NL1007552C2 - Warmtewisselaar. - Google Patents

Description

Warmtewisselaar

De uitvinding heeft betrekking op het gebied van warmtewisselaars. Warmtewisselaars worden op vele verschillende 5 gebieden toegepast. Voor elk van die toepassingen moet aan specifieke eisen zijn voldaan, zoals maximale capaciteit, afmetingen en dergelijke. Ook de kosten van vervaardiging kunnen een belangrijke rol spelen.

De werking van warmtewisselaars berust gewoonlijk op het principe 10 van het langs twee verschillende zijden van een wand laten stromen van fluïda met verschillende aanvangstemperaturen. Hoe groter het beschikbare oppervlak van die zijden is, des te groter de capaciteit van de warmtewisselaar. Dergelijke wanden bestaan meestal uit een metaal dat een goede warmtegeleider is.

15 Bij specifieke toepassingen van warmtewisselaars, zoals in het bijzonder bij toepassing in een krachtbron voor voertuigen, mag de warmtewisselaar zekere maximale afmetingen niet overschrijden. Dat betekent dat een groot warmtewisselingsoppervlak in een verhoudingsgewijze klein volume moet worden opgenomen. Als voorbeeld 20 wordt genoemd een warmtewisselaar voor toepassing bij een Stirlingmotor voor een voertuig.

Doel van de uitvinding is een warmtewisselaar te verschaffen die aan de hiervoor omschreven eisen beter voldoet dan bekende warmtewisselaar. Dat doel wordt bereikt door middel van een 25 warmtewisselaar, omvattende een reeks in hoofdzaak platte warmtewisselingsbuizen die elk een door twee wanden begrensd inwendig kanaal bezitten voor een eerste fluïdumstroming, welke wanden elk ter plaatse van hun eindranden die zich aan beide einden van het inwendig kanaal bevinden, zijn verbonden met de overeenkomstige eindrand van de 30 tegenoverliggende wand van de naastliggende buis, zodanig dat tussen telkens twee van dergelijke tegenoverliggende wanden een uitwendig kanaal is bepaald voor een tweede fluïdumstroming.

De warmtewisselaar volgens de uitvinding is opgebouwd uit een groot aantal in hoofdzaak platte buizen. Het voordeel daarvan is 35 allereerst dat door middel van dergelijke buizen een warmtewisselaar met een nauwkeurig bepaalde vorm kan worden vervaardigd, dat wil zeggen zonder onregelmatigheden die de stroming van de fluïda nadelig zouden beïnvloeden. Verder berust de wijze van vervaardigen van 1007552 2 dergelijke buizen op bewezen technieken, waardoor een betrouwbaar eindresultaat mogelijk wordt gemaakt.

Doordat bij de warmtewisselaar volgens de uitvinding de eindranden van de buizen aan elkaar gelast worden, is het niet langer 5 nodig om eindflenzen aan de buizen te bevestigen. In het geval van een compacte wisselaarconstructie zou het aanbrengen van dergelijke flenzen nauwelijks mogelijk zijn.

De juiste werking van de warmtewisselaar berust op het gescheiden doorvoeren van beide fluïda. In dat verband is de warmtewisselaar 10 volgens de uitvinding uitgevoerd met buizen die eindranden met aan de hoeken uitsparingen bezitten, en elke reeks uitsparingen van overeenkomstige hoeken der buizen een doorgaande richel bepalen die is gevuld met lasmateriaal.

Elke met lasmateriaal gevulde richel vormt een scheiding tussen 15 de voor de respectievelijke fluïda bestemde stromingskanalen door de warmtewisselaar.

De reeks buizen is opgenomen in een huis, welk huis langswanden bezit die zich langs de reeks buizen uitstrekken ter plaatse van de mondingen der uitwendige kanalen en elk aansluiten op een richel, 20 welke mondingen gedeeltelijk zijn afgedekt door die langswanden, welk huis aansluitingen heeft voor respectievelijk de toevoer en afvoer voor beide fluïda.

Door de fluïda aan het huis toe te voeren, kunnen deze vervolgens onder warmte-uitwisseling door en langs de buizen stromen. In dat 25 verband is op de reeksen richels elk een van de buizen afwijzende scheidingswand aangesloten, welke scheidingswanden paren vormen die elk een toevoer en afvoer voor het eerste en het tweede fluïdum begrenzen.

