NL192963C - Warmtewisselaar. - Google Patents

Description

1 192963

Warmtewisselaar

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.

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.

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.

25 De uitvinding heeft als doel, een warmtewisselaar te verschaffen die minder snel verstopt raakt en beter te ontstoppen en te legen is.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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, waar

Claims (3)

3 192963 het aanbrengen van verdere windingen niet voordelig is, omdat de radius daarvan noodgedwongen te klein zou zijn. Bij de warmtewisselaars volgens de getoonde uitvoeringsvoorbeelden verlopen de spiraalvormige elementen 1-6 elk in hoofdzaak in een vlak dwars op de gemeenschappelijke as 7. Het is echter ook 5 mogelijk het kanaalverloop zodanig uit te voeren, dat het gehele kanaal van elk spiraalvormige element in hoofdzaak volgens een conische schroeflijn verloopt. Volgens het getoonde uitvoeringsvoorbeeld zijn de spiraalvormige elementen, behalve het eerste en het zesde spiraalvormige element 1 resp. 6 modulair uitgevoerd. Elk een modulair, spiraalvormig element 2-4 vormende kanaalgedeelte vormt een geheel aantal windingen om de gemeenschappelijke as 7. De 10 onderlinge afstand tussen de uiteinden 19 en 20 (figuur 3) resp. 21 en 22 (figuur 4) van elk een modulair, spiraalvormig element 2, 3 vormende kanaalgedeelte is telkens gelijk. Hierdoor kan de warmtewisselaar worden opgebouwd met een aantal onderlinge gelijke spiraalvormige elementen, die bijvoorbeeld door aansluitmoffen 23 met elkaar kunnen worden verbonden. Een dergelijk modulair spiraalvormig element is weergegeven in de figuren 3 en 4. In figuur 3 is het 15 element weergegeven in een frontaal aanzicht van één zijde; in figuur 4 is hetzelfde element weergegeven in een frontaal aanzicht van de tegenovergestelde zijde. Het aanzicht volgens figuur 3 komt overeen met een bovenaanzicht van het derde of vijfde spiraalvormige element 3 of 5. Het aanzicht volgens figuur 4 van hetzelfde spiraalvormige element komt overeen met het bovenaanzicht van het spiraalvormige element 2 of 4. Zoals uit de figuren 3 en 4 blijkt kunnen de getoonde, onderlinge gelijke elementen op elkaar worden 20 aangesloten voor het vormen van opeenvolgende elementen van een warmtewisselaar. Uit de modulaire elementen kunnen warmtewisselaars met verschillende capaciteiten worden samengesteld. Het eerste en het laatste spiraalvormige element 1 en 6 van de getoonde warmtewisselaars zijn niet uitgevoerd als modulair element, maar als aansluitelement. Dit biedt het voordeel, dat geen extra bochtstuk-ken nodig zijn om de warmtewisselaar te verbinden met een toevoer- en een afvoerkanaaldeel 15 en 16. 25 Het is uiteraard ook mogelijk alle spiraalvormige elementen uit te voeren als modulair element en de desbetreffende elementen via een bochtstuk te verbinden met een toevoer- en een afvoerkanaal. Voor het vervaardigen van grote aantallen identieke warmtewisselaars kan het voordelig zijn, de elementen gezamenlijk uit een enkele eendelige leiding te vormen, waarbij de kans op lekkage zeer gering is, doordat de warmtewisselaar geen kanaalverbindingen heeft. 30 In figuur 5 is een ketel 27 met een warmtewisselaar weergegeven. De ketel omvat een vat 28, dat is omhuld in een ruimte 29 en is opgehangen in een isolerende behuizing 30 en is afgesloten door een isolerende deksel 31. De warmtewisselaar is in een thermische vloeistof 24 ondergedompeld, in die vloeistof 24 is voorts een verwarmingselement 25 ondergedompeld. Een afvoerkanaaldeel 16 sluit aan op een binnenste winding 18 van het onderste spiraalvormige element 6 en is voorzien van een in de thermische 35 vloeistof 24 ondergedompeld reservoir 26. Het reservoir 26 verschaft bij niet-continue afname een voorraad medium op temperatuur en verlengt de gemiddelde verblijftijd van te verwarmen of te koelen medium in de ketel. Voorts beperkt het reservoir 26 de hoeveelheid in de ketel te vullen thermische vloeistof 24, zoals thermische olie. 40

1. Warmtewisselaar met een doorstroombaar kanaal, dat ten minste twee in hoofdzaak spiraalvormig om een gemeenschappelijke as verlopende elementen omvat, die in de richting van de as op onderlinge afstand 45 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 andere element gelijk blijft, met 50 het kenmerk, dat de buitenste winding (10) van ten minste één van de voomoemde elementen (2-5) volgens een schroeflijn overgaat in een buitenste winding (9) van een verdere op afstand liggende spiraalvormig om de gemeenschappelijke as (7) verlopend element (1, 3, 4, 6), welk element (1, 3, 4, 6) zodanig gewikkeld is dat, het kanaal (8) volgend, de draairichting om de gemeenschappelijke as (7) bij het overgaan naar en in het verdere element (1, 3, 4, 6) gelijk blijft.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een toevoerkanaaldeel (15) en een afvoerkanaaldeel (16) elk aansluiten op een binnenste winding (17 resp. 18) van afzonderlijke spiraalvormige elementen (1-6). 192963 4

3. Warmtewisselaar volgens één der voorgaande conclusies 1 of 2 waarbij het doorstroombaar kanaal is ondergebracht in een vat voor thermische vloeistof, met het kenmerk, dat zich in het vat (28) tevens een verwarmingselement (25) bevindt, terwijl voorts in een toevoer- of afvoerkanaaldeel (15, 16), dat aansluit op een binnenste winding (18) van één van de genoemde spiraalvormige elementen, een althans gedeeltelijk, 5 in het vat voor de thermische vloeistof (24) ondergedompeld volgens de gemeenschappelijke as (7) verlopend reservoir (26) omvat. Hierbij 3 bladen tekening