直線導
管が、２つの渦巻形導管内の中央に形成され、そして少
なくとも２つの渦巻形導管は良好な熱伝達率の金属壁を
有し、これらの壁の間と回りの空間は、良好な熱伝達率
の材料の流入により完全に満たされ、これにより、導管
の周囲熱伝達を可能にし、そして優れた熱伝達が獲得さ
れる如く、媒体の激しい乱流を誘導する小曲率半径を有
する。
発明による小形設計の結果として、渦巻形導管の対応
する小曲率半径により、激しい乱流が、これらの導管に
おける媒体において生成され、その結果として、優れた
熱伝達が獲得される。同時に、表面積をできる限り大き
く、流通空間をできる限り小さくするという熱交換器に
対する一般必要条件が満たされる。３つ以上の導管によ
るこの設計の結果として、幾つかの流れが、いろいろな
方法により相互熱交換に流入する。２つの以上の渦巻形
導管内に直線導管を封入することにより、最も熱い媒体
が、直線導管を通って送られ、そして加熱される冷媒体
が２つ以上の渦巻形導管を通って送られる。結果的に、
大きな外面領域は、比較的冷たいままであり、円筒外側
面において無絶縁で又は限定的絶縁で作動可能となる。
する小曲率半径により、激しい乱流が、これらの導管に
おける媒体において生成され、その結果として、優れた
熱伝達が獲得される。同時に、表面積をできる限り大き
く、流通空間をできる限り小さくするという熱交換器に
対する一般必要条件が満たされる。３つ以上の導管によ
るこの設計の結果として、幾つかの流れが、いろいろな
方法により相互熱交換に流入する。２つの以上の渦巻形
導管内に直線導管を封入することにより、最も熱い媒体
が、直線導管を通って送られ、そして加熱される冷媒体
が２つ以上の渦巻形導管を通って送られる。結果的に、
大きな外面領域は、比較的冷たいままであり、円筒外側
面において無絶縁で又は限定的絶縁で作動可能となる。
発明はまた、上記の熱交換器によって形成される各モ
ジュールから構築されたマトリックス形式熱交換器に関
する。
ジュールから構築されたマトリックス形式熱交換器に関
する。
DE−Ｃ−203759から、一つの渦巻形導管を有し、その
上に代替的な付加渦巻形導管が、第１導管に溶接された
板片により形成された熱交換器が、公知である。該２つ
の渦巻形導管は、渦巻形導管を通って向流に送られる食
品、液体及び／又はガスの冷却又は加熱のために使用さ
れる。
上に代替的な付加渦巻形導管が、第１導管に溶接された
板片により形成された熱交換器が、公知である。該２つ
の渦巻形導管は、渦巻形導管を通って向流に送られる食
品、液体及び／又はガスの冷却又は加熱のために使用さ
れる。
WO 8201490から、円筒巻上げマンドレルの回りの重
畳併置コイル上に配設した２つ又は３つの渦巻状導管を
有し、これらの各導管は円筒コアに関して同一伝達平面
において配置される熱交換器が公知である。該熱交換器
は、向流における２つの媒体の冷却及び／又は加熱のた
めに使用される。２つの渦巻形導管の接触壁を生産し、
特異変形させるための方法が記載される。
畳併置コイル上に配設した２つ又は３つの渦巻状導管を
有し、これらの各導管は円筒コアに関して同一伝達平面
において配置される熱交換器が公知である。該熱交換器
は、向流における２つの媒体の冷却及び／又は加熱のた
めに使用される。２つの渦巻形導管の接触壁を生産し、
特異変形させるための方法が記載される。
発明は、図面を参照して、例示の実施態様の補助によ
りさらに詳細に示される。
りさらに詳細に示される。
第１図は、発明による熱交換器の部分的斜視の部分的
断面図を与える。
断面図を与える。
第２図は、熱伝達係数における渦巻直径と水速度の影
響のグラフを与える。
響のグラフを与える。
第３図は、渦巻長の関数として導管における媒体温度
のグラフを与える。
のグラフを与える。
第１図は、発明による小形交換器３の図を与え、２つ
の渦巻形導管又はパイプ１、２の各々が、交換に、直円
筒導管４の回りに直接に巻回される。約19mmの外径と約
mmの各導管の直径の非常に小形の構造の結果として、媒
体の激しい乱流と、結果的に優れた熱伝達が、渦巻形導
管の非常に小さな曲率半径と、また、非常に良い熱伝達
率を有する壁により獲得される。熱交換器６の円筒ケー
