NL1023410C2 - Warmtewisselaar en werkwijze voor de vervaardiging daarvan. - Google Patents

Description

.. ·*

Titel: Warmtewisselaar en werkwijze voor de vervaardiging daarvan.

De uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar, vervaardigd uit lichtmetaal. De uitvinding heeft in het bijzonder betrekking op een dergelijke warmtewisselaar met een warmteuitwisselingsgebied voorzien van pennen.

5 Bekende warmtewisselaars met een warmteuitwisselingsgebied voorzien van pennen hebben pennen met een vrij einde dat vlak is.

Daardoor is de stromingsweerstand van een dergelijk gebied met name tijdens productie nadelig, met name omdat voor het pennen omvattende gebied een los kerndeel dient te worden toegepast. De uitvinding beoogt 10 derhalve een warmtewisselaar van het in de aanhef beschreven type, waarbij de pennen een voordelige configuratie hebben ten aanzien van de vervaardiging. In het bijzonder zodanig dat tijdens gebruik de warmteoverdracht nauwelijks nadelig wordt beïnvloed.

Een verder doel van de uitvinding is een warmtewisselaar te 15= verschaffen die eenvoudig te vervaardigen is, op economische wijze.

Een nog verder doel van de uitvinding is een warmtewisselaar te verschaffen waarvoor een matrijs komt te vervallen.

Ten minste een aantal van deze en verdere doelen wordt volgens de uitvinding bereikt met een warmtewisselaar gekenmerkt door de 20 maatregelen volgens conclusie 1.

Verrassenderwijs is gebleken dat bij een warmtewisselaar uit lichtmetaal met pennen in een warmteuitwisselingsgebied, welke pennen een einde met afgeronde langsrand hebben, de stromingsweerstand van het warmteuitwisselingsgebied althans tijdens vervaardiging van de vorm 25 aanmerkelijk wordt verbeterd. Welk effect kan worden bereikt zelfs zodanig dat tijdens gebruik in de warmtewisselaar de warmteoverdracht niet of nauwelijks nadelig wordt beïnvloed. Een dergelijke warmtewisselaar, althans een warmteuitwisselingsgebied daarvoor kan daardoor bijzonder I eenvoudig en op economische wijze worden vervaardigd. Bovendien kan de I vorm voor de vervaardiging daarvan op bijzonder voordelige wijze worden vervaardigd, bijvoorbeeld uit klei gebonden vormzand. Daarmee kan worden I afgezien van veel duurdere werkwijzen, bijvoorbeeld het cold-box procédé I 5 dat gebruikelijk wordt toegepast voor het vervaardigen van dergelijke I zandvormen.

I Bij vervaardiging van een zandvorm voor het vervaardigen van een I warmtewisselaar, althans warmteuitwisselingsgebied volgens de uitvinding I wordt het voordeel bereikt dat, als gevolg van de gekozen pen geometrie, 10 zand eenvoudig als een stromend medium in de vorm stroomt en een I gewenste verdichting wordt verkregen, waardoor zand met relatief lage bindingssterkte, zoals natuurlijk gebonden vormmateriaal, in het bijzonder I kleigebonden vormzand kan worden gebruikt.

I Pennen volgens de uitvinding kunnen een convex vrij einde I 15 hebben, in het bijzonder een bolvormig einde, doch kunnen ook een afgeplat I einde hebben, zodanig dat een eindvlak is voorzien met een oppervlak dat I kleiner is dan het oppervlak van de doorsnede van de betreffende pen nabij I het basisvlak. Bij laatstgenoemde uitvoeringsvorm is het oppervlak van I genoemd eindvlak bij voorkeur ten minste 35% kleiner dan dat van de I 20 doorsnede van de pen nabij het basisvlak, meer in het bijzonder ten minste I 40% minder en bij voorkeur tussen 40% en 100% minder.

I Gebleken is dat het bijzonder voordelig is indien de verhouding I tussen de lengte en diameter of grootste breedte van de pennen nabij het I basisoppervlak is gelegen tussen ongeveer 2:1 en 5:1, meer in het bijzonder I 25 tussen 5:2 en 9:2. De verhouding tussen de diameter of grootste doorsnede I van de pennen nabij het basisvlak en de onderlinge afstand tussen I hartlijnen van de pennen is bij voorkeur gelegen tussen 5:10 en 9:10, meer I in het bijzonder tussen 6:10 en 8:10. Juist bij dergelijke geometrie van I genoemd warmteuitwisselingsgebied en in het bijzonder de pennen worden I 30 bijzonder voordelige productie-eigenschappen verkregen voor in het 1 * 3 bijzonder de zandvormen voor het gieten van warmtewisselaars volgens de uitvinding uit materiaal met relatief lichte binding, zoals kleigebonden vormzand of groen zand.

