NL9000003A - Gesloten gebruikskringloop voor een calorisch medium. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Gesloten gebruikskringloop voor een calorisch medium.

De uitvinding heeft betrekking op een gesloten gebruiks-kringloop voor een calorisch medium omvattende een in deze kringloop opgenomen warmtewisselaar en een gebruiksapparaat waarin warmteoverdracht met dit medium kan plaatsvinden, waarbij de warmtewisselaar is voorzien van een ruimte met een uitwendige verwarmingsinrichting, verder voorzien van voortstuwingsmiddelen voor het met aanzienlijke snelheid ononderbroken door deze ruimte voeren van het medium in aanraking met het verwarmde manteloppervlak van de ruimte, terwijl voorts middelen aanwezig zijn voor .het circuleren van het medium door de gebruikskringloop.

Een dergelijke kringloop is uit de praktijk bekend, zie b.v. de brochure 250 KL van de firma REGLOPLAS in St. Gallen, Zwitserland. Het gebruiksapparaat van een dergelijke kringloop is vaak een spuitgietmachine waarvan de matrijsdelen op een nauwkeurige temperatuur moeten worden gehouden en soms moeten worden gekoeld. De toegepaste calorische media moeten daarbij zeer snel en in een beknopte ruimte worden verhit in een warmtewisselaar voorzien van een uitwendige verwarmingsinrichting.

Het is bekend dat de gebruikelijke calorische media (b.v. olie) geleidelijk ontleden door plaatselijke oververhitting als gevolg van een rechtstreekse aanraking met het verwarmend oppervlak van de toegepaste uitwendige verwarmingsinrichting. Nu is het bij het industriële gebruik van dergelijke media voor het maximaal verhogen van de verwarmingssnelheid, algemeen toegelaten de verwarmings-oppervlakken op een temperatuur te brengen die duidelijk hoger is dan de aanvaardbare temperatuur zonder het risico van een ontleding van de olie. Toch betekent dit voor een warmtewisselaar met een aanzienlijk verwarmend oppervlak, dat men desondanks tot een zeer volumineuze konstruktie komt met als verder nadeel de aanzienlijke hiermee gepaard gaande investeringen.

De uitvinding beoogt aan deze bezwaren tegemoet te komen,· en een gebruikskringloop te verschaffen, waarbij de afmetingen van de warmtewisselaar bij eenzelfde vermogen en rendement, duidelijk kleiner zijn dan bij de bestaande gebruikskringlopen.

- Dit oogmerk wordt volgens de uitvinding bereikt doordat - de uitwendige verwarmingsinrichting gevormd wordt door electrische weerstanden met een hoge warmtestroomdichtheid 2 (meer dan 1,8 W/cm ); - de voortstuwingsmiddelen voor het calorisch medium een trommel omvatten die aan de buitenzijde is voorzien van uit één of meer gangen bestaande schroefdraad of draadsegmenten; met rakelwerking, welke trommel concentrisch met de cilindrische mantel van de vloeistofruimte in rotatie wordt aangedreven, zodanig dat de schroefdraad en/of de draadsegmenten in de onmiddellijke nabijheid van de binnenzijde van de genoemde wand bewegen; - de circulatiemiddelen voor het medium in de gebruikskringloop gevormd worden door een pomp; - de kringloop een temperatuurvoeler omvat die is aangebracht in de vloeistofstroom van de kringloop en middelen aanwezig zijn voor het regelen van de uitwendige verwarmingsinrichting met behulp van deze temperatuurvoeler, het een en ander zodanig dat zelfs bij stilstand van de circulatie van het medium binnen de kringloop, dit medium dank zij de rotatie van de trommel en door de regeling van de verwarmingsinrichting, ononderbroken blijft bewegen langs de binnenzijde van de verwarmde mantel zonder risico van ontleding door plaatselijke oververhitting.

Door deze maatregelen verkrijgt men de combinatie van een aanzienlijke warmtestroomdichtheid bij een hoge verplaatsingssnelheid van het medium ter plaatse van de verwarmde mantel, door toepassing van "rakel"-middelen voor het inwendige van de mantel en door het gebruik van regel-middelen, zodat een plaatselijke oververhitting van het medium dat in aanraking is met deze wand, wordt voorkomen.

