NL8403278A

NL8403278A - Warmtewisselaar met gevinde pijp.

Info

Publication number: NL8403278A
Application number: NL8403278A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1984-10-30
Filing date: 1984-10-30
Publication date: 1986-05-16
Also published as: EP0181662A1; EP0181662B1; DE3567717D1; CA1245628A; JPS61107098A; US4648441A

Description

t* * m ♦ PHN 11.189 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Warmtewisselaar met gevinde pijp.

De uitvinding heeft betrekking qp een warmtewisselaar met een in een houder cpgestelde gevinde metalen pijp, waarbij een aan de pijp bevestigde metalen vin bestaat uit een aantal met elkaar verbonden lamellen die schroeflijnvomig cm de pijp zijn gewikkeld en de nabij 5 elkaar gelegen lamellen van opeenvolgende windingen van de gevormde schroeflijn elkaar in cmtreksrichting van de pijp gezien gedeeltelijk overlappen.

•-J

Bij een bekende warmtewisselaar van de in de aanhef genoemde soort (uit het Amerikaanse octrooischrift 3,723,693) vindt warmteuit-10 wisseling plaats tussen een in de pijp stromende eerste vloeistof en een tussen de houder en de pijp langs de lamellen van de vin stromende tweede vloeistof. Een dergelijke warmtewisselaar is niet bedoeld voor de stofoverdracht (verarmen or verrijken) tussen een gas en een vloeistof die zich beide tussen de houder en de pijp bevinden en waarbij 15 tevens warmteoverdracht plaatsvindt door middel van in de pijp stromende koel- of verwarmingsvloeistof. In dat geval zou de warmtewisselaar functioneren als een zogenaamde warmte-stof-wisselaar. De stofoverdracht zou dan echter relatief klein zijn omdat geen intensief contact tussen het gas en de vloeistof aanwezig is. Cpgemerkt wordt dat uit het 20 hoek "Handbuch der Kaltetechnik", deel VII, p.391 tot en met 393 van R. Plank (uitgegeven in 1959) een in een zogenaamde druppelabsorber toegepaste warmte-stof-wisselaar bekend is waarbij een oplossing van werk-medium en oplosmiddel voedt geleid langs de buitenkant van een aantal verticaal in een houder cpgestelde schroeflijnvormige pijpen waarlangs 25 tevens het gas stroomt dat in de oplossing moet worden geabsorbeerd.

In de pijpen stroomt de te verwarmen vloeistof. Omdat de windingen van de pijpen dicht op elkaar liggen vormt zich op de pijpen vaak een ononderbroken film van vloeibare oplossing. De gewenste druppelvorming treedt slechts incidenteel cp. In de film vindt een zwakke, oppervlakkige menging 30 plaats met het te absorberen gas (verrijking). Voorgesteld is ook om het voor de warmte-stof-wisseling beschikbare oppervlak te vergroten door de pijpen te voorzien van lamellen. Cp deze lamellen vormt zich echter weer een film van de oplossing die slechts in geringe mate wordt vermengd met 8403278 4 'ï PHN 11.189 2 het langs de lamellen stromende te absorberen gas.

Het doel van de uitvinding is een als warmbe-stof-wisselaar functionerende warmtewisselaar te verschaffen waarin een optimale menging plaatsvindt tussen gas en vloeistof. Een dergelijke warmte-stof-wisselaar 5 kan zovel toepassing vinden in de procesindustrie als in absorptie-warmteponpen.

De uitvinding heeft daartoe tot kenmerk, dat elk van de lamellen is voorzien van een capillaire doorstroomopening die bij verticaal opgestelde pijp boven het vlak van een onderliggende lamel is gelegen 10 in een verschoven positie ten opzichte van de capillaire doorstroom-opening van de genoemde onderliggende lamel, terwijl de lamellen vrij ^ liggen van de binnenwand van de houder.

