NL1012029C2 - Warmtewisselaar. - Google Patents

Description

Warmtewisselaar.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar voorzien van een huis met een kern, omvattende een reeks althans nagenoeg evenwijdig aan elkaar geplaatste plaatvormige vinnen, waarbij elke vin 5 voorzien is van pijpopeningen, en een bundel pijpen voor het doorvoeren van een eerste warmtewisselmedium, waarbij elk van de pijpen zich uitstrekt door respectieve pijpope-ningen van respectieve vinnen, waarbij het huis voorzien is van een inlaat en een uitlaat voor het door het huis 10 voeren van een tweede warmtewisselmedium.

Een dergelijke warmtewisselaar is bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage 9500633. Hoewel de bekende warmtewisselaar op zich goed functioneert, kan echter in afhankelijkheid van het tweede warmtewisselmedium de 15 efficiëntie van de warmtewisselaar niet optimaal zijn. Wordt de warmtewisselaar bijvoorbeeld gebruikt als olie-koeler, dus in het geval waar het tweede warmtewisselmedium olie is, dan kan de olie zogenaamd "vastvriezen" op de plaatvormige vinnen en de pijpen, die een lagere tempera-20 tuur hebben dan de olie. Dit houdt in dat tussen de vinnen en pijpen doorstromende olie niet in optimaal contact komt met de vinnen en de pijpen omdat zich daar een "vastgevroren" laag olie bevindt. De mate van "vastvriezen" is sterk afhankelijk van het soort tweede warmtewisselmedium, maar 25 veroorzaakt een blokkade voor het tweede warmtewisselmedi- 10 1 2 0 2 9 2 um, die leidt tot een hoge drukval en een lage warmteoverdracht .

Het is onder meer een doel van de onderhavige uitvinding een warmtewisselaar te verschaffen waarmee een 5 verbeterde efficiëntie van de warmtewisseling te verkrijgen is. Opgemerkt wordt hierbij dat een warmtewisselaar niet alleen geschikt is om gebruikt te worden als oliekoe-ler voor bijvoorbeeld generatoren, motoren en dergelijke, maar dat de warmtewisselaar bijvoorbeeld ook te gebruiken 10 is voor het juist verwarmen van het tweede warmtewisselme-dium.

Hiertoe wordt een warmtewisselaar van de boven beschreven soort volgens de onderhavige uitvinding gekenmerkt doordat ten minste één van de vinnen verder voorzien 15 is van mengopeningen, waaromheen de respectieve plaat-vormige vin naar weerszijden vervormd is door torsie, in het bijzonder in een vlak dwars op de stromingsrichting. Doordat het tweede warmtewisselmedium tijdens gebruik langs de mengopeningen stroomt, wordt deze stroming in 20 vergelijking met de stroming over plaatsen van de vinnen waar geen mengopeningen aangebracht zijn, zodanig verstoord dat de stroming de plaatvormige vinnen en de pijpen kan bereiken, aldus de efficiëntie van de warmtewisselaar verbeterend. Hoewel dus door het aanbrengen van mengope-25 ningen het effectieve oppervlak van de vinnen wordt verkleind, en dus een geringere efficiëntie zou worden verwacht, blijkt juist de efficiëntie verbeterd te worden. Door de torsie naar weerszijden uit het vlak van de vin zal stroming uitgewisseld worden tussen naburige, tussen 30 de vinnen bepaalde stromingskanalen, zodat de verstoring van de stroming van het tweede warmtewisselmedium verder verhoogd wordt, waardoor de efficiëntie nog verder verbeterd wordt, ook in de buitenste door de vinnen bepaalde stromingskanalen.

35 Hoewel een willekeurige verstoring al verbeterde resultaten geeft, heeft het de voorkeur dat de torsie zodanig is dat een stroom van tweede warmtewisselmedium TO 1 2 0 2 9 3 naar een pijp respectievelijk een naburige vin wordt gericht. Hierdoor wordt ervoor gezorgd dat de "vastge-vrorén" laag tweede warmtewisselmedium op de pijp en de vinnen nauwkeurig doorbroken wordt.

5 Opgemerkt wordt dat uit de Europese octrooiaan vrage 0.079.090 een warmtewisselaar bekend is, die voorzien is van vinnen met mengopeningen en kanaalopeningen, waarbij de mengopeningen verkregen zijn door dwars op de stroombanen staande spleten te maken en de lange, boven-10 stroomse en benedenstroomse randen van die spleten respectievelijk naar de ene kant en naar de andere kant te buigen. De spleten zijn hierbij bedoeld in stromingsrich-ting tussen opeenvolgende pijpopeningen gemaakt.

