NL1021124C2 - Warmtewisselaar, verbrandingsinrichting omvattende een warmtewisselaar, afsluitelement voor gebruik in een dergelijke warmtewisselaar en werkwijze voor het vervaardigen van een warmtewisselaar. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Warmtewisselaar, verbrandingsinrichting omvattende een warmtewisselaar, afsluitelement voor gebruik in een dergelijke warmtewisselaar en werkwijze voor het vervaardigen van een warmtewisselaar.

De uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar voor het overbrengen van warmte van een warmtebron naar een fluïdum waarbij een zijde van de warmtewisselaar naar de warmtebron gekeerd is, welke warmtewisselaar een buis omvat waarbij de buis een kanaal omvat dat 5 zich langs een lengte van de buis uitstrekt voor het door het kanaal stromen van het fluïdum. Voorts heeft de uitvinding betrekking op een verbrandingsinrichting omvattende een dergelijke warmtewisselaar en op een afsluitelement voor gebruik in een dergelijke warmtewisselaar. Verder heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het 10 vervaardingen van een dergelijke warmtewisselaar.

Uit EP 0570201 Al is een warmtewisselaar bekend met een verwarmingsbuis die schroefvormig om een brander gewonden is, waarbij zich tussen de brander en de buis een tevoren bepaalde afstand bevindt. De verwarmingsbuis omvat een tapwaterbuis die coaxiaal in de 15 verwarmingsbuis is geplaatst om zowel tapwater als verwarmingswater te verwarmen. De buitenzijde van de tapwaterbuis kan van spiraalvormige groeven zijn voorzien om een turbulentie van verwarmingswater te bereiken.

De uitvinding beoogt de bekende warmtewisselaar te verbeteren 20 en een gelijkmatige verwarming van het door de buis stromende fluïdum te bewerkstelligen.

Om dit doel te bereiken is de warmtewisselaar volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt, dat het kanaal schroefvormig ten opzichte van een lengteas van de buis is geplaatst. Door het 25 schroefvormig verlopende kanaal zal fluïdum dat in het kanaal stroomt telkens beurtelings aan een naar de warmtebron toe gekeerde zijde van de warmtewisselaar en aan een van de warmtebron af gekeerde zijde van de warmtewisselaar stromen. Daardoor wordt bereikt dat het fluïdum over het gehele volume daarvan in hoofdzaak gelijkmatig wordt 30 verwarmd, zodat te heet worden, bijvoorbeeld koken, van een gedeelte i n o 1 i o a - 2 - van het fluïdum dat zich aan een naar de warmtebron toe gekeerde zijde bevindt en onvoldoende opwarmen van een ander gedeelte van het fluïdum dat zich aan een van de warmtebron af gekeerde zijde bevindt, doeltreffend kan worden ondervangen. In het algemeen genereert de 5 warmtebron, zoals een brander, stralingswarmte, convectiewarmte en geleidingswarmte, waarbij de geleidingswarmte door langs of om de buis stromende gassen, zoals rookgassen aan de warmtewisselaar kan worden overgedragen. Middels de uitvinding wordt bewerkstelligd dat het fluïdum dat zich in het kanaal bevindt zich over een gedeelte van 10 de lengte van de buis aan een naar de warmtebron toe gekeerde zijde van de warmtewisselaar bevindt en vooral stralingswarmte en conventiewarmte ontvangt, en zich over een ander gedeelte van de lengte van de buis aan een van de warmtebron af gekeerde zijde bevindt en vooral geleidingswarmte ontvangt, zodat nadelige effecten 15 van verschillen in warmteoverdracht tussen naar de warmtebron toe en van de warmtebron af gekeerde gedeelten van het fluïdum worden vermeden. Met name in het geval van een warmtewisselaar met een hoge warmteoverdracht per lengteeenheid van de buis, zoals tegenwoordig veelvuldig beoogd wordt, en een daarmee samenhangende grote diameter 20 van de buis, zijn de voordelen van de uitvinding groot aangezien grote verschillen in temperatuur van het fluïdum die optreden door grote verschillen in warmteoverdracht tussen de naar de warmtebron toe en de van de warmtebron af gekeerde zijde van de buis, kunnen worden ondervangen. De buis kan een ronde, rechthoekige, afgeplatte 25 of andere doorsnede hebben.

