NL1020708C2 - Inrichting voor het overdragen van warmte. - Google Patents

Description

Inrichting voor het overdragen van warmte

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het overdragen van warmte van een eerste medium naar een tweede medium, bestaande uit één of meer leidingen voor het eerste medium, waarvan de buitenkant van deze leidingen in 10 thermisch contact staat met het tweede medium.

Teneinde een zo groot mogelijke warmteoverdracht tussen de beide media te , verkrijgen, is het bekend de leidingen aan de buitenzijde te voorzien van lamellen, die worden omstroomd door het tweede medium (finned tube heat exchangers). Dergelijke warmtewisselaars worden op grote schaal toegepast in industriële, automotive en 15 huishoudelijke toepassingen. Kenmerkend voor deze constructies is, dat de stroming om deze lamellen laminair is en dat de afmetingen van deze lamellen en de onderlinge afstand tussen de lamellen vele malen groter is dan de dikte van de grenslaag in het tweede medium. Bekend is, dat de dikte van de grenslaag toeneemt in de stromingsrichting, waarbij deze stroming op een zeker moment (Reynoldsgetal > 20 300.000) turbulent wordt. Bijvoorbeeld bij lucht op atmosferische druk en gassnelheden in de orde van bijvoorbeeld 10 m/s is hiervoor een afstand nodig van ca. 0,5 m. Bij een leiding voor een eerste medium met een diameter en lamellengte korter dan deze “omslaglengte” is de stroming laminair, waarbij de grenslaag in het tweede medium een dikte heeft in de orde van 0,1 tot 0,4 mm. Bekend is, dat het deel van het tweede 25 medium buiten deze grenslaag geen interactie heeft met de omstroomde leiding of de lamellen en hierdoor ook niet bijdraagt aan de warmteoverdracht. Dit resulteert in een fundamentele beperking van de hoeveelheid warmte, die bij een laminaire stroming rond een leiding of langs een lamel kan worden overgedragen.

De onderhavige uitvinding beoogt nu een warmtewisselaar te verschaffen, 30 waarbij een wezenlijk grotere warmteoverdracht kan worden gerealiseerd, dan bij de conventionele warmtewisselaars.

1020708 -2-

Dit oogmerk wordt volgens de uitvinding opgelost, doordat de leiding is bekleed met een thermisch geleidende poreuze structuur, zoals een metaalschuim. Bij voorkeur heeft dit metaalschuim een zeer hoge volumeporositeit (groter of gelijk aan 90%), waarbij de openingen in de structuur, uitgedrukt in “pores per inch” (ppi), zodanig zijn 5 gekozen, dat de afmetingen van deze openingen in dezelfde orde van grootte liggen als de grenslaagdikte in het tweede medium, d.w.z. tussen 0,1 en 0,4 mm.

Een dergelijke poreuze driedimensionale structuur kan worden opgevat als een kubisch of hexagonaal rooster, waarbij de knooppunten onderling zijn verbonden met thermisch geleidende draden. Door het grote aantal “draden” in deze structuur, elk 10 omgeven met hun eigen grenslaag, neemt het totale warmteuitwisselende oppervlak zeer sterk toe. In geval van een vrije omstroming van de op deze wijze beklede leiding is nu sprake van een evenredig dikkere (kunstmatige) totale grenslaag, welke gepaard gaat met een evenredige toename van de warmteoverdracht. De dikte van deze kunstmatige grenslaag is bij benadering gelijk aan de dikte van de structuur, waarmee de leidingen 15 zijn bekleed. De stroming door deze driedimensionale structuur wordt hierbij slechts weinig belemmerd.

De uitvinding zal hierna worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekening, waarin: -

Figuur 1 schematisch een leiding van een warmtewisselaar volgens de uitvinding 20 laat zien, die is bekleed met een strook metaalschuim,

Figuur 2a en 2b respectievelijke de grenslaag in het tweede medium laten zien bij een conventionele warmtewisselaar en een warmtewisselaar volgens de uitvinding,

Figuur 3 een verdere ontwikkeling toont van de warmtewisselaar volgens de uitvinding.

25 In figuur 1 is als voorbeeld een gedeelte weergegeven van een leiding 3, die wordt doorstroomd door een eerste medium 1, zoals water. De leiding 3, die wordt omstroomd door een tweede medium 2, zoals lucht, is bekleed met een thermisch geleidende driedimensionale structuur 4, zoals een op zich bekend metaalschuim. Het metaalschuim heeft hier de vorm van een strook 8, die schroeflijnvormig om de leiding 30 is gewikkeld. De verbinding van het metaalschuim met de leiding kan tot stand worden v ·„ · . 'f ( A ' , ' "* '·*_ * * · -3- gebracht door op dit gebied bekende middelen, zoals bijvoorbeeld door middel van thermisch geleidende lijm, een thermisch geleidende pasta, een soldeerproces, of door het opdampen van een hechtende en warmtegeleidende metaallaag, of door een galvanisch depositieprocédé. Van belang hierbij is dat er een goed thermisch contact 5 ontstaat tussen de drie dimensionale structuur en de wand van de leiding. Bij voorkeur wordt een warmtegeleidende metallische verbinding gebruikt, bij voorkeur op basis van nikkel, koper of aluminium. Afhankelijk van de toepassing kan op de bekleding 4 nog een corrosiebestendig metaal of metaaloxidelaag worden aangebracht.