Volgens een eerste mogelijke uitvoeringsvorm kunnen de 30 evenwijdige wanden der buizen rechthoekig zijn, en vier reeksen hoeken bepalen elk met een met lasmateriaal gevulde richel.

Het huis kan twee evenwijdige langswanden bezitten waartussen de reeks buizen is opgenomen, welke langswanden elk een dwarsafmeting hebben die kleiner is dan de lengte van de buizen, en die ten opzichte 35 van elkaar verschoven zijn, en welke langswanden elk aan een tegenoverliggende richel grenzen onder vrijlating van respectievelijk | een toevoer en een afvoer voor elk uitwendig kanaal, welke toevoer en afvoer ten opzichte van elkaar zijn versprongen. Als gevolg van de ten 1007552 3 opzichte van elkaar versprongen positie van de toevoer en afvoer kan het betreffende fluïdum langs de buitenzijde van de buizen geleid in tegenstroom worden geleid met betrekking tot de stroming van het andere fluïdum door het inwendige van de buizen.

5 Volgens een tweede mogelijke uitvoeringsvorm kunnen de evenwijdige wanden der buizen zeshoekig zijn, waarvan de zich tussen de beide einden van het inwendig kanaal zich uitstrekkende langsranden naar buiten geknikt verlopen, welke wanden vier reeksen hoeken bepalen elk met een met lasmateriaal gevulde richel, welke richels twee paren 10 vormen gescheiden door twee hoeken zonder richel.

De naar buiten geknikte langsranden van de buizen vormen twee paren uit elk twee tegenoverliggende langsranden, langs een paar van welke langsranddelen zich een paar langswanden uitstrekt onder vrijlating van een respectievelijke toevoer en een afvoer voor elk 15 uitwendig kanaal ter plaatse van het andere paar langsranddelen. Ook in deze variant kan een tegenstroming van beide fluïda worden verkregen.

Bij voorkeur heeft de reeks buizen een ringvorm, waarbij de inwendige kanalen in de door de ringvorm bepaalde axiale richting 20 lopen.

Daarbij kunnen de wanden in de dwarsdoorsnede bepaald door een vlak loodrecht op de axiale richting van de ringvorm, een evolvente vorm bezitten. Tevens kunnen de wanden der buizen axiale verstijvingsribben bezitten.

25 De uitvinding betreft tevens een warmtewisselingsbuis omvattende twee evenwijdige wanden welke een inwendig kanaal bepalen dat zich uitstrekt tussen de beide einden van de wanden, welke einden elk twee tegenover elkaar liggende eindranden bezitten die aan elke hoeken een uitsparing hebben.

30 Volgens de eerste mogelijkheid kunnen deze wanden rechthoekig zijn; volgens de tweede kunnen de evenwijdige wanden zeshoekig zijn, en de zich tussen beide einden van het inwendig kanaal zich uitstrekkende langsranden naar buiten geknikt zijn.

Verder betreft de uitvinding een werkwijze voor het vervaardigen 35 van een warmtewisselaar uit een aantal warmtewisselingsbuizen, omvattende de stap van het plaatsen van een reeks buizen in een mal, alsmede het aan elkaar lassen van telkens een eindrand van een buis aan de naastliggende eindrand van de naastliggende buis.

1007552 4

Bij deze werkwijze kan telkens een koperen strip tussen de beide eindranden van elke buis vóór de stap van het aan elkaar lassen van de naast elkaar liggende eindranden worden geplaatst teneinde oververhitting van het materiaal te voorkomen.

5 Vervolgens zal de uitvinding nader worden toegelicht aan de hand van een in de figuren weergegeven uitvoeringsvoorbeeld.

Figuur 1 toont een tweetal platte warmtewisselingsbuizen voor toepassing bij de warmtewisselaar volgens de uitvinding.

Figuur 2 toont de stap van het aan elkaar lassen van dergelijke 10 warmtewisselingsbuizen.

Figuur 3 toont een andere uitvoeringsvorm van de warmtewisselingsbuizen.

Figuur k toont een warmtewisselaar vervaardigd uit de warmtewisselingsbuizen volgens figuur 1.

15 Figuur 5 toont de dwarsdoorsnede V - V volgens figuur k.

Figuur 6 toont een overeenkomstige dwarsdoorsnede door een warmtewisselaar met de warmtewisselingsbuizen volgens figuur 3·

Figuur 7 toont de stap van het aan elkaar lassen van achtereenvolgende warmtewisselingsbuizen.