シングは、絶縁材料から作られる。一実施態様におい
て、各渦巻形パイプは、直線パイプの回りに16の巻回を
有し、その結果として、全熱交換器は、約235mmの長さ
を有する。発明による熱交換器は、例えば、砂を充填さ
れた２つの軟赤銅パイプを、組立体を形成するために鋼
ピンの回りに案内を施して巻回することにより、好都合
に生産される。各銅パイプは、例えば、それぞれ、4.6m
mと6.35mmの内径と外径を有する。ピンの除去後、同一
外径を有する直線赤銅パイプが、同一部位に挿入され
る。それから、全組立体が、良好な熱伝達率を有する液
体錫又は別の液体材料に浸される。錫と銅パイプの間に
最適接触を設け、パイプ壁の間の全空間を満たすため
に、続いて、錫が、バーナー火炎を使用して再び溶融さ
れる。この手段により、３つのパイプの間になお存在す
る中空空洞が、一杯になるまで流入する液体金属により
完全に満たされる。
の渦巻形導管又はパイプ１、２の各々が、交換に、直円
筒導管４の回りに直接に巻回される。約19mmの外径と約
mmの各導管の直径の非常に小形の構造の結果として、媒
体の激しい乱流と、結果的に優れた熱伝達が、渦巻形導
管の非常に小さな曲率半径と、また、非常に良い熱伝達
率を有する壁により獲得される。熱交換器６の円筒ケー
シングは、絶縁材料から作られる。一実施態様におい
て、各渦巻形パイプは、直線パイプの回りに16の巻回を
有し、その結果として、全熱交換器は、約235mmの長さ
を有する。発明による熱交換器は、例えば、砂を充填さ
れた２つの軟赤銅パイプを、組立体を形成するために鋼
ピンの回りに案内を施して巻回することにより、好都合
に生産される。各銅パイプは、例えば、それぞれ、4.6m
mと6.35mmの内径と外径を有する。ピンの除去後、同一
外径を有する直線赤銅パイプが、同一部位に挿入され
る。それから、全組立体が、良好な熱伝達率を有する液
体錫又は別の液体材料に浸される。錫と銅パイプの間に
最適接触を設け、パイプ壁の間の全空間を満たすため
に、続いて、錫が、バーナー火炎を使用して再び溶融さ
れる。この手段により、３つのパイプの間になお存在す
る中空空洞が、一杯になるまで流入する液体金属により
完全に満たされる。
他の生産手段と他の材料が、流通する媒体と応用によ
り使用されることは自明である。この文脈において、独
自の整を備えた２つの渦巻形導管の生産とこれらに導入
される充填材料により、直線中央導管を独自の特定壁な
しに同時に形成するように進めることができる。その
時、直線導管は、渦巻壁と充填材料によって形成した波
形付き壁を獲得する。
り使用されることは自明である。この文脈において、独
自の整を備えた２つの渦巻形導管の生産とこれらに導入
される充填材料により、直線中央導管を独自の特定壁な
しに同時に形成するように進めることができる。その
時、直線導管は、渦巻壁と充填材料によって形成した波
形付き壁を獲得する。
また、直線導管の入口端と出口端に平行であるよう
に、渦巻の入口端と出口端を曲げることは、特に都合が
良い。このように、多数の熱交換器が、以下に示される
大マトリックス形熱交換器ユニットを形成するために、
モジュラー構造において組み立てられる。
に、渦巻の入口端と出口端を曲げることは、特に都合が
良い。このように、多数の熱交換器が、以下に示される
大マトリックス形熱交換器ユニットを形成するために、
モジュラー構造において組み立てられる。
最後に、ポリエチレンが、全組立体の回りにパイプ絶
縁体６として塗布される。
縁体６として塗布される。
数回の試行とこれらの測定結果を以下に説明するが、
これに基づいて、媒体として水／水を使用する熱交換器
により、少なくとも21000kW/m3の比出力が、43.4℃の媒
体間の平均温度差により達成される。これらの条件下
で、9200W/m2・Ｋのｋ値と約2300W/m2・Ｋの熱伝達係数
が達せられる。これらの値は、現行技術の熱交換器の値
と対照される。
これに基づいて、媒体として水／水を使用する熱交換器
により、少なくとも21000kW/m3の比出力が、43.4℃の媒
体間の平均温度差により達成される。これらの条件下
で、9200W/m2・Ｋのｋ値と約2300W/m2・Ｋの熱伝達係数
が達せられる。これらの値は、現行技術の熱交換器の値
