NL192963C

NL192963C - Heat exchanger.

Info

Publication number: NL192963C
Application number: NL9100270A
Authority: NL
Inventors: Geert Pieter Froma
Original assignee: Geert Pieter Froma
Priority date: 1991-02-15
Filing date: 1991-02-15
Publication date: 1998-06-03
Also published as: NL9100270A; NL192963B

Description

1 1929631 192963

WarmtewisselaarHeat exchanger

De uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar met een doorstroombaar kanaal, dat ten minste twee in hoofdzaak spiraalvormig om een gemeenschappelijke as verlopende elementen omvat, die in de richting 5 van de as op onderlinge afstand liggen, waarbij het ene van de elementen in een bepaalde draairichting buitenwaarts verloopt en het andere van de elementen in de genoemde draairichting binnenwaarts verloopt en een binnenste winding van het ene element in hoofdzaak volgens een schroeflijn om de genoemde gemeenschappelijke as overgaat in een binnenste winding van het andere element, zodanig dat, het kanaal volgend, de draairichting om de gemeenschappelijke as bij het overgaan van het ene element naar en in het 10 andere element gelijk blijft.The invention relates to a heat exchanger with a flow-through channel, comprising at least two elements which are mutually spiraled about a common axis and which are mutually spaced in the direction of the axis, the one of the elements being in a certain direction of rotation extends outwardly and the other of the elements in the said direction of rotation runs inwardly and an inner turn of one element changes substantially according to a helix about said common axis into an inner turn of the other element, such that, following the channel, the direction of rotation about the common axis remains the same when changing from one element to and in the other element.

Een dergeiijke warmtewisselaar is bekend uit de Internationale octrooiaanvrage WO 88/09261 (Merryful). Bij deze warmtewisselaar zijn meerdere paren elementen spiraalvormig coaxiaal opgesteld en parallel gekoppeld aan gemeenschappelijke toevoer- en afvoerbuizen.Such a heat exchanger is known from International patent application WO 88/09261 (Merryful). In this heat exchanger, several pairs of elements are arranged spirally coaxially and coupled in parallel to common supply and discharge pipes.

Een bezwaar van deze bekende warmtewisselaar is, dat door de opstelling voor paralleldoorstroming 15 afzetting van materialen in de spiraalvormige elementen zich kan voordoen, wat de stroomsnelheid van vloeistof weer doet teruglopen, waardoor verdere materiaalafzetting wordt bevorderd. De elementen van een dergelijke warmtewisselaar kunnen derhalve gemakkelijk verstopt raken. Zijn elementen eenmaal verstopt, dan kunnen ze niet, of althans niet goed, doorgeblazen of doorgespoeld worden, omdat andere paren elementen die niet verstopt zijn een omleiding rond de verstopping vormen, waarlangs doorblaaslucht of 20 spoelvloeistof kan passeren. Ook voor het legen van de warmtewisselaar zijn bijzondere maatregelen nodig. Een verder bezwaar van deze warmtewisselaar is, dat deze een groot aantal aansluitingen tussen de gemeenschappelijke toevoer- en afvoerbuizen en de spiraalvormige elementen bevat. Dit brengt aanzienlijke kosten en een aanzienlijk risico van lekkage met zich mee, omdat reparatie demontage van de inrichting vergt.A drawback of this known heat exchanger is that deposition of materials in the spiral elements can occur due to the arrangement for parallel flow, which in turn reduces the flow rate of liquid, so that further material deposition is promoted. The elements of such a heat exchanger can therefore easily become clogged. Once clogged, elements cannot, or at least not properly, be purged or flushed, because other pairs of clogged elements form a bypass around the clog through which purging air or flushing fluid can pass. Special measures are also required for emptying the heat exchanger. A further drawback of this heat exchanger is that it contains a large number of connections between the common supply and discharge pipes and the spiral elements. This entails considerable costs and a significant risk of leakage, because repair requires disassembly of the device.

25 De uitvinding heeft als doel, een warmtewisselaar te verschaffen die minder snel verstopt raakt en beter te ontstoppen en te legen is.The object of the invention is to provide a heat exchanger that is less likely to become clogged and that it is easier to unclog and empty.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt, doordat de buitenste winding van ten minste één van de voornoemde elementen volgens een schroeflijn overgaat in een buitenste winding van een verdere op afstand liggende spiraalvormig om de gemeenschappelijke as verlopend element, welk element zodanig 30 gewikkeld is dat, het kanaal volgend, de draairichting om de gemeenschappelijke as bij het overgaan naar en in het verdere element gelijk blijft.This object is achieved according to the invention in that the outer turn of at least one of the aforementioned elements is helically transformed into an outer turn of a further spaced spiral extending about the common axis, which element is wound such that, following the channel, the direction of rotation about the common axis remains the same when passing to and in the further element.

