NL1019777C1

NL1019777C1 - Heat exchanger installation is for cooling and condensing steam liberated during generation of electricity using steam turbine and has feed conduit for steam coming from turbine

Info

Publication number: NL1019777C1
Application number: NL1019777A
Authority: NL
Inventors: Hubertus Cornelis Ma Hubregtse; Johannes Antonius F Bentvelzen
Original assignee: Hubertus Cornelis Ma Hubregtse; Johannes Antonius F Bentvelzen
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2003-07-21

Abstract

The heat exchanger installation (1) is for cooling and condensing steam (S) liberated during the generation of electricity using a steam turbine. It has a feed conduit (2) for steam coming from the turbine, which issues in two uppermost distribution pieces (3), each of which is connected with four heat exchnagers (4), which in pairs are positioned in an inverted V-formation. Each heat exchanger issues on the under side into a distribution piece (5), which also functions as catchment unit for condensate (C). From the lowermost distribution piece two heat exchangers extend upwards, which on the upper side issue into a discharge conduit (15) for non-condensable constituents (NC) of the steam. Under the inverted V-formation heat exchangers is a fan (6), which blows air upwards for cooling through the heat exchangers. The heat exchangers have a relatively large surface around which air flows in relation to their throughflowed surface, so that an intensive cooling of the steam is achieved, causing it principally to be condensed. The condensate (C) is gathered in the catchment unit and discharged to a collection tank (7).

Description

BUISVORMIG WARMTEWISSELAAR-ELEMENT EN WERKWIJZE VOOR HET VORMEN DAARVANTUBULAR HEAT EXCHANGER ELEMENT AND METHOD FOR FORMING THEM

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar-element, bestaande uit een buis en tenminste één althans ten dele rond de buis aangebrachte vin. Een dergelijke warmtewisselaar-element is algemeen 5 bekend.The present invention relates to a heat exchanger element, consisting of a tube and at least one fin arranged at least partially around the tube. Such a heat exchanger element is generally known.

Bij het bekende warmtewisselaar-element is een doorlopende vin spiraalvormig om de buis gewikkeld. Het vlak van de vin staat daarbij op elk punt nagenoeg loodrecht op het oppervlak van de buis. De vin is daarbij 10 verder door middel van klemmen, solderen of lassen warmtegeleidend verbonden met de buis.In the known heat exchanger element, a continuous fin is spirally wound around the tube. The plane of the fin is substantially perpendicular to the surface of the tube at each point. The fin is further connected thermally conductively to the tube by means of clamping, soldering or welding.

Hoewel het bekende warmtewisselaar-element een goede warmte-overdracht en een behoorlijk rendement vertoont, heeft deze toch enkele nadelen.Although the known heat exchanger element has a good heat transfer and a good efficiency, it still has some drawbacks.

15 Zo is de loodrechte stand van de vinnen ten opzichte van de buis in feite uitsluitend gunstig wanneer het warmtewisselaar-element loodrecht wordt aangestroomd door een te verwarmen of te koelen medium. In de praktijk komen echter zeer veel andere opstellingen van 20 warmtewisselaar-elementen voor, waarbij de stroming rond de wisselaar-elementen door de loodrechte vinnen wordt afgebogen, hetgeen gepaard gaat met het ontstaan van turbulentie, en dus extra weerstand oplevert. Daarnaast is voor het vervaardigen van een warmtewisselaar-element 25 met een spiraalvormig daaromheen gewikkelde vin zeer gespecialiseerde en kostbare apparatuur nodig, die in de praktijk slechts bij enkele grote bedrijven voorhanden is. Hierdoor zijn de productiekosten van warmtewisselaar-elementen relatief hoog, terwijl de door de 30 afhankelijkheid van slechts enkele aanbieders de beschikbaarheid van dergelijke elementen beperkt kan worden.Thus, the perpendicular position of the fins relative to the tube is in fact only favorable when the heat exchanger element is flowed perpendicularly through a medium to be heated or cooled. In practice, however, very many other arrangements of heat exchanger elements occur, in which the flow around the exchanger elements is deflected through the perpendicular fins, which is accompanied by the occurrence of turbulence, and thus provides additional resistance. In addition, the manufacture of a heat exchanger element 25 with a fin-wound coil wound around it requires highly specialized and expensive equipment, which in practice is only available at a few large companies. As a result, the production costs of heat exchanger elements are relatively high, while the availability of such elements can be limited by the dependence on only a few providers.

