NL8403279A

NL8403279A - Laminar-flow heat exchanger with two coaxial metal tubes - with cold liq. in inner tube contg. twisted strip and hot liq. in outer tube contg. helical strip

Info

Publication number: NL8403279A
Application number: NL8403279A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1984-10-30
Filing date: 1984-10-30
Publication date: 1986-05-16

Abstract

The heat exchanger (1) comprises two co-axial round-section metal tubes with laminar flow (12) of a relatively cold liq. in the inner tube (5) in thermal contact with a relatively hot liq. with laminar flow (13) in the outer tube (3). The inner tube contains a fixed longitudinal member (7) which confers a tangential component to the flow therein. The annular space between the tubes contains a further longitudinal member (9) in contact with the tube (5) and producing a tangential flow component in that space. The member (7) is pref. a twisted (metal) strip having its longitudinal edges in contact with the tube (5) wall whilst the member (9) is a (metal) helically wound strip with its longitudinal edges in contact with the respective tubes and may be welded to the inner tube.

Description

**

Ir » * PHN 11.190 1 N.V. Philips* Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.Ir »* PHN 11.190 1 N.V. Philips * Incandescent light factories in Eindhoven.

Warmtewisselaar voor twee laminair stromende vloeistoffen.Heat exchanger for two laminar flowing liquids.

De uitvinding heeft betrekking qp een warmtewisselaar net twee concentrische, ronde metalen pijpen waarin zich laminair stromende vloeistoffen bevinden en waarbij een relatief koude eerste vloeistof in een binnenpijp in thermisch contact staat met een relatief hete 5 vloeistof in een buitenpijp, terwijl zich in de binnenpijp een langgerekt eerste vast opgesteld rotatieorgaan bevindt.The invention relates to a heat exchanger with two concentric, round metal pipes in which laminar flowing liquids are located and wherein a relatively cold first liquid in an inner pipe is in thermal contact with a relatively hot liquid in an outer pipe, while in the inner pipe a elongated first fixed rotation member.

Bij een bekende warmtewisselaar van de in de aanhef genoemde soort (uit het boek "Advances in Heat Transfer" van T.F. Irvine en J.P. Hartnett, Supplement 1, p. 284 tot en met 321 en p.366 tot en met 10 384, uitgegeven in 1978) wordt door het in de binnenpijp vast opgestelde rotatieorgaan in de vorm van een getwiste strook bij de laminair stromende relatief koude eerste vloeistof aan de zogenaamde primaire stroming (in longitudinale richting) een zogenaamde secundaire stroming (in tangentiële richting) toegevoegd die de koudere vloeistofdeeltjes naar 15 de binnenwand van de binnenpijp drijft. Op deze wijze ontstaat over de wand van de binnenpijp door de werking van de centrifugaalkracht een grotere tenperatuurgradient dan in het geval van een uitsluitend longitudinale stroming. In de ruimte tussen de beide pijpen stroomt bij de bekende warmtewisselaar een relatief hete tweede vloeistof met een uit-20 sluitend longitudinale snelheidsccmponent, dat wil zeggen dat de tweede vloeistof een primaire stroming volgt. Hoewel met de bekende warmtewisselaar reeds een grotere zogenaamde totale warmteovergangscoëff icient wordt verkregen dan in het geval met uitsluitend primaire stromingen (voor elk van de twee vloeistoffen) is het vooral bij warmtewisselaars die 25 zo klein mogelijk moeten zijn gewenst een nog hogere totale warmteover-gangscoëfficient be bewerkstelligen. De daartoe vaak toegepaste methode van het turbulent maken van de beide vloeistofstromen is in vele gevallen niet mogelijk omdat de viscositeit van de vloeistoffen te hoge pcmpvermogens zou vragen.With a known heat exchanger of the type mentioned in the opening paragraph (from the book "Advances in Heat Transfer" by TF Irvine and JP Hartnett, Supplement 1, p. 284 to 321 and p. 366 to 10 384, published in 1978) the rotation element fixed in the inner pipe in the form of a twisted strip in the laminar flowing relatively cold first liquid adds to the so-called primary flow (in the longitudinal direction) a so-called secondary flow (in the tangential direction) that contains the colder liquid particles floats to the inner wall of the inner pipe. In this way, a greater temperature gradient arises over the wall of the inner pipe due to the action of the centrifugal force than in the case of an exclusively longitudinal flow. In the space between the two pipes a relatively hot second liquid flows with the known heat exchanger with an exclusively longitudinal velocity component, ie the second liquid follows a primary flow. Although a larger so-called total heat transfer coefficient is already obtained with the known heat exchanger than in the case with only primary flows (for each of the two liquids), an even higher total heat transfer coefficient is desirable, especially for heat exchangers which must be as small as possible. be accomplished. The method of turbulence of the two liquid flows, which is often used for this purpose, is in many cases not possible because the viscosity of the liquids would require too high pumping capacities.