と対照される。
次のデータはまた、表１と表２において示された値か
ら導出され、水／水（表１）と２つ又は３つのパイプを
流通する空気／窒素蒸気（表２）の場合である。− 92
00W/m2・Ｋ（水／水）と106W/m2・Ｋ（ガス／ガス）の
最大ｋ値 − 約21000kW/m3（水／水）と280kW/m3（ガス／ガス）
の最大比出力 − 22600kW/m3（水／水）と210kW/m3・（ガス／ガス）
の最大熱伝達係数α さらに高い値が、上記の試行に対して使用された2.5m
/sの速度よりも高い水速度において導管において達せら
れることが容易に考えられる。
ら導出され、水／水（表１）と２つ又は３つのパイプを
流通する空気／窒素蒸気（表２）の場合である。− 92
00W/m2・Ｋ（水／水）と106W/m2・Ｋ（ガス／ガス）の
最大ｋ値 − 約21000kW/m3（水／水）と280kW/m3（ガス／ガス）
の最大比出力 − 22600kW/m3（水／水）と210kW/m3・（ガス／ガス）
の最大熱伝達係数α さらに高い値が、上記の試行に対して使用された2.5m
/sの速度よりも高い水速度において導管において達せら
れることが容易に考えられる。
発明のよる上記の熱交換器の場合において、接触付与
材料、すなわち、パイプ間の注入物質、例えば、錫が、
３つの導管間の非常に良好な熱伝達率を有することが重
要であることは自明である。
材料、すなわち、パイプ間の注入物質、例えば、錫が、
３つの導管間の非常に良好な熱伝達率を有することが重
要であることは自明である。
測定結果に基づいた熱伝達係数の計算は、流れがある
導管の壁温度が測定されなかったため、さらに困難にさ
れる。これらの試行がこの形式の熱交換器の大域評価を
獲得することを意図されたために、それは、次の仮定を
なす熱伝達係数を計算するように選定される。
導管の壁温度が測定されなかったため、さらに困難にさ
れる。これらの試行がこの形式の熱交換器の大域評価を
獲得することを意図されたために、それは、次の仮定を
なす熱伝達係数を計算するように選定される。
− 各導管間の錫層の熱さは、銅導管壁が互いに最も近
接した位置において最小1mmである。
接した位置において最小1mmである。
− 導管間の溶融錫は、全位置において、渦巻の壁表面
と直線導管に100％接触する。
と直線導管に100％接触する。
− 銅の熱伝達係数として349W/m・Ｋの値を取り、そし
て錫の熱伝達係数として65W/m・Ｋの値を取る。
て錫の熱伝達係数として65W/m・Ｋの値を取る。
− ２つの熱交換媒体に測定入口及び出口温度間の算術
平均値が、1mm厚錫層の中央における温度に対して取ら
れる（第３図参照）。ここで、温度変化は、各導管の縦
方向において線形であることが仮定された。
平均値が、1mm厚錫層の中央における温度に対して取ら
れる（第３図参照）。ここで、温度変化は、各導管の縦
方向において線形であることが仮定された。
導管壁の熱流密度は、各導管の熱平衡と内表面積から
算出される伝達パワーの補助により計算される。熱伝達
係数は、材料厚の半分の熱抵抗（＝錫層厚の半分＋一銅
導管壁厚）と、計算熱流速度と導管の平均内壁温度から
算出される。計算例は、以下に与えられるが、媒体の水
／水（2130〜22624W/m2・Ｋ）に対するすべての計算熱
伝達係数が表１に与えられる。
算出される伝達パワーの補助により計算される。熱伝達
係数は、材料厚の半分の熱抵抗（＝錫層厚の半分＋一銅
導管壁厚）と、計算熱流速度と導管の平均内壁温度から
算出される。計算例は、以下に与えられるが、媒体の水
／水（2130〜22624W/m2・Ｋ）に対するすべての計算熱
伝達係数が表１に与えられる。
計算熱伝達抵抗における実質差は、２つの渦巻の内表
面積が、直円筒内部導管のちょうど６倍であることから
生ずる。さらに、選ばれた動作条件の結果として、実験
No1.とNo.3中の熱負荷は、多分、約２の因子だけ異な
る。低熱伝達係数は、渦巻に適用され、そして高熱伝達
係数は直円筒導管に適用される。測定結果は、計算モデ
ルのための入力として使用される。
面積が、直円筒内部導管のちょうど６倍であることから
生ずる。さらに、選ばれた動作条件の結果として、実験
No1.とNo.3中の熱負荷は、多分、約２の因子だけ異な
