NL8403279A - Warmtewisselaar voor twee laminair stromende vloeistoffen. - Google Patents

Description

*

Ir » * PHN 11.190 1 N.V. Philips* Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Warmtewisselaar voor twee laminair stromende vloeistoffen.

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.

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.

30 Het doel van de uitvinding is een warmtewisselaar te verschaffen voor laminaire vloeistofstromen met een relatief hoge totale warrate-overgangscoëfficient.

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.

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.

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.

Een optimale totale warmteovergangscoëfficient wordt met een dergelijke 15 pijp op zichzelf echter niet verkregen.

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.

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.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de 30 tekening die een langsdoorsnede toont van een voorkeursuitvoeringsvorm van de warmtewisselaar.

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.

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.

Benaderingsgewijs kan gesteld worden dat bij de warmtewisselaar volgens de uitvinding het zogenaande Reynolds-getal niet groter is dan 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 * ¥

J

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.

15 In het onderhavige geval bedraagt de buitendiameter van de binnenpijp (5) 25 itm en de buitendiameter van de buitenpijp (3) 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.

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.

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.

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 5

A

kunnen al die vin- of schoepvormige lichamen worden toegepast die aan de longitudinale primaire stroming een secundaire tangentiele strcming toevoegen.

5 10

IS

20 25 30 35 840 32 79

Claims (3)

1. Warmtewisselaar met 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 net een relatief hete tweede vloeistof in een buitenpijp, 5 terwijl zich in de binnenpijp een langgerekt eerste vast opgesteld rotatieorgaan bevindt, net het kenmerk, dat zich tussen de binnenpijp en de buitenpijp een langgerekt tweede vast opgesteld rotatieorgaan bevindt.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, net het kenmerk, dat het 10 eerste rotatieorgaan. bestaat uit een getwiste eerste strook die met zijn langsranden aanligt tegen de binnenwand van de binnenpijp, terwijl het tweede rotatieorgaan bestaat uit een continue, schroeflijnvormig om de binnenpijp heen liggende tweede strook die aan zijn ene langsrand in contact is met de buitenwand van de binnenpijp en aan zijn andere 15 langsrand met de binnenwand van de buitenpijp.

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de tweede strook met een langsrand aan de buitenwand van de binnenpijp is gelast. 20 25 30 35 840 32 79