NL1018889C1

NL1018889C1 - Warmtewisselaar en daarmee uitgerust verwarmingssysteem.

Info

Publication number: NL1018889C1
Application number: NL1018889A
Authority: NL
Inventors: Willem Meijer
Original assignee: 3F Holding B V
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2002-03-07

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 aangroeiende 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.

Bij voorkeur voldoen de afmetingen van het eerste kanaal van de warmtewisselaar volgens de uitvinding in hoofdzaak aan de betrekking: 35 VBT8889· 5 2

0,25 D2 V

1 = - * — k2 v waarin: 1 = lengte van het kanaal (in stromingsrichting), D = (hydraulische) diameter van het kanaal 10 (loodrecht op stromingsrichting), k = constante, afhankelijk van het snelheidsverloop in de grenslaag, V = stromingssnelheid van het eerste medium, en v = kinematische viscositeit van het eerste 15 medium.

Met voordeel is de warmtewisselaar voorzien van meerdere in de stromingsrichting beschouwd in serie geplaatste eerste kanalen, waarbij tussen opeenvolgende kanalen telkens middelen aanwezig zijn voor het vergroten 20 van de warmteoverdracht binnen het eerste medium. Daarbij kunnen de overdracht-vergrotingsmiddelen een ruimte met ten opzichte van de eerste kanalen vergrote doorsnede omvatten.

Wanneer het eerste medium een relatief hoge 25 kinematische viscositeit vertoont, kan de lengte van de eerste kanalen relatief kort gehouden worden.

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

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

Fig. 1 een gedeeltelijk weggebroken perspectivisch aanzicht is van een warmtewisselaar volgens de uitvinding, 35 Fig. 2 een schematisch doorsnede-aanzicht is van een kanaal, waarin de opbouw van de grenslagen en de bijbehorende snelheidsprofielen zijn weergegeven, en $016889« 3

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

5 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 warmtewisselend contact staat met het eerste medium, 10 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 metaal zijn vervaardigd.

15 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 het verwarmingssysteem, en verbonden met een inlaat 9 en 20 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 de grenslagen 11 die gevormd worden langs de wanden 5 van 25 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 hoofdstromingsrichting tijdens het ontstaan en groeien van de grenslagen 11. Daarbij zijn bij voorkeur aan het 30 eind van elk kanaal 2 middelen aanwezig voor het vergroten van de warmte-overdracht binnen het medium, bijvoorbeeld in de vorm van een deel 12 met vergrote doorsnede. Dit deel 12 vormt in het getoonde voorbeeld een bochtstuk tussen twee in de stromingsrichting 35 beschouwd opeenvolgende kanalen 2. Door de vergrote doorsnede van het deel 12 en de daaruit resulterende stromingsverschijnselen worden extra bewegingscomponenten 1018889· * 1 4 in de stroming geïntroduceerd, die de warmte-overdracht bevorderen.

In de stromingsrichting F beschouwd groeien dus de grenslagen 11 (fig. 2) langs de wanden 5 van elk 5 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 10 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 15 parabolische snelheidsverdeling, met een lage snelheid (praktisch nul) langs de wanden 5 en een hogere snelheid in het midden van het kanaal 2.

De dikte δ van elke grenslaag 11 op elk punt van het kanaal 2 hangt samen met de afstand x vanaf de 20 instroomzijde van het kanaal 2, en kan worden uitgedrukt als: Ö = k * x / /R , waarin k een constante is die samenhangt met de snelheidsverdeling binnen de grenslaag en Rx het Reynolds-25 getal is, betrokken op de afstand x. Dit Reynolds-getal is daarbij gedefinieerd als:

Rx=p*V*x//i waarin p en μ respectievelijk de dichtheid en de dynamische viscositeit van het medium weergeven, en V 30 staat voor de stromingssnelheid daarvan.

De grenslagen 11 langs twee tegenovergelegen wanden 5 van elk kanaal 2 raken elkaar, wanneer de dikte δ van elke grenslaag 11 de helft bedraagt van de afstand D tussen deze wanden 5. Voor de afstand x vanaf de 35 instroomzijde waar dit zich voordoet geldt: x=0,5*D*/Rx/k, ofwel, door invullen van de waarde van het Reynolds^ getal: f018889· 5 0,25 D2 V X = - * — k2 v waarin v de kinematische viscositeit van het medium 5 weergeeft, gedefinieerd als v = μ / p .

