NL8900293A - Warmtewisselingsbuis en warmtewisselaar. - Google Patents

Description

Warmtewisselingsbuis en warmtewisselaar

De uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselingsbuis voor toepassing in een warmtewisselaar, zoals een condensor, en in het bijzonder op een warmtewisselingsbuis, welke aan de buitenzijde is voorzien van vinnen voor het vergroten van uitwendige warmte-overdrachtsoppervlak van de buis.

Een bekende uitvoering van een dergelijke warmtewisselingsbuis bezit een ronde dwarsdoorsnede, terwijl de vinnen als vlakke ringen zijn uitgevoerd, die rondom de buis zijn geklemd of gesoldeerd. Een bezwaar van deze bekende buis is, dat bij een stroming van een fluïdum, in het bijzonder gas, dwars op de buis het gebied van de vinnen dat in de stromingsrichting van het fluïdum achter de buis is gelegen een geringere warmte-overdracht per oppervlakte-eenheid bewerkstelligt dan het overige gebied, daar het zich in de luwte van de stroming bevindt.

Voor het opheffen van dit bezwaar is reeds een platte warmtewisselingsbuis voorgesteld, die is voorzien van twee vlakke evenwijdige zijden waarop uit een vlakke band in een zigzagvorm gevouwen vinnen zijn bevestigd. Deze platte buizen worden met hun smalle zijden dwars op de stroming van het omstromende fluïdum geplaatst, terwijl de vinnen loodrecht op de hartlijn van de betreffende buizen zijn aangebracht.

Alhoewel deze platte warmtewisselingsbuizen reeds een verbeterde warmte-overdracht bewerkstelligen, is het een doel van de onderhavige uitvinding het rendement van de warmte-overdracht aan de buitenzijde van de warmtewisselingsbuis en derhalve het rendement van de met deze buizen uitgevoerde warmtewisselaar nog verder te verbeteren.

Volgens een eerste aspect van de uitvinding wordt dit bereikt door een warmtewisselingsbuis voor toepassing in een warmtewisselaar, zoals een condensoreenheid, welke buis is ontworpen om te worden doorstroomd en omstroomd door tenminste twee afzonderlijke fluïda voor het uitwisselen van warmte daartussen, en welke buis in dwarsdoorsnede is afgeplat onder vorming van tegenover gelegen afgeplatte zijden.

waarop vinnen zijn bevestigd, die onder een schuine hoek ten opzichte van de langshartlijn van de buis zijn geplaatst

Volgens een tweede aspect van de uitvinding is dit te bereiken door een warmtewisselingsbuis voor toepassing in : een warmtewisselaar, zoals een condensoreenheid, welke buis is ontworpen om te worden doorstroomd en omstroomd door tenminste twee afzonderlijke fluïda voor het uitwisselen van warmte daartussen, en welke buis in dwarsdoorsnede is afgeplat onder vorming van tegenovergelegen afgeplatte zijden, waarop vinnen zijn bevestigd, die onder een hoek met de langshartlijn van de buis zijn geplaatst en in een richting om de hartlijn van de buis buigzaam zijn uitgevoerd.

Bij het eerste aspect van de uitvinding ontstaat de rendementsverbetering, doordat de stand van de vinnen op de warmtewisselingsbuis kan worden aangepast aan de richting van het aanstromende fluïdum. Zo zullen bijvoorbeeld in het geval dat de stroming schuin op de hartlijnen van in een rij dicht bij elkaar geplaatste warmtewisselingsbuizen is gericht, de vinnen evenwijdig aan de fluïdumstroom kunnen worden geplaatst waardoor het fluïdum niet tussen de buizen in door de vinnen wordt afgebogen en derhalve een aanzienlijke besparing in het vermogen van de voor het opwekken van de fluïdumstro-ming gebruikte middelen kan worden bereikt. Indien de stro-mingsrichting van het aangestroomde fluïdum niet over de gehele lengte van de warmtewisselingsbuis gelijk is, kan zelfs de stand van de vinnen ten opzichte van de hartlijn van de buis over de lengte van de buis variëren, zodat een optimale vinopstelling wordt bereikt.