De uitgevonden warmtewisselaar heeft aldus drie of meer spiraalvormige in serie doorstroomde elementen bij het kanaal. Dit brengt een hogere afzettingen tegenwerkende stromingssnelheid met zich mee, waarbij de stromingsweerstand echter laag kan blijven, doordat bij het kanaal, de overgang tussen 35 buitenste windingen respectievelijk tussen binnenste windingen van de opvolgende elementen telkens volgens een schroeflijn verloopt zonder draaizinomkering. De elementen hoeven niet telkens paarsgewijs aan een toevoer- en een afvoerkanaal te zijn gekoppeld, zodat het aantal aansluitingen tussen elementen en toevoer- of afvoerkanalen aanzienlijk worden beperkt.The invented heat exchanger thus has three or more spiral serially flow-through elements at the channel. This entails a higher deposit opposing flow velocity, but the flow resistance can remain low, however, because at the channel, the transition between outer turns or between inner turns of the successive elements proceeds in accordance with a helix without rotation reversal. The elements do not always have to be coupled in pairs to a supply and a discharge channel, so that the number of connections between elements and supply or discharge channels is considerably limited.

Het kanaal van de warmtewisselaar volgens de uitvinding kan goed worden doorgeblazen, waardoor 40 ontstoppen en legen van de warmtewisselaar eenvoudig en effectief uit te voeren is.The channel of the heat exchanger according to the invention can be blown well, making unblocking and emptying of the heat exchanger easy and effective.

Uit het Duitse Offenlegungsschrift 1.926.244 is een warmtewisselaar bekend met in serie gekoppelde spiraalvormige elementen die afwisselend aan de binnenzijde en de buitenzijde aansluiten op kamers van spiraalvormig verlopende verzamel- en verdeelleidingen. De spiralen zijn dankzij het spiraalvormige verloop van de verzamel- en verdeelleidingen telkens ten opzichte van een naastgelegen spiraal verdraaid 45 aangebracht. Bij wat betreft vorm en afmetingen identieke spiralen wordt aldus bereikt, dat in axiale richting opeenvolgende windingen zijwaarts versprongen ten opzichte van elkaar zijn gelegen.German Offenlegungsschrift 1,926,244 discloses a heat exchanger with serially coupled spiral elements which alternately connect on the inside and the outside to chambers of spiral manifolds and distribution pipes. The spirals are each turned 45 due to the spiral course of the manifolds and manifolds. With identical coils in shape and dimensions it is thus achieved that successive windings are offset laterally in the axial direction.

De onderlinge identieke vorm van de spiraalvormige elementen brengt echter ook met zich mee, dat bij het overgaan van een spiraalvormig element naar het volgende, de draaizin van de stromingsrichting telkens omdraait teneinde bij gelijk gewikkelde spiraalvormige elementen afwisselend een van binnen naar 50 buiten en een van buiten naar binnen verlopende stroming te verkrijgen. Door deze omkering van de draairichting ontstaat een sterke verhoging van de stromingsweerstand. Verder doet zich ook bij deze warmtewisselaar in nog sterkere mate het probleem voor, dat een groot aantal aansluitingen tussen de verzamel- en verdeelleidingen en de spiraalvormige elementen nodig is.However, the mutually identical shape of the spiral elements also implies that when changing from one spiral element to the next, the sense of rotation of the flow direction reverses each time so that, with equally wound spiral elements, one alternately from the inside to the outside and one from to obtain an outside inward flow. This reversal of the direction of rotation creates a strong increase in flow resistance. Furthermore, the problem also arises to an even greater degree with this heat exchanger, that a large number of connections are required between the collection and distribution pipes and the spiral elements.

Uit de Europese octrooiaanvrage 0.084.846 is, evenals uit het hiervoor besproken Duitse Offenlegungs-55 schrift, een warmtewisselaar bekend waarbij twee spiraalvormige elementen identiek gewikkeld zijn. Bij de overgang van het ene element naar het volgende element wordt de draaizin weliswaar niet omgekeerd, maar de overgang verloopt van de buitenste winding van het ene element naar de binnenste winding van 192963 2 het andere element, waardoor de overgang veel ruimte tussen de elementen in beslag neemt.From European patent application 0,084,846, as well as from the German Offenlegungs-55 script discussed above, a heat exchanger is known in which two spiral elements are wound identically. While the transition from one element to the next element is not reversed, the transition is from the outer turn of one element to the inner turn of 192963 2 the other element, making the transition much space between the elements takes up.