Bij voorkeur omvat de buis ten minste een verder schroefvormig ten opzichte van de lengteas daarvan verlopend kanaal dat zich langs de lengte van de buis uitstrekt voor het daardoor stromen van althans een deel het fluïdum. Door de ten minste twee kanalen, zijnde het 30 kanaal en het ten minste ene verdere kanaal kan een zeer goede uitwisseling van het fluïdum tussen een van de warmtebron af en een naar de warmtebron toe gekeerde zijde van de buis bereikt worden. De kanalen kunnen parallelgeschakeld zijn.

Het kanaal en het ten minste ene verdere kanaal kunnen zich 35 langs een wand van de buis uitstrekken voor een goede overdracht van stralingswarmte en geleidingswarmte naar het zich in de kanalen bevindende fluïdum.

- V» Λ ·*! A Ca ,2 - 3 -

Bij voorkeur omvat de buis voorts ten minste een verdringerkanaal dat zich langs althans een gedeelte van de lengte van de buis langs het schroefvormig verlopende kanaal uitstrekt. Door de aanwezigheid van het verdringerkanaal worden gewicht en materiaal 5 bespaard, aangezien zowel de hoeveelheid zich in de buis bevindend fluïdum als de hoeveelheid benodigd materiaal voor vervaardigen van de warmtewisselaar worden gereduceerd.

Bij voorkeur is het ten minste ene verdringerkanaal aan ten minste een uiteinde daarvan door een afsluitelement afgesloten. Het 10 fluïdum dat de warmtewisselaar instroomt resp. uitstroomt wordt aldus op eenvoudige wijze het kanaal resp. de kanalen ingeleid, resp. uitgeleid waarbij er geen fluïdum in het verdringerkanaal stroomt.

Bij voorkeur loopt het afsluitelement naar een van het verdringerkanaal te keren zijde in hoofdzaak taps toe voor het 15 bereiken van een stromingsgunstige vormgeving van het afsluitelement. Hiermee is het mogelijk turbulentie van het fluïdum dat elk kanaal instroomt respectievelijk uitstroomt (en derhalve in onderling tegengesteld richtingen het afsluitelement passeert) te minimaliseren, en een stromingsweerstand voor het fluïdum te 20 verlagen. Daarnaast wordt een erosie aan de warmtewisselaar bij de uiteinden van het verdringerkanaal geminimaliseerd.

Ook is het mogelijk het verdringerkanaal aan ten minste een uiteinde daarvan af te sluiten door een zich om het uiteinde van het kanaal bevindende wand van het verdringerkanaal op een geschikte 25 wijze te vervormen. Een aldus vervormd uiteindegebied van het verdringerkanaal kan een conisch of andere taps naar het uiteinde toelopende vorm hebben zodat een stromingsgunstige vormgeving voor het in bedrijf om het uiteinde van het verdringerkanaal stromende fluïdum wordt bereikt.

30 Het afsluitelement omvat voorts bij voorkeur voor elk kanaal een uitsparing die in het verlengde van het kanaal te plaatsen is voor het het kanaal in geleiden respectievelijk het kanaal uit geleiden van het fluïdum, hetgeen een verdere verlaging van stromingsweerstand en turbulentie oplevert. Tevens wordt erosie aan 35 de warmtewisselaar aan een in- en uitstroomzi jde van elk kanaal verminderd.

Bij voorkeur staan het kanaal en het ten minste ene verdere kanaal langs althans een gedeelte van de lengte van de buis voor het 1 ► r A 'i Λ - 4 - fluïdum met elkaar in verbinding. Daarmee wordt vermenging van het fluïdum tussen de kanalen onderling, en eventueel daardoor optredende warmte-uitwisseling tussen het fluïdum dat zich in elk van de ten minste twee kanalen bevindt, mogelijk gemaakt. Verbindingen tussen de 5 kanalen zijn daarbij zodanig gevormd dat slechts een gedeelte van het fluïdum over de lengte van de buis van een eerste van de ten minste twee kanalen naar een tweede van de ten minste twee kanalen stroomt.

De werkwijze voor het vervaardigen van de warmtewisselaar volgens de uitvinding is gekenmerkt door de stappen van het door 10 extrusie vervaardigen van een buisprofiel waarin zich de kanalen in gestrekte toestand bevinden, het torderen van het buisprofiel, en het vormen van het aldus getordeerde buisprofiel tot een warmtewisselaar. Op deze wijze is het mogelijk om de buis met schroefvormige kanalen op eenvoudige en snelle wijze te vervaardigen, 15 aangezien van op zich bekende en beproefde vervaardigingtechnieken gebruik wordt gemaakt.