Pennen volgens de uitvinding zijn bij voorkeur in hoofdzaak 5 cilindrisch waarbij genoemd vrije einde een in hoofdzaak afgeknot parabolisch of hyperbolisch zijaanzicht heeft. Daarmee wordt zowel vorming van een zandvorm als vervaardiging van de pennen uit licht metaal bijzonder eenvoudig en op voordelige wijze mogelijk.

Bij een warmtewisselaar volgens de uitvinding kunnen alle pennen 10 een vrij einde hebben met afgeronde langsrand, doch kunnen ook pennen worden voorzien met verschillende lengten, waarbij ten minste in een deel van het warmteuitwisselingsgebied de langere pennen een einde met afgeronde langsrand kunnen hebben. Hiermee kan op voordelige wijze de warmteoverdracht in verschillende delen van het 15 warmteuitwisselingsgebied anders worden ingesteld.

De uitvinding heeft verder betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een warmtewisselaar, althans een warmteuitwisselingsgebied bevattend deel daarvan, gekenmerkt door de maatregelen volgens conclusie 10.

20 Een dergelijke werkwijze is bijzonder geschikt voor het vormen van warmtewisselaars met behulp van relatief laag bindend vormmateriaal, zoals kleigebonden vormzand of dergelijke.

Een dergelijke werkwijze is relatief goedkoop doordat kan worden afgezien van het relatief kostbare hoogbindende vormmateriaal zoals in een 25 cold-box procédé.

In de volgcondusies zijn nadere voordelige uitvoeringsvormen beschreven van een warmtewisselaar en werkwijze volgens onderhavige uitvinding. Ter verduidelijking van de uitvinding zullen uitvoeringsvoorbeelden van een warmtewisselaar, althans I warmteuitwisselgebied en een werkwijze voor de vervaardiging daarvan I nader worden beschreven aan de hand van de tekening. Daarin toont: I Figuur 1 in perspectivisch aanzicht een gedeelte van een model van I een warmteuitwisselingsgebied van een warmtewisselaar, volgens de 5 uitvinding, voor vervaardiging van een mal; I figuur 2 in frontaal aanzicht een zandvorm voor een I warmteuitwisselingsgebied voor een warmtewisselaar volgens de I uitvinding, vervaardigd met een model volgens figuur 1; I figuur 3 in perspectivisch aanzicht een gedeelte van een model voor I 10 vervaardiging van een mal voor het gieten van een warmtewisselaar volgens I de uitvinding, omvattende een model volgens figuur 1; I figuur 4 een cilindrische pen, ter vergelijking met een pen volgens I de uitvinding; I figuur 5 en 6 twee uitvoeringsvormen van een pen volgens de I 15 uitvinding, schematisch in perspectivisch zijaanzicht; I figuur 7 schematisch in frontaal aanzicht een aantal pennen I volgens de uitvinding; I figuur 8 in zijaanzicht een pen volgens de uitvinding, met I weggebroken middendeel.

I 20 In deze beschrijving hebben gelijke of corresponderende delen I gelijke of corresponderende verwijzingscijfers.

I In deze figuren zijn als pennen steeds in hoofdzaak cilindrische I pennen getoond. Deze pennen, althans warmtewisselaars die deze pennen I omvatten, worden volgens de uitvinding vervaardigd uit lichtmetaal, zoals 25 bijvoorbeeld aluminium of aluminium legeringen, door gieten. Zoals nog I nader zal worden beschreven wordt voor de vorming daarvan gebruik I gemaakt van een zandvorm die wordt gevormd op een model. Ten minste de I pennen die worden toegepast in een dergelijk model zullen gebruikelijk I bijvoorbeeld uit ander metaal zijn vervaardigd, zoals staal. Losse pennen

, I

5 voor vervaardiging van een dergelijk model vallen ook binnen de uitvindingsgedachte.