Eveneens om een zo compact mogelijke opbouw van de warmtewisselaar te verkrijgen, sluit een toevoerkanaaldeel en een afvoerkanaaldeel elk aan op een binnenste winding van afzonderlijke spiraalvormige elementen. Dit houdt automatisch in, dat het kanaal van de warmtewisselaar een even aantal maar ten 5 minste vier spiraalvormige elementen moet bezitten.Also in order to obtain the most compact construction of the heat exchanger, a supply duct section and a discharge duct section each connect to an inner winding of separate spiral elements. This automatically means that the channel of the heat exchanger must have an even number but at least four spiral elements.

Indien, zoals ook uit de Internationale octrooiaanvrage WO 88/09261 bekend is, het doorstroombaar kanaal is ondergebracht in een vat voor thermische vloeistof, kan om een bijzonder efficiënte gelijkmatige werking te verkrijgen volgens de uitvinding zich in het vat tevens een verwarmingselement bevinden, terwijl voorts in een toevoer- of afvoerkanaaldeel, dat aansluit op een binnenste winding van één van de 10 genoemde spiraalvormige elementen, een althans gedeeltelijk, in het vat voor de de thermische vloeistof ondergedompeld volgens de gemeenschappelijke as verlopend reservoir omvatten.If, as is also known from International patent application WO 88/09261, the flow-through channel is accommodated in a vessel for thermal liquid, in order to obtain a particularly efficient uniform operation according to the invention, the vessel can also contain a heating element, while furthermore in a supply or discharge section connecting to an inner winding of one of the said spiral elements, comprise at least a part in the reservoir for the reservoir immersed in the thermal liquid running along the common axis.

Navolgend wordt de uitvinding nader geïllustreerd en toegelicht aan de hand van twee uitvoerings-voorbeelden waarbij wordt verwezen naar de tekening. Daarbij toont: 15 figuur 1 een zijaanzicht van een warmtewisselaar volgens een eerste uitvoeringsvoorbeeld, figuur 2 een bovenaanzicht van een warmtewisselaar volgens figuur 1, figuren 3 en 4 bovenaanzichten van twee elementen van een warmtewisselaar volgens figuren 1 of 2, en figuur 5 een zijaanzicht in doorsnede van een ketel, met een warmtewisselaar.The invention is further illustrated and elucidated hereinbelow on the basis of two exemplary embodiments, with reference to the drawing. In the drawing: figure 1 shows a side view of a heat exchanger according to a first exemplary embodiment, figure 2 shows a top view of a heat exchanger according to figure 1, figures 3 and 4 top views of two elements of a heat exchanger according to figures 1 or 2, and figure 5 shows a side view in cross section of a boiler, with a heat exchanger.

20 De in de figuren 1,2 en 5 getoonde warmtewisselaars zijn elk voorzien van zes van het kanaal 8 deel uitmakende spiraalvormige elementen 1-6, die elk spiraalvormig om een gemeenschappelijke as 7 verlopen. Het eerste spiraalvormige element 1 verloopt in bovenaanzicht linksom buitenwaarts, het daarop volgende, tweede spiraalvormige element 2 verloopt in die draairichting binnenwaarts. Het kanaal 8 gaat van een buitenste winding 9 van het eerste spiraalvormige element 1 in hoofdzaak volgens een schroeflijn om de 25 genoemde gemeenschappelijke as 7 over in een buitenste winding 10 van het tweede spiraalvormige element 2. Het kanaal 8 volgend, blijft daarbij de draairichting om de gemeenschappelijke as 7 bij het overgaan van het eerste spiraalvormige element 1 naar het tweede spiraalvormige element 2 gelijk.The heat exchangers shown in Figures 1,2 and 5 are each provided with six spiral elements 1-6 forming part of the channel 8, each of which extends spirally about a common axis 7. The first spiral element 1 extends counterclockwise outward in plan view, the subsequent second spiral element 2 extends inwardly in that direction of rotation. The channel 8 changes from an outer winding 9 of the first spiral element 1 substantially along a helix about said common axis 7 into an outer winding 10 of the second spiral element 2. Following the channel 8, the direction of rotation remains the common axis 7 is equal when passing from the first spiral element 1 to the second spiral element 2.