る。低熱伝達係数は、渦巻に適用され、そして高熱伝達
係数は直円筒導管に適用される。測定結果は、計算モデ
ルのための入力として使用される。
表１は、媒体の水／水のための測定結果を示し、そし
て表２は、媒体の空気／窒素蒸気のための測定結果を示
す。
て表２は、媒体の空気／窒素蒸気のための測定結果を示
す。
熱交換器の挙動の印象を獲得するために、液体媒体と
ガス媒体により、試行が為された。結果は、上記の如く
良好であった。
ガス媒体により、試行が為された。結果は、上記の如く
良好であった。
実験１、２と４（表１参照）の場合における如く、＞
22000のレイノルズ数を有する渦巻における乱流に対す
る熱伝達を基礎として、媒体水と空気の両方に対する２
つの熱伝達係数の計算が、以下に与えられる。
22000のレイノルズ数を有する渦巻における乱流に対す
る熱伝達を基礎として、媒体水と空気の両方に対する２
つの熱伝達係数の計算が、以下に与えられる。
VDI−Waermeatlas（VDI熱アトラス）（1988）、第５
版において開示された方程式が、この計算のために使用
された。これらの方程式は、 ここで、 ｄ＝パイプ内径（第１のdi）、ｍ Ｄ＝渦巻直径（第１図のDw）、ｍ Re＝レイノズル数 Pr＝関連媒体のプラントル数 Prw＝周囲壁温度における関連媒体のプラントル数 実験No.1に適用すると、これは次を与える。
版において開示された方程式が、この計算のために使用
された。これらの方程式は、 ここで、 ｄ＝パイプ内径（第１のdi）、ｍ Ｄ＝渦巻直径（第１図のDw）、ｍ Re＝レイノズル数 Pr＝関連媒体のプラントル数 Prw＝周囲壁温度における関連媒体のプラントル数 実験No.1に適用すると、これは次を与える。
又はα＝Nu・λ/d＝（187.6・0.65）/0.0046＝26504W
/m2・Ｋ 熱空気の実験No.5に対して、上記の計算例によりα＝
177W/m2・Ｋであることがわかる。
/m2・Ｋ 熱空気の実験No.5に対して、上記の計算例によりα＝
177W/m2・Ｋであることがわかる。
渦巻直径と計算熱伝達係数における水速度の影響が、
第２図に示される。使用されたように、小渦巻又は「コ
イル」直径Dwにより、高熱伝達係数αと、こうして、高
熱伝達が、ある水速度に対して獲得される。
第２図に示される。使用されたように、小渦巻又は「コ
イル」直径Dwにより、高熱伝達係数αと、こうして、高
熱伝達が、ある水速度に対して獲得される。
実験No.1に関して、熱伝達係数の単純化計算が、測定
結果に基づいて、以下に与えられる。
結果に基づいて、以下に与えられる。
この実験において、水は、向流において２つの渦巻を
流通した。直円現導管は使用されなかった。２つの端部
は、閉鎖されず、その結果、環境空気の自然対流が、こ
の導管において発生した。表１において与えられた温度
は、熱交換が明らかに定常状態になった後測定された
（実験No.5を除く）。２つの渦巻の外側は、パイプ絶縁
片（ポリエチレン泡13mm厚）で絶縁された。
流通した。直円現導管は使用されなかった。２つの端部
は、閉鎖されず、その結果、環境空気の自然対流が、こ
の導管において発生した。表１において与えられた温度
は、熱交換が明らかに定常状態になった後測定された
（実験No.5を除く）。２つの渦巻の外側は、パイプ絶縁
片（ポリエチレン泡13mm厚）で絶縁された。
40.53℃の対数平均温度は、渦巻の入口及び出口端に
おいて測定された各温度から従う。対数値の代わりに、
対数平均温度差が使用されるならば、これは、△Tav・
（arith.）＝（（75.1−40.0）＋（59.2−12.7））/2＝
40.80℃ である。
おいて測定された各温度から従う。対数値の代わりに、
対数平均温度差が使用されるならば、これは、△Tav・
（arith.）＝（（75.1−40.0）＋（59.2−12.7））/2＝
40.80℃ である。
対数平均温度差に関する偏差は、わずかに0.67％であ
るために、対数平均温度差が、この計算において以下で
使用される。熱交換器の縦方向における温度変化は、第
３図に示された如く、線形として見なされる。これは、
渦巻における水の非常に短いドエル時間（約0.32〜約0.