Bij een werkwijze volgens onderhavige uitvinding wordt in beginsel een op zichzelf bekende werkwijze voor het vervaardigen van lichtmetalen 5 gietstukken, zoals warmtewisselaars toegepast, doch in aangepaste vorm. Daartoe wordt een model gevormd, zoals bijvoorbeeld gedeeltelijk getoond in de figuren 1 en 3, welk model 1 bijvoorbeeld wordt vervaardigd uit staal. In de in figuur 1 en 3 getoonde uitvoeringsvorm zijn daartoe pennen 2, die nog nader zullen worden beschreven, met een eerste, onderste einde 6 in een 10 basisvlak 3 vastgezet, bijvoorbeeld door klempassing, solderen, schroeven of op andere geschikte wijze. Dit model 1 wordt, zoals getoond in figuur 3, met de basisplaat 3 in een vormbak 4 gezet. In de vormbak 4 wordt vervolgens met een vormmateriaal een mal 5 gevormd die zodanig stabiel dient te zijn dat de vormbak 4 met het model 1 vervolgens daaruit kan worden 15 verwijderd, onder achterlating van een mal 5 die een afdruk vormt van het model 1 met de vormbak 4. Daarin zijn derhalve ten minste de afdrukken van de pennen 2 en eventueel de basisplaat 3 aanwezig. In deze mal wordt vervolgens op gebruikelijke wijze een warmtewisselaar gegoten uit bijvoorbeeld lichtmetaal. Een warmtewisselaar, althans 20 warmteuitwisselgebied volgens de uitvinding is daarmee in hoofdzaak gelijk aan het model.

Bij bekende werkwijzen wordt het warmteuitwisselingsgebied, althans dat deel waarin de pennen 2 zijn opgenomen, gebruikelijk aangeduid als pennendeel, vervaardigd als een losse kern, zodat hierop een 25 apart vormdeel of mal kan worden vervaardigd uit relatief sterk hechtend materiaal, bijvoorbeeld onder toepassing van een cold-box procédé. Het daarbij gebruikte materiaal wordt bijvoorbeeld chemisch gebonden. Dit is bijzonder tijdrovend en kostbaar. Dit aldus gevormd vormdeel uit relatief sterk hechtend materiaal wordt dan geplaatst binnen een mal van lichter 30 hechtend materiaal, zoals kleigebonden vormzand, waarna de 1 fiOAA 1 Π Η I warmtewisselaar wordt gegoten. Bij een warmtewisselaar, althans I warmteuitwisselingsgebied volgens onderhavige uitvinding, is daarentegen I op verrassende wijze de geometrie van de pennen 2 zodanig aangepast dat I ook genoemde pennendeel, zoals gedeeltelijk afgebeeld in figuur 1 in het I 5 lichter hechtende materiaal, zoals kleigebonden vormzand kan worden I vervaardigd. Dit kan als volgt worden begrepen.

I In figuur 4 is een in hoofdzaak cilindrische pen 2 volgens de stand I van de techniek getoond, welke pen een lengte L heeft en aan het tijdens I gebruik naar het basisvlak 3 gekeerde einde 6 een doorsnede D. De pen I 10 heeft een lossingshoek α bijvoorbeeld 1° of minder. Het vrije einde 7 heeft I derhalve een diameter Di die nagenoeg even groot is als de diameter D van I het eerste einde 6.

In figuur 5 en 6 is een tweetal pennen 2 volgens de uitvinding I getoond, in twee alternatieve uitvoeringsvormen, welke pennen 2 in lengte I 15 L, diameter D en lossingshoek α in hoofdzaak overeenkomen met die als I getoond in figuur 4. Evenwel is bij deze pennen 2 het vrije einde 7 aangepast doordat een afgeronde langsrand 8 is voorzien. Schematisch is een cilinder I hieromheen getekend ter vergelijking met de pen volgens figuur 4.

I In figuur 5 is het vrije einde 7 voorzien van een in hoofdzaak vlak I 20 eindvlak 9 met een diameter d die duidelijk kleiner is dan de diameter Di I van het vrije einde 7 van de pen 2, volgens de stand van de techniek (figuur I 4). In zijaanzicht heeft de pen 2 volgens figuur 5 daardoor een afgeknot, hyperbolische of parabolische doorsnede, althans in zijaanzicht nabij het vrije einde 7. In figuur 6 is de pen 2 voorzien van een convex vrij einde 7, I 25 doordat de diameter d van het eindvlak 9 daarbij is gereduceerd tot nul. In I zijaanzicht kan een pen volgens figuur 6 bijvoorbeeld een hyperbolische of parabolische doorsnede hebben nabij het vrije einde 7, doch dit kan ook een I cirkelsegment zijn. Zo kan het einde 7 bijvoorbeeld worden gevormd door I een enigszins bolvormig einde.