20 De in figuur h weergegeven warmtewisselaar omvat een reeks warmtewisselingsbuizen 1, die nader zijn weergegeven in de figuren 1 en 2. De reeks warmtewisselingsbuizen is samengebouwd tot een ringvorm en bezit aan de buitenzijde een cilindrische langswand 2 die zich vanaf de onderzijde over een gedeelte van de hoogte van de 25 warmtewisselingsbuizen 1 uitstrekt. Verder bezit de warmtewisselaar volgens figuur 4 een zich aan de binnenzijde van de reeks warmtewisselingsbuizen 1 bevindende cilindrische wand 3. die zich van bovenaf over eveneens een gedeelte van de hoogte van de warmtewisselingsbuizen 1 uitstrekt.

30 Zoals te zien is in figuren 1 en 2 bezit elke warmtewisselingsbuis twee platte, evenwijdige wanden *1, 5. waartussen zich een inwendig kanaal 6 bevindt. Dit inwendig kanaal 6 strekt zich uit tussen de eindranden 7. 8 van de wanden 4, 5· De wanden 4, 5 behoeven niet volkomen plat te zijn; zij kunnen eventueel een lichte 35 kromming bezitten.

In elk van deze eindranden 7. 8 is een uitsparing 9. 10 aangebracht.

1007552 5

Tussen de naast elkaar liggende wanden 4, 5 van twee opeenvolgende warmtewisselingsbuizen 1 is telkens een uitwendig kanaal 11 bepaald.

Zoals weergegeven in figuur 2 zijn de zich tussen de uitsparingen 5 9. 10 bevindende eindranden 7. 8 van de naast elkaar liggende wanden 4, 5 van opeenvolgende warmtewisselingsbuizen 1 telkens door middel van een las 12 aan elkaar bevestigd. Teneinde oververhitting van het vrij dunne materiaal van de warmtewisselingsbuizen 1 te vermijden, bevindt zich tijdens het lassen telkens een koperen afstandsstuk 11 10 tussen de eindranden 7. 8, en wel boven het daardoor begrensde inwendige kanaal 6. Na het lassen worden deze koperen stukken verwijderd.

De warmtewisselingsbuizen 1 zijn tevens verbonden door een viertal lasrupsen 13. 14 die gelegd zijn in alle uitsparingen 9. 10.

15 Zoals weergegeven in figuur 7 wordt de reeks warmtewisselingsbuizen daartoe opgenomen tussen een aantal koperen blokken 15. 16, die telkens een dergelijke reeks uitsparingen 9. 10 begrenzen. Ook deze koperen blokken zorgen ervoor dat het plaatmateriaal van de warmtewisselingsbuizen 1 niet te heet wordt bij het leggen van de 20 rupsen 13. 14.

De aldus vervaardigde warmtewisselaar volgens figuur 4 bepaalt twee afzonderlijke, gescheiden stromingswegen voor twee verschillende fluïda. De eerste stromingsweg is bepaald door de gezamenlijke inwendige kanalen 6 van alle warmtewisselingsbuizen 1. Één en ander is 25 te zien in de doorsnede van figuur 5· Daarin is de stromingsweg voor het eerste fluïdum door deze inwendige kanalen weergegeven door middel van de pijlen 17.

De tweede stromingsweg is bepaald door de uitwendige kanalen 11 tussen telkens de naast elkaar liggende wanden 4, 5 van naast elkaar 30 liggende warmtewisselingsbuizen 1. De doorsnede volgens V - V van figuur 4, weergegeven in figuur 5. is genomen door een dergelijk uitwendig kanaal 11, zodat de volledige stroming van het tweede warmtewisselingsmedium, dat is aangeduid door middel van de pijlen 18, in figuur 5 te zien is. De stromingsweg van het eerste fluïdum door de 35 inwendige kanalen 6 is daarentegen in figuur 5 afgeschermd door de wand 5. en derhalve slechts boven en onder de warmtewisselingsbuizen 1 te zien. Dankzij de versprongen plaatsing van de buitenwand 2 en de binnenwand 3 wordt het tweede fluïdum gedwongen in tegenstroming te 1007552 6 bewegen met betrekking tot de stromingsrichting van het eerste fluïdum. Daardoor is een goede warmtewisseling verzekerd.

Teneinde de scheiding tussen beide fluïda te verzekeren, zijn de op de respectievelijke lasrupsen 13, l4 aangesloten, schematisch 5 weergegeven wanden 19, 20 aangebracht.