In’, een uitvoeringsvorm van de kringloop volgens de uitvinding zijn binnen de kringloop middelen voor het koelen van het medium aanwezig, waarbij de regelmiddelen voor de temperatuur van het medium eveneens inwerken op deze koelmiddelen. De toepassing van koelmiddelen en de opname van deze middelen in het regelsysteem maakt het mogelijk snel te reageren wanneer de situatie van het gebruiksapparaat in de kringloop een afschakeling van de verwarming vereist.

Opgemerkt wordt dat uit het Franse octrooischrift 1.155.041 een apparaat bekend is waarin een vloeibaar materiaal, zoals b.v. een eiwitsuspensie, jam, stroop of viscose een thermische behandeling onder overdruk kan ondergaan binnen een ringvormige ruimte bestaande uit een aan beide einden gesloten cilindrische mantel 3 die is voorzien van een uitwendige verwarmingsinrichting en van inwendige voortstuwingsmiddelen voor het ononderbroken langs de verwarmde mantel voeren van het vloeibare materiaal. Daarbij wordt gebruik gemaakt van een draaibare trommel 4, 10 die aan zijn buitenzijde is voorzien van rakelorganen 18 die concentrisch zijn ten opzichte van de mantel en dicht daarbij zijn gelegen. Aan de binnenzijde van de trommel is een meedraaiende wand 11 zodat een tweede ringvormige ruimte 12 ontstaat waarvan de doorgang wordt bemoeilijkt door weerstandsorganen 28. Er is geen uitwendige gebruikskringloop aanwezig en evenmin beoogt men een bijzonder hoge warmtestroomdichtheid ter plaatse van de verwarmde mantel te bereiken.

In het behandelingsapparaat volgens dit Franse octrooi-schrift wordt het te verhitten materiaal derhalve gevoerd door een ringbuisvormig kanaal dat aan weerszijden is voorzien van verwarmingsmiddelen bestaande uit hete vloeistoffen. Deze bekende warmtewisselaar vertoont uit dien hoofde een betrekkelijk ingewikkelde opbouw en leent zich daardoor minder goed voor een compacte en uitsluitend van buiten af te verhitten inrichting die toch een hoge calorische stroomdichtheid (warmtestroom per oppervlakte-eenheid) mogelijk maakt.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening waarin een warmtewisselaar voor de beoogde verbruikskringloop in langsdoorsnede is weergegeven.

De warmtewisselaar wordt gevormd door een ruimte 15 bestaande uit een grondvlak 1 en een cilindrische mantel 2 die loodrecht staat op het grondvlak 1. Deze cilindrische mantel 2 is vervaardigd uit een thermisch goed geleidend materiaal. De mantel 2 wordt van buitenaf verwarmd door conventionele middelen die in de tekening met pijlen I zijn aangegeven, en bijvoorbeeld bestaan uit een electrische weerstandsverwarming.

Binnen de cilindrische mantel 2 van de warmtewisselaar is concentrisch een trommel 3 aangebracht die in draaiing wordt medegenomen door een as 4 van een motor 5. Deze as 4 komt overeen met de centrale hartlijn van de cilindrische mantel 2. Het buitenoppervlak van de trommel 3 is voorzien van een opstaande schroefdraadwinding 6. Dit draaiende samenstel 3-6 vormt een schroef zonder einde, waarbij de bovenrand van de winding 6 zonder aanraking beweegt in de onmiddellijke nabijheid van het verwarmende binnenvlak van de cilindrische mantel 2.

De schroefdraadwinding 6 kan worden vervangen in een andere uitvoeringsvorm door een schroefdraad met één of meer gangen en een dwarsdoorsnede die bijvoorbeeld trapeziumvormig, driehoekig of boogvormig kan zijn. Bovendien is de speling tussen de winding of draad 6 en het binnenvlak van de cilindrische mantel 2 zo gering mogelijk als toelaatbaar is met de bewerkingstoleranties en het toegepaste materiaal, voor het vermijden van een aanlopen.