Het kanaal 8 van de warmtewisselaar heeft ook overigens een vloeiend verloop, zodat een lage stromingsweerstand van een daardoor gevoerd medium wordt verkregen. Doordat de spiraalvormige 30 elementen 1 -6 in serie achter elkaar zijn aangesloten wordt daarbij een relatief hoge stroomsnelheid verkregen, zodat verstopping van het kanaal 8 wordt tegengegaan.The channel 8 of the heat exchanger also has a smooth course, so that a low flow resistance of a medium passed through it is obtained. Because the spiral-shaped elements 1 -6 are connected in series one behind the other, a relatively high flow speed is thereby obtained, so that blockage of the channel 8 is prevented.

De stroomsnelheid in elk gedeelte van het kanaal 8 is bij een bepaald debiet bepaald door het dwarsdoorsnedeoppervlak van dat gedeelte van het kanaal 8, zodat de stroomsnelheid door de gehele warmtewisselaar nauwkeurig beheerst kan worden. Voorts is, doordat slechts één kanaalroute door de 35 warmtewisselaar mogelijk is, bij een bepaald debiet, de verblijftijd in de warmtewisselaar van elk deel van het medium binnen nauwe grenzen bepaald door het volume van het kanaal 8.The flow rate in each section of the channel 8 is determined at a given flow rate by the cross-sectional area of that section of the channel 8, so that the flow rate through the entire heat exchanger can be accurately controlled. Furthermore, because only one channel route through the heat exchanger is possible, at a given flow rate, the residence time in the heat exchanger of each part of the medium is determined within narrow limits by the volume of the channel 8.

De binnenste winding 12 van een middelste spiraalvormig element 3 gaat over in een binnenste winding 11 van een naburig spiraalvormig element 2 aan één zijde van dat middelste spiraalvormige element 3 en een buitenste winding 13 van het middelste spiraalvormige element 3 gaat over in een buitenste winding 14 40 van een naburig spiraalvormig element 4 aan de tegenovergestelde zijde van dat middelste spiraalvormige element 3.The inner winding 12 of a middle spiral element 3 merges into an inner winding 11 of an adjacent spiral element 2 on one side of that middle spiral element 3 and an outer winding 13 of the middle spiral element 3 merges into an outer winding 14 40 of an adjacent spiral element 4 on the opposite side of that middle spiral element 3.

Hierdoor wordt een zeer compacte opbouw van de warmtewisselaar verkregen bij een zeer vloeiend verloop van het kanaal 8, terwijl bovendien een eenvoudig te vervaardigen kanaalverloop wordt verkregen.As a result, a very compact construction of the heat exchanger is obtained with a very smooth course of the channel 8, while, moreover, an easily manufactured channel course is obtained.

Het is echter ook mogelijk, bij een warmtewisselaar uitgerust met bijvoorbeeld drie spiraalvormige 45 elementen, het kanaal een zodanig verloop te geven, dat dit van het eerste spiraalvormig element overgaat naar het in rangorde laatste spiraalvormig element en van dit laatste spiraalvormig element overgaat naar het in rangorde tussengeiegen spiraalvormig element. Een dergelijk verloop van het kanaal biedt het voordeel, dat een verbeterde axiale verdeling van de warmteoverdracht kan worden verkregen.However, it is also possible, in the case of a heat exchanger equipped with, for example, three spiral 45 elements, to give the channel a course such that it passes from the first spiral element to the last spiral element in sequence and from this last spiral element to the ranking intermediate spiral element. Such a channel course offers the advantage that an improved axial distribution of the heat transfer can be obtained.

De warmtewisselaars volgens de getoonde uitvoeringsvoorbeelden zijn uitgerust met een even aantal 50 spiraalvormige elementen 1-6, waarbij een toevoerkanaaldeel 15 en een afvoerkanaaldeel 16 elk aansluiten op een binnenste winding 17 resp. 18 van een van de spiraalvormige elementen 1-6. Bij toepassing van een even aantal spiraalvormige elementen sluiten de toevoer- en afvoerkanaaldelen steeds beide aan op binnen- of buitengelegen windingen van de desbetreffende spiraalvormige elementen. Voor een compacte bouw van de warmtewisselaar is het daarbij van voordeel indien de toevoer- en afvoerkanaaldelen elk 55 aansluiten op een binnengelegen winding van één van de spiraalvormige elementen. De warmtewisselaar kan dan worden ondergebracht in een ruimte, die nauw aansluit op de buitengelegen windingen van de spiraalvormige elementen, terwijl de toevoer- en afvoerkanaaldelen zijn ondergebracht in een gebied, waarThe heat exchangers according to the exemplary embodiments shown are equipped with an even number of 50 spiral elements 1-6, wherein a supply duct section 15 and a discharge duct section 16 each connect to an inner winding 17 and 17, respectively. 18 of one of the spiral elements 1-6. When an even number of spiral elements are used, the supply and discharge channel parts always connect both to inner or outer windings of the respective spiral elements. It is advantageous for a compact construction of the heat exchanger if the supply and discharge duct parts each connect 55 to an inner winding of one of the spiral elements. The heat exchanger can then be housed in a space closely connected to the outer windings of the helical elements, while the supply and exhaust duct parts are housed in an area where

