NL2003644C2 - Warmtewisselaar. - Google Patents

Description

P89525NL00

Titel: Warmtewisselaar.

De uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar voor het uitwisselen van warmte tussen een stromende eerste vloeistof en een stromende tweede vloeistof, welke warmtewisselaar voorzien is van een buitenste buissegment, een binnenste buissegment en een tussengelegen 5 buissegment, welke buissegmenten elk in hoofdzaak cylindrisch zijn en onderling co-axiaal georiënteerd zijn met een gezamenlijke hartlijn, waarbij het buitenste buissegment het tussengelegen buissegment met een tussenruimte omhult en het tussengelegen buissegment het binnenste buissegment zodanig omhult dat althans in bedrijfstoestand thermisch 10 geleidend kontakt mogelijk is tussen het tussengelegen buissegment en het binnenste buissegment, en waarbij in genoemde bedrijfstoestand de eerste vloeistof in het inwendige van het binnenste buissegment stroomt terwijl de tweede vloeistof in de tussenruimte stroomt zodanig dat warmteuitwisseling tussen de aldus stromende eerste en tweede vloeistoffen kan plaatsvinden 15 via het binnenste buissegment en het daarmee thermisch geleidend in kontakt staande tussengelegen buissegment.

Met het binnenste buissegment en het tussengelegen buissegment wordt een zogenoemde dubbele scheiding tussen de aldus stromende eerste en tweede vloeistoffen verkregen. Daarmee kan een mogelijkheid gecreëerd 20 worden om een optredend lek in het binnenste buissegment of in het tussengelegen buissegment (bijvoorbeeld als gevolg van corrosie of mechanische aantasting) te detecteren. Bij een dergelijke lekdetectie kunnen dan maatregelen genomen worden om te voorkomen dat in de warmtewisselaar vermenging zou optreden van de eerste en de tweede 25 vloeistof.

Een dergelijke warmtewisselaar is bekend uit NL1014030. Voorts vermeldt NL1014030 dat de warmteoverdracht verbeterd kan worden door 2 turbulentiebevorderen.de middelen in genoemde tussenruimte aan te brengen. In Fig. 3 van NL1014030 worden turbulentiebevorderende middelen getoond die gevormd zijn door een geprofileerd binnenoppervlak van het buitenste buissegment toe te passen.

5 Voorts is een dergelijke warmtewisselaar bekend uit Figuren 1 en 2 van NL8203332. Bij deze uit NL8203332 bekende warmtewisselaar is een helixvormig gewikkelde draad ingeklemd tussen het buitenste buissegment en het tussengelegen buissegment. Deze ingeklemde draad houdt het buitenste buissegment en het binnenste buissegment in nauwkeurige 10 coaxiale relatie ten opzichte van elkaar. De in de tussenruimte stromende tweede vloeistof wordt door de ingeklemde helixvormig gewikkelde draad gedwongen om een met de spiraalvorm van de draad overeenkomend spiraalvormig stromingstraject te doorlopen. Daarmede wordt de effectieve lengte van deze uit NL8203332 bekende warmtewisselaar vergroot. De 15 ingeklemde draad wekt echter slechts relatief weinig turbulentie op.

Het is een doel van de uitvinding om een oplossing te verschaffen volgens welke de warmteoverdracht in de warmtewisselaar verder verbeterd wordt.

Daartoe omvat, volgens de uitvinding, de warmtewisselaar van de 20 initieel aangeduide soort voorts een rond de gezamenlijke hartlijn gewonden spiraal die zich in of grenzend aan genoemde tussenruimte uitstrekt voor het in genoemde bedrijfstoestand bevorderen van turbulentie van de in de tussenruimte stromende tweede vloeistof, en wordt die warmtewisselaar volgens de uitvinding gekenmerkt doordat, gezien langs tenminste een 25 gedeelte van de gezamenlijke hartlijn, de buitenradius van de spiraal kleiner is dan de binnenradius van het buitenste buissegment zodat in genoemde bedrijfstoestand de in de tussenruimte stromende tweede vloeistof om buitenkanten van windingen van de spiraal heen tussen de spiraal en het buitenste buissegment kan stromen.

3

Hierdoor vertoont, bij een warmtewisselaar volgens de uitvinding, de tweede vloeistof in de tussenruimte een stromingspatroon dat totaal anders is dan het stromingspatroon dat optreedt bij de uit NL8203332 bekende warmtewisselaar. Bij een warmtewisselaar volgens de uitvinding 5 wordt de in de tussenruimte stromende tweede vloeistof namelijk niet gedwongen om een met de spiraalvorm van de draad overeenkomend spiraalvormig stromingstraject te doorlopen. In plaats daarvan wekt de spiraal van een warmtewisselaar volgens de uitvinding een buitengewoon intensieve fijnschalige turbulentie in de stromende tweede vloeistof op, 10 welke fijnschalige turbulentie verstrekkend aanwezig is in de tussenruimte. Deze fijnschalige en verstrekkende turbulentie in de tussenruimte heeft een verrassend grote verbetering van de warmteoverdracht in de warmtewisselaar tot gevolg.

In veel gevallen zijn de bijzondere maatregelen van een 15 warmtewisselaar volgens de uitvinding eenvoudig en goedkoop te realiseren. De spiraal kan bijvoorbeeld eenvoudigweg een gewonden draad zijn. Ook kan de spiraal vervaardigd zijn van diverse materialen, zoals bijvoorbeeld kunststof materiaal of metaal (zoals bijvoorbeeld koper). Ook kan de spiraal bijvoorbeeld vervaardigd zijn van met kunststof bekleed metaal, zoals 20 bijvoorbeeld met kunststof bekleed koper.

In beginsel kan de gehele spiraal op afstand liggen van het tussengelegen buissegment, zodat in genoemde bedrijfstoestand de in de tussenruimte stromende tweede vloeistof bovendien om de binnenkanten van de windingen van de spiraal heen tussen de spiraal en het 25 tussengelegen buissegment kan stromen.

In een voorkeursuitvoeringsvorm sluit de spiraal over tenminste een deel van zijn langsrichting aan op het tussengelegen buissegment en/of maakt de spiraal over tenminste een deel van zijn langsrichting deel uit van het tussengelegen buissegment. Dit bevordert het ontstaan van intensieve 30 fijnschalige turbulentie van de tweede vloeistof direct stroomafwaarts van 4 de betreffende spiraalwindingen die aldaar hoekgebieden vormen met het buitenoppervlak van het tussengelegen buissegment. Deze intensieve fijnschalige turbulentie wordt stroomafwaarts af gevoerd langs en in de directe nabijheid van het buitenoppervlak van het tussengelegen 5 buissegment, hetgeen de warmteoverdracht tussen het tussengelegen buissegment en de tweede vloeistof zeer ten goede komt. In het geval dat de spiraal over tenminste een deel van zijn langsrichting aansluit op het tussengelegen buissegment, kan de spiraal bijvoorbeeld tenminste deels tegen het tussengelegen buissegment aanliggen en/of tenminste deels aan 10 het tussengelegen buissegment bevestigd zijn. In het geval dat de spiraal over tenminste een deel van zijn langsrichting deel uitmaakt van het tussengelegen buissegment kan tenminste een deel van de spiraal bijvoorbeeld een zich spiraal vormig uitstrekkende ribbe van het tussengelegen buissegment zijn.

15 Een warmtewisselaar volgens de uitvinding kan bijvoorbeeld deel uitmaken van een inrichting voor het terugwinnen van warmte uit de bij een proces gebruikte eerste vloeistof, zoals proceswater, spoelwater, douchewater of afvalwater, voor het verwarmen van de te gebruiken tweede vloeistof. Bijvoorbeeld kan daarbij, in genoemde bedrijfstoestand van de 20 warmtewisselaar, de gezamenlijke hartlijn zich in hoofdzaak verticaal uitstrekken. Dit wordt in de praktijk bijvoorbeeld toegepast bij het terugwinnen van warmte uit gebruikt douche- en/of badwater (de eerste vloeistof) voor het verwarmen van bij het douchen en/of baden te gebruiken leidingwater (de tweede vloeistof). Bij dergelijke toepassingen liggen 25 geschikte binnen- of buitendiameters van het buitenste buissegment doorgaans in de grootte-orde van circa 30 millimeter tot circa 100 millimeter. Bijvoorbeeld is circa 50 millimeter een vaak toegepaste afmeting voor de buitendiameter van het buitenste buissegment bij woonhuistoepassingen waar de warmtewisselaar gebruikt wordt voor een 30 éénpersoons douche- en/of badinrichting.

5

Bij voorkeur is, gezien langs tenminste een gedeelte van de gezamenlijke hartlijn, het quotiënt van de spoed van de spiraal gedeeld door de binnendiameter van het buitenste buissegment groter of gelijk aan 0,2 en kleiner of gelijk aan 0,7. Toepassing van dergelijke spoed/diameter 5 verhoudingen heeft een zeer gunstige warmteoverdracht tot gevolg.

Bij voorkeur is, gezien langs tenminste een gedeelte van de gezamenlijke hartlijn, het quotiënt van de radiale spleetafstand gedeeld door de radiale spiraaldikte groter of gelijk aan 2, waarbij de radiale spleetafstand gedefinieerd is als de binnenradius van het buitenste 10 buissegment minus de buitenradius van de spiraal, en waarbij de radiale spiraaldikte gedefinieerd is als de buitenradius van de spiraal minus de binnenradius van de spiraal. Toepassing van dergelijke spleetafstand/spiraaldikte verhoudingen heeft een zeer gunstige warmteoverdracht tot gevolg. Dit wordt daaraan toegeschreven dat bij 15 dergelijke spleetafstand/spiraaldikte verhoudingen de spiraal voor het merendeel van de stromende tweede vloeistof in hoofdzaak fungeert als turbulentiebevorderend middel en slechts in aanzienlijk mindere mate als middel om de in de tussenruimte stromende tweede vloeistof enigszins te geleiden volgens een met de spiraalvorm van de draad overeenkomend 20 spiraalvormig hoofdstromingstraject. Turbulentie van de tweede vloeistof heeft namelijk een aanzienlijk gunstiger effect op de warmteoverdracht dan het vergroten van de effectieve lengte van de warmtewisselaar.

Gezien het bovenstaande wordt derhalve volgens de uitvinding een warmtewisselaar volgens bij gevoegde conclusie 1 verschaft, terwijl 25 specifieke uitvoeringsvormen van de uitvinding neer gelegd zijn in de bij gevoegde afhankelijke conclusies.

In het volgende wordt de uitvinding nader toegelicht met verwijzing naar de schematische figuren in de bij gevoegde tekening.

Fig. 1 toont, in een zeer schematisch zijaanzicht, een voorbeeld van 30 een uitvoeringsvorm van een inrichting voor het terugwinnen van warmte, 6 welke inrichting een voorbeeld van een uitvoeringsvorm van een warmtewisselaar volgens de uitvinding omvat.

Fig. 2 toont de in Fig. 1 getoonde warmtewisselaar in een dwarsdoorsnede volgens de in Fig. 1 getoonde lijn II-II.

5 Fig. 3 toont een deel van de in Fig. 1 getoonde warmtewisselaar in

een langsdoorsnede volgens de in Fig. 2 getoonde lijn TTT-TTT

Verwezen wordt nu eerst naar Fig. 1 waarin een inrichting voor het terugwinnen van warmte uit een relatief warme eerste vloeistof 21 wordt getoond, waarbij de teruggewonnen warmte dient voor het verwarmen van 10 een relatief koude tweede vloeistof 22 die bestemd is voor een douche 9. De eerste vloeistof 21 wordt hierna ook wel het (gebruikte) douchewater 21 genoemd, terwijl de tweede vloeistof 22 hierna ook wel het (te gebruiken) leidingwater 22 wordt genoemd. De douche 9 is voorzien van een mengkraan 10 en een doucheafvoer 11. De inrichting omvat een verwarmingsketel 12 15 met een koud watertoevoer 13 en een warmwaterafvoer 14. Op de koudwatertoevoer 13 naar de verwarmingsketel 12 is een warmtewisselaar 1 volgens de onderhavige uitvinding aangesloten via een tweede warmtewisselaarsafvoer 16. De warmtewisselaar 1 staat via een eerste warmte wisselaarstoevoer 17 in verbinding met de doucheafvoer 11.

20 Zowel de warmwaterafvoer 14 als de tweede warmtewisselaarsafvoer 16 leiden naar de mengkraan 10, welke bedienbaar is voor het verkrijgen van een gewenste temperatuur van het te gebruiken leidingwater 22. In Fig. 1 zijn met pijlen de stromingsichtingen van het te gebruiken leidingwater 22 en het gebruikte douchewater 21 aangegeven.

25 Het leidingwater 22 stroomt via een tweede warmtewisselaarstoevoer 15 door de warmtewisselaar 1 en via de tweede warmtewisselaarsafvoer 16 richting de verwarmingsketel 12 en/of richting de mengkraan 10. Het gebruikte douchewater 21 stroomt via de de met de doucheafvoer 11 in verbinding staande eerste warmtewisselaarstoevoer 17 30 door de warmtewisselaar 1 en vervolgens via de eerste 7 warmtewisselaarsafvoer 18 richting het riool. Het leidingwater 22 en het douchewater 21 stromen derhalve in tegenstroom door de warmtewisselaar 1 heen.

Het nog koude leidingwater 22 stroomt derhalve allereerst door 5 warmtewisselaar 1 alwaar het wordt voorverwarmd door het warmere douchewater 21. Daarna stroomt het naar de mengkraan 10, waar het direct kan worden gebruikt, en/of naar de verwarmingsketel 12. In de verwarmingsketel 12 wordt het reeds voorverwarmde leidingwater 22 verder verwarmd en via de warmwaterafvoer 14 naar de mengkraan 10 10 geleid. De warmtewisselaar 1 is in hoofdzaak verticaal geplaatst zodat het warme douchewater 21 onder invloed van de zwaartkracht als een film over het binnenoppervlak van een binnenste buis van de warmtewisselaar 1 naar beneden stroomt. Doordat het warme douchewater 21 als een film over het warmteuitwisselende oppervlak heen stroomt, wordt een hoog rendement 15 van de warmtewisselaar 1 en dus van de gehele inrichting bereikt.

De in Fig. 1 getoonde inrichting kan eenvoudig bijvoorbeeld in een woonhuis worden geïnstalleerd. Hierbij kan gebruik gemaakt worden van de reeds aanwezige verwarmingsketel 12 met pomp en waterleidingen. De pomp kan worden gebruikt om het leidingwater 22 door de warmtewisselaar 20 1 naar boven te pompen.

Onder additionele verwijzing naar de Figuren 2 en 3, wordt nu de warmtewisselaar 1 nader beschreven.

De warmtewisselaar 1 omvat een buitenste buissegment 4, een binnenste buissegment 2 en een tussengelegen buissegment 3. Deze 25 buissegmenten zijn elk in hoofdzaak cylindrisch en onderling co-axiaal georiënteerd met een gezamenlijke hartlijn C. Het buitenste buissegment 4 omhult het tussengelegen buissegment 3 met een tussenruimte 6. Het tussengelegen buissegment 3 omhult het binnenste buissegment 2 zodanig dat althans in bedrijfstoestand thermisch geleidend kontakt mogelijk is 30 tussen het tussengelegen buissegment 3 en het binnenste buissegment 2. In 8 genoemde bedrijfstoestand stroomt het relatief warme douchewater 21 in het inwendige van het binnenste buissegment 2, terwijl het relatief koude leidingwater 22 in de tussenruimte 6 stroomt zodanig dat warmteuitwisseling tussen de aldus stromende twee vloeistoffen kan 5 plaatsvinden via het binnenste buissegment 2 en het daarmee thermisch geleidend in kontakt staande tussengelegen buissegment 3.

In het getoonde voorbeeld is het tussengelegen buissegment 3 vervormbaar zodanig dat deze onder druk van het in de tussenruimte 6 stromende leidingwater 22 in diameter wordt verkleind, zoals bekend is uit 10 NL1014030. Hierdoor wordt het tussengelegen buissegment 3, bij gebruik van de warmtewisselaar 1, tegen het binnenste buissegment 2 gedrukt waardoor een verbeterde warmteoverdracht wordt verkregen ten opzichte van bijvoorbeeld de uit NL8203332 bekende warmtewisselaar. In het getoonde voorbeeld is de vervormbaarheid van het tussengelegen 15 buissegment 3 mede gerealiseerd doordat het tussengelegen buissegment 3 een aantal langsplooien 8 (zie Fig. 2) heeft van een type zoals bekend uit NL1014030.

De warmtewisselaar 1 omvat voorts een rond de hartlijn C gewonden spiraal 7 die zich in de tussenruimte 6 uitstrekt voor het in 20 bedrijfstoestand bevorderen van turbulentie van het in de tussenruimte 6 stromende leidingwater 22. In de doorsneden van Figuren 2 en 3 zijn de contouren van deze spiraal 7 deels in doorzicht weergegeven met behulp van streeplijnen. In het getoonde voorbeeld wordt de spiraal gevormd door een gewonden draad 7.

25 Voorts tonen de Figuren 2 en 3 dat, gezien langs tenminste een gedeelte van de hartlijn C, de buitenradius R2 van de spiraal 7 kleiner is dan de binnenradius R3 van het buitenste buissegment 4. Hierdoor kan in bedrijfstoestand het in de tussenruimte 6 stromende leidingwater 22, om buitenkanten van windingen van de spiraal 7 heen, tussen de spiraal 7 en 30 het buitenste buissegment 4 stromen.

9

In het getoonde voorbeeld ligt de spiraal 7 over tenminste een deel van zijn helicoïdale langsrichting aan tegen het tussengelegen buissegment 3.

In Fig. 3 is de binnendiameter van het buitenste buissegment 4 5 aangegeven met referentieteken D. Deze binnendiameter D is gelijk aan tweemaal de binnenradius R3 van het buitenste buissegment 4. Voorts wordt in Fig. 3 de spoed van de spiraal 7 aangeduid met referentieteken P. Deze spoed P is gelijk aan de langs de hartlijn C gemeten afstand waarover één volledige (over driehonderdzestig graden gewonden) winding van de 10 spiraal 7 zich uitstrekt. De binnenradius van de spiraal 7 is aangeduid met “Rl”. Voorts is de radiale spleetafstand, zijnde R3 minus R2, aangeduid met “d”, terwijl de radiale spiraaldikte, zijnde R2 minus Rl, aangeduid is met “t”.

Zoals inleidend beschreven, worden voordelige uitvoeringsvormen 15 verkregen wanneer het quotiënt P/D groter of gelijk aan 0,2 en kleiner of gelijk aan 0,7 is, en/of wanneer het quotiënt d/t groter of gelijk aan 2 is.

Bij een warmtewisselaar 1 volgens de Figuren 1 t/m 3 met een buitenste buissegment 4 waarbij D circa 50 millimeter bedraagt, zijn bijvoorbeeld zeer gunstige resultaten verkregen door een spoed van circa 20 20 millimeter, een radiale spiraaldikte t van circa 0,7 millimeter en een radiale spleetafstand d van circa 3 millimeter toe te passen.

Opgemerkt wordt dat de bovengenoemde voorbeelden van uitvoeringsvormen de uitvinding niet beperken en dat binnen de reikwijdte van de bijgaande conclusies diverse alternatieven mogelijk zijn.

25 Zo kunnen, in plaats van of in aanvulling op de in Fig. 2 getoonde langsplooien 8, ook andere maatregelen genomen worden om de vervormbaarheid van het tussengelegen buissegment te realiseren. Maar ook kan het tussengelegen buissegment niet vervormbaar worden uitgevoerd, bijvoorbeeld door het tussengelegen buissegment uit te voeren 30 op een wijze zoals bekend uit NL8203332. Verder kan de spiraal worden 10 uitgevoerd met diverse soorten dwarsdoorsneden, genomen op de helicoïdale langsrichting van de spiraal, dat wil zeggen niet alleen de in Fig. 3 getoonde dergelijke dwarsdoorsneden met een min of meer cirkelvormige omtrek, maar ook dergelijke dwarsdoorsneden met bijvoorbeeld een ovale, elliptische 5 of polygonale omtrek, of dergelijke. Voorts is het niet noodzakelijk voor de uitvinding dat de spoed en/of de radiale dikte van de spiraal constant zijn over de helicoïdale langsrichting van de spiraal. In plaats daarvan kunnen de spoed en/of de dikte ook variëren langs de helicoïdale langsrichting van de spiraal. Ook is het niet noodzakelijk voor de uitvinding dat de eerste en 10 de tweede vloeistoffen onderling in tegenstroom door de warmtewisselaar stromen. Andere onderlinge stromingsrichtingen, waaronder ook onderling parallelle stromingsrichtingen zijn ook mogelijk.

Andere varianten of modificaties zijn echter ook mogelijk. Deze en soortgelijke alternatieven worden geacht binnen het kader te vallen van de 15 uitvinding zoals gedefinieerd in de bij gevoegde conclusies.

Claims (6)

1. Warmtewisselaar voor het uitwisselen van warmte tussen een stromende eerste vloeistof (21) en een stromende tweede vloeistof (22), omvattende: - een buitenste buissegment (4), een binnenste buissegment (2) en 5 een tussengelegen buissegment (3), welke buissegmenten elk in hoofdzaak cylindrisch zijn en onderling co-axiaal georiënteerd zijn met een gezamenlijke hartlijn (C), waarbij het buitenste buissegment het tussengelegen buissegment met een tussenruimte (6) omhult en het tussengelegen buissegment het binnenste buissegment zodanig omhult dat 10 althans in bedrijfstoestand thermisch geleidend kontakt mogelijk is tussen het tussengelegen buissegment en het binnenste buissegment, en waarbij in genoemde bedrijfstoestand de eerste vloeistof (21) in het inwendige van het binnenste buissegment (2) stroomt terwijl de tweede vloeistof (22) in de tussenruimte (6) stroomt zodanig dat warmteuitwisseling tussen de aldus 15 stromende eerste en tweede vloeistoffen kan plaatsvinden via het binnenste buissegment (2) en het daarmee thermisch geleidend in kontakt staande tussengelegen buissegment (3); en - een rond de gezamenlijke hartlijn (C) gewonden spiraal (7) die zich in of grenzend aan genoemde tussenruimte (6) uitstrekt voor het in 20 genoemde bedrijfstoestand bevorderen van turbulentie van de in de tussenruimte stromende tweede vloeistof (22); met het kenmerk, dat, gezien langs tenminste een gedeelte van de gezamenlijke hartlijn (C), de buitenradius (R2) van de spiraal (7) kleiner is dan de binnenradius (R3) van het buitenste buissegment (4) zodat in 25 genoemde bedrijfstoestand de in de tussenruimte (6) stromende tweede vloeistof (22) om buitenkanten van windingen van de spiraal heen tussen de spiraal (7) en het buitenste buissegment (4) kan stromen.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, waarbij de spiraal (7) over tenminste een deel van zijn langsrichting aansluit op en/of deel uitmaakt van het tussengelegen buissegment (3). 5

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 1 of 2, waarbij, gezien langs tenminste een gedeelte van de gezamenlijke hartlijn (C), het quotiënt van de spoed (P) van de spiraal (7) gedeeld door de binnendiameter (D) van het buitenste buissegment (4) groter of gelijk aan 0,2 en kleiner of gelijk aan 0,7 10 is.

4. Warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarbij, gezien langs tenminste een gedeelte van de gezamenlijke hartlijn (C), het quotiënt van de radiale spleetafstand (d) gedeeld door de radiale 15 spiraaldikte (t) groter of gelijk aan 2 is, waarbij de radiale spleetafstand (d) gedefinieerd is als de binnenradius (R3) van het buitenste buissegment (4) minus de buitenradius (R2) van de spiraal (7), en waarbij de radiale spiraaldikte (t) gedefinieerd is als de buitenradius (R2) van de spiraal minus de binnenradius (Rl) van de spiraal. 20

5. Inrichting voor het terugwinnen van warmte uit de bij een proces gebruikte eerste vloeistof (21), zoals proceswater, spoelwater, douchewater of afvalwater, voor het verwarmen van de te gebruiken tweede vloeistof (22), omvattende een warmtewisselaar (1) volgens een der voorgaande conclusies. 25

6. Inrichting volgens conclusie 5, waarbij in genoemde bedrijfstoestand van de warmtewisselaar (1) de gezamenlijke hartlijn (C) zich in hoofdzaak verticaal uitstrekt.