De capillaire doorstrcomopeningen in de lamellen bevorderen de vanning van een regelmatig patroon van druppels in sterke mate. Qnüatdels ze vallende druppels aan alle zijden kunnen worden omstroomd door damp worden deze bij toepassing .van de warmte-stof-wisselaar in een absorber op zichzelf reeds verrijkt met warkmedium. Verder treedt het effect op dat de op een onderliggende lamel vallende druppels een intensieve menging geven van de door het langsstromende gas reeds aanzienlijk verrijkte rela-20 tief warme bovenlaag in de film van de oplossing op de lamel met de armere, relatief koude onderlaag in die film. Bij toepassing van de warmte-stof-wisselaar in. een generator voor een absorptiewarmtepamp geven de vallende druppels een intensieve menging van de reeds verarmde onderlaag in de film met de rijkere bovenlaag in die film. De in de generator nage-J 25 streefde verarming van de oplossing wordt zodoende aanzienlijk versterkt.

Het in de generator opstijgende, hete gasvormige werkmedium komt bovendien in contact met de vallende druppels en de rijkere bovenlaag van de film zcdat nog een extra.hoeveelheid rijk gas wordt gegenereerd.

Een bijzondere uitvoeringsvorm van de warmtewisselaar die een 30 compacte, in nassafabricage eenvoudig te vervaardigen absorber verschaft heeft verder tot kenmerk, dat de genoemde pijp een eerste aan zijn bovenzijde gesloten pijp is waarbinnen zich een coaxiale tweezijdig open tweede pijp uitstrekt die aan zijn bovenzijde in epen verbinding staat met een toevoer van de eerste pijp en aan zijn onderzijde is aangesloten op 35 een door de onderzijde van de eerste pijp heen stekende afvoer, terwijl de ruimte tussen de houder en de eerste pijp nabij de bovenzijde van de houder is aangesloten op een eerste en een tweede ingang en nabij de onderzijde van de houder op een uitgang.

8403278 r t EHN 11.189 3

Ben verdere bijzondere uitvoeringsvorm van de warmtewisselaar die een canpacte, in massafabricage eenvoudig te vervaardigen generator verschaft heeft tot kenmerk, dat de pijp gesloten is aan zijn in de hcxider stekende bovenzijde en is aangesloten qp een buiten de houder op-5 gesteld vat nabij zijn onderzijde, terwijl de houder nabij de bovenzijde van de pijp is voorzien van een toevoer en een eerste afvoer en nabij zijn onderzijde van een tweede af voer.

Een voorkeursuitoveringsvom van de warmtewisselaar waarbij vloeistofstroming in radiale richting over de lamellen optreedt beeft 10 tot kenmerk, dat de lamellen van de verticaal opgestelde pijp naar beneden zijn gericht met hun radiaal naar buiten gerichte vrije uiteinden.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin :

Figuur 1 een perspectivisch aanzicht toont van een warmte-15 wisselaar volgens de uitvinding,

Figuur 2 een stromingsbeeld geeft langs een aantal lamsllen van de warmtewisselaar volgens figuur 1 in een eerste richting,

Figuur 3 een stroningsbeeld geeft langs een aantal lamellen 20 van de warmtewisselaar volgens figuur 1 in een tweede richting,

Figuur 4 een als absorber uitgevoerde eerste bijzondere uitvoeringsvorm van een warmtewisselaar toont,

Figuur 5 een als generator uitgevoerde tweede bijzondere (25 uitvoeringsvorm van. de warmtewisselaar toont,

Figuur 6 bet tenperatuurverloop geeft in. de vloeistoffilm qp een lamel als toegepast in de warmtewisselaar volgens figuur 4,

Figuur 7 bet tenperatuurverloop geeft in de vloeistoffilm 30 op een lamel als toegepast in de warmtewisselaar volgens figuur 5.

De net figuur 1 geïllustreerde warmtewisselaar bevat een ronde metalen pijp 1 van goed thermisch geleidend materiaal, zoals bijvoorbeeld staal. Cm de pijp 1 bevindt zich een coaxiale, cirkel-35 cilindrische metalen houder 3. Aan de buitenwand van de pijp 1 is een metalen vin gelast die bestaat uit een aantal net elkaar verbonden rechthoekige lamellen 5 die schroef lijnvormig om de pijp 1 zijn gewikkeld, waarbij de nabij elkaar gelegen lamellen 5 van opeenvolgende windingen 840 32 78 V * PHN 11.189 4 van de gevormde schroeflijn elkaar in omfcreksrichting (tangentiële richting) van de pijp 1 gezien gedeeltelijk overlappen (zie ook figuur 2). Elk van de. lamellen 5 is voorzien van een capillaire doorstroamr opening 7 die bij verticaal opgestelde pijp 1 boven het vlak van een 5 onderliggende lamel 5 is gelegen. De capillaire doorstroamopening van de bovenliggende lamel, is in positie verschoven ten opzichte van de capillaire doorstroamopening van de nabij gelegen onderliggende lamel.