De uitvinding heeft nu tot doel een warmtewisselaar-element te verschaffen van de hiervoor 35 beschreven soort, waarbij deze nadelen zich niet 1; 7 7 l 2 voordoen. Volgens de uitvinding wordt dit bij een dergelijke warmtewisselaar bereikt, doordat de tenminste ene vin in hoofdzaak vlak is. Door de vlakke vorm van de vin(nen) kan/kunnen deze relatief eenvoudig gevormd en 5 met de buis verbonden worden.The invention now has for its object to provide a heat exchanger element of the type described above, wherein these disadvantages do not occur; 7 7 l 2 occur. According to the invention this is achieved with such a heat exchanger in that the at least one fin is substantially flat. Due to the flat shape of the fin (s), these can be formed relatively easily and connected to the tube.

Bij voorkeur sluit de tenminste ene vin met de langsrichting van de buizen niet-loodrechte hoek in. Door de niet-loodrechte hoek tussen de vin(nen) en de buis kan het warmtewisselaar-element aangepast worden aan 10 verschillende aanstroomrichtingen van de warmtewisselaar waarin het element gebruikt wordt.The at least one fin preferably includes non-perpendicular angle with the longitudinal direction of the tubes. Due to the non-perpendicular angle between the fins and the tube, the heat exchanger element can be adapted to different flow directions of the heat exchanger in which the element is used.

De uitvinding betreft ook een warmtewisselaar die is voorzien van een aantal in de ruimte opgenomen, in hoofdzaak evenwijdige warmtewisselaar-elementen als 15 hiervoor beschreven.The invention also relates to a heat exchanger which is provided with a number of substantially parallel heat exchanger elements included in the space as described above.

Tenslotte betreft de uitvinding een werkwijze voor het vormen van een warmtewisselaar-element dat bestaat uit een buis en althans ten dele rond de buis aangebrachte vin. De werkwijze volgens de uitvinding 20 wordt gekenmerkt door het vormen van de tenminste ene vin, het daarin vormen van een opening waarvan de afmetingen ten minste gelijk zijn aan die van de buis, het om de buis schuiven van de tenminste ene vin tot een gewenste bevestigingslocatie daarvan, en het op die 25 locatie aan de buis bevestigen van de vin. Zo kan/kunnen de vin(nen) eenvoudig rond de buis geschoven en bevestigd worden, waardoor een eenvoudige en weinig kostbare productiewijze wordt verkregen.Finally, the invention relates to a method for forming a heat exchanger element consisting of a tube and fin arranged at least partially around the tube. The method according to the invention is characterized by forming the at least one fin, forming an opening therein, the dimensions of which are at least equal to those of the tube, sliding the at least one fin around the tube to a desired mounting location thereof, and attaching the fin to the tube at that location. Thus, the fin (s) can easily be slid around the tube and attached, whereby a simple and inexpensive production method is obtained.

Volgens een bij voorkeur toegepaste variant van 30 de werkwijze zijn de afmetingen van de opening in de ten minste ene vin in althans één richting groter dan die van de buis, en wordt de vin tijdens het schuiven in hoofdzaak loodrecht op de buis gehouden en op de bevestigingslocatie zodanig gekanteld, dat althans een 35 deel van de rand van de opening contact maakt met de buis. Op deze wijze kan eenvoudig een niet-loodrechte stand van de vin(nen) worden bereikt. Daarbij kan de buis in hoofdzaak rond of ovaal en de opening in de tenminste 1 0 ί 1i V· 3 ene vin in hoofdzaak ovaal zijn. De tenminste ene vin kan dan door solderen of lassen aan de buis bevestigd worden.According to a preferred variant of the method, the dimensions of the opening in the at least one fin in at least one direction are larger than those of the tube, and during the sliding the fin is held substantially perpendicular to the tube and to the mounting location tilted such that at least a part of the edge of the opening makes contact with the tube. In this way a non-perpendicular position of the fin (s) can easily be achieved. The tube can herein be substantially round or oval and the opening in the at least one fin can be substantially oval. The at least one fin can then be attached to the tube by soldering or welding.