Bij voorkeur omvat de werkwijze volgens de uitvinding de verdere stap van het walsen van vervormingen, in het bijzonder ribben op een buitenzijde van het buisprofiel. Door walsen kunnen de ribben 20 of andere vervormingen op een eenvoudige en kosteneffectieve wijze worden aangebracht. Alternatief is het mogelijk een separaat van vervormingen, in het bijzonder ribben voorzien element om het buisprofiel aan te brengen. Uiteraard is het ook mogelijk dat de ribben of andere vervormingen op een andere wijze op of om de buis 25 geplaatst worden.

In een voorkeursuitvoeringsvorm omvat de werkwijze voorts de verdere stappen van het verschaffen van een verdringerkanaal in het buisprofiel, en het afsluiten van het uiteinde van het verdringerkanaal door een wand van het verdringerkanaal aan het 30 uiteinde daarvan in hoofdzaak conisch te vervormen. Aldus kan door een naar het uiteinde toe in hoofdzaak conisch vervormde, en dus in een uiteindegebied in hoofdzaak taps naar het uiteinde toelopende wand van het verdringerkanaal een eenvoudige en betrouwbare afsluiting van het verdringerkanaal en een stromingsgunstige 35 vormgeving van de afsluiting worden bereikt. Tevens behoeft daarmee geen extra onderdeel, zoals een afsluitelement voor het afsluiten van het uiteinde van het verdringerkanaal, te worden geplaatst.

- 5 -

Verdere eigenschappen en voordelen van de uitvinding zullen duidelijk worden aan de hand van de bijgaande tekening waarin niet-beperkende uitvoeringsvoorbeelden zijn getoond, waarin: fig. 1 een zijaanzicht in dwarsdoorsnede, van een gedeelte van 5 een buis uit een warmtewisselaar volgens de uitvinding toont; fig. 2 een dwarsdoorsnede van een gedeelte van de buis volgens fig. 1 toont; fig. 3 een schematisch, perspectivisch zijaanzicht van een warmtewisselaar volgens de uitvinding toont; fig. 4 een schematisch, 10 perspectivisch zijaanzicht van een andere warmtewisselaar volgens de uitvinding toont; en fig. 5a en 5b een vooraanzicht respectievelijk zijaanzicht van een afsluitelement volgens de uitvinding tonen.

Fig. 1 toont een gedeelte van een buis 1 van een 15 warmtewisselaar. De buis 1 omvat een groot aantal ribben 2 langs de buitenzijde daarvan voor het vergroten van een oppervlak van de buis en vergroten van een overdracht van warmte. De buis is voorzien van vier kanalen 3a, 3b, 3c, 3d, die zich langs een lengte van de buis 1 uitstrekken en ' die langs de lengte van de buis schroefvormig om 20 elkaar gewikkeld zijn. De kanalen 3a, 3b, 3c, 3d dienen voor het daardoor stromen van een fluïdum, zoals water of gas, dat in de warmtewisselaar verwarmd wordt. Zoals getoond in fig. 2, strekken de kanalen 3a, 3b, 3c, 3d zich langs een wand van de buis 1 uit. Voorts omvat de buis een verdringerkanaal 4 dat zich langs de lengte van de 25 buis 1 door een midden daarvan uitstrekt. Het verdringerkanaal 4 bevindt zich in een door de kanalen 3a, 3b, 3c, 3d begrensde ruimte, zoals tevens in fig. 2 is getoond. Fig. 1 toont voorts een uiteinde 5 van de buis 1 dat bijvoorbeeld op een leiding voor het toevoeren van fluïdum aansluitbaar is. Om te voorkomen dat het fluïdum in het 30 verdringerkanaal 4 dringt is een uiteinde 6 van het verdringerkanaal 4 met een afsluitelement, zoals in dit geval de prop 7 afgesloten. De prop 7 heeft aan een van het verdringerkanaal 4 te keren zijde een stromingsgunstige vormgeving, bijvoorbeeld een in hoofdzaak taps toelopende vormgeving, zodat het uit de leiding in de kanalen 3a, 3b, 35 3c, 3d stromende fluïdum bij het uit de leiding in de kanalen 3a, 3b, 3c, 3d stromen zo min mogelijk weerstand en turbulentie ondervindt. Aangezien de kanalen 3a, 3b, 3c, 3d schroefvormig zijn zal het daardoor stromende fluïdum beurtelings langs verschillende zijden van .1 > - 6 - een wand van de buis 1 stromen. Wanneer een warmtebron zich aan één zijde van de buis 1 bevindt, zal het door de kanalen 3a, 3b, 3c, 3d stromende fluïdum zich beurtelings aan een naar de warmtebron toe en een van de warmtebron af gekeerde zijde bevinden. Daardoor wordt 5 bewerkstelligd dat het fluïdum gelijkmatig wordt opgewarmd. Door het verdringerkanaal 4 wordt materiaal, zoals aluminium voor vervaardingen van de buis 1 bespaard, en zal door de aanwezigheid van minder materiaal een thermische responstijd van de buis 1 afnemen, zodat bijvoorbeeld bij inschakelen van de warmtebron sneller 10 verwarming van het fluïdum plaatsvindt.