56秒）の結果として許容される。さらに、平均温度差
は、渦巻半長において行き渡ると仮定される。その時、
渦巻における平均温度パターンは、次の如くである。
るために、対数平均温度差が、この計算において以下で
使用される。熱交換器の縦方向における温度変化は、第
３図に示された如く、線形として見なされる。これは、
渦巻における水の非常に短いドエル時間（約0.32〜約0.
56秒）の結果として許容される。さらに、平均温度差
は、渦巻半長において行き渡ると仮定される。その時、
渦巻における平均温度パターンは、次の如くである。
− 熱媒体：（75.1＋59.2）/2＝67.15℃ − 冷媒体：（40.0＋12.7）/2＝26.35℃ 平均「錫層」温度ｔav.tは、これら２つの温度から、
ｔav.t＝（67.15＋26.35）/2＝46.75℃として計算され
る。これは、２つの導管における熱伝導係数が、全位置
において同一値を有する必要がないために、実条件の近
似である。熱抵抗はまた、結果として局所差を示す。
ｔav.t＝（67.15＋26.35）/2＝46.75℃として計算され
る。これは、２つの導管における熱伝導係数が、全位置
において同一値を有する必要がないために、実条件の近
似である。熱抵抗はまた、結果として局所差を示す。
熱流密度ｑは、伝達された平均パワー（表１、実験N
o.1参照）と渦巻の内表面積（＝0.00923m2）から、ｑ＝
2200/0.00923＝238353W/m2として計算される。全材料厚
（銅＋錫）の熱抵抗δ／λがまた、計算された。このδ
／λは、20.4・10-6m2・K/Wであった。材料厚δでの温
度差は、平均熱流密度ｑ（238353W/m2）と熱抵抗δ／
λ：△Ｔ（材料厚）＝238353・20.4・10-6＝4.86℃から
従う。この温度差と平均「錫層」温度（Ｔav.t）から、
２つの渦巻の平均内面温度を近似的に計算することが、
可能である。これらは、46.75＋4.86/2＝49.18℃（熱媒
体側）と46.75−4.86/2＝44.32℃（冷媒体側）である。
最後に、所望の熱伝達係数が、媒体と壁の間の温度差
（すなわち、q/△Ｔ）によって平均熱流密度を割算する
ことにより算出される。すなわち、 − 熱側において、238353/（67.15−49.18）＝13264W/
m2・Ｋ − 冷側において、238353/（44.32−26.35）＝13264W/
m2・Ｋ この場合これらの熱伝達係数は同一である。しかし、内
部直線導管と渦巻の間の内表面積における差の結果とし
て、熱流密度は、媒体がこれらの導管を流通するならば
同一ではない。このため、この状況において同じように
算定することは、完全には正しくない。それにも拘わら
ず、この不正確さは、さらに対する壁温度補正がわずか
な小量であるために、表１に掲げられた熱伝達係数の計
算に対して受け入れられた。
o.1参照）と渦巻の内表面積（＝0.00923m2）から、ｑ＝
2200/0.00923＝238353W/m2として計算される。全材料厚
（銅＋錫）の熱抵抗δ／λがまた、計算された。このδ
／λは、20.4・10-6m2・K/Wであった。材料厚δでの温
度差は、平均熱流密度ｑ（238353W/m2）と熱抵抗δ／