De lamellen 5 liggen vrij van de binnenwand van de houder 3 en zijn met hun vrije uiteinden enigszins naar beneden gericht. De diameter 10 va de pijp 1 is relatief groot ten opzichte van de lengte (in raiiale richting gezien) van de lamellen 5.

^ In het onderhavige geval bezitten de rechthoekige lamellen 5 een lengte van 20 mm, een breedte van 9 mm en een dikte van bijvoorbeeld 1 mm. De buitendiameters.van de pijp 1 en de houder 3 bedragen respectie-15 velijk 60 mm en 125 im, terwijl de wanddikten 2,5 nm en 2,5 mm bedragen. Door de spoedhoek (0,05 radialen) van de gevormde schroeflijn zijn de lamellen 5 over hun breedte gezien (tangentiële richting) naar beneden gericht (zie figuur 2). Zoals vermeld zijn de lamellen 5 in raiiale richting gezien ook enigszins naar beneden gericht (hoek van 0,05 radialen). 20 De lamellen 5 hangen dus als het ware in twee onderling loodrechte richtingen naar beneden. De verticale afstand tussen twee nabij elkaar liggende lamellen 5 in opeenvolgende windingen bedraagt ongeveer 9 mm.

De capillaire doorstroamopeningen bevinden zich ongeveer in het midden (tangentiële richting) in het voorste deel (radiale richting) van de (3 25 lamellen.

De door de pijp 1 en de houder 3 gevormde warmtewisselaar wordt gebruikt voor de overdracht van warmte tussen een in de pijp 1 stromend gasvormig of vloeibaar eerste medium en een over de cascade van lamellen 5 naar beneden stromend en druppelend vloeibaar tweede medium in de 30 ruimte tussen de eerste pijp 1 en de houder 3, alsmede voor de stofover-dracht van en naar het tweede medium. Het vloeibare tweede medium bestaat uit een oplossing van een zogenaamd werkmedium en een oplosmiddel. In principe dienen twee gevallen te worden onderscheiden, namelijk de toepassing van de warmtewisselaar als een zogenaamde absorber en de 35 toepassing als een zogenaamde generator. Bij heide toepassingen vormt de warmtewisselaar een zogenaamde warmte-stof-wisselaar waarin naast warmteoverdracht ook stofoverdracht plaatsvindt. Afhankelijke van de gebruikte soort oplossing varieert de diameter van de capillaire doorstroomopeningen.

8403278 ΡΗΝ 11.189 5 « 4‘ "3

Indien als werkmedium ammoniak en als oplosmiddel water wordt genomen bedraagt de genoemde diameter van de capillaire doorstroomopeningen 7 bij voorkeur 2 mm, terwijl de dikte van de lamellen 5 bij voorkeur 1 rrm is. De uitvinding zal nader worden beschreven aan de hand van een voor-5 keursuitvoeringsvorm van de twee principiële toepassingen daarvan, namelijk een absorber 9 als getoond in figuur 4 en een generator 11 als getoond in figuur 5.

In het geval van de absorber 9 volgens figuur 4 bevindt zich binnen de eerste pijp 1 een coaxiale tweede pijp 13. Aan zijn open boven-10 zijde staat de pijp 13 in epen verbinding met een toevoer 15 van de eerste pijp 1 via de ringvormige ruimte tussen de beide pijpen. De open onderzijde van de tweede pijp 13 is aangesloten cp een door de onderzijde van de eerste pijp 1 stekende afvoer 17. De ruimte tussen de houder 3 en de eerste pijp 1 is aangesloten op een eerste ingang 19 en een uitgang 15 21. Verder is laatsgenoende ruimte aangesloten cp een tweede ingang 23 die aan de bovenzijde van de houder 3 is gelegen. De werking van de absorber 9 is als volgt.