Voorts is het mogelijk dat de kanalen 3a, 3b, 3c, 3d lokaal, of langs een lengte van de buis onderling hydraulisch met elkaar verbonden zijn zodat een gedeelte van het fluïdum dat zich in de kanalen bevindt van een van de kanalen naar een ander van de kanalen 15 kan stromen.

Fig. 3 toont een warmtewisselaar 3a die opgebouwd is uit een buis zoals daarvan een gedeelte in fig. 1 is getoond. De buis is in hoofdzaak schroefvormig en windingen 31a, 31b van de buis kunnen tegen elkaar aan liggen dan wel is het mogelijk dat zich tussen de 20 windingen 31a, 31b een tussenruimte bevindt. Door de tussenruimte tussen de windingen 31a, 31b dan wel door de ruimte tussen de ribben 2 van de buis, kunnen hete gassen, zoals rookgassen om de buis stromen. Fluïdum, zoals water, kan van een eerste uiteinde 32 naar een tweede uiteinde 33 van de buis door de buis stromen. Een 25 warmtebron, zoals een brander, kan zich in een door de warmtewisselaar 30 omsloten ruimte 34 bevinden.

Uiteraard is de uitvinding eveneens toepasbaar op allerlei andere wijze gevormde warmtewisselaars, zoals bijvoorbeeld een in fig. 4 getoonde warmtewisselaar 40 die met een eerste zijde 40a naar 30 een warmtebron zoals een brander 41 met in een richting van de pijlen 41a uittreedbare vlammen, gekeerd is. De buis 42 kan zich meandervormig of op elke andere geschikte wijze door de wisselaar uitstrekken.

Fig. 5a en 5b tonen een afslui telement 50, met een in fig. 5b 35 getoond insteekgedeelte 51 dat in een uiteinde van het verdringerkanaal steekbaar is en bijvoorbeeld een zodanige vormgeving heeft dat dit insteekgedeelte nauw op een wand van het verdringerkanaal aansluit en in het verdringerkanaal klembaar is voor - 7 - afdichten van het verdringerkanaal om aldus te voorkomen dat fluïdum het verdringerkanaal indringt. Het afsluitelement 50 omvat voorts een in hoofdzaak taps toelopend gedeelte 52 dat, zoals in fig. 5b getoond, naar een van het verdringerkanaal af te keren zijde in 5 hoofdzaak taps toeloopt. Het taps toelopende gedeelte 52 omvat voorts in dit voorbeeld vier uitsparingen 53. De uitsparingen 53 hebben een vormgeving die, wanneer het afsluitelement aan een uiteinde van het verdringerkanaal gemonteerd is, aansluit op althans een gedeelte van een uiteinde van de kanalen. De als voorbeeld 10 getoonde vormgeving van de vier uitsparingen 53 sluit, bij een geschikte dimensionering en plaatsing, aan op de vier kanalen 3a, 3b, 3c en 3d (zijnde het kanaal en drie verdere kanalen) zoals getoond in fig. 2, zodat het fluïdum langs de uitsparingen 53 de kanalen ingeleid, respectievelijk uitgeleid wordt. Door de in hoofdzaak taps 15 toelopende vorm van althans een gedeelte van het afsluitelement 50 en door de uitsparingen 53 is het mogelijk een stromingsweerstand en turbulentie van het langs het afsluitelement stromende fluïdum te verminderen. Tevens wordt materiaalerosie aan de warmtewisselaar verminderd bij de uiteinden van het verdringerkanaal en uiteinden van 20 de kanalen.