30 Het doel van de uitvinding is een warmtewisselaar te verschaffen voor laminaire vloeistofstromen met een relatief hoge totale warrate-overgangscoëfficient.The object of the invention is to provide a heat exchanger for laminar liquid flows with a relatively high total warrate transition coefficient.

De uitvinding heeft daartoe tot kenmerk, dat zich tussen de 84Ö3279 t PHNJ1.190 2 binnenpijp en de buitenpij p een langgerekt tweede vast opgesteld rotatieorgaan bevindt.To this end, the invention is characterized in that between the inner pipe and the outer pipe there is an elongated second fixed rotation member.

De uitvinding berust op het inzicht dat door de centrifugaal-kracht in beide vloeistofstromen de relatief koude vloeistofdeeltjes 5 naar de buitenwand van de pijpen worden gedreven zodat zich aan de binnenwand van derbinnenpijp de koudste deeltjes van de eerste vloeistof bevinden en aan de buitenwand van de binnenpijp de heetste deeltjes van de tweede vloeistof. Daarmee is een maximale temperatuurgradient over de wand van de binnenpijp verkregen die een optimale totale warmteover-10 gangscoëfficient tot resultaat heeft.The invention is based on the insight that the relatively cold liquid particles 5 are driven to the outer wall of the pipes by the centrifugal force in both liquid flows, so that the coldest particles of the first liquid are located on the inner wall of the inner pipe and on the outer wall of the inner pipe. the hottest particles of the second liquid. A maximum temperature gradient across the inner pipe wall is hereby obtained, which results in an optimum total heat transfer coefficient.

Opgemerkt wordt dat uit het Amerikaanse octrooischrift 3.723.693 een voor warmtewisselaars bestemde pijp bekend is met een schroeflijnvormige continue vin die cm de buitenwand van de pijp is gewikkeld.It should be noted that U.S. Pat. No. 3,723,693 discloses a heat exchanger pipe having a helical continuous fin wound around the outer wall of the pipe.

Een optimale totale warmteovergangscoëfficient wordt met een dergelijke 15 pijp op zichzelf echter niet verkregen.However, an optimum total heat transfer coefficient is not obtained per se with such a pipe.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van de warmtewisselaar volgens de uitvinding met in massafabricage qp eenvoudige en goedkope wijze te vervaardigen rotatieorganen heeft verder tot kenmerk, dat het eerste rotatieorgaan bestaat uit een getwiste eerste strook die met zijn langs-20 randen aanligt tegen de binnenwand van de binnenpijp, terwijl het tweede rotatieorgaan bestaat uit een continue, schroef lijnvormig cm de binnenpijp heen liggende tweede strook die aan zijn ene langsrand in contact is met de buitenrand van de binnenpijp en aan zijn andere langsrand met de binnenwand van de buitenpijp.A preferred embodiment of the heat exchanger according to the invention with rotating members which can be mass-produced in a simple and inexpensive manner, is further characterized in that the first rotation member consists of a twisted first strip which rests with the longitudinal edges against the inner wall of the inner pipe, while the second rotary member consists of a continuous, screw-shaped, second strip lying in line with the inner pipe, which on one longitudinal edge is in contact with the outer edge of the inner pipe and on its other longitudinal edge with the inner wall of the outer pipe.

25 Een verdere uitvoeringsvorm van de warmtewisselaar waarbij de binnenpijp automatisch kan worden gecentreerd ten opzichte van de buitenpijp heeft tot kenmerk, dat de tweede strook met een langsrand aan de buitenwand van de binnenpijp is gelast.A further embodiment of the heat exchanger in which the inner pipe can be automatically centered relative to the outer pipe is characterized in that the second strip is welded to the outer wall of the inner pipe with a longitudinal edge.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de 30 tekening die een langsdoorsnede toont van een voorkeursuitvoeringsvorm van de warmtewisselaar.The invention will be further elucidated with reference to the drawing, which shows a longitudinal section of a preferred embodiment of the heat exchanger.

De met de figuur geïllustreerde warmtewisselaar 1 bevat een eerste metalen buitenpijp 3 met een ronde dwarsdoorsnede waarin zich een concentrische tweede metalen binnenpijp 5 uitstrekt met een eveneens ronde 35 dwarsdoorsnede. De pijpen 3 en 5 zijn vervaardigd uit een thermisch goed geleidend metaal, zoals bijvoorbeeld staal. In de binnenpijp 5 bevindt zich een langgerekt eerste rotatieorgaan in de vorm van een getwiste metalen eerste strook 7 die met zijn langsranden aanligt tegen de 840 32 79 PHN 11.190 3 t binnenwand van de binnenpijp 5. Aan de buitenwand van de binnenpijp 5 is een langgerekt tweede rotatieorgaan in de vorm van een schroeflijnvormig on de binnenpijp 5 heen gewikkelde tweede metalen strook 9 gelast die met zijn buitenste langsrand aanligt tegen de binnenwand van de 5 fcuitenpijp 3. Bij voorkeur wordt de getwiste strook 7 met een nauwe passing in de binnenpijp 5 geperst. De vinvormige tweede strook 9 ligt zo nauwkeurig mogelijk aan tegen de binnenwand van de buitenpijp 3, zodat de binnenpijp 5 met een nauwe passing in de buitenpijp 3 kan worden geperst. De stroken 7 en 9 zijn vervaardigd uit een thermisch goed geleidend 10 metaal, zoals bijvoorbeeld straal. Doordat de tweede strook 9 aan de binnenpijp 5 is gelast wordt een relatief hoge warmteoverdracht verkregen ter plaatse van de overgangszone tussen pijp en strook.The heat exchanger 1 illustrated in the figure comprises a first metal outer pipe 3 with a round cross-section in which a concentric second metal inner pipe 5 with a likewise round cross-section extends. Pipes 3 and 5 are made of a thermally highly conductive metal, such as, for example, steel. In the inner pipe 5 there is an elongated first rotary member in the form of a twisted metal first strip 7 which rests with its longitudinal edges against the inner wall of the inner pipe 5 with the longitudinal edges of the inner pipe 5. second rotary member in the form of a helically wound second metal strip 9 wound on the inner pipe 5, which rests with its outer longitudinal edge against the inner wall of the outer pipe 3. Preferably, the twisted strip 7 is pressed into the inner pipe 5 with a close fit . The fin-shaped second strip 9 lies as precisely as possible against the inner wall of the outer pipe 3, so that the inner pipe 5 can be pressed into the outer pipe 3 with a close fit. Strips 7 and 9 are made of a thermally highly conductive metal, such as, for example, a beam. Because the second strip 9 is welded to the inner pipe 5, a relatively high heat transfer is obtained at the location of the transition zone between pipe and strip.

In de -binnenpijp 5 stroomt een relatief koude eerste vloeistof in de richting van een pijp 11, terwijl tussen de buitenpijp 3 en de 15 binnenpijp 5 een relatief hete tweede vloeistof stroomt in de richting van een pijl 13. Beide vloeistof stromen zijn laminair en stationair nadat de stroming zich heeft ingesteld. Aan het begin van de beide pijpen is vel een laminaire maar nog geen stationaire stroming aanwezig. De warmteoverdracht aan het begin van de pijpen is relatief goed vergeleken 20 met de warmteoverdracht in het gebied waar de laminaire stroming zich heeft ingesteld. De warmtewisselaar volgens de uitvinding is beperkt tot en bedoeld voor vloeistofstromen die nadat zij zich hebben ingesteld laminair en stationair zijn. Aan dit criterium kan gemakkelijk worden voldaan omdat de in de praktijk meestal beschikbare pompvermogens niet 25 zodanig hoog zijn dat bij de voorkomende hydraulische diameters van de pijpen en de relatief hoge viscositeit van de gebruikte soorten vloeistof een turbulente stroming met de inherent betere warmteoverdracht kan worden opgewekt. Het doel van de uitvinding is dan ook om bij laminaire vloeistof stromen een relatief grote warmteoverdracht te verkrijgen zonder 30 dat dit leidt tot warmtewisselaars van relatief grote afrretingen.In the inner pipe 5 a relatively cold first liquid flows in the direction of a pipe 11, while between the outer pipe 3 and the inner pipe 5 a relatively hot second liquid flows in the direction of an arrow 13. Both liquid flows are laminar and stationary after the current has set. At the beginning of both pipes there is a laminar sheet but no stationary flow yet. The heat transfer at the beginning of the pipes is relatively good compared to the heat transfer in the area where the laminar flow has set. The heat exchanger according to the invention is limited to and intended for liquid flows which are laminar and stationary after adjustment. This criterion can easily be met because the pump powers usually available in practice are not so high that a turbulent flow with inherently better heat transfer can be generated with the occurring hydraulic diameters of the pipes and the relatively high viscosity of the types of liquid used. . The object of the invention is therefore to obtain a relatively high heat transfer in laminar liquid flows without this leading to heat exchangers of relatively large sizing.

Benaderingsgewijs kan gesteld worden dat bij de warmtewisselaar volgens de uitvinding het zogenaande Reynolds-getal niet groter is dan 2300.It can be stated approximately that with the heat exchanger according to the invention the so-called Reynolds number does not exceed 2300.

Door het eerste en tweede rotatieorgaan in de vorm van de eerste getwiste strook 7 en de tweede schroeflijnvormige strook 9 wordt aan beide 35 primaire longitudinale vloeistof stromen een secundaire tangentiëel gerichte stroming toegevoegd. Dit betekent dat beide vloeistof stromen behalve een longitudinale snelheidsccnponent ook een tangentiële snel-heidsccmponent bezitten. Daardoor zullen de koudste deeltjes van de eerste 840 32 79 ύ * ¥A secondary tangentially directed flow is added to both primary longitudinal liquid flows through the first and second rotary member in the form of the first twisted strip 7 and the second helical strip 9. This means that in addition to a longitudinal velocity component, both fluid flows also have a tangential velocity component. As a result, the coldest particles of the first 840 32 79 will be ύ * ¥

JJ

ΡΗΝ 11.190 4 vloeistof in de binnenpijp 5 door de centrifugaalkracht naar de binnenwand van de binnenpijp 5 worden gedreven, terwijl de heetste deeltjes van de tweede vloeistof in de ringvormige ruimte tussen de beide pijpen zich nabij de buitenwand van de binnenpijp 5 bevinden. Op deze wijze 5 ontstaat een maximale temperatuur gradient over de wand van de binnenpijp 5, zodat een maximale warmteoverdracht wordt verkregen. De zogenaamde totale warmteovergangscoëfficient over de wand van de binnenpijp 5 is daarmee zo groot mogelijk geworden.. Opgemerkt wordt dat de genoemde totale warmteovergangscoëfficient is opgebouwd uit de warmtegeleidingsco-10 efficient van de pijpwand, de warmteovergangscoëfficient van de eerste vloeistof naar de pijpwand en de warmteovergangscoëfficient van de tweede vloeistof naar de pijpwand. De hoeveelheid overgedragen warmte is een lineaire functie van de genoemde coëfficiënten en het temperatuurverschil over de pijpwand.11.190 4 liquid in the inner pipe 5 is driven by the centrifugal force to the inner wall of the inner pipe 5, while the hottest particles of the second liquid in the annular space between the two pipes are located near the outer wall of the inner pipe 5. In this way 5 a maximum temperature gradient arises over the wall of the inner pipe 5, so that a maximum heat transfer is obtained. The so-called total heat transfer coefficient over the wall of the inner pipe 5 has thereby become as large as possible. It is noted that the said total heat transfer coefficient is built up from the heat conduction coefficient of the pipe wall, the heat transfer coefficient from the first liquid to the pipe wall and the heat transfer coefficient. from the second liquid to the pipe wall. The amount of heat transferred is a linear function of the mentioned coefficients and the temperature difference across the pipe wall.

15 In het onderhavige geval bedraagt de buitendiameter van de binnenpijp (5) 25 itm en de buitendiameter van de buitenpijp (3) 54 ran.In the present case, the outer diameter of the inner pipe (5) is 25 µm and the outer diameter of the outer pipe (3) is 54 ran.

