NL1016104C1

NL1016104C1 - Warmtewisselaar en daarmee uitgerust verwarmingssysteem.

Info

Publication number: NL1016104C1
Application number: NL1016104A
Authority: NL
Inventors: Willem Meijer
Original assignee: 3F Holding B V
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2002-03-07
Also published as: AU2001296088A1; EP1317648A2; DE60119348T2; DE60119348D1; EP1317648B1; WO2002021063A3; ATE325324T1; WO2002021063A2

Description

WARMTEWISSELAAR EN DAARMEE UITGERUST VERWARMINGSSYSTEEM

De uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar, omvattende ten minste één eerste kanaal voor een eerste medium en ten minste één via ten minste één wand daarmee in warmtewisselend contact staand tweede 5 kanaal voor een tweede medium. Een dergelijke warmtewisselaar is algemeen bekend.

De uitvinding heeft tot doel een warmtewisselaar te verschaffen met een verhoogd rendement. Een dergelijke verbeterde warmtewisselaar kan 10 ten opzichte van bekende warmtewisselaars compacter worden uitgevoerd voor een zelfde warmte-overdragend vermogen.

Volgens de uitvinding wordt dit bij een warmtewisselaar als hiervoor beschreven bereikt, doordat 15 de afmetingen van althans het eerste kanaal in de stromingsrichting van het eerste medium en loodrecht daarop zodanig gekozen zijn, dat langs de wanden van het kanaal gevormde, in de stromingsrichting dikker wordende grenslagen elkaar in hoofdzaak aan een stroomafwaarts 20 einde van het kanaal ontmoeten. Door de lengte van het kanaal zodanig te kiezen, dat aan het eind daarvan de grenslagen elkaar precies ontmoeten, en er dus een volledig laminaire stroming is ingesteld, wordt optimaal gebruik gemaakt van het transport van het medium dwars op 25 de stromingsrichting tijdens de opbouw van de grenslaag. Dit mediumtransport dwars op de hoofdrichting van de stroming leidt tot een zeer goede warmte-uitwisseling, waardoor het rendement van de warmtewisselaar overeenkomt met dat van een wisselaar met turbulente stroming, zelfs 30 wanneer de wisselaar gebruikt wordt met media die in beginsel een volledig laminair stromingspatroon vertonen.

Voorkeursuitvoeringen van de warmtewisselaar volgens de uitvinding zijn beschreven in dè volgconclusies.

2

De uitvinding betreft ook een verwarmingssysteem waarin een warmtewisselaar van de hiervoor beschreven soort is opgenomen.

De uitvinding wordt nu toegelicht aan de hand 5 van de tekening, waarin:

Fig. 1 een gedeeltelijk weggebroken perspectivisch aanzicht is vaneen warmtewisselaar volgens de uitvinding,

Fig. 2 een schematisch doorsnede-aanzicht is 10 van een kanaal, waarin de opbouw van de grenslagen en de bijbehorende snelheidprogielen zijn weergegeven, en

Fig. 3 een diagram is waarin voor een aantal verschillende media de optimale lengte van een wisselaarkanaal is uitgezet als functie van de 15 stromingssnelheid.

Een warmtewisselaar 1 (fig. 1) volgens de uitvinding omvat een aantal eerste kanalen 2 voor een eerste medium, bijvoorbeeld rookgas van een brander 3, en een aantal tweede kanalen 4 voor een tweede medium dat in 20 warmtewisselend contact staat met het eerste medium, bijvoorbeeld water dat bedoeld is voor radiatoren van een (hier niet getoond) verwarmingssysteem. De kanalen 2 en 4 zijn fysiek van elkaar gescheiden door wanden 5, die voor warmte goed doorlatend zijn, en bijvoorbeeld van een 25 metaal zijn vervaardigd.

De eerste kanalen 2 zijn aan een zijde verbonden met een ruimte 6 waarin een brander 7 is opgesteld, en aan de andere zijde met een uitlaat 8. De kanalen 4 zijn opgenomen in een gesloten kringloop van 30 het verwarmingssysteem, en verbonden met een inlaat 9 en een uitlaat 10.