Bij voorkeur zijn in de warmtewisselaar volgens 15 de uitvinding de mengopeningen geplaatst waar een stroomsnelheid van het tweede warmtewisselmedium in vergelijking met de stroomsnelheid op andere plaatsen hoog is, wordt een verdere verbetering van de efficiëntie bereikt. Bij voorkeur zijn de pijpopeningen in rijen naast elkaar 20 gelegen. In het bijzonder zijn dan elk van de mengopeningen gelegen tussen respectieve naast elkaar gelegen pij popeningen.

Hoewel tussen twee naast elkaar gelegen pijpope-ningen één mengopening aangebracht kan worden, heeft het 25 de voorkeur bij een warmtewisselaar, waarbij centra van twee naast elkaar gelegen pijpopeningen verbonden zijn door een denkbeeldige verbindingslijn, dat twee mengopeningen aan weerszijden, op gelijke afstand van de verbindingslijn zijn geplaatst. Hierdoor wordt de efficiëntie 30 van de warmtewisselaar verder verbeterd.

De mengopeningen kunnen van verschillende vorm zijn, maar in afhankelijkheid van het tweede warmtewisselmedium heeft het de voorkeur wanneer de mengopeningen halfcirkelvormig, cirkelvormig of ovaalvormig zijn.

35 Een verdere verstoring van de stroming, die de efficiëntie ten goede komt, wordt verschaft doordat ten minste één van de vinnen verder voorzien is van plaatse- 10 1 2 029 4 lijke verhogingen. Bij voorkeur is ten minste één van de verhogingen voorzien van een groef, die een bepaalde richting aan de verstoring kan geven. Deze richting kan in afhankelijkheid van het gewenste effect en het tweede 5 warmtewisselmedium ingesteld worden.

Een betere verdeling van het tweede warmtewisselmedium, en daardoor en verbeterde efficiëntie wordt verkregen doordat meerdere vinnen voorzien zijn van meng-openingen, en dat de warmtewisselaar verder voorzien is 10 van ten minste één draad die zich door respectieve openin-gen van respectieve vinnen uitstrekt. Bij voorkeur bevindt de draad zich nabij de omtreksrand van de respectieve vinnen.

Voor het verminderen van lek, bijvoorbeeld 15 olielek, tussen het huis en de kern is tussen de kern en het huis een strip aangebracht is. De strip is bij voorkeur van verend materiaal vervaardigd. Door de strip wordt de leklengte voor het tweede warmtewisselmedium vergroot. De strip kan bovendien van een zodanige vorm zijn dat de 20 weg die het tweede warmtewisselmedium moet doorlopen ingewikkeld is, zodat de lekweerstand vergroot wordt. Deze strip geeft ook bij plaatvormige vinnen zonder mengopening een goede reductie van de lek. Dit is in tegenstelling tot de Nederlandse octrooiaanvrage 9500633, waarin tussen huis 25 en kern een mantel is aangebracht.

Enige uitvoeringen van een warmtewisselaar en vin volgens de onderhavige uitvinding, zullen bij wijze van voorbeeld beschreven worden aan de hand van de tekening.

30 Figuur 1 toont schematisch een lengtedoorsnede van een warmtewisselaar volgens de uitvinding,

Figuur 2 toont schematisch een bovenaanzicht van een deel van een vin volgens de onderhavige uitvinding, te gebruiken in een warmtewisselaar volgens de onderhavige 35 uitvinding,

Figuur 3 en 4 tonen schematisch de torsie van een vin rondom respectieve mengopeningen, 10 1 2 029 5

Figuren 5A en 5B schematisch in doorsnede alternatieve uitvoeringen van een plaatselijke verhoging in een vin, en

Figuren 6 en 7 tonen een doorsnede respectieve-5 lijk een aanzicht van een strip voor het verminderen van lek tussen huis en kern.