Door de tweede ingang 23 wordt een aan werkmedium arme vloeibare oplossing van werkmedium en oplosmiddel, bijvoorbeeld arrmoniak en water, 20 van relatief hoge temperatuur in de ruimte tussen de houder 3 en de eerste pijp 1 gespoten. Deze oplossing stroomt onder de invloed van de zwaartekracht naar beneden over de cascade van lamellen 5. Via de eerste ingang 19 wordt relatief koud gas vormig werkmedium (ammoniakgas) in de ruimte tussen de houder 3 en de eerste pijp 1 gevoerd. Een vloeibaar of gasvormig 25 koelmedium (bijvoorbeeld water of lucht) met een relatief lage temperatuur stroomt via de toevoer 15 naar de ruimte tussen de eerste pijp 1 en de tweede pijp 13, treedt nabij de bovenzijde van de eerste pijp 1 in de tweede pijp en verlaat deze weer via de afvoer 17. De naar beneden stromende oplossing vormt op elk van de lamellen 5 een vloeistoffilm 25 30 (zie figuren 2, 3 en 6). Deze vloeistoffilm 25 kan worden opgebouwd gedacht uit een relatief koude onderlaag 27 en een relatief hete bovenlaag 29.

De temperatuur in de vloeistoffilm op de lamel 5 neemt toe zoals aangegeven net een pijl 31 in figuur 6. Onder de capillaire door-stroomopeningen 7 vormen zich druppels 33 die vallen op de film 25 van een 35 onderliggende lamel 5. De verschillende stadia bij de vorming van de druppels 33 zijn in figuur 2 aangegeven aan de hand van een viertal lamellen 5. De film 25 en de druppels 33 worden emstroemd door het in de ruimte tussen de houder 3 en de pijp aanwezige gasvormige werkmedium. De boven- 8403278 * FHN 11.189 6 laag 29 van de film 25 en de druppels 33 absorberen daarbij reeds ammoniak gas. In de film 25 vindt een intensieve menging van de reeds aanzienlijk verrijkte relatief warme bovenlaag 29 met de armere, relatief koude onderlaag 27 plaats door de gehele film 25. Deze menging is qp de onder-5 ste lamel 5 verduidelijkt aan de hand van een opvallende druppel 35.

Aldus koelt de film 25 over zijn gehele dikte af zodat de absorptie van ammoniak wordt bevorderd en gelijkmatiger is in de gehele film 25, terwijl tevens een homogene concentratie van werkmedium in de film 25 wordt verkregen. Omdat de lamellen 5 met hun vrije uiteinden en één 10 langszijde naar beneden, zijn gericht stroomt de film 25 juist vóór de betreffende randen in de vorm van druppels 37 van de lamel 5 naar beneden (zie figuur 3). Door de naar beneden gerichte lamellen 5 wordt bereikt dat zo veel mogelijk oplossing over de lamellen stroomt en wordt tevens voorkomen dat teveel oplossing langs de buitenwand van de eerste pijp 1 15 stroomt. De druppels 33 vallen op de film 25 van een onderliggende lamel 5 qp een plaats die verschoven ligt ten opzichte van de onderliggende capillaire doorstroomopening 7. Daardoor wordt het mengproces bevorderd terwijl de vorming van druppels onder de capillaire doorstroamopeningen niet of weinig wordt verstoord. Bovendien zou bij verticaal onder elkaar 20 liggende capillaire doorstroomqpeningen als het ware een continue stroming zonder druppels ontstaan die· de absorptiewerking verkleint. De door de capillaire openingen stromende vloeistof zorgt voor een relatief dunne vloeistoffilm qp de lamellen zodat een goede warmteoverdracht wordt verkregen. Onderin de houder 3 verzamelt zich een hoeveelheid verrijkte 25 vloeibare oplossing 39 die. wordt af gevoerd door de uitgang 21.

In het geval van de generator 11 volgens figuur 5 is de in de houder 3 stekende pijp 1 aan zijn bovenzijde gesloten en aan zijn door de onderzijde van de houder 3 naar buiten stekende uiteinde aangesloten op een vat 41. De houder 3 is nabij de bovenzijde van de pijp 1 voorzien 30 van een toevoer 43 en nabij zijn onderzijde van een eerste af voer 45.