Volgens het tweede aspect van de uitvinding wordt de rendementsverbetering bereikt doordat de warmte-overgang tussen de warmtewisselingsbuis en de daarop bevestigde vinnen onder alle omstandigheden is gewaarborgd. Immers, door de buigzaamheid van de vinnen kunnen deze vinnen zich aanpassen aan vervormingen van de platte zijden van de buis bij drukveranderingen in de buis of temperatuurveranderingen van de buis, zodat de vinnen steeds goed aanliggen tegen de platte zijden van de buis, zonder dat extreme eisen aan de verbinding tussen de vinnen en buis behoeven te worden gesteld. In principe kan een zwakke verbinding worden gekozen, die een goede warmte-overdracht bewerkstelligt en een goedkope vervaardiging mogelijk maakt. Zo komt een lijmverbinding met behulp van een goed warmtegeleidende lijm in eerste instantie in aanmerking, al is uiteraard solderen ook goed mogelijk.

Indien gebruik wordt gemaakt van vinnen waarvan een aantal op hoekig gegolfde of geplooide wijze uit een metaal-band is gevouwen kan de buigbaarheid daarvan om een lijn dwars op de vouwen, respectievelijk om de hartlijn van de buis worden bereikt met dwars op de vouwen gemaakte insnijdingen in de vinnen, die behalve de buigzaamheid van de vinnen tevens als voordelig neveneffect een verhoogde turbulentie van het langs de vinnen stromende fluïdum veroorzaakt met een verbeterde warmte-overdracht als gevolg. De insnijdingen kunnen na het vouwen van de metaalband door inzagen worden gevormd of vóór het vouwen hiervan door ponsen worden verkregen. Het aantal en de vorm van de insnijdingen kunnen per ontwerp worden bepaald en zijn onder andere afhankelijk van de toegepaste verbinding tussen de vinnen en de buis en de maximale vervorming van de platte zijden van de buis.

De vervorming van de platte zijden van de buis kan worden beperkt door het aanbrengen van een verbindingsstrip in het inwendige van de buis, die de tegenovergelegen afgeplatte zijden van de buis onderling verbindt en bij voorkeur over de gehele lengte van de betreffende buis verloopt. Teneinde te voorkomen dat de buis in zijn lengterichting door de verbindingsstrip in kamers worden verdeeld, kan de verbindingsstrip van doorlaatopeningen worden voorzien.

De uitvinding strekt zich eveneens uit tot een warmtewisselaar, die is voorzien van een aantal in het voorgaande beschreven warmtewisselingsbuizen.

Een bijzondere warmtewisselaar volgens de uitvinding is voorzien van tenminste een rij althans ongeveer evenwijdig aan elkaar verlopende warmtewisselingsbuizen, een in-laatkamer waarop één uiteinde van de buizen aansluit, een uitlaatkamer waarop het andere uiteinde van de buizen aansluit, en middelen voor het in een richting in hoofdzaak dwars op de rij buizen laten stromen van een fluïdum langs de buizen, waarbij de buizen dwars op de rij hiervan zijn afgeplat, terwijl op de afgeplatte zijden van de buizen vinnen zijn bevestigd.

Volgens het eerste aspect van de uitvinding zijn de > vinnen schuin op de langshartlijn van de betreffende buizen geplaatst, terwijl volgens het tweede aspect van de uitvinding de vinnen in een richting om de langshartlijn van de betreffende buizen buigzaam zijn uitgevoerd.

Het is volgens de uitvinding zonder meer mogelijk en zelfs gunstig de beide aspecten in een enkele warmtewisselaar te combineren.

Verdere voordelen en kenmerken van de uitvinding zullen volgen uit de navolgende figuurbeschrijving aan de hand van de tekening, die een aantal uitvoeringsvoorbeelden van de uitvinding zeer schematisch weergeeft.

Fig. 1 is een zeer schematisch perspectivisch aanzicht van een als luchtgekoelde stoomcondensoreenheid uitgevoerde warmtewisselaar volgens de uitvinding, waarbij alle voor het begrip van de uitvinding niet relevante onderdelen zijn weggelaten*

Fig. 2 is een op kleinere schaal weergegeven zijaanzicht van de warmtewisselaar volgens fig. 1.

Fig. 3 is een met fig. 2 overeenkomend zijaanzicht van een gewijzigde uitvoering van de warmtewisselaar volgens de uitvinding.

Fig. 4 is een op grotere schaal perspectivisch weergegeven gedeeltelijke doorsnede volgens de lijn IV-IV in fig. 3.

Fig. 5 is een op grote schaal weergegeven perspectivisch gedeeltelijk aanzicht van uit band gevouwen vinnen van een uitvoering van de buis volgens de uitvinding.

Fig. 6a, 6b, 6c zijn zeer schematische langsdoor-sneden van de vinnenband volgens fig. 5, in verschillende uitrektoestanden hiervan.