De spoed van het eerste rotatieorgaan 7 is. gelijk aan 27 ran, terwijl de spoed van het tweede rotatieorgaan 9 gelijk is aan 14 mm.The pitch of the first rotary member 7 is. equal to 27 ran, while the pitch of the second rotary member 9 is equal to 14 mm.

De beschreven warmtewisselaar kan. zowel in een verticale als in een 20 horizontale positie worden toegepast, terwijl de vloeistof stromen tegengesteld van richting kunnen zijn als beschreven, maar ook gelijkgericht mogen zijn. Een bijzondere toepassing van de warmtewisselaar wordt gevonden in zogenaamde absorptiewarmtepompen. In dergelijke warmtepompen worden relatief visceuse vloeistoffen gebruikt die zelfs bij hoge pomp-25 vermogens moeilijk in turbulente stroming komen. Door toepassing van de beschreven twee rotatieorganen wordt echter toch een zodanig grote warmteoverdracht verkregen dat met een relatief kleine warmtewisselaar kan worden volstaan. Dit is vooral van belang als de warmtepomp wordt toegepast voor verwarming of koeling van woonhuizen.The described heat exchanger can. can be used in a vertical as well as in a horizontal position, while the liquid flows may be opposite directions as described, but may also be rectified. A special application of the heat exchanger is found in so-called absorption heat pumps. In such heat pumps relatively viscous liquids are used, which are difficult to enter turbulent flow even at high pumping powers. By using the two rotating members described, however, such a large heat transfer is nevertheless obtained that a relatively small heat exchanger suffices. This is especially important if the heat pump is used for heating or cooling residential houses.

3Q Verder zij vermeld dat de warmtewisselaar niet beperkt is tot de beschreven rotatieorganen met een getwiste of schroeflijnvormige strook. De rotatieorganen kunnen bijvoorbeeld bestaan uit langgerekte gespoten lichamen van aluminium met een schroeflij nvorm of spriaalvorm.3Q It is further noted that the heat exchanger is not limited to the described twisted or helical strip rotators. The rotary members may, for example, consist of elongated die-cast aluminum bodies with a helical or spiral shape.

Dit is bijvoorbeeld mogelijk door een in een aluminium pijp gevormd langs-35 schot dat diametraal gezien aan. weerszijden buiten de pijp uitsteekt samen met de pijp te torderen. Het binnen de pijp gelegen deel van het langsschot vormt dan het eerste rotatieorgaan, terwijl het buiten de pijp gelegen deel van het langsschot het tweede rotatieorgaan vormt. In feite 8*03279 * r « PHN 11.190 5This is possible, for example, by a longitudinal bulkhead formed in an aluminum pipe, which is seen diametrically. protrudes either side of the pipe along with the pipe to twist. The part of the longitudinal bulkhead situated inside the pipe then forms the first rotary member, while the part of the longitudinal bulkhead located outside the pipe forms the second rotary member. In fact 8 * 03279 * r «PHN 11.190 5

Aa

kunnen al die vin- of schoepvormige lichamen worden toegepast die aan de longitudinale primaire stroming een secundaire tangentiele strcming toevoegen.all those fin or vane-shaped bodies can be used which add a secondary tangential tension to the longitudinal primary flow.

5 105 10

ISIS

20 25 30 35 840 32 7920 25 30 35 840 32 79

Claims

1. Heat exchanger with two concentric / round metal pipes in which laminar flowing liquids are located and in which a relatively cold first liquid in an inner pipe is in thermal contact, just like a relatively hot second liquid in an outer pipe, while an elongated first is fixed in the inner pipe disposed rotating member, which is characterized in that an elongated second fixed rotating member is located between the inner pipe and the outer pipe.

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the first rotary member. consists of a twisted first strip with its longitudinal edges abutting against the inner wall of the inner pipe, while the second rotary member consists of a continuous, helical second strip surrounding the inner pipe which is in contact with the outer wall of the inner pipe on one longitudinal edge and at its other 15 longitudinal edge with the inner wall of the outer pipe.

Heat exchanger according to claim 2, characterized in that the second strip is welded with a longitudinal edge to the outer wall of the inner pipe. 20 25 30 35 840 32 79