λ：△Ｔ（材料厚）＝238353・20.4・10-6＝4.86℃から
従う。この温度差と平均「錫層」温度（Ｔav.t）から、
２つの渦巻の平均内面温度を近似的に計算することが、
可能である。これらは、46.75＋4.86/2＝49.18℃（熱媒
体側）と46.75−4.86/2＝44.32℃（冷媒体側）である。
最後に、所望の熱伝達係数が、媒体と壁の間の温度差
（すなわち、q/△Ｔ）によって平均熱流密度を割算する
ことにより算出される。すなわち、 − 熱側において、238353/（67.15−49.18）＝13264W/
m2・Ｋ − 冷側において、238353/（44.32−26.35）＝13264W/
m2・Ｋ この場合これらの熱伝達係数は同一である。しかし、内
部直線導管と渦巻の間の内表面積における差の結果とし
て、熱流密度は、媒体がこれらの導管を流通するならば
同一ではない。このため、この状況において同じように
算定することは、完全には正しくない。それにも拘わら
ず、この不正確さは、さらに対する壁温度補正がわずか
な小量であるために、表１に掲げられた熱伝達係数の計
算に対して受け入れられた。
今まで計算された熱伝達係数を使用して、「チェッ
ク」としても、円筒パイプの熱損失の計算に対する公知
の関係を使用して、チェック計算を実施することが可能
である。この場合に、関係は次の如くである。
ク」としても、円筒パイプの熱損失の計算に対する公知
の関係を使用して、チェック計算を実施することが可能
である。この場合に、関係は次の如くである。
Qcyl.＝π・（Ti−T2）／（１（αｉ・Di）＋（1/2・λ
cu））・ln（D1/Di）＋（1/2λsn））・ln（D2/D1））
ここで、 Qcyl.＝一導管における伝達パワー（W/m） Ti＝熱媒体の平均温度（℃） T2＝熱媒体の平均仕切り（錫層）温度（℃） αｉ＝上記の計算の熱伝達係数（W/m2・Ｋ） λcuとλsnは、周囲温度（W/m・Ｋ）におけるそれぞれ
銅と錫の熱伝達係数であり、そしてDi、D1とD2は、上記
の信号（ｍ）に関連したそれぞれの直径である。
cu））・ln（D1/Di）＋（1/2λsn））・ln（D2/D1））
ここで、 Qcyl.＝一導管における伝達パワー（W/m） Ti＝熱媒体の平均温度（℃） T2＝熱媒体の平均仕切り（錫層）温度（℃） αｉ＝上記の計算の熱伝達係数（W/m2・Ｋ） λcuとλsnは、周囲温度（W/m・Ｋ）におけるそれぞれ
銅と錫の熱伝達係数であり、そしてDi、D1とD2は、上記
の信号（ｍ）に関連したそれぞれの直径である。
図において表わされたように、これは、次の方程式を
与える。
与える。
Qcyl.＝π・（67.15−46.75）／｛1/13264.0＋（1/（2.
349））・ln（6.35/4.6）＋（1/2.65））・ln（7.35/6.
35）｝又は Qcyl.＝3565W/m 熱交換器の一渦巻の直線長は、約0.643mであり、Ｑ＝
0.643・3565/1000＝2.292kWが、渦巻毎に放棄されるこ
とを意味する。この値は、2.21kWと2.19kWの測定値（表
１、実験No.1参照）に良く一致する。類似のチェック計
算が、もちろん、他の実験に対して可能である。
349））・ln（6.35/4.6）＋（1/2.65））・ln（7.35/6.