De fig. 1 en 2 tonen een uitvoeringsvoorbeeld van een warmtewisselaar, in dit geval een luchtgekoelde stoomcondensoreenheid voor het condenseren van stoom uit bijvoorbeeld de uitlaat van een stoomturbine, die een maximum temperatuur van 150°C heeft. De stoomcondensoreenheid is voorzien van twee ten opzichte van elkaar dakvormig opgestelde bundels 1 van warmtewisselingsbuizen 2. In het weergegeven uitvoerings-voorbeeld zijn de warmtewisselingsbuizen 2 van elke bundel 1 naast elkaar in een rij met gelijke onderlinge afstand geplaatst. Het is evenwel ook mogelijk dat een bundel 1 meerdere rijen ten opzichte van elkaar versprongen warmtewisselingsbuizen 2 omvat. De warmtewisselingsbuizen 2 van beide bundels 1 sluiten aan hun bovenste uiteinde aan op een gezamelijke bovenste inlaatkamer 3 voor het aan de warmtewisselingsbuizen 2 toevoeren van stoom, terwijl de warmtewisselingsbuizen 2 van elke bundel 1 aan hun onderste uiteinde op een bijbehorende onderste uitlaatkamer 4 aansluiten, waarin condensaat wordt opgevangen en afgevoerd, dat is ontstaan tijdens het benedenwaarts stromen van de stoom door de warmtewisselingsbuizen. De inlaatkamer 3 en de uitlaatkamers 4 staan op bekende wijze in verbinding met verdere installaties, die voor de uitvinding niet van belang zijn en derhalve niet zijn weergegeven. Onder de dakvormig opgestelde bundels 1 van warmtewisselingsbuizen 2 is een horizontale symmetrisch opgestelde ventilator 5 aangebracht, die dient voor het blazen van een koelgas, zoals koellucht langs de warmtewisselingsbuizen in de beide bundels 1 in een richting ongeveer dwars op het vlak van de rij warmtewisselingsbuizen 2 in de bundels 1.

De warmtewisselingsbuizen 2 zijn elk afgeplat uitgevoerd zodat twee tegenovergestelde vlakke en evenwijdige zijden 6 zijn gevormd, die evenwijdig aan de stromingsrich-ting van de koellucht verlopen. Ter vergroting van het warmte overdragende oppervlak aan de buitenzijde van elke warmtewis-selingsbuis 2 zijn op de afgeplatte zijden 6 hiervan ribben of vinnen 7 bevestigd onder een hoek ten opzichte van de langshartlijn van de bijbehorende warmtewisselingsbuizen 2.

Volgens de uitvinding zijn de vinnen 7 schuin ten opzichte van de langshartlijn van de bijbehorende warmtewisselingsbuizen 2 geplaatst en in het weergegeven uitvoerings-voorbeeld zodanig, dat de vinnen 7 nabij het onderste uiteinde van de warmtewisselingsbuizen 2 een grotere hoek met de vertikaal naken dan de nabij het bovenste uiteinde van de warmtewisselingsbuizen 2 geplaatste vinnen 7, die nagenoeg vertikaal verlopen. De plaatsing van de vinnen 7 is zodanig gekozen, dat de door de ventilator 5 toegevoerde koellucht i bij elke vin 7 althans ongeveer evenwijdig daaraan tussen de buizen 2 komt aanstromen zodat de koellucht bij het passeren tussen de warmtewisselingsbuizen 2 van een bundel 1 nauwelijks behoeft te worden afgebogen (zie pijlen in fig. 3). Hierdoor ondervindt de koellucht weinig weerstand waardoor i voor een zelfde doorstromingshoeveelheid een veel kleiner vermogen van de ventilator 5 benodigd is. Verwacht wordt dat deze besparing van het benodigde vermogen van de ventilator 5 zelfs 15% kan bedragen. Een verder voordeel van de meer vertikale opstelling van de vinnen 7 is de afname van de windgevoeligheid van de condensoreenheid.

Fig. 3 toont een variant van de condensoreenheid volgens de fig. 1 en 2, waarbij de vinnen 7 loodrecht op de hartlijn van de warmtewisselingsbuizen 2 verloopt, zoals bij conventionele condensoreenheden. De vinnen 7 zijn (evenals in de uitvoering volgens de fig. 1 en 2) echter zodanig uitgevoerd, dat zij in een richting om de hartlijn van de bijbehorende warmtewisselingsbuis 2 buigzaam zijn uitgevoerd.

Fig. 4 toont een mogelijk uitvoeringsvoorbeeld, waarbij de vinnen 7 om de langshartlijn van de buizen 2 buigzaam zijn. In deze uitvoering zijn de aan één vlakke zijde 6 van de buis 2 bevestigde vinnen 7 gevormd uit een zigzag-vor-mig gevouwen metalen band, waarvan de vouwlijnen 8 aan één zijde aan de betreffende vlakke zijde 6 van de warmtewisselingsbuis 2, bijvoorbeeld door solderen, zijn bevestigd.