Voor het verkrijgen van een relatief groot warmtewisselend oppervlak wordt bij voorkeur een aantal 5 vinnen met regelmatige tussenruimte op de buis aangebracht. Om de tussenruimte constant te houden en de evenwijdige stand van de vinnen te waarborgen, kunnen deze voor het om de buis schuiven daarvan met elkaar verbonden worden, en gelijktijdig worden gekanteld.In order to obtain a relatively large heat-exchanging surface, a number of fins are preferably arranged on the tube at regular intervals. In order to keep the gap constant and to ensure the parallel position of the fins, they can be connected to one another for sliding it around the tube and can be tilted simultaneously.

10 De uitvinding wordt nu toegelicht aan de hand van een voorbeeld, waarbij wordt verwezen naar de bij gevoegde tekening waarin:The invention will now be explained with reference to an example, wherein reference is made to the accompanying drawing in which:

Fig. 1 een schematisch perspectivisch aanzicht is van een warmtewisselaar waarin warmtewisselaar-15 elementen volgens de uitvinding toegepast kunnen worden, Fig. 2 een schematisch zijaanzicht is van een warmtewisselaar-element volgens de stand van de techniek, met een doorlopende, spiraalvormig gewikkelde vin,FIG. 1 is a schematic perspective view of a heat exchanger in which heat exchanger elements according to the invention can be applied, FIG. 2 is a schematic side view of a heat exchanger element according to the prior art, with a continuous, spiral wound fin,

Fig. 3 een met fig. 2 overeenkomend aanzicht is 20 van een warmtewisselaar-element volgens de uitvinding, met een aantal evenwijdige vlakke vinnen,FIG. 3 is a view corresponding with fig. 2 of a heat exchanger element according to the invention, with a number of parallel flat fins,

Fig. 4 een langsdoorsnede is door een warmtewisselaar-element volgens de uitvinding tijdens het daar omheen schuiven van een aantal vinnen, 25 Fig. 5 een met fig. 4 overeenkomende doorsnede is waarin het warmtewisselaar-element getoond wordt na het kantelen van de vinnen,FIG. 4 is a longitudinal section through a heat exchanger element according to the invention while sliding a number of fins around it, FIG. 5 is a section corresponding to FIG. 4 showing the heat exchanger element after the fins have been tilted,

Fig. 5A een detailaanzicht toont van een variant van het warmtewisselaar-element van fig. 5, 30 Fig. 6 een doorsnede is langs de lijn VI-VI in fig. 4, enFIG. 5A shows a detail view of a variant of the heat exchanger element of FIG. 5, FIG. 6 is a section along the line VI-VI in FIG. 4, and

Fig. 7 een doorsnede is langs de lijn VII-VIIFIG. 7 is a section along the line VII-VII

in fig. 5.in FIG.

Een warmtewisselaarinstallatie 1 (fig. 1), in 35 dit geval voor het afkoelen en doen condenseren van stoom die vrij komt tijdens het opwekken van elektriciteit met behulp van een stoomturbine, omvat een aanvoerleiding 2 voor uit de turbine afkomstige stoom S, die uitmondt in 4 een tweetal bovenste verdeelstukken 3. Elk verdeelstuk 3 is in het getoonde voorbeeld verbonden met vier (schematisch weergegeven) warmtewisselaars 4, die paarsgewijs in een omgekeerde V-vorm zijn opgesteld. Elke 5 warmtewisselaar 4 mondt aan de onderzijde uit in een verdeelstuk 5, dat tevens als opvanggoot voor condensaat C fungeert. Vanuit het onderste verdeelstuk 5 strekken zich nog twee warmtewisselaars 4 omhoog uit, die aan de bovenzijde uitmonden in een afvoerleiding 15 voor niet-10 condenseerbare bestanddelen NC van de stoomA heat exchanger installation 1 (Fig. 1), in this case for cooling and condensing steam released during the generation of electricity with the aid of a steam turbine, comprises a supply pipe 2 for steam S originating from the turbine, which flows into 4 a pair of upper manifolds 3. In the example shown, each manifold 3 is connected to four (schematically shown) heat exchangers 4, which are arranged in pairs in an inverted V-shape. Each heat exchanger 4 opens at the bottom into a manifold 5, which also functions as a collection channel for condensate C. From the lower manifold 5 two further heat exchangers 4 extend upwards, which open at the top into a discharge line 15 for non-condensable components NC of the steam