De in de figuren 1, 2, 4, 5. 7 weergegeven warmtewisselingsbuizen zijn rechthoekig. Dit voorbeeld is niet beperkend, zoals blijkt uit de variant weergegeven in de figuren 3 en 6. De in deze figuren weergegeven warmtewisselingsbuizen zijn zeshoekig, en bezitten 10 derhalve elk zeshoekige wanden 21, 22. Tussen deze zeshoekige wanden 21, 22 is een inwendig kanaal 23 bepaald, en tussen de naast elkaar liggende wanden 21, 22 van twee opeenvolgende warmtewisselingsbuizen is telkens een uitwendig kanaal 24 bepaald.

Het inwendige kanaal 23 strekt zich uit tussen de eindranden 25, 15 26 van de wanden 21, 26. Ook deze eindranden 25, 26 zijn begrensd door respectievelijke uitsparingen 27. 28.

Op een wijze analoog aan die van de variant met rechthoekige wanden, kunnen de eindranden 25, 26 van opeenvolgende zeshoekige warmtewisselingsbuizen 30 aan elkaar gelast worden. Verder kan door 20 opeenvolgende uitsparingen 27 respectievelijk 28 een lasrups 31. 32 worden gelegd, zoals weergegeven in figuur 6.

De zich tussen telkens twee uitsparingen 27 respectievelijk 28 uitstrekkende langsranden van de warmtewisselingsbuizen 30 bestaan uit langsranddelen 33. 34. De langsranddelen 33 zijn in de gerede 25 warmtewisselaar begrensd door langswanden 35. 36, terwijl de langsranddelen 34 niet zijn afgeschermd.

De stroming van een eerste fluïdum vindt plaats via het inwendig kanaal 23 van de warmtewisselingsbuizen. Deze stroming is weergegeven met de pijlen 39· Aangezien de doorsnede van figuur 6 genomen is door 30 een uitwendig kanaal 38, is deze stroming 39 gedeeltelijk afgeschermd door de wand 22 van de warmtewisselingsbuis.

Dat tweede warmtewisselingskanaal is bepaald tussen de niet door langswanden afgeschermde langsranddelen 34 van de warmtewisselingsbuizen 30. Tussen deze langsranddelen 24 bevinden zich 35 de toevoer- respectievelijk afvoeropeningen voor de uitwendige kanalen 38, waar doorheen de fluïdumstroming 37 verloopt.

Ter verzekering van een goede scheiding tussen beide fluïda zijn scheidingswanden 40, 4l voorzien.

1007552

Claims (13)

1. Warmtewisselaar, omvattende een reeks in hoofdzaak platte warmtewisselingsbuizen (1, 30) die elk een door twee wanden (4, 5; 21, 5 22) begrensd inwendig kanaal (6, 23) bezitten voor een eerste fluïdumstroming, welke wanden (4, 5; 21, 22) elk ter plaatse van hun eindranden (7, 8; 23, 26) die zich aan beide einden van het inwendig kanaal (6, 23) bevinden, zijn verbonden met de overeenkomstige eindrand van de tegenoverliggende wand van de naastliggende buis (1, 10 30), zodanig dat tussen telkens twee van dergelijke tegenoverliggende wanden (4, 5; 21, 22) een uitwendig kanaal (11, 38) is bepaald voor een tweede fluïdumstroming.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, waarbij de eindranden (7, 15 8; 25. 26) der buizer (1, 30) aan de hoeken uitsparingen (9, 10; 27, 28. bezitten, en elke reeks uitsparingen van overeenkomstige hoeken der buizen een doorgaande richel (13, 1*+; 31. 32) bepalen die is gevuld met lasmateriaal. 20 3- Warmtewisselaar volgens conclusie 2, waarbij de reeks buizen (1, 30) is opgenomen in een huis, welk huis langswanden (2, 3; 33, 36) bezit die zich langs de reeks buizen uitstrekken ter plaatse van de mondingen der uitwendige kanalen (11, 38) en elk aansluiten op een richel (13, 1*0 31. 32), welke mondingen gedeeltelijk zijn afgedekt 25 door die langswanden (2, 3; 35, 36), welk huis aansluitingen heeft voor respectievelijk de toevoer en afvoer voor de fluïda. *0 Warmtewisselaar volgens conclusies 2 of 3, waarbij op de richels (13, 1*0 31. 32) elk een van de buizen afwijzende 30 scheidingswand (19, 20; *10, *U) is aangesloten, welke scheidingswanden (19, 20; *40, *41) paren vormen die elk een toevoer en afvoer voor het eerste en het tweede fluïdum begrenzen.