De toevoer 43 en de afvoer 45 zijn beide aangesloten op de ruimte tussen de houder 3 en de pijp 1. Verder is nog een tweede af voer 47 aangesloten qp de genoemde ruimte nabij de bovenzijde van de houder 3. In het vat 41 bevindt zich een verdampings- respectievelijk condensatiemedium 49 zoals 35 bijvoorbeeld water dat wordt verhit door een niet aangegeven warmtebron, bijvoorbeeld een gasbrander. Het verdampte water stijgt op in de pijp 1 en condenseert weer aan de relatief koude binnenwand daarvan. Daarbij vormt zich een condensatiefilm 51 op de binnenwand van de pijp 1. Het 840327a m ft PHN 11.189 7 condensaat stroomt onder invloed van de zwaartekracht terug naar het vat 41. De pijp 1 en het vat 41 functioneren dus als een soort warmte-pijp (thermo syphon). De condenserende waterdamp staat warmte af aan de door de toevoer 43 tcegevoerde relatief koude, rijke oplossing 5 die langs de cascade van lamellen 5 naar beneden stroant en druppelt.

Op de lamellen 5 vormt zich een filmlaag 53 van oplossing met een relatief hete onderlaag 55 en een relatief koude bovenlaag 57 (zie figuur 7). Gezien over een langsdoorsnede van een lamel 5 neemt de temperatuur in de vloeistof film 53 (¾) de lamel 5 toe in de richting van de pijl 10 59. De door koken reeds verarmde onderlaag 55 wordt gemengd met de rijkere bovenlaag 57. In het geval van filimerdartping zakt de verarmde, zwaardere bovenlaag 57 in de onderlaag 55. Een verdere menging wordt verkregen doordat een zijdelings onder de capillaire doorstroomopening 7 gevormde druppel 61 van de bovenliggende lamel cp de film van de 15 nabij gelegen onderliggende lamel valt. Door deze intensieve menging vindt een gelijkmatigere temperatuurstijging in de film 53 plaats, hetgeen leidt tot een sterke uitdrijving van gasvormige werkmedium uit de film 53. Ook juist vóór de naar beneden gerichte zijkant en het vrije uiteinde van de lamel 5 vormen zich druppels 63 die naar beneden vallen 20 pp de film 53 van onderliggende lamellen en een verdere menging in de film 53 veroorzaken. Bovendien worden zowel de vallende druppels 61 als de druppels 63 omstroomd door reeds uitgedreven gasvormig werkmedium zodat extra gasvormig werkmedium woedt verkregen uit de vallende druppels. Het gasvormige werkmedium wordt af gevoerd door de tweede af-25 voer 47, bijvoorbeeld naar een condensor. Verarmde oplossing 65 verzamelt zich onderin de houder 3 en wordt afgevoerd door de eerste af voer 45, bijvoorbeeld naar een absorber on opnieuw te worden verrijkt en daarna te worden teruggeleid naar de generator 11.

De beschreven absorber 9 en generator 11 kunnen worden toegepast 30 in de procesindustrie waar veelvuldig behoefte is aan inrichtingen voor het verrijken respectievelijk verarmen van oplossingen die componenten bevatten net een relatief laag en een relatief hoog kookpunt. Door het gebruik van de beschreven warmtewisselaar die een maximale menging in filmlagen mogelijk maakt kan een optimale verrijking of verarming van een 35 dergelijke oplossing worden verkregen. De warmtewisselaar is van bijzonder voordeel wanneer toegepast in absorbers of generators van zogenaamde absorptiewarmtepenpen. Door de relatief eenvoudige constructie van de warmtewisselaar kan deze in massafabricage goedkoop worden vervaardigd.

8403278 PHN 11.189 8 4

Dit is vooral van belang voor warmtepompen die worden gdbruikt voor de verwarming of koeling van woonhuizen.