35）｝又は Qcyl.＝3565W/m 熱交換器の一渦巻の直線長は、約0.643mであり、Ｑ＝
0.643・3565/1000＝2.292kWが、渦巻毎に放棄されるこ
とを意味する。この値は、2.21kWと2.19kWの測定値（表
１、実験No.1参照）に良く一致する。類似のチェック計
算が、もちろん、他の実験に対して可能である。
考慮中の渦巻形熱交換器の良好な熱伝達が、測定（表
を参照）と上記の計算データから見られる。発明による
熱交換器の場合に、幾つかの媒体流が、都合良く、同時
に互いに熱を交換する。当該の一直線導管と後者の回り
に巻装された２つ以上の渦巻形導管を使用して、幾つか
の組み合わせが、熱交換される媒体流に関して可能であ
る。これは、これらの流通媒体に関して大きな柔軟性を
与える。
を参照）と上記の計算データから見られる。発明による
熱交換器の場合に、幾つかの媒体流が、都合良く、同時
に互いに熱を交換する。当該の一直線導管と後者の回り
に巻装された２つ以上の渦巻形導管を使用して、幾つか
の組み合わせが、熱交換される媒体流に関して可能であ
る。これは、これらの流通媒体に関して大きな柔軟性を
与える。
上記の如く、比較的小さな寸法の結果として、多数の
熱交換器が、都合良く、大マトリックス形熱交換ユニッ
トを形成するために、モジュラー構成において組み立て
られる。この形式のマトリックス形熱交換ユニットにお
いて、発明による熱交換器を具備する多数の各モジュー
ルが、行及び／列において互いに接合され、互いに連結
される。この形式の熱交換ユニットは、例えば、発明に
よる単一熱交換器の当該導管によりセラミック粉末のブ
ロックにおいて鉛線を巻装することにより、生産され
る。セラミック粉末の当該ブロックは、続いて、焼成さ
れ、鉛線は各モジュールにおいて融解する。冷却後、当
該３つ以上の導管は、交換ユニットの各モジュールにお
いてセラミック材料のままである。この形式の熱交換ユ
ニットは、都合良く、例えば、1000℃を超える高温に対
して流通媒体を使用する応用に対して使用される。
熱交換器が、都合良く、大マトリックス形熱交換ユニッ
トを形成するために、モジュラー構成において組み立て
られる。この形式のマトリックス形熱交換ユニットにお
いて、発明による熱交換器を具備する多数の各モジュー
ルが、行及び／列において互いに接合され、互いに連結
される。この形式の熱交換ユニットは、例えば、発明に
よる単一熱交換器の当該導管によりセラミック粉末のブ
ロックにおいて鉛線を巻装することにより、生産され
る。セラミック粉末の当該ブロックは、続いて、焼成さ
れ、鉛線は各モジュールにおいて融解する。冷却後、当
該３つ以上の導管は、交換ユニットの各モジュールにお
いてセラミック材料のままである。この形式の熱交換ユ
ニットは、都合良く、例えば、1000℃を超える高温に対
して流通媒体を使用する応用に対して使用される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特公 昭34−1038（ＪＰ，Ｂ１) 実公 昭42−17254（ＪＰ，Ｙ１) 米国特許3739842（ＵＳ，Ａ) 国際公開82／1490（ＷＯ，Ａ１) 独国特許発明203759（ＤＥ，Ｃ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F28D 7/16 F28D 7/02
Claims (10)
- 【請求項１】第１媒体が流通する円筒ケーシングと、シ
リンダー軸の回りに渦巻形に走行し、第２媒体が流通す
る導管（１）とを備えた渦巻形熱交換器（３）におい
て、一つの渦巻形導管（１）のほかに、各場合にそれと
代替的に、第３媒体が流通する少なくとも一つの付加渦
巻形導管（２）が設けられ、第１媒体が流通する直線導
管（４）が、２つの渦巻形導管内の中央に形成され、そ
して少なくとも２つの渦巻形導管は良好な熱伝達率の金
属壁を有し、これらの壁の間と回りの空間は、良好な熱
伝達率の材料（５）の流入により完全に満たされ、これ
により、導管の周囲熱伝達を可能にし、そして優れた熱
伝達が獲得される如く、媒体の激しい乱流を誘導する小
曲率半径を有することを特徴とする渦巻形熱交換器。 - 【請求項２】直線導管（４）の回りの壁が、渦巻形導管
の壁とそれらの間の充填材料（５）によって形成される
ことを特徴とする請求の範囲１に記載の渦巻形熱交換器
（３）。 - 【請求項３】熱交換器の一方又は他方の短側における２
つの渦巻形導管（１、２）の入口端と出口端が、直線導
管（４）に平行である如く曲げられることを特徴とする
先行する請求の範囲のいずれか一つに記載の渦開形熱交
換器（３）。 - 【請求項４】各導管の外径が、約6.4mmであり、渦巻の
外径が、約19.2mmであり、そして円筒ケーシングの縦寸
法が、約235mmであることを特徴とする先行する請求の
範囲のいずれか一つに記載の渦巻形熱交換器（３）。 - 【請求項５】該導管（１、２、４）が、軟赤銅製であ
り、そして充填材料（５）が錫であることを特徴とする
請求の範囲１に記載の渦巻形熱交換器（３）。 - 【請求項６】砂で充填された２つの軟金属導管が、組立
体を形成するために鋼ピンの回りに巻回され、このピン
は、ピンと同一外径を有する直線金属導管によって置き
換えられ、そして組立体は、流体充填材料に浸され、そ
こからの除去後冷却されることを特徴とする先行する請
求の範囲のいずれか一つに記載の渦巻形熱交換器（３）
の生産方法。 - 【請求項７】流体充填材料が、バーナーを使用して、続
いて再び融解され、その後冷却が行われることを特徴と
する請求の範囲６に記載の方法。 - 【請求項８】請求の範囲１による渦巻形熱交換器（３）
によって形成される各モジュールから構成されたマトリ
ックス形熱交換ユニット。 - 【請求項９】セラミック材料の同質ブロックから成り、
モジュールの位置において、３つの導管が、良好な伝導
率で、導管仕切りとして役立つセラミック材料を通過す
る請求の範囲８に記載のマトリックス形熱交換ユニッ
ト。 - 【請求項１０】鉛線が、該導管によりセラミック粉末の
ブロックにおいて巻装され、そして線を含むブロック
が、焼成され、各モジュールにおける３つの導管が、鉛
が融解した後セラミック材料に残る請求の範囲９に記載
のマトリックス形熱交換ユニットの生産方法。
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
| NL9002251 | 1990-10-16 | ||
| NL9002251A NL9002251A (nl) | 1990-10-16 | 1990-10-16 | Spiralen-warmtewisselaar. |