Volgens de uitvinding zijn de afmetingen L, D van de eerste kanalen 2 in de stromingsrichting van het medium (pijl F) en loodrecht daarop zodanig gekozen, dat 35 de grenslagen 11 die gevormd worden langs de wanden 5 van die kanalen 2 elkaar juist raken aan het eind van elk kanaal 2. Op deze wijze wordt optimaal geprofiteerd van het transport van het medium dwars op zijn 3 hoofdstromingsrichting tijdens het ontstaan en groeien van de grenslagen 11. Daarbij zijn bij voorkeur aan het eind van elk kanaal 2 middelen aanwezig voor het weer tot rust brengen van het medium, bijvoorbeeld in de vorm van 5 een deel 12 met vergrote doorsnede. Dit deel 12 vormt in het getoonde voorbeeld een bochtstuk tussen twee in de stromingsrichting beschouwd opeenvolgende kanalen 2.

In de stromingsrichting F beschouwd groeien dus de grenslagen 11 (fig. 2) langs de wanden 5 van elk 10 kanaal 2 vanaf de instroomzijde aan, waardoor het effectieve oppervlak van elk kanaal 2 steeds kleiner wordt. Hierdoor wordt het daardoor stromende medium naar het midden van het kanaal 2 gedwongen, en dit gedwongen transport dwars op de stromingsrichting F brengt een 15 warmtetransport in dezelfde richting met zich mee, waardoor het rendement van de warmtewisselaar 1 sterk wordt verhoogd. Daarbij verandert het snelheidsprofiel in dwarsrichting van het kanaal 2 van een volledig gelijkmatige snelheid over het gehele oppervlak in een 20 parabolische snelheidsverdeling, met een lage snelheid (praktisch nul) langs de wanden 5 en een hogere snelheid in het midden van het kanaal 2.

De lengte L van het kanaal 2 waarbij de grenslagen 11 elkaar juist raken, uitgedrukt als veelvoud 25 van het equivalente doorstroom-oppervlak Dhydr van het kanaal 2, is als functie van de ongestoorde stromingssnelheid van het medium getoond voor een aantal verschillende media (fig. 3). Het verloop van de betreffende krommen blijkt afhankelijk van de aard van 30 het medium, met name van het getal m, dat de verhouding tussen de dynamische viscositeit en de dichtheid ^ weergeeft (m -ƒ*/?)· Voor media met een hoge m-waarde, met name gassen, zoals rookgassen en thermische olie blijkt een relatief geringe lengte van de kanalen 2 over 35 een groot bereik van stromingssnelheden ideaal.

Claims

1. Warmtewisselaar, omvattende ten minste één eerste kanaal voor een eerste medium en ten minste één via ten minste één wand daarmee in warmtewisselend contact staand tweede kanaal voor een tweede medium, met 5 het kenmerk, dat de afmetingen van althans het eerste kanaal in de stromingsrichting van het eerste medium en loodrecht daarop zodanig gekozen zijn, dat langs de wanden van het kanaal gevormde, in de stromingsrichting dikker wordende grenslagen elkaar in hoofdzaak aan een 10 stroomafwaarts einde van het kanaal ontmoeten.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, gekenmerkt door meerdere in de stromingsrichting beschouwd in serie geplaatste eerste kanalen, waarbij tussen opeenvolgende kanalen telkens middelen aanwezig 15 zijn voor het tot rust brengen van de stroming van het eerste medium.

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het eerste medium een relatief hoge m-waarde vertoont, waarbij de m-waarde gedefinieerd is 20 als: m = waarin f\ de dynamische viscositeit en ^ de dichtheid van het medium is.

4. Verwarmingssysteem, voorzien van ten minste één warmtebron, ten minste één verwarmingselement en een daartussen aangebrachte warmtewisselaar volgens één der 25 voorgaande conclusies. 10161u w