Onder de omgekeerd V-vormig opgestelde warmtewisselaars 4 is een ventilator 6 geplaatst, waardoor koellucht A omhoog en door de warmtewisselaars 4 geblazen wordt. Doordat deze koellucht door de 15 warmtewisselaars 4 geblazen wordt, die een relatief groot omstroomd oppervlak vertonen in verhouding met hun doorstroomoppervlak, wordt een intensieve koeling van de stoom bereikt, waardoor deze in hoofdzaak zal condenseren. Het condensaat C wordt daarbij zoals gezegd 20 opgevangen in een opvanggoot 5 en afgevoerd naar een verzameltank 7.A fan 6 is placed under the inversely V-shaped heat exchangers 4, through which cooling air A is blown up and through the heat exchangers 4. Because this cooling air is blown through the heat exchangers 4, which exhibit a relatively large surface area in proportion to their surface area, an intensive cooling of the steam is achieved, as a result of which it will substantially condense. As stated, the condensate C is thereby collected in a collecting gutter 5 and discharged to a collecting tank 7.

Elke warmtewisselaar 4 bestaat uit een groot aantal evenwijdige warmtewisselaar-elementen 8, die elk bestaan uit een buis 9, ter verhoging van het 25 warmtewisselend oppervlak voorzien van een of meer koelvinnen 10.Each heat exchanger 4 consists of a large number of parallel heat exchanger elements 8, each consisting of a tube 9, provided with one or more cooling fins 10 for increasing the heat exchanging surface.

Zou in de getoonde opstelling gekozen worden voor een conventioneel warmtewisselaar-element 108, met een enkele, spiraalvormig rond de buis 109 gewikkelde vin 30 110 (fig. 2), dan zou als gevolg van het feit dat deze vin op elk punt nagenoeg loodrecht op het vlak van de buis staat, de luchtstroom ter plaatse van de buis sterk van richting worden veranderd. Hierdoor ontstaat turbulentie, en wordt de weerstand van de warmtewisselaar 35 4 aanzienlijk verhoogd.If, in the arrangement shown, a conventional heat exchanger element 108 was chosen with a single fin 110 spirally wound around the tube 109 (Fig. 2), then due to the fact that this fin would be substantially perpendicular to each point at any point. the plane of the tube, the airflow at the location of the tube can be changed considerably. This causes turbulence, and the resistance of the heat exchanger 4 is considerably increased.

Om dit te voorkomen wordt volgens een aspect van de uitvinding voorgesteld de vinnen 10 onder een niet-loodrechte hoek ten opzichte van de buis 9 te 1019? 7 ’ 5 plaatsen, dus de hoek a tussen de vinnen 10 en de buis 9 aan te passen aan de oriëntatie van de buis 9 ten opzichte van de luchtstroom A (fig. 3). Een dergelijke opstelling is met een spiraalvormig gewikkelde enkele vin 5 nagenoeg niet te realiseren. Derhalve stelt de uitvinding ook voor om in plaats van een doorgaande, spiraalvormig gewikkelde vin 110 uit te gaan van een serie vlakke vinnen 10, die elk afzonderlijk aan de buis 9 bevestigd worden.To prevent this, it is proposed in accordance with an aspect of the invention to 10 1019 the fins 10 at a non-perpendicular angle to the tube 9. 7 '5, so adjust the angle a between the fins 10 and the tube 9 to the orientation of the tube 9 relative to the air flow A (fig. 3). Such an arrangement can hardly be realized with a spiral-wound single fin 5. Therefore, the invention also proposes, instead of a continuous, spiral wound fin 110, to start from a series of flat fins 10, each of which is attached separately to the tube 9.