De cilindrische mantel 2 van de warmtewisselaar is afgesloten door een element 7, dat als deksel dienst doet en dat is voorzien van een centrale toevoerbuis 8 voor calorisch medium en van twee vaste evenwijdige cilindrische wanden'9 in de nabijheid van de trommel. Deze wanden strekken zich tijdens bedrijf binnen de trommel 3 uit op een wijze zoals afgebeeld in de tekening. De twee cilindrische wanden 9 begrenzen een kamer 9'. Het vrije uiteinde van deze kamer 9' is afgesloten en het uiteinde dat een geheel is met de deksel 7, is voorzien van twee doorlaatopeningen waarvan de ene 10 de toelaat vormt en de andere 11 een uitlaat voor een koelmedium, bijvoorbeeld water.

De warmtewisselaar is nog bij de doorsnijding van de binnenwand van de cilindrische mantel 2 en van het grondvlak 1 voorzien van een omtrekspomp 12, terwijl het grondvlak 1 zelf nog is voorzien van een uitlaatkanaal 13 dat is verbonden met een leiding 14 van de verbruikskringloop.

Het calorisch medium, bijvoorbeeld een verwarmingsolie dat men op een bepaalde temperatuur wenst te brengen in verband met zijn gebruik in een verbruiksapparaat van de uitwendige kringloop, wordt toegevoerd aan de ruimte 15 begrensd door de binnenwanden 9 van de kamer 9'. Dit medium wordt via een aanvoerbuis 8 toegevoerd volgens de pijl II.

De olie stroomt voorts tussen de uitwendige wand 9 van de kamer 9' en de binnenzijde van de trommel 3 en wordt vervolgens voortgestuwd door de winding 6 van de draaiende trommel 3 welke op deze wijze net zo werkt als een eindloze schroef.

De draad of winding 6 doet in hoofdzaak dienst om de buitenste olielaag die de neiging heeft tegen de binnenwand van de cilindrische mantel 2 stil te staan, hiervan los te maken. Hierdoor wordt de slechte thermische geleiding van stilstaande olie bestreden. De warmtewisseling voor de verwarming van de circulerende olie kan derhalve op efficiënte wijze plaats vinden zonder risico van plaatselijke oververhitting.

Wanneer de olie, meegenomen door de schroef zonder einde in de nabijheid komt van het grondvlak 1 van de warmtewisselaar, wordt de warme olie aangezogen door de omtrekspomp 12, en naar de uitgang 13 gestuwd en vervolgens gevoerd naar de uitwendige gebruikskringloop (niet afgebeeld) via deze uitgangsbuis 14 (zie pijl III).

Een temperatuurvoeIer 16 is bijvoorbeeld in het uitgangs-kanaal 13 aangebracht, zodat daarmee de uitgangstemperatuur van de olie kan worden gecontroleerd. Deze temperaturmeting kan worden gebruikt voor het regelen van de warmtetoevoer I door toepassing van een automatische regelinrichting.

Bovendien kan voor het verbeteren van de werkzaamheid van de temperatuurbepaling, de temperatuurvoeler 16 ook worden gebruikt om afhankelijk daarvan de temperatuur en/of de hoeveelheid van het koelmedium te regelen dat via de in- en uitlaat 10 resp. 11 volgens de pijlen IV en V in de kamer 9' circuleert.

Opgemerkt wordt dat andere (niet afgeheelde) uitvoeringsvormen van de warmtewisselaar uit de gebruikskringloop volgens de uitvinding kunnen worden toegepast. Zo is het in het bijzonder mogelijk dat voor het laten circuleren van het medium langs het verwarmend oppervlak van de warmtewisselaar, rakelsegmenten of andere rakelmiddelen en/of beroeringsmiddelen worden aangebracht in de onmiddellijke nabijheid van dit oppervlak. Men kan ook de beschreven omtrekspomp 12 vervangen door een willekeurig ander soort pomp, zoals een aanzuigende pomp, een tandradpomp, een volumetrische pomp enz.

Het belangrijkste voordeel van de kringloop met de warmtewisselaar volgens de uitvinding voor het verwarmen van een medium bestaat uit de verhouding afmeting/snelheid en rendement van de verwarming. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk een warmtestroomdichtheid toe te passen die groter 2 is dan 10 W/cm in de inrichting volgens de uitvinding bij een uitvoeringsvorm waