NL7905101A

NL7905101A - Warmtewisselaar en pijp ten gebruike daarin.

Info

Publication number: NL7905101A
Application number: NL7905101A
Authority: NL
Original assignee: Neratoom
Priority date: 1979-06-29
Filing date: 1979-06-29
Publication date: 1980-12-31
Also published as: SE8004765L; FR2460464B1; US4723602A; FR2460464A1; DE3023239A1; GB2056042B; IT1131661B; JPS5616091A; GB2056042A; IT8022989A0

Description

* fc VO 7969 " 1 ~ 3.V. Heratoom, Uitvinders: .Is-GBAyMEAGS^ Johannes Hubertus Huigen

Theodoor Jan Tromp Jan Vrijen

Johan Karel van Westenbrugge.

Warmtewisselaar en pijp ten gebruike daarin.

De uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar, omvattende een huis voorzien van openingen voor het toevoeren, respektievelijk afvoeren van een eerste medium en van één of meer binnen het huis opge-5 stelde pijpen voor transport van het eerste medium door het huis van een ruimte nabij de toevoeropening naar een ruimte nabij de afvoerope- ' ning, alsmede voorzien van openingen voor. het toevoeren, respektievelijk afvoeren van een tweede medium en van middelen voor het tenminste gedeeltelijk rond de pijp of pijpen door het huis transporteren van 10 het tweede medium-. De uitvinding heeft, voorts betrekking op een pijp ten gebruikte in een dergelijke warmtewisselaar.

. Warmtewisselaars van. het omschreven type. zijn algemeen bekend en worden op vele gebieden van de techniek toegepast.. Sen probleem dat zich bij dergelijke warmtewisselaars kan voorzoen is het optreden van 15een lek in een van de pijpen waardoorheen het eerste medium stroomt.

3ij het optreden van een lek kan het eerste medium in aanraking komen met het tweede medium, hetgeen ten zeerste ongewenst kan zijn, in het „ bijzonder in gevallen dat wordt gewerkt met twee heftig met elkaar reagerende media. Een voorbeeld van een warmtewisselaar met twee hef-20 tig reagerende media is de stoomgenerator in. het koelcircuit van een met vloeibaar natrium gekoelde kemreaktor. Ter verkleining van de kans op het optreden van lekken en daaruit resulterende reacties worden wel meerlagen-pijpen toegepast. Dergelijke meerlagen-pijpen bestaan in vezen uit twee of meer concentrische pijpen die zodanige afmetingen heb-25ben dat aangrenzende pijpen elkaar net raken. Ondanks dat het buitenoppervlak van een binnenwaarts gelegen pijp of laag direct grenst aan het binnenoppervlak van een buitenwaarts aangrenzende pijp of laag heeft het ccntactvlak tussen twee aangrenzende lagen een betrekkelijk grote warmteveerstand, waardoor de overdracht van warmte van een buiten 30rond de meerlagen-pijp stromend medium naar een door de pijp stromend medium, niet optimaal plaatsvindt. De warmteweerstand kan verlaagd 7905101

Vs „ * —- worden door de lagen van de pijp aan elkaar te solderen maar dit heeft ' als nadeel het verlies, van de scheurstoppende -werking van het schei-:', dingsvlak.

De uitvinding nu heeft tot. doel een warmtewisselaar en een daar-5 in toe te passen pijp te verschaffen, waarbij de geschetste problemen zich niet of althans in veel geringere mate voordoen. Dit doel wordt volgens de. uitvinding bereikt met een warmtewisselaar waarbij de pijp of pijpen bestaan, uit twee of meer aan elkaar grenzende concentrische lagen, waarbij bij twee aangrenzende lagen op het buitenoppervlak van 10de binnenste laag en op het binnenoppervlak van de buitenste laag een dun laagje of dunne laagjes van. een betrekkelijk zacht, materiaal is of zijn. aangebracht. Een... uit twee of: meer aan. elkaar·, grenzende concen-: trische· lagen opgebouwde· pijp wordt volgens de uitvinding gekenmerkt : door-een of. meer dunne, laagjes van een betrekkelijk zacht materiaal op 15bet buitenoppervlak van. de binnenste laag en het binnenoppervlak van de. buitenste laag-, van twee aangrenzende lagen.

Bij.voorkeur bestaan volgens de uitvinding de laagjes of bestaat. het laagje van betrekkelijk zacht materiaal uit een stof met goed warmtegeleidingsvermogen. Geschikt materiaal is. een zuiver metaal, bij-20voorbeeld. zuiver koper of aluminium, of een pasta, afhankelijk, van de beoogde bedrijfstemperatuur. De laagjes hebben bij voorkeur een gemiddelde dikte in de orde van grootte van. het ruwheidsprofiel van de respectievelijke contactoppervlakken. Goede resultaten zijn bijvoorbeeld behaald, met een enkel laagje met een dikte van 25-50 ^um bij een ruw-25heid van 5 ^um voor beide contactoppervlakken♦

Volgens de uitvinding wordt als het ware het contactvlak tussen ieder tweetal aangrenzende- lagen van een meerlagen-pijp gevuld met een zachte laag, waardoor het metallisch contact tussen de pijplagen wordt verbeterd. Hierdoor wordt de warmteweerstand verkleind terwijl de 30scheurstopkwaliteiten behouden blijven. De verbetering van de warmtege-leiding kan als volgt worden verklaard. Gewoonlijk geschiedt de warmte-geleiding slechts via de toppen van het ruwheidsprofiel, waar de lagen van de pijp elkaar raken, en via gebruikelijk in de tussenruimte tussen de pijplagen gehouden gas, dat zelfs tot 95% van de warmteoverdracht 35verzorgt. Door de dalen van het ruwheidsprofiel op te vullen met een 790 5 1 01

* V

relatief zachte en goed warmtegeleidende stof wordt het contactoppervlak tussen de heide pijplagen, dat zonder "vulling” slechts enkele procenten van het nominale oppervlak: bedraagt, beduidend vergroot.

Hierdoor wordt ook de warnrtegeleiding vergroot.

5 De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening, waarin: figuur 1 een weergave in doorsnede is door een uitvoeringsvorm van de warmtewisselaar volgens de uitvinding, figuur 2 een weergave, in doorsnede is door een uit twee lagen 10 opgebouwde pijp uit de warmtewisselaar volgens fig. 1, figuur 3 een weergave in doorsnede en sterk vergroot is van een deel van het raakvlak tussen twee lagen van een pijp, waarbij de uitvinding niet werd toegepast en figuur 4 een soortgelijke weergave is van een gedeelte van een 15pijp volgens, de. uitvinding.

In figuur 1 is een uitvoeringsvorm, weergegeven van een warmtewisselaar volgens de uitvinding. De warmtewisselaar· omvat het huis 1, dat in wezen bestaat uit een cylindrisch vat, dat aan boven- en onderzijde is afgesloten door koepelvormige deksels 2 en 3. In het huis 1 20 is een binnenmantel 1 opgesteld. Binnen de hinnenmantel 1 bevindt zich de bundel pijpen 5· Iedere pijp 5 van de bundel verloopt tussen een bovenste pijpplaat 6 en een onderste pijpplaat 7· Tussen pijpplaat 6 en deksel 2 bevindt zich de verzamelkamer 8- In het deksel 2 bevindt zich een opening waarop de leiding 9 is aangesloten. Tussen de pijpplaat 7 25en het deksel 3 bevindt zich de verzamel kamer 10. In het deksel 3 bevindt zich eveneens een opening, waarop de leiding 11 is aangesloten.

In bedrijf wordt via de leiding 9 een eerste medium in de verzamelkamer 3 gebracht. Van de verzamel kamer 8 loopt het medium door de pijpen 5 naar de verzamelkamer 10, van waaruit het door de leiding 11 wordt 30 af gevoerd.

In de zijwand van het huis 1 bevinden zich twee openingen. Op de eerste opening is een leiding 12 aangesloten en op de tweede opening de leiding 13. In bedrijf wordt via de leiding 12 een tweede medium aangevoerd. Dit tweede medium beweegt door het huis 1 rond de pijpen 355 tussen de pijpplaten 6 en 7 naar de tweede opening, vanwaar het medium via de leiding 13 wordt af gevoerd. Teneinde te verhinderen 7905101 - k - dat het tweede medium van de ene naar de andere opening stroomt door de ruimte tussen het huls 1 en de binnenmantel k is een ringvormig keerschot 14 in die ruimte opgesteld.

Het eerste medium dat door· de warmtewisselaar wordt gevoerd is 5 bijvoorbeeld een koel medium en het tweede medium, is bijvoorbeeld een heet medium. Het hete medium omstroomt de pijpen 5 waardoorheen het koele medium wordt geleid., en staat, een deel van zijn warmte af' aan het koele medium-. Aldus verlaat het tweede, relatief hete medium, de warmtewisselaar met een lagere temperatuur dan de temperatuur die het me-TOdium. bij het binnenkomen had. Omgekeerd zal het koele medium bij het verlaten van de inrichting een..hogere temperatuur hebben, dan.bij het betreden.. 1

In warmtewisselaars worden eerste en tweede media.toegepast' van-zeer uiteenlopende aard*. Bij een warmtewisselaar bijvoorbeeld, die. is 15 opgenomen, in het koelcircuit van. een met natrium, gekoelde kemreaktor is het hete medium vloeibaar natrium., en kan het koelere medium, water zijn,, dat door- het hete. medium in stoom wordt omgezet. Bij een warmtewisselaar van dit type is het ten zeerste ongewenst, dat het: eerste medium. (water of stoom) in aanraking zou kunnen komen met het tweede me-20dium. (vloeibaar natrium). Een dergelijk contact zou zich kunnen voordoen indien in een van de pijpen 5 een lek optrad. Teneinde zoveel mogelijk te voorkomen dat bij het optreden van een lek in een van de pijpen 5 een ongewenst contact tussen het eerste en het tweede medium ontstaat zijn de pijpen 5 in de inrichting volgens de uitvinding uitge-25voerd als meerlagenpijpen. Een. doorsnede door een dergelijke pijp in de vorm van een tweelagenpijp is in figuur 2 weergegeven.

. In figuur 2 bestaat de pijp uit een buitenste laag of buitenpijp 15 en een daarbinnen opgestelde binnenste laag of binnenpijp 16. De lagen 15 en 16 zijn concentrisch en grenzen tegen elkaar. Door het in-30wendige 17 van de pijp 5 wordt het eerste medium gevoerd. De overdracht van warmte van een rond de pijp gevoerd medium naar het medium in het inwendige 17 is, indien geen maatregelen worden getroffen, niet altijd even goed, hetgeen hierna zal worden toegelicht.

De lagen 15 en 16 grenzen gewoonlijk zeer dicht tegen elkaar, 35terwijl voorts eventuele ruimten die nog tussen de lagen bestaan 7905101 “ ^ - 5 - opgevuld kunnen zijn met een inert gas, tij voorbeeld helium. In figuur 3 is. een sterk vergrote doorsnede door de twee lagen 15 en 16 ter plaatse van het raakvlak weergegeven. De lagen hebben, een zekere opper-vlakteruvheid, zodat contact tussen de lagen slechts plaatsvindt daar 5 waar toppen in het profiel van een laag de aangrenzende laag raken. De ruimte 18 tussen, de lagen 15 en 16 is, af gezien van eventueel aanwezig gas5 ongevuld. Warmteoverdracht vindt bij deze opbouw plaats via de plaatsen waar contact tussen de. lagen 15 en 16 bestaat, dus via de toppen van het ruwheidsprofiel, en via het aanwezige gas. Het contactop-jOpervlak van de toppen is slechts enkele procenten van het nominale oppervlak.. In de praktijk blijkt het gas* tot 95% van de warmteoverdracht: voor zijn rekening te nemen. Deze wijze van. warmteoverdracht is beduidend slechter dan. wanneer meer rechtstreeks contact tussen de lagen 15 en. 16 zou bestaan» 15 Volgens de. uitvinding nu. wordt voorzien in een verbeterde warmte overdracht tussen, de aangrenzende lagen van een meerlagenpijp doordat op de naar elkaar gekeerde oppervlakken van aangrenzende lagen een dun laagje van een zacht metaal of een warmtegeleidende pasta is voorzien. Sen sterk vergrote doorsnede door twee aldus behandelde lagen 20 15 en 16 ter plaatse van het raakvlak is in figuur U weergegeven. Door het aanbrengen van een dun laagje 19 op de pijplaag of binnenpijp 16 zijn de dalen van het ruwheidsprofiel gevuld. Hetzelfde geldt voor de buitenpijp 15 waarbinnen een dun laagje 20 is aangebracht. Door toepassing van een dun laagje van een relatief zachte, warmte goed ge-25 leidende stof wordt de warmte-overdracht tussen de lagen 15 en 16 aanzienlijk verbeterd. Doordat het aangebrachte dunne laagje van zacht materiaal is, wordt namelijk het ruwheidsprofiel afgevlakt, zodat het contactoppervlak aanzienlijk wordt vergroot.