| PCT/NL1991/000205 WO1992007226A1 (en) | 1990-10-16 | 1991-10-16 | Spiral heat exchanger |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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| JP (1) | JP3122464B2 (ja) |
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| DE (1) | DE69124391T2 (ja) |
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| US5644063A (en) * | 1994-09-08 | 1997-07-01 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Imidazo[4,5-c]pyridin-4-amine intermediates |
| EP0867678A1 (de) * | 1997-03-26 | 1998-09-30 | Artur Zachajewicz | Multikoaxialer Rohrwärmetauscher |
| EP1632277A1 (en) * | 2004-09-03 | 2006-03-08 | Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO | Process and apparatus for carrying out crystallization |
| US8721981B2 (en) | 2009-11-30 | 2014-05-13 | General Electric Company | Spiral recuperative heat exchanging system |
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| EP2404666A1 (fr) | 2010-07-09 | 2012-01-11 | Rhodia Opérations | Module de transformation continue d'au moins un produit fluide, unité et procédé associés. |
| WO2011117540A1 (fr) | 2010-03-23 | 2011-09-29 | Rhodia Operations | Module de transformation continue d'au moins un produit fluide, unité et procédé associés |
| CN105277022A (zh) * | 2015-11-30 | 2016-01-27 | 李家海 | 管管交缠式热交换器 |
| CN109496261B (zh) | 2016-06-09 | 2020-12-08 | 流体处理有限责任公司 | 3d螺旋热交换器 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE203759C (ja) * | 1907-12-24 | 1908-10-29 | ||
| SE441302B (sv) * | 1980-05-27 | 1985-09-23 | Euroheat Ab | Trekretsvermevexlare med spirallindade ror i en stapel |
| US4316502A (en) * | 1980-11-03 | 1982-02-23 | E-Tech, Inc. | Helically flighted heat exchanger |
| FR2549215B1 (fr) * | 1983-07-11 | 1988-06-24 | Produits Refractaires | Echangeurs de chaleur moules en matiere refractaire |
| DE3519315A1 (de) * | 1985-05-30 | 1986-12-04 | kabelmetal electro GmbH, 3000 Hannover | Waermetauscher aus einem huellrohr und einem im innern des huellrohres angeordneten wendelartig verlaufenden rohr |
-
1990
- 1990-10-16 NL NL9002251A patent/NL9002251A/nl not_active Application Discontinuation
-
1991
- 1991-10-16 JP JP03517462A patent/JP3122464B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1991-10-16 AT AT91919518T patent/ATE148219T1/de not_active IP Right Cessation
- 1991-10-16 DE DE69124391T patent/DE69124391T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1991-10-16 EP EP91919518A patent/EP0553238B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1991-10-16 DK DK91919518.0T patent/DK0553238T3/da active
- 1991-10-16 WO PCT/NL1991/000205 patent/WO1992007226A1/en active IP Right Grant
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| Publication number | Publication date |
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| DE69124391T2 (de) | 1997-08-21 |
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