De warmtewisselaar 1 zoals getoond in de tekening omvat een in hoofdzaak cilindrisch huis 2 met daarin opgenomen een kern 3. Het huis 2 heeft aan de bovenzijde 10 nabij een eerste einde 4 een inlaat 5 en aan de tegenoverliggende zijde 6 een uit laat 7. De inlaat 5 en de uit laat 7 kunnen worden aangesloten op een aanvoer- en retourlei-ding voor een tweede warmtewisselmedium, bijvoorbeeld te koelen olie. Het huis 2 met de daarin opgenomen kern 3 is 15 tijdens gebruik, afgezien van de inlaat 5 en uitlaat 7, geheel gesloten, en de olie kan onder hoge druk door het huis 2 worden gevoerd. Overigens kunnen de in- en uitlaat ook anders zijn gepositioneerd en kunnen meerdere in-en/of uitlaten zijn aangebracht.

20 De kern 3 omvat een bundel met zich ongeveer evenwijdig aan elkaar en in de lengterichting van het huis 2 uitstrekkende pijpjes 8. Aan de beide einden van de kern 3 is een eindplaat 9 aangebracht die passend in of tegen het huis 2 afsluitend opneembaar is. De pijpjes 8 strekken 25 zich door de eindplaten heen uit, waardoor de einden van de pijpjes open zijn en kunnen worden aangesloten op respectievelijk een aanvoer en afvoer van een eerste warmtewisselmedium, bijvoorbeeld water of een andere koelvloeistof. Tussen de eindplaten 9 is een groot aantal 30 zich ongeveer evenwijdig aan de eindplaten en aan elkaar uitstrekkende vinnen 10 aangebracht, waardoorheen de pijpjes zich uitstrekken. De vinnen 10 strekken zich derhalve ongeveer haaks op de lengterichting van de pijpjes 8 uit en. zijn op kleine afstand van elkaar geplaatst. 35 De vinnen 10 en de pijpjes 8 maken innig onderling contact, bijvoorbeeld doordat de pijpjes 8 enigszins zijn opgetrompt binnen de vinnen 10, waardoor een goede warmte- 10 1 2029 6 geleiding tussen de vinnen 10 en de pijpjes 8 gegarandeerd is. Overigens kunnen de vinnen 10 en de pijpjes 8 uiteraard ook op andere wijzen onderling geleidend verbonden zijn.

5 De vinnen 10 zijn alle ongeveer identiek en zijn vervaardigd uit relatief dunne plaat. Elke vin 10 heeft een ongeveer cirkelvormige doorsnede met afgeplatte bovenzijde 11 en onderzijde 12. Over het oppervlak is in een regelmatige verdeling een met het aantal pijpjes overeen-10 stemmend aantal gaten 13 aangebracht waardoorheen de pijpjes 8 kunnen worden aangebracht. Voor een eenvoudige montage zijn de gaten 13 enigszins groter dan de doorsnede van de pijpjes 8 in de uitgangsvorm.

Rond de kern en tussen de eindplaten 9 is een 15 strip 14 (zie figuren 6 en 7) aangebracht. De strip 14 vergroot de lekweerstand voor olie, zodat er een aanzienlijke reductie van olielek ontstaat. In het bijzonder is de strip 14 van verend materiaal vervaardigd zodat een goede passing ontstaat. Een goede passing in een bepaald 20 huis kan ook verkregen worden door juiste dimensionering van de strip. De reductie van de lek wordt ook verkregen bij plaatvormige vinnen zonder mengopeningen. Door juiste vormgeving van de strip, bijvoorbeeld zoals weergegeven in figuur 6, kan de lekweerstand verder vergroot worden.

25 Figuur 2 toont schematisch een bovenaanzicht van een deel van een vin 10 volgens de onderhavige uitvinding, te gebruiken in een warmtewisselaar volgens de onderhavige uitvinding. De vin 10 is verder voorzien van mengopeningen 20. Doordat het tweede warmtewisselmedium, bijvoorbeeld 30 olie, tijdens gebruik langs de mengopeningen 20 stroomt, wordt deze stroming in vergelijking met de stroming over plaatsen van de vin 10 waar geen mengopeningen 2 0 aangebracht zijn, zodanig verstoord dat de stroming de pijpen 8 of naburige plaatvormige vinnen kan bereiken, aldus de 35 efficiëntie van de warmtewisselaar verbeterend.