Het metaalschuim bestaat uit een warmtegeleidend materiaal, bij voorkeur van 10 koper, nikkel, aluminium of legeringen hiervan. Eventueel kan het metaalschuim bestaan uit gelaagde combinaties van de hiervoor genoemde materialen. Het metaal schuim heeft een volumeporositeit, die groter of gelijk is aan 90%. De ppi (“pores per inch”) van het schuimmetaal ligt tussen 20 en 63 en is bij voorkeur 35.

In figuur 2a is de grenslaag weergegeven bij een conventionele warmtewisselaar. 15 De laminaire grenslaag is hierbij schematisch aangeduid met de streeplijn 9. Deze grenslaag heeft een dikte van 0,1 tot 0,4 mm.

In de figuur 2b is schematisch de kunstmatige grenslaag weergegeven door de streeplijn 10, deze lijn 10 valt nagenoeg samen met de buitenomtrek van de driedimensionale structuur 4. De dikte van deze kunstmatige grenslaag kan dus worden 20 gevarieerd door de dikte van bekleding te variëren. Beperkende factor hierbij is de thermische geleiding in en door de structuur van de bekleding. Door een juiste dimensionering van de structuur (ppi, metaalsoort en hoeveelheid) is met een laminaire omstroming van de leidingen een toename van de warmteoverdracht mogelijk met een factor 5 tot 10. Omdat de afmetingen van de openingen in de driedimensionale structuur 25 in dezelfde orde van grootte ligt als de grenslaag, wordt de door deze structuur ingenomen ruimte optimaal benut voor de overdracht van warmte, waardoor de diameter van de beklede leidingen kleiner is dan de ruimte die, bij dezelfde warmteoverdracht, wordt ingenomen met het gebruik van lamellen. Ten opzichte van de conventionele warmtewisselaars wordt zo een ruimtebesparing van 25 tot 50 % verkregen.

30 1020708 -4-

Onderstaande tabel laat een voorbeeld zien van de toename in warmteoverdracht voor een met waterdoorstroomde (F), enkele dunwandige aluminium, buis (300 x 7mm) naar een luchtstroming als deze buis is bekleed met een 2 mm dikke laag koperschuim met een volume porositeit van 96% en een structuur van 35 PPI.

5 TABEL 1

Type / bekleding__Gemeten waarden_ __v(air) F( watert__Gmt_ __m.s'1 l.min1__W.K'1_

Geen _ 9.5__0.77__0*7_ koperschuim, 9.5__0.75__2*9_ 35 PPI. 2 mm dik 9.5__2.15__3.2

Uit de tabel blijkt, bij gelijke luchtsnelheid (v), dat in het geval van een volgens de uitvinding met metaalschuim beklede buis, een substantiële verbetering optreedt van de 10 warmteoverdracht (G10t) van het eerste medium (water) naar het tweede medium (lucht).

Figuur 3 laat een gebruikelijke constructie zien van een aantal evenwijdig leidingen 3, die zijn bekleed volgens de uitvinding en zijn aangebracht tussen twee verdeelleidingen 3a en 3b voor het eerste medium, zoals water. Daar deze leidingen 3 15 minder ruimte in beslag nemen is het doelmatig om tussen de leidingen 3 geleidingsorganen 7 aan te brengen, die het tweede medium, zoals lucht, langs de poreuze metallische bekleding leiden.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet is beperkt tot de hier weergegeven en beschreven uitvoeringsvorm, maar dat binnen het kader van de bijgaande conclusies een 20 groot aantal varianten mogelijk zijn, die voor de vakman op dit gebied voor de hand zullen liggen.

1020708

Claims (9)

1. Inrichting voor het overdragen van warmte van een eerste medium naar een tweede medium, omvattende één of meer leidingen voor het eerste medium waarvan de buitenkant van deze leidingen in thermisch contact staat met het 5 tweede medium, met het kenmerk, dat de buitenkant van deze leidingen (3) is voorzien van een bekleding (4) met een thermisch geleidende, poreuze structuur, zoals een metaalschuim.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het metaalschuim een 10 volumeporositeit heeft, die groter of gelijk is aan 90%, met een ppi (pores per inch) van 20 tot 63 en bij voorkeur 35, zodanig dat de afmetingen van de ' openingen liggen tussen 0,1 en 0,4 mm.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat het metaalschuim 15 bestaat uit een warmtegeleidend materiaal, bij voorkeur koper, nikkel, aluminium, legeringen hiervan of gelaagde combinaties hiervan.

4. Inrichting volgens een of meer van de de voorafgaande conclusie 1-3, met het kenmerk, dat de bekleding in de vorm van stroken (8) schroeflijnvormig om de 20 buitenkant van elke leiding voor het eerste medium is gewikkeld, en met behulp van een thermisch contact makend middel hiermee is verbonden.

5. Inrichting volgens conclusies 4, met het kenmerk, dat het thermisch contact makende middel een thermisch geleidende lijm of pasta of soldeerpasta is. 25

6. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het thermisch contact makende middel bestaat uit een galvanische depositieprocédé.

7. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het thermisch contact 30 makende middel bestaat uit een hechtende en warmtegeleidende metaallaag, die door opdampen is aangebracht. ' ...y ± i L- W * ÜO * ê -6-

8. Inrichting volgens een of meer van de voorafgaande conclusies 1-7, met het kenmerk, dat tussen de leidingen geleidingsorganen (7) zijn aangebracht, die de stroming voor het tweede medium dynamisch naar de bekleding van de 5 leidingen (3) leiden

9. Inrichting volgens een of meer van de voorafgaande conclusies 1-8, met het kenmerk, dat de bekleding van de leidingen is voorzien van een corrosiebestendige metaal of metaaloxide laag. 1 0207 08