I *

Bij een pen 2 volgens de uitvinding, zoals bijvoorbeeld getoond in figuur 5 en 6, is de doorsnede D ten opzichte van de lengte L bij voorkeur zodanig gekozen dat wordt voldaan aan de formule: 7 5 2,5 £ < 4,5

De diameter van het eindvlak 9 is daarbij bij voorkeur zodanig gekozen dat het oppervlak van het eindvlak 9 (ad2) 40% tot 100% kleiner is dan het oppervlak van het tegenovergelegen eerste einde 6 van de pen 2 10 nabij het basisvlak 3 faD2). 100% minder dient daarbij begrepen te worden als een uitvoeringsvorm als getoond in figuur 6 met volledig convex einde 7, waarbij het eindvlak 9 tot nul is gereduceerd en een punt ie.

In figuur 7 is in frontaal aanzicht een vijftal pennen 2 getoond, waarbij de steek S is weergegeven tussen de assen A van de pennen 2. Deze 15 steek S is in het getoonde uitvoeringsvoorbeeld voor twee naast elkaar gelegen pennen 2 steeds hetzelfde, zodat een regelmatige verdeling van pennen 2 is verkregen. De verhouding tussen de diameter D van het eerste einde 6 en de steek S is daarbij bij voorkeur zodanig gekozen dat deze voldoet aan de verhouding: 20 0,6 ^ ^ 0,8

S

Met pennen 2 volgens figuur 5 of 6 kan, opgesteld in een patroon als getoond in figuur 7, bijzonder voordelig een model 1 worden vervaardigd, 25 waarin een relatief licht hechtend materiaal, in het bijzonder kleigebonden vormzand kan worden ingebracht voor de vorming van een mal 5. Het vormzand zal zich in hoofdzaak gedragen als een stromend medium, in het bijzonder als gevolg van de geometrie van de pennen 2, meer in het Π 9 -3 L 1 n I ' 8 bijzonder van de vrije einden 7 daarvan en de gekozen lengte, diameter en steek. Hiermee wordt een goede verdichting van het vormzand tussen de pennen 2 eenvoudig mogelijk, waardoor ineens een mal 5 kan worden vervaardigd in een vormbak 4, als getoond in figuur 3, in het bijzonder van 5 dat gedeelte waarin de pennen 2 met afgeronde langsrand zijn opgesteld.

Zoals getoond in figuur 1 en 3 kunnen pennen van verschillende lengten worden toegepast, bijvoorbeeld twee verschillende lengten die afwisselend in rijen zijn opgesteld. Ten minste de langste pennen 2 en bij voorkeur alle pennen zijn daarbij voorzien van afgeronde langsranden 8 met 10 vlakke eindvlakken 9. Evenwel kunnen ook pennen met een geometrie als getoond in figuur 6 worden toegepast.

In figuur 8 is schematisch in zijaanzicht een pen 2 volgens de uitvinding getoond, met weggebroken middendeel. Het vrije einde 7 heeft een vlak eindvlak 9 met een diameter d en een afgeronde langsrand 8 met 15 een hoogte h, waarbij de diameter d ongeveer gelijk is aan 0,8 D. h is bijvoorbeeld ongeveer 3 mm. Bij de getoonde uitvoeringsvorm is de langsrand 8 daarbij zodanig gebogen dat tussen de in figuur 8 ingetekende rechthoek 10 en de langsrand 8 een oppervlak wordt ingesloten aan weerszijden van bijvoorbeeld 3 en 5 mm2, meer in het bijzonder ongeveer 3,9 20 mm2. Ter illustratie, de losingshoek kan bijvoorbeeld ± 0,6° zijn, bij een penhoogte van ongeveer 30 mm en diameter van ongeveer 8 mm bij de basis, terwijl de diameter d ongeveer 6,2 mm is. Het zal evenwel duidelijk zijn dat deze afmetingen slechts zijn weergegeven ter illustratie en geenszins beperkende dienen te worden uitgelegd.