Deze afstand x vormt dus in beginsel de optimale lengte van het kanaal 2 met het oog op de warmte-overdracht binnen een van de media zelf. Daarnaast moet echter de lengte van het kanaal 2 ook voldoende zijn 10 om de beoogde warmte-overdracht tussen de twee door de wisselaar stromende media mogelijk te maken. In de praktijk zal daarom de lengte van het kanaal 2 vaak iets groter gekozen moeten worden dan uit bovenstaande betrekking zou volgen. Deze lengte mag echter niet zo 15 groot worden, dat het risico van omslag van de stroming van laminair in turbulent zou dreigen, omdat] daardoor de stromingsverliezen in de warmtewisselaar 1 sterk zouden toenemen. Wanneer meerdere kanalen 2 in de stromingsrichting beschouwd in serie geplaatst zijn, met 20 daartussen bochtstukken 12 als hier getoond, dient een optimale verhouding gevonden te worden tussen de lengte van de kanalen 2 en het aantal bochtstukken 12, daar deze bochtstukken natuurlijk ook stromingsverliezen met zich meebrengen.

25 De kanaallengte waarbij de grenslagen 11 elkaar juist raken, uitgedrukt als veelvoud van de hydraulische doorsnede Dhydr (doorstroomoppervlak gedeeld door omtrek) van het kanaal 2, is als functie van de ongestoorde stromingssnelheid van het medium getoond voor een aantal 30 verschillende media (fig. 3). Het verloop van de betreffende krommen blijkt zoals verwacht afhankelijk van de aard van het medium, waarbij de kinematische viscositeit bepalend is voor de helling van de krommen. Voor media met een kinematische viscositeit, met name 35 gassen, zoals rookgassen en thermische olie blijkt een relatief geringe lengte van de kanalen 2 over een groot bereik van stromingssnelheden ideaal.

*1018889· 6

Hoewel de uitvinding hiervoor is toegelicht aan de hand van een voorbeeld, zal het duidelijk zijn dat deze daartoe niet beperkt is. Zo zou de opbouw van de warmtewisselaar anders kunnen zijn dan hier getoond, met 5 een afwijkend aantal kanalen, die ook anders gevormd zouden kunnen zijn. Ook de tussen de kanalen geschakelde middelen voor het vergroten van de warmte-overdracht zouden anders gevormd kunnen zijn dan de hier getoonde bochtstukken. De omvang van de uitvinding wordt dan ook 10 uitsluitend bepaald door de bijgevoegde conclusies.

TO18889É

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 aangroeiende grenslagen elkaar in hoofdzaak aan een 10 stroomafwaarts einde van het kanaal ontmoeten.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de afmetingen van het eerste kanaal in hoofdzaak voldoen aan de betrekking: 15 0,25 D2 V 1--*- k2 v waarin: 20 1 = lengte van het kanaal (in stromingsrichting), D = (hydraulische) diameter van het kanaal (loodrecht op stromingsrichting), k = constante, afhankelijk van het 25 snelheidsverloop in de grenslaag, V = stromingssnelheid van het eerste medium, en v = kinematische viscositeit van het eerste medium.

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 1 of 2, 30 gekenmerkt door meerdere in de stromingsrichting beschouwd in serie geplaatste eerste kanalen, waarbij tussen opeenvolgende kanalen telkens middelen aanwezig zijn voor het vergroten van de warmteoverdracht binnen het eerste medium.

4. Warmtewisselaar volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de overdracht-vergrotingsmiddelen een ruimte *018889« ' ft met ten opzichte van de eerste kanalen vergrote doorsnede omvatten.

5. Warmtewisselaar volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het eerste medium een 5 relatief hoge kinematische viscositeit (v) vertoont.

6. Verwarmingssysteem, voorzien van ten minste één warmtebron, ten minste één verwarmingselement en een daartussen aangebrachte warmtewisselaar volgens één der voorgaande conclusies. 1018889·