Zoals in figuur U weergegeven kan zowel op het buitenoppervlak 30 van de binnenste laag van de tweelagenpijp als op het binnenoppervlak van de buitenste laag een dun laagje van een betrekkelijk zacht materiaal zijn aangebracht. In plaats daarvan is het echter ook mogelijk een enkel dun laagje tussen beide pijplagen op te stellen. Gedacht kan daarbij werden aan een folie van zacht koper. Een dergelijk folie kan 35 bij voorbeeld een dikte hebben gelijk aan de gemiddelde afstand van de 7905101 - 6 - twee pijplagen. Doordat het folie uit betrekkelijk zacht materiaal "bestaat zal het bij inklemmen tussen de pijplagen het ruwheidsprofiel van de pijplagen volgen en aldus de dalen in het profiel opvullen.

In het geval van figuur waarin afzonderlijke dunnei. laagjes 5 op de pijplaagoppervlakken zijn weergegeven kan bijvoorbeeld worden gedacht aan laagjes van warmte geleidende pasta, die op geschikte wijze, bijvoorbeeld door inwalsen of met behulp van een afstrijkorgaan, zijn aangebracht.

790 5 1 01

Claims

1. Warmtewisselaar, omvattende een huis voorzien van openingen voor het toevoeren, respectievelijk afvoeren van een eerste medium en van één of meer binnen het huis opgestelde pijpen voor transport van 5 het eerste medium door het huis van een ruimte nabij de toevoeropening naar een ruimte nabij de afvoer opening, alsmede voorzien van openingen voor het toevoeren, respectievelijk af voeren van een tweede medium en van middelen voor het tenminste gedeeltelijk rond de pijp of pijpen door het huis transporteren van het tweede medium, met het kenmerk, 10 dat de pijp of pijpen bestaan uit twee of meer aan. elkaar grenzende concentrische lagen, waarbij bij.twee aangrenzende lagen op het buitenoppervlak van de binnenste laag en op het binnenoppervlak van de buitenste laag een dun laagje of dunne laagjes van een betrekkelijk zacht materiaal is of zijn aangebracht.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het laagje of de laagjes van betrekkelijk zacht materiaal bestaat of bestaan uit een stof met goed warmtegeleidingsvermogen.

3. Warmtewisselaar volgens conclusies 1-2, met het kenmerk, dat het laagje of de laagjes uit betrekkelijk zacht materiaal bestaat of :20bestaan uit een zuiver metaal of een pasta. k. Warmtewisselaar volgens conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de laagjes een gemiddelde dikte hebben in de orde van grootte van het ruwheidsprofiel van de respectievelijke contactoppervlakken.

5. Uit twee of meer aan elkaar grenzende concentrische lagen op- 25gebouwde pijp, gekenmerkt door een of méér dunne laagjes van een betrekkelijk zacht materiaal op het buitenoppervlak van de binnenste laag en het binnenoppervlak van de buitenste laag van twee aangrenzende lagen. 7905101