Claims

3 192963 installing further windings is not advantageous, because the radius thereof would necessarily be too small. In the heat exchangers according to the exemplary embodiments shown, the spiral elements 1-6 each run substantially in a plane transverse to the common shaft 7. However, it is also possible to design the channel course in such a way that the entire channel of each spiral element is substantially follows a conical helix. According to the exemplary embodiment shown, the spiral elements, with the exception of the first and sixth spiral elements, are 1 and 6, respectively. 6 modular. Each channel section forming a modular, spiral element 2-4 forms an integer number of turns about the common axis 7. The mutual distance between the ends 19 and 20 (figure 3), respectively. 21 and 22 (figure 4) of each channel section forming a modular spiral element 2, 3 are the same in each case. As a result, the heat exchanger can be built up with a number of mutually equal spiral-shaped elements, which can for instance be connected to each other by connection sleeves 23. Such a modular spiral element is shown in Figures 3 and 4. In Figure 3, the element is shown in a frontal view from one side; in Figure 4, the same element is shown in a frontal view from the opposite side. The view according to Figure 3 corresponds to a top view of the third or fifth spiral element 3 or 5. The view according to Figure 4 of the same spiral element corresponds to the top view of the spiral element 2 or 4. As shown in Figures 3 and 4 it appears that the mutually identical elements shown can be connected to each other to form successive elements of a heat exchanger. Heat exchangers with different capacities can be assembled from the modular elements. The first and the last spiral elements 1 and 6 of the heat exchangers shown are not designed as a modular element, but as a connecting element. This offers the advantage that no extra elbows are required to connect the heat exchanger to a supply and a discharge section 15 and 16. It is of course also possible to design all spiral elements as a modular element and the relevant elements via a bend to be connected to a supply and a discharge channel. For the production of large numbers of identical heat exchangers it can be advantageous to form the elements together from a single one-piece pipe, the chance of leakage being very small, because the heat exchanger has no duct connections. Figure 5 shows a boiler 27 with a heat exchanger. The boiler comprises a vessel 28, which is enclosed in a space 29 and is suspended in an insulating housing 30 and is closed by an insulating cover 31. The heat exchanger is immersed in a thermal liquid 24, in which liquid 24 is also a heating element 25 submerged. A drain section 16 connects to an inner winding 18 of the lower spiral element 6 and is provided with a reservoir 26 immersed in the thermal fluid 24. The reservoir 26 provides a stock of medium at temperature upon continuous withdrawal and extends the average residence time medium to be heated or cooled in the boiler. Furthermore, the reservoir 26 limits the amount of thermal fluid 24 to be filled in the kettle, such as thermal oil. 40

A flow-through heat exchanger comprising at least two elements spiraling about a common axis, which are mutually spaced 45 in the direction of the axis, the one of the elements extending outwardly in a given direction of rotation and the the other of the elements in the said direction of rotation runs inwardly and an inner turn of one element changes substantially according to a helix about said common axis into an inner turn of the other element, such that, following the channel, the direction of rotation around the common axis remains the same when passing from one element to and in the other element, characterized in that the outer winding (10) of at least one of the aforementioned elements (2-5) helically changes into an outer winding (9) of a further spaced coil (1, 3, 4, 6) spiraling about the common axis (7), which element (1, 3, 4, 6) is wound such that, following the channel (8), the direction of rotation about the common axis (7) when passing to and in the further element (1, 3, 4, 6) remains the same.

Heat exchanger according to claim 1, characterized in that a supply duct section (15) and a discharge duct section (16) each connect to an inner winding (17 and 18, respectively) of separate spiral elements (1-6). 192963 4

Heat exchanger according to one of the preceding claims 1 or 2, wherein the flow-through channel is accommodated in a vessel for thermal liquid, characterized in that the vessel (28) also contains a heating element (25), while furthermore in a supply or drain section (15, 16), which connects to an inner turn (18) of one of said spiral elements, an at least partial 5 immersed in the vessel for the thermal liquid (24) running along the common axis (7) (26). Hereby 3 sheets drawing