Ook is het mogelijk een uiteinde van het verdringerkanaal af te sluiten door de wand van het verdringerkanaal aan het uiteinde daarvan conisch te vervormen, zodat daarmee de wand van het verdringerkanaal in hoofdzaak taps naar het uiteinde van het 25 verdringerkanaal toe loopt.

Het zal duidelijk zijn dat de warmtewisselaar volgens de uitvinding tevens toepasbaar is voor tiet koelen van het fluïdum. In het kader van de uitvinding dient onder een warmtebron dan ook naast een warmtegenererende bron tevens een warmteafvoerende bron te worden 30 verstaan en dient onder "het overbrengen van warmte naar" tevens "het afvoeren van warmte van" te worden begrepen.

n 0 1 1 O A

Claims (14)

1. Warmtewisselaar voor het overbrengen van warmte van een warmtebron naar een fluïdum waarbij een zijde van de warmtewisselaar naar de 5 warmtebron gekeerd is, welke warmtewisselaar een buis omvat, waarbij de buis een kanaal omvat dat zich langs een lengte van de buis uitstrekt voor het door het kanaal stromen van het fluïdum, met het kenmerk, dat het kanaal schroefvormig ten opzichte van een lengteas van de buis is geplaatst.

2. Warmtewissselaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de buis ten minste een verder schroefvormig ten opzichte van de lengteas verlopend kanaal omvat dat zich langs de lengte van de buis uitstrekt voor het daardoor stromen van althans een deel het fluïdum.

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het kanaal en het ten minste ene verdere kanaal zich langs een wand van de buis uitstrekken.

4. Warmtewisselaar volgens een van de conclusie 1-3, met het kenmerk, dat de buis voorts ten minste een verdringerkanaal omvat 20 dat zich langs althans een gedeelte van de lengte van de buis langs het schroefvormig verlopende kanaal uitstrekt.

5. Warmtewisselaar volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het ten minste ene verdringerkanaal aan ten minste een uiteinde daarvan door een afsluitelement is afgesloten.

6. Warmtewisselaar volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het afsluitelement naar een van het verdringerkanaal af te keren zijde in hoofdzaak taps toeloopt voor het bereiken van een stromingsgunstige vormgeving van het afsluitelement.

7. Warmtewisselaar volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat het 30 afsluitelement voor elk kanaal een uitsparing omvat die in het verlengde van het kanaal te plaatsen is voor het het kanaal in geleiden respectievelijk het kanaal uit geleiden van het fluïdum.

8. Warmtewisselaar volgens een van de conclusies 2-7, met het kenmerk, dat het kanaal en het minste ene verdere kanaal langs 35 althans een gedeelte van de lengte van de buis voor het fluïdum met elkaar in verbinding staan.

9. Verbrandingsinrichting omvattende een warmtewisselaar volgens een van de voorgaande conclusies. 1 n 9 1 1 9 k - 9 -

10. Afsluitelement voor gebruik in een warmtewisselaar volgens een van de conclusies 5-8.

11. Werkwijze voor het vervaardigen van een warmtewisselaar volgens een van de conclusies 1-8, gekenmerkt door de stappen van: 5. het door extrusie vervaardigen van een buisprofiel waarin zich de kanalen in gestrekte toestand bevinden; - het torderen van het buisprofiel; en - het vormen van het aldus getordeerde buisprofiel tot een warmtewisselaar.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, gekenmerkt door de verdere stap van het walsen van vervormingen, in het bijzonder ribben op een buitenzijde van het buisprofiel.

13. Werkwijze volgens conclusie 11, gekenmerkt door de verdere stap van het aanbrengen van een separaat van vervormingen, in het 15 bijzonder ribben voorzien element om het buisprofiel.

14. Werkwijze volgens een van de conclusies 11 - 13, gekenmerkt door de verdere stappen van het verschaffen van een verdringerkanaal in het buisprofiel, en het afsluiten van het uiteinde van het verdringerkanaal door een wand van het 20 verdringerkanaal aan een uiteinde daarvan in hoofdzaak conisch te vervormen. & ?S. ^ -ii Jl /!'>