De buigzaamheid van de vinnen 7 is bereikt door afwisselend vanaf de ene vouwlijn 8 en de tegenoverliggende vouwlijn 8 insnijdingen 9 met een zekere breedte aan te brengen, die over een aanzienlijk deel van de hoogte van de vinnen 7 doorlopen. Deze buigzaamheid geeft de vinnen 7 de mogelijkheid deformaties van de vlakke zijden 6 van de warmtewisselingsbuis 2, die een gevolg kunnen zijn van drukveranderingen in de buis 2, te volgen.

Teneinde de vervorming van de vlakke zijden 6 van de warmtewisselingsbuizen 2, in het bijzonder ten gevolge van een vacuum in de buizen 1 zoveel mogelijk tegen te gaan, zijn in het inwendige van de warmtewisselingsbuizen 2 verbindings-strippen 10 aangebracht die zich in de lengterichting van de warmtewisselingsbuizen 2 uitstrekken en beide tegenoverliggende zijden 6 van elke warmtewisselingsbuis 2 onderling verbinden. In het weergegeven uitvoeringsvoorbeeld, waarbij in elke buis één verbindingsstrip 10 in het midden is aangebracht, bezit elke verbindingsstrip 10 een U-vormige dwarsdoorsnede. De beide flenzen 11 van elke verbindingsstrip 10 zijn aan de bijbehorende zijde 6 van de buis 2 bevestigd, bijvoorbeeld door middel van solderen. In het lijf van de verbindingsstrip 10 zijn doorlaatopeningen 12 gevormd, die voorkomen dat drukverschillen aan weerzijden van de verbindingsstrip 10 ontstaan.

Een verdere maatregel om het uitzetten van de warmtewisselingsbuizen 2 ten gevolge van een overdruk hierin en derhalve het opbollen van de vlakke zijden 6 hiervan tegen te gaan is het op zodanige afstand van elkaar plaatsen van de buizen 2, dat de vinnen 7 van naburige buizen 2 althans nagenoeg tegen elkaar aanliggen en als steun voor elkaar kunnen dienen.

Fig. 5 toont een alternatieve uitvoering voor het vouwen van de vinnen 7 uit een band. In dit geval is de band op hoekige wijze plooi- of golfvormig gevouwen, zodanig dat telkens platte oppervlakken 13 worden gevormd. Deze oppervlakken 13 aan één zijde van de vinnen 7 liggen vlak tegen de platte zijde 6 van de warmtewisselingsbuis 2 aan en vormt een groot verbindingsoppervlak, hetgeen zowel voor de warmte-overgang tussen de vinnen 7 en de buis 2 als voor de verbinding tussen de vinnen 7 en de buis 2 gunstig is. Deze uitvoeringsvorm van de vinnen 7 is zeer geschikt voor het door middel van lijmen met behulp van een warmtegeleidende lijm bevestigen van de vinnen 7 aan de betreffende zijde 6 van de warmtewisselingsbuis 2.

De verspringende insnijdingen 13 strekken zich zodanig uit en zijn zodanig in een rij achter elkaar geplaatst, dat een buiging van de vinnen 7 slechts over het platte op pervlak 13 behoeft plaats te vinden. Hierdoor zijn de vinnen 7 gemakkelijk buigbaar.

Een verder voordeel van de insnijdingen 13 in de vinnen 7 is, dat zij de turbulentie van de koellucht langs de vinnen 7 vergroten, waardoor de warmte-overdracht wordt verbeterd.

In fig. 6a is het vinprofiel van fig. 5 in drie verschillende uitrektoestanden weergegeven. Op deze wijze kan het aantal vinnen per lengte-eenheid door het meer of minder indrukken of uitrekken van de vinnenband worden gevarieerd.

De uitvinding is niet beperkt tot de in de tekening weergegeven en in het voorgaande beschreven uitvoeringsvoor-beelden, die op verschillende manieren binnen het kader van de bijgaande conclusies kunnen worden gevarieerd.

Claims (15)

1. Warmtewisselingsbuis voor toepassing in een warmtewisselaar, zoals een condensoreenheid, welke buis is ontworpen om te worden doorstroomd en omstroomd door tenminste twee afzonderlijke fluida voor het uitwisselen van warmte daartussen, en welke buis in dwarsdoorsnede is afgeplat onder vorming van tegenover gelegen afgeplatte zijden, waarop vinnen zijn bevestigd, die onder een schuine hoek ten opzichte van de langshartlijn van de buis zijn geplaatst

2. Buis volgens conclusie 1, waarbij de vinnen onder een over de lengte van de buis variërende hoek ten opzichte van de langshartlijn van de buis zijn aangebracht.

3. Warmtewisselingsbuis voor toepassing in een warmtewisselaar, zoals een condensoreenheid, welke buis is ontworpen om te worden doorstroomd en omstroomd door tenminste twee afzonderlijke fluïda voor het uitwisselen van warmte daartussen, en welke buis in dwarsdoorsnede is afgeplat onder vorming van tegenovergelegen afgeplatte zijden, waarop vinnen zijn bevestigd, die onder een hoek met de langshartlijn van de buis zijn geplaatst en in een richting om de hartlijn van de buis buigzaam zijn uitgevoerd.

4. Buis volgens conclusie 3, waarbij de vinnen uit een metalen band zijn gevouwen op een hoekig gegolfde wijze en waarbij de golven van de vinnenband zijn voorzien van dwars op de vouwlijnen verlopende insnijdingen.

5. Buis volgens conclusie 4, waarbij de vinnenband zodanig is gevouwen dat deze telkens met een afgeplat oppervlak in aanraking is met de afgeplatte zijden van de buis.

6. Buis volgens één der voorgaande conclusies, waarbij in het inwendige van de buis een de beide afgeplatte zijden hiervan verbindende en in de lengterichting van de buis verlopende verbindingsstrip is aangebracht.

7. Buis volgens conclusie 6, waarbij de verbindingsstrip een in hoofdzaak U-vormige dwarsdoorsnede bezit, waarvan het lijf is voorzien van doorlaatopeningen en waarvan de flenzen aan de afgeplatte zijden van de buis zijn bevestigd.

8. Buis volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de vinnen door lijmen met behulp van een warmtegelei-dende lijm zijn bevestigd.

9. Buis volgens één der voorgaande conclusies, > waarbij de afgeplatte zijden van de buis althans ongeveer vlak zijn en evenwijdig aan elkaar verlopen.

10. Warmtewisselaar uitgevoerd met een aantal warm-tewisselingsbuizen volgens één der voorgaande conclusies.

11. Warmtewisselaar, in het bijzonder condensor-i eenheid, voorzien van tenminste een rij althans ongeveer evenwijdig aan elkaar verlopende warmtewisselingsbuizen, een inlaatkamer, waarop één uiteinde van de buizen aansluit, een uitlaatkamer waarop het andere uiteinde van de buizen aansluit, en middelen voor het in een richting in hoofdzaak dwars op de rij buizen laten stromen van een fluïdum langs de buizen, waarbij de buizen dwars op de rij hiervan zijn afgeplat, terwijl op de afgeplatte zijden van de buizen vinnen zijn bevestigd, welke schuin op de langshartlijn van de betreffende buis zijn geplaatst.

12. Warmtewisselaar volgens conclusie 10, waarbij de vinnen onder een over de lengte van de betreffende buis variërende hoek ten opzichte van de langshartlijn zijn geplaatst.

13. Warmtewisselaar volgens conclusie 12, waarbij twee afzonderlijke bundels uit tenminste een rij gevormde warmtewisselingsbuizen dakvormig zijn opgesteld en waarvan de buizen aan hun bovenste uiteinde op een gemeenschappelijke inlaatkamer aansluiten, terwijl een gas, zoals lucht, met behulp van een ventilator van onderen af door de rijen buizen kan worden geleid, waarbij de vinnen op de buizen in de richting van de bovenste inlaatkamer steeds steiler verlopen.

14. Warmtewisselaar, in het bijzonder condensor-eenheid, voorzien van tenminste een rij althans ongeveer evenwijdig aan elkaar verlopende warmtewisselingsbuizen, een inlaatkamer, waarop één uiteinde van de buizen aansluit, een uitlaatkamer waarop het andere uiteinde van de buizen aansluit, en middelen voor het in een richting in hoofdzaak dwars op de rij buizen laten stromen van een fluïdum langs de buizen, waarbij de buizen dwars op de rij hiervan zijn afgeplat, terwijl op de afgeplatte zijden van de buizen vinnen zijn bevestigd, welke in een richting om de langshartlijn van de betreffende buis buigzaam zijn uitgevoerd.

15. Warmtewisselaar volgens één der conclusies 11-14, waarbij de vinnen van naburige buizen in een rij hiervan althans nagenoeg tegen elkaar aan zijn gelegen.