Opgemerkt wordt dat het door de toevoer 15 in de houder 1 van de absorber 9 geleide medium ook geheel in tegenstroom met de te ver-5 rijken oplossing door de pijp 1 kan worden geleid. De tweede pijp 13 kan dan vervallen. Het is dan echter noodzakelijk een extra uitgang in de houder 3 aan te brengen. De houder 3 van absorber 9 en generator 11 worden bij voorkeur voorzien van een thermisch isolerende bekleding. Ook de tweede pijp 13 wordt bij voorkeur van een dergelijke bekleding voor-10 zien of geheel uit thermisch isolerend materiaal vervaardigd. Het vat 41 in de generator kan worden verhit door een gas- of oliebrander, maar elektrische verhitting is eveneens mogelijk. Ook kan worden verhit met behulp van rookgassen of afvalwarmte, bijvoorbeeld met behulp van een in het vat 41 opgestelde warmtewisselaar.

15 Hoewel de uitvinding is beschreven aan de hand van gevinde pijpen waarbij een belangrijke druppelvorming plaats vindt nabij de vrije uiteinden en de naar beneden gerichte langsrarden van de lamellen is zij niet daartoe beperkt. De mate waarin de genoemde druppelvorming optreedt hangt af van een groot aantal parameters. Belangrijke parameters 20 in dit verband zijn : - het te verwerken vloeistof debiet, - het toegepaste stoffenpaar (oppervlaktespanning/mate van bevochtiging), - de scherpte van de randen aan de lamellen, - de grootte van. de hoek waaronder de vrije uiteinden van de lamellen (. J 25 naar beneden zijn gericht, - de grootte van de spoedhoek van de schroeflijn, - de diameter van de capillaire doorstrocmopeningen.

In. bijvoorbeeld het geval van scherpe randen aan de lamellen en vrijwel horizontale lamellen zullen relatief weinig druppels worden ge-30 vormd nabij de vrije uiteinden en de langsranden van de lamellen. De druppelvorming vindt dan in hoofdzaak plaats onder de capillaire door-stroomopeningen die nagenoeg alle vloeistof verwerken. In het geval van sterk afhangende lamellen treden beide vormen van druppelvorming op.

De onder de capillaire doorstrocmopeningen gevormde druppels glijden 35 dan langs de onderkant van de lamellen enigszins naar de vrije uiteinden en de langsranden toe. In de praktijk zal empirisch moeten worden vast-gesteld welke combinatie van parameters de voorkeur verdient.

8403278

Claims

1. Warmtewisselaar net een in een houder opgestelde gevinde metalen pijp, waarbij een aan de pijp bevestigde metalen vin bestaat uit een aantal met elkaar verbanden lamellen die schreef lij nvormig cm de pijp zijn gewikkeld en de nabij elkaar gelegen lamellen van opeen-5 volgende windingen van de gevormde schroeflijn elkaar in cmtreksrichting van de pijp gezien gedeeltelijk overlappen, net het kenmerk, dat elk van de lanelen is voorzien van een capillaire doorstroonepening die bij verticaal opgestelde pijp boven bet vlak van een onderliggende lamel is gelegen in een verschoven positie ten opzichte van de capillaire door-10 stroemopening van de genoemde onderliggende lamel, terwijl de lamellen vrij liggen van de binnenwand van de houder.

' > 2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de genoemde pijp een eerste aan zijn bovenzijde gesloten pijp is waarbinnen zich een coaxiale tweezijdig open tweede pijp uitstrekt die aan zijn 15 bovenzijde in open verbinding staat met een toevoer van de eerste pijp en aan zijn onderzijde is aangesloten op een door de onderzijde van de eerste pijp heen stekende afvoer, terwijl de ruimte tussen de houder en de eerste pijp nabij de bovenzijde van de houder is aangesloten op een eerste en een tweede ingang en nabij de onderzijde van de houder qp een 20 uitgang.

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de pijp gesloten is aan zijn in de houder stekende bovenzijde en is aangesloten op een buiten de houder opgesteld vat nabij zijn onderzijde, terwijl de houder nabij de bovenzijde van de pijp is voorzien van een O 25 toevoer en een eerste afvoer en nabij zijn onderzijde van een tweede afvoer.

4. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, 2 of 3 met het kenmerk, dat de lamellen van de verticaal opgestelde pijp naar beneden zijn gericht met hun radiaal naar buiten gerichte vrije uiteinden. 30 35 8403278