25 De uitvinding is geenszins beperkt tot de in de beschrijving en tekening getoonde uitvoeringsvoorbeelden. Vele variaties daarop zijn mogelijk binnen het door de conclusies geschetste raam van de uitvinding.

Zo zullen andere opstellingen van pennen kunnen worden gekozen, bijvoorbeeld in een matrix van rijen en kolommen en kunnen licht van 30 cilindrisch afwijkende vormen worden toegepast, bijvoorbeeld veelhoekig, 9 . ' waarbij de afgeronde langsrand daarop kan worden aangepast, zoals hiervoor beschreven. Warmtewisselaars volgens de uitvinding kunnen met één of meer warmteuitwisselingsgebieden met pennen volgens de uitvinding worden voorzien, waarbij uiteraard naast pennendelen, vervaardigd met een 5 werkwijze volgens onderhavige uitvinding, ook pennendelen kunnen worden toegepast die met bijvoorbeeld het cold-box procédé zijn gevormd, althans de mallen daarvoor, voor de vorming van bijvoorbeeld meer complexe onderdelen.

Deze en vele vergelijkbare variaties worden geacht binnen het door 10 de conclusies geschetste raam van de uitvinding te vallen.

Claims (14)

1. 2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, waarbij de pennen een I convex, in het bijzonder bolvormig einde hebben.
2. 3. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, waarbij de pennen een door 10 de afgeronde langsrand ingesloten eindvlak hebben, welk eindvlak een I oppervlak heeft dat kleiner is dan het oppervlak van de doorsnede nabij het I basisvlak.
3. 4. Warmtewisselaar volgens conclusie 3, waarbij het oppervlak van I genoemd eindvlak ten minste 35% kleiner is dan dat van de doorsnede van I 15 de pennen nabij het basisvlak, meer in het bijzonder ten minste 40% minder I en bij voorkeur tussen 40% en 100% minder.
4. 5. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarbij I de verhouding tussen de lengte en diameter of grootste breedte van de I pennen nabij het basisoppervlak is gelegen tussen ongeveer 2:1 en 5:1, meer I 20 in het bijzonder tussen 2,5:1 en 4,5:1.
5. 6. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarbij I de verhouding tussen de diameter of grootste doorsnede van de pennen nabij het basisvlak en de onderlinge afstand tussen de hartlijnen van de pennen I is gelegen tussen 5:10 en 9:10, bij voorkeur tussen 6:10 en 8:10.
6. 7. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarbij I de pennen in hoofdzaak cilindrisch zijn en het genoemde vrije einde van • * genoemde pennen een in hoofdzaak afgeknot parabolisch of hyperbolisch zijaanzicht heeft.
7. 8. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarbij alle pennen een vrij einde met afgeronde langsrand hebben.
8. 9. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarbij in ten minste een deel daarvan pennen van ten minste twee lengten zijn voorzien, waarbij ten minste de pennen met de grootste lengte een vrij einde met afgeronde langsrand hebben.
9. 10. Werkwijze voor het vervaardigen van een warmetewisselaar, 10 althans een warmeteuitwisselingsgebied bevattend deel daarvan, waarbij een model wordt vervaardigd van de betreffende warmtewisselaar, althans genoemd deel daarvan, waarna op genoemd model ten minste één zandvorm wordt vervaardigd, waarna de ten minste ene zandvorm van het model wordt gescheiden en vervolgens in de of elke zandvorm een 15 warmtewisselaar of het genoemde deel daarvan wordt gegoten uit lichtmetaal, waarbij de zandvorm wordt vervaardigd uit klei gebonden vormzand en na het gieten van de warmtewisselaar of genoemd deel daarvan wordt vernietigd voor hergebruik.
10. 11. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij een 20 gietmal uit verschillende mallen, althans delen wordt samengebouwd voor gieten van de warmtewisselaar of genoemd deel daarvan.
11. 12. Werkwijze volgens conclusie 10 of 11, waarbij het klei gebonden zand in een vorminrichting in het model wordt gegoten en wordt verdicht.
12. 13. Werkwijze volgens een der conclusies 10 — 12, waarmee een 25 warmtewisselaar wordt vervaardigd volgens een der conclusies 1-9.
13. 14. Pen voor gebruik in een warmtewisselaar of model daarvoor volgens één der conclusies 1-9.
14. 15. Mal voor een warmtewisselaar of deel daarvan volgens één der conclusies 1-9 of bij een werkwijze volgens één der conclusies 10-13. 30