10 Een zeer eenvoudig op te bouwen wisselaar- element 8 wordt verkregen, wanneer voor de vinnen 10 wordt uitgegaan van vlakke platen 11, die in de gewenste vorm gesneden of gestanst worden. In elke vlakke plaat 11 wordt vervolgens een opening 12 gevormd, waarvan de 15 afmetingen in het getoonde voorbeeld althans één richting groter zijn dan die van de buis 9 waar de vin 10 omheen geschoven dient te worden. In het getoonde voorbeeld is uitgegaan van een ronde buis 9, en is de opening 12 ovaal of elliptisch uitgevoerd, waarbij de korte as x van de 20 ellips nagenoeg gelijk is aan de diameter D van de buis 9, en de lange as γ groter is. Elke vin 10 kan nu loodrecht op de buis 9 gericht daarlangs geschoven worden tot een gewenste locatie (fig. 4), en vervolgens worden gekanteld tot de einden van de lange as γ van de 25 ellipsvormige opening 12 contact maken met de buis 9 (fig. 5) . In deze stand kan vervolgens de vin 10 aan de buis 9 bevestigd worden door middel van lassen of solderen. De stand van de vin 10 ten opzichte van de langsrichting van de buis 9 wordt in dit geval dus 30 bepaald door de verhouding tussen de lengte van de lange as y van de ellipsvormige opening 12 in de vin 10 en de diameter D van de buis 9.A exchanger element 8 that is very easy to assemble is obtained when the fins 10 are based on flat plates 11 which are cut or punched into the desired shape. An opening 12 is then formed in each flat plate 11, the dimensions of which in the example shown are at least one direction larger than that of the tube 9 around which the fin 10 has to be slid. In the example shown, a round tube 9 is assumed, and the opening 12 is oval or elliptical, the short axis x of the 20 ellipse being substantially equal to the diameter D of the tube 9, and the long axis γ being larger . Each fin 10 can now be moved perpendicular to the tube 9 along a desired location (Fig. 4), and then tilted until the ends of the long axis γ of the elliptical opening 12 make contact with the tube 9 (Fig. 5). In this position the fin 10 can then be attached to the tube 9 by means of welding or soldering. The position of the fin 10 relative to the longitudinal direction of the tube 9 is thus determined in this case by the ratio between the length of the long axis y of the elliptical opening 12 in the fin 10 and the diameter D of the tube 9. .

In plaats van rond zou de buis 9 ook een ovalen doorsnedevorm kunnen vertonen, waarbij dan de opening 12 35 in de vin 10 een nog grotere ovaliteit zou moeten vertonen.Instead of being round, the tube 9 could also have an oval cross-sectional shape, the opening 12 in the fin 10 then having to exhibit an even greater ovality.

Teneinde de verschillende vinnen 10 met de juiste tussenruimte s op de buis 9 te kunnen 6 positioneren, en een onderling evenwijdige stand daarvan te waarborgen, kunnen de vinnen 10 voordat zij op de buis 9 geschoven worden met elkaar verbonden worden, bijvoorbeeld door een draad of stang 13 waar de vinnen 10 5 met de gewenste tussenruimte s aan bevestigd worden. Eventueel kunnen de vinnen 10 op twee tegenover gelegen plaatsen 14 met elkaar verbonden worden, waardoor voor het kantelen van de vinnen 10 de verbindingsdraden of -stangen 13 in tegengestelde richting bewogen kunnen 10 worden (fig. 5).In order to be able to position the different fins 10 on the tube 9 with the correct spacing s and to ensure an mutually parallel position thereof, the fins 10 can be connected to each other before they are slid onto the tube 9, for example by a wire or rod 13 to which the fins 10 are attached with the desired spacing. Optionally, the fins 10 can be connected to each other at two opposite locations 14, so that the connecting wires or rods 13 can be moved in opposite directions for tilting the fins 10 (Fig. 5).

Tussen aangrenzende vinnen 10 zouden ook afstandhouders 16 aangebracht kunnen worden, die bijvoorbeeld uit een vlakke plaat gestanst en in vorm gebogen of gezet kunnen zijn (fig. 5A) .Spacers 16 could also be arranged between adjacent fins 10, which for example could be punched from a flat plate and bent or set into shape (Fig. 5A).