5. Warmtewisselaar volgens conclusies 3 of 4, waarbij de 35 evenwijdige wanden (*4, 5) der buizen (1) rechthoekig zijn, en vier reeksen hoeken bepalen elk met een met lasmateriaal gevulde richel (13, 1*0. 1007552

6. Warmtewisselaar volgens conclusie 5. waarbij twee evenwijdige langswanden (2, 3) zijn voorzien waartussen de reeks buizen (1) is opgenomen, welke langswanden (2, 3) een dwarsafmeting hebben die kleiner is dan de lengte van de buizen (1) en ten opzichte van elkaar 5 verschoven zijn, en welke langswanden (2, 3) elk aan een tegenoverliggende richel (13, 14) grenzen onder vrijlating van respectievelijk een toevoer en een afvoer voor elk uitwendig kanaal (11), welke toevoer en afvoer ten opzichte van elkaar zijn versprongen. 10

7· Warmtewisselaar volgens 3 of 4, waarbij de evenwijdige wanden (21, 22) der buizen (3θ) zeshoekig zijn, van welke wanden de zich tussen de beide einden van het inwendig kanaal zich uitstrekkende langsranden (33. 3^) naar buiten geknikt zijn, welke wanden (21, 24) 15 vier reeksen hoeken bepalen elk met een met lesmateriaal gevulde richel (31. 32), welke richels twee paren vormen gescheiden door twee hoeken zonder richel.

8. Warmtewisselaar volgens conclusie 7. waarbij de naar buiten 20 geknikte langsranden van de buizen twee paren uit elk twee tegenoverliggende langsranddelen (33. 3*0 vormen, langs een paar van welke langsranddelen (33) zich een paar langswanden (35. 36) uitstrekt onder vrijlating van een respectievelijke toevoer en een afvoer voor elk uitwendig kanaal (24) ter plaatse van het andere paar 25 langsranddelen (34).

9. Warmtewisselaar volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de wanden der buizen verstijvingsribben hebben.

10. Warmtewisselaar volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de reeks buizen een ringvorm heeft, en de inwendige kanalen (6, 23) in de door de ringvorm bepaalde axiale richting lopen. 1 2 3 1007552 Warmtewisselaar volgens conclusie 10, waarbij de wanden (4, 2 35 5) de dwarsdoorsnede bepaald door een vlak loodrecht op de axiale 3 richting van de ringvorm, een evolvente vorm bezitten. «►

12. Warmtewisselingsbuis (1, 38) voor een warmtewisselaar volgens één der voorgaande conclusies, omvattende twee evenwijdige wanden (4, 5; 21, 22) welke een inwendig kanaal (6, 23) bepalen dat zich uitstrekt tussen de beide einden van de wanden, welke einden elk twee 5 tegenover elkaar liggende eindranden (7, 8; 25, 26) bezitten die aan elke hoek een uitsparing hebben.

13. Warmtewisselingsbuis volgens conclusie 12, waarbij de evenwijdige wanden (4, 5) rechthoekig zijn. 10

14. Warmtewisselingsbuis volgens conclusie 12, waarbij de evenwijdige wanden (22, 23) zeshoekig zijn, en de zich tussen beide einden van het inwendig kanaal zich uitstrekkende langsranden (33* 3*0 naar buiten geknikt zijn. 15

15. Werkwijze voor het vervaardigen van een warmtewisselaar volgens één der conclusies 1-11 uit een aantal warmtewisselingsbuizen (1, 38) volgens één der conclusies 12-14, omvattende de stap van het vormen van een reeks buizen (1, 38) in een mal, alsmede het aan elkaar 20 lassen van telkens een eindrand (7, 8; 25, 26) van een buis aan de naastliggende eindrand van de naastliggende buis.

16. Werkwijze volgens conclusie 15. omvattende het plaatsen van telkens een koperen strip (42) tussen de beide eindranden (7, 8; 25, 25 26) van elke buis (1, 38) vóór de stap van het aan elkaar lassen van de naast elkaar liggende eindranden. 1 1007552 Werkwijze volgens conclusies 15, of 16, omvattende het plaatsen van koperen blokken (15, 16) langs beide zijden van een reeks 30 uitsparingen vóór de stap van het leggen van een lasrups (13. 14) in de reeks uitsparingen.