Hoewel de mengopeningen 20 op diverse plaatsen op de vin 10 aangebracht kunnen worden heeft het de voor- 1012029 7 keur dat de mengopeningen 20 geplaatst zijn daar waar een stroomsnelheid van het tweede warmtewisselmedium in vergelijking met de stroomsnelheid op andere plaatsen hoog is. De hoogste stroomsnelheid blijkt aanwezig te zijn tussen 5 twee naast elkaar gelegen pijpen 8, zodat bij voorkeur elk van de mengopeningen 20 gelegen is tussen respectieve naast elkaar gelegen pijpopeningen 13, zoals weergegeven in figuur 2.

In het weergegeven voorbeeld kunnen centra 30, 10 31 van twee naast elkaar gelegen pijpopeningen 13 verbon den worden door een denkbeeldige verbindingslijn 32. Twee mengopeningen 20x en 202 zijn aan weerszijden, op gelijke afstand van de verbindingslijn 32 geplaatst, zodat een aanzienlijke verbetering van de efficiëntie van de warmte-15 wisselaar verkregen wordt.

Hoewel in het weergegeven uitvoeringsvoorbeeld de mengopeningen in hoofdzaak cirkelvormig zijn, kunnen in afhankelijkheid van de soort tweede warmtewisselmedium andere vormen geschikt zijn. Hierbij is in het bijzonder 20 te denken aan half-cirkelvormige of ovaalvormige mengopeningen .

Bij voorkeur is rondom een mengopening 203 en 204 de respectieve plaatvormige vin 10 voorzien van een torsie. Door een dergelijke torsie wordt de stroming van het 25 tweede warmtewisselmedium verder verstoord waardoor de efficiëntie van de warmtewisseling nog verder verbeterd wordt. Hoewel een willekeurige verstoring al verbeterde resultaten geeft, kunnen uitstekende resultaten verkregen worden wanneer de torsie zodanig is dat een stroom van 30 tweede warmtewisselmedium naar een pijp 8 of een naburige plaatvormige vin wordt gericht. Een poging om deze torsie in een tekening weer te geven, is gedaan in figuren 3 en 4. In figuur 3 wordt door het gebied tussen de pijpopenin-gen 13 een kanaal aangeduid waardoor de stroming plaats-35 vindt. Het driehoekige gebied 22 (figuur 2) duidt een plaatselijke uitstulping als gevolg van de torsie aan die verdere efficiêntie-verbeterende verstoring van de stroom 1012029 8 veroorzaakt. In figuren 3 en 4 is de torsie van de vin 10 schematisch door de golvingen weergegeven. Door het richten van de stroom naar de pijp 8 of een naburige vin, wordt ervoor gezorgd dat de "vastgevroren" laag tweede 5 warmtewisselmedium nauwkeurig doorbroken wordt.

Verder kan de vin 10 voorzien zijn van plaatselijke verhogingen 23, 23' (zie figuur 2, en figuren 5A en 5B). Bij voorkeur is de verhoging 23, 23' voorzien van een groef 24, 24' die een bepaalde richting aan de verstoring 10 kan geven. Deze richting kan in afhankelijkheid van het gewenste effect en het tweede warmtewisselmedium ingesteld worden. In het weergegeven voorbeeld is de richting ongeveer 45° ten opzichte van de algehele stroomrichting, aangeduid door pijl S.

15 Een betere verdeling van het tweede warmtewis selmedium, en daardoor en verbeterde efficiëntie blijkt verkregen te kunnen worden doordat meerdere vinnen 10 voorzien zijn van mengopeningen 20 (figuur 1) , en dat de warmtewisselaar verder voorzien is van ten minste één 20 draad 25, die zich door respectieve mengopeningen 20 van respectieve vinnen 10 uitstrekt. Het grootste effect wordt bereikt wanneer de draad 25 zich nabij de omtreksrand van de respectieve vinnen 10 bevindt, met andere woorden wanneer de draad zich zo dicht als mogelijk bij het huis 2 5 bevindt.

Bij de uit NL-A-9500633 bekende warmtewisselaar bedraagt de afstand tussen de vinnen enkele mm. Het verkleinen van deze afstand is daarbij niet mogelijk, daar als gevolg daarvan een grotere laminaire stroming tussen 30 de vinnen opgewekt wordt, die de efficiëntie zou verlagen, vanwege het feit dat deze laminaire stroming nog minder in staat is in warmtewisselend contact met de pijpen te treden. Volgens de uitvinding is het echter mogelijk deze afstand te verkleinen tot in een bereik van 0,5 mm tot 2,0 35 mm, bij voorbeeld 0,6 mm, 0,8 mm, of 1,1 mm, hetgeen praktisch nog relatief eenvoudig realiseerbaar is. Hierdoor wordt het aantal vinnen per cm sterk vergroot hetgeen het 1012029 9 warmtewisselend vermogen sterk vergroot.