15 Overigens is het, wanneer de warmtewisselaar- elementen 8 toegepast moeten worden in een zuivere dwarsstroom- of kruisstroom-wisselaar, waarbij de elementen 8 loodrecht worden aangestroomd, ook mogelijk de opening 12 in elke vin 10 eenzelfde doorsnedevorm te 20 geven als de buis 9, en de vinnen 10 dus loodrecht op de buis 9 aan te brengen, met behoud van het voordeel van een in vergelijking met de spiraalvormige wikkeling vereenvoudigde productie.Incidentally, when the heat exchanger elements 8 are to be used in a pure cross-flow or cross-flow exchanger, wherein the elements 8 are flowed perpendicularly, it is also possible to give the opening 12 in each fin 10 the same cross-sectional shape as the tube 9 and thus provide the fins 10 perpendicular to the tube 9, while maintaining the advantage of a production simplified in comparison with the spiral winding.

Hoewel de uitvinding hiervoor is toegelicht aan 25 de hand van een voorbeeld, is deze daartoe niet beperkt, maar kan binnen de omvang van de bij gevoegde conclusies op verschillende wijzen worden gevarieerd. Zo kunnen buizen met andere doorsnedevorm worden toegepast, waardoor ook de vorm van de openingen in de vinnen anders 30 wordt, terwijl daarnaast de vorm van de opening in de vinnen ook niet op elk punt nauwkeurig hoeft aan te sluiten bij de omtreksvorm van de buis. De omtreksvorm van de vinnen kan eveneens op velerlei wijze worden gevarieerd, terwijl ook de vorm van de plaat waar de 35 vinnen uit gevormd worden aan modificaties onderhevig kan zijn. Zo zou gekozen kunnen worden voor een golvende of anderszins geprofileerde plaat ter verhoging van het 7 warmtewisselend oppervlak. De omvang van de uitvinding wordt dan ook uitsluitend bepaald door de conclusies.Although the invention has been explained above with reference to an example, it is not limited thereto, but can be varied in various ways within the scope of the appended claims. For example, tubes with a different cross-sectional shape can be used, as a result of which the shape of the openings in the fins is also changed, while in addition the shape of the opening in the fins need not accurately match the peripheral shape of the tube at every point. The peripheral shape of the fins can also be varied in many ways, while also the shape of the plate from which the fins are formed can be subject to modifications. For example, a wavy or otherwise profiled plate could be chosen to increase the heat exchanging surface. The scope of the invention is therefore solely determined by the claims.

10197771019777

Claims

A heat exchanger element, consisting of a tube and at least one fin disposed at least partially around the tube, characterized in that the at least one fin is substantially flat.

A heat exchanger element according to claim 1, characterized in that the at least one fin encloses a non-perpendicular angle with the longitudinal direction of the tube.

3. A heat exchanger element as claimed in Claim 1 or 2, characterized by a number of fins arranged around the tube with a gap.

A heat exchanger element as claimed in claims 2 and 3, characterized in that the fins are arranged substantially parallel to each other around the tube.

Heat exchanger element according to claim 3 or 4, characterized by spacers arranged between adjacent fins.

6. Heat exchanger, provided with a number of substantially parallel heat exchanger elements accommodated in a space according to any one of the preceding claims.

7. Method for forming a heat exchanger element, consisting of a tube and at least one fin arranged at least partly around the tube, characterized by forming the at least one fin, forming an opening therein whose dimensions are at least be equal to those of the tube, sliding the at least one fin around the tube to a desired attachment location thereof, and attaching the fin to the tube at that location.

8. Method as claimed in claim 7, characterized in that the dimensions of the opening in the at least one fin are larger than those of the tube in at least one direction, and the fin is held substantially perpendicular to the tube during the sliding and tilted at the mounting location in such a way that at least <r. part of the edge of the opening makes contact with the tube.

9. Method as claimed in claim 8, characterized in that the tube is substantially round or oval and the opening in the at least one fin is substantially oval.

Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that the at least one fin is attached to the tube by soldering or welding.

A method according to any one of claims 7 to 10, characterized in that a number of fins are arranged on the tube at regular intervals.

12. Method as claimed in claim 11, characterized in that the fins for sliding it around the tube are connected to each other and are tilted simultaneously.

A method according to claim 11 or 12, characterized in that spacers are provided between adjacent fins.