In proeven is gebleken dat een warmtewisselaar volgens de onderhavige uitvinding in staat bleek olie met een temperatuur van 90° efficiënt te koelen met koelwater 5 van 20°C.

10 1 2 0 29

Claims (19)

1. Warmtewisselaar voorzien van een huis met een kern, omvattende een reeks althans nagenoeg evenwijdig aan elkaar geplaatste plaatvormige vinnen, waarbij elke vin voorzien is van pijpopeningen, en een bundel pijpen voor 5 het doorvoeren van een eerste warmtewisselmedium, waarbij elk van de pijpen zich uitstrekt door respectieve pijpope-ningen van respectieve vinnen, waarbij het huis voorzien is van een inlaat en een uitlaat voor het door het huis voeren van een tweede warmtewisselmedium, met het kenmerk, 10 dat ten minste één van de vinnen verder voorzien is van mengopeningen, waaromheen de respectieve plaatvormige vin naar weerszijden vervormd is door torsie, in het bijzonder in een vlak dwars op de stromingsrichting.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, met het 15 kenmerk, dat de torsie zodanig is dat een stroom van tweede warmtewisselmedium naar een pijp respectievelijk naar een plaatvormige vin wordt gericht.

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de mengopeningen geplaatst zijn daar waar 20 een stroomsnelheid van het tweede warmtewisselmedium in vergelijking met de stroomsnelheid op andere plaatsen hoog is.

4. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de pi jpopeningen in rijen naast 25 elkaar gelegen zijn.

5. Warmtewisselaar volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat elk van de mengopeningen gelegen is tussen respectieve naast elkaar gelegen pijpopeningen.

6. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande 30 conclusies, waarbij centra van twee naast elkaar gelegen pijpopeningen verbonden zijn door een denkbeeldige verbindingslijn, met het kenmerk, dat twee mengopeningen aan weerszijden, op gelijke afstand van de verbindingslijn zijn geplaatst. 10 1 20 29

7. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de mengopeningen halfcirkelvormig zijn.

8. Warmtewisselaar volgens een der conclusies 1 5 tot en met 6, met het kenmerk, dat de mengopeningen cirkelvormig zijn.

9. Warmtewisselaar volgens een der conclusies 1 tot en met 6, met het kenmerk, dat de mengopeningen ovaal-vormig zijn.

10. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat ten minste één van de vinnen verder voorzien is van plaatselijke verhogingen.

11. Warmtewisselaar volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat ten minste één van de verhogingen voor- 15 zien is van een groef.

12. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat meerdere vinnen voorzien zijn van mengopeningen, en dat de warmtewisselaar verder voorzien is van ten minste één draad die zich door respec- 20 tieve openingen van respectieve vinnen uitstrekt.

13. Warmtewisselaar volgens conclusie 12, waarbij elke respectieve vin een omtreksrand heeft, waarbij de draad zich nabij de omtreksrand bevindt.

14. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande 2. conclusies, met het kenmerk, dat de afstand tussen twee naburige vinnen ligt in een bereik van 0,5 tot 2,0 mm.

15. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat tussen de kern en het huis een strip aangebracht is voor het verminderen van lek 30 tussen kern en huis.

16. Warmtewisselaar volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat de strip van verend materiaal is.

17. Plaatvormige vin te gebruiken in een warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies.

18. Warmtewisselaar voorzien van een huis met een kern, omvattende een reeks althans nagenoeg evenwijdig aan elkaar geplaatste plaatvormige vinnen, waarbij elke i 1012029 vin voorzien is van pijpopeningen, en een bundel pijpen voor het doorvoeren van een eerste warmtewisselmedium, waarbij elk van de pijpen zich uitstrekt door respectieve pijpopeningen van respectieve vinnen, waarbij het huis 5 voorzien is van een inlaat en een uitlaat voor het door het huis voeren van een tweede warmtewisselmedium, met het kenmerk, dat tussen de kern en het huis een strip aangebracht is voor het verminderen van lek tussen kern en huis.

19. Warmtewisselaar volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat de strip van verend materiaal is. -o-o-o-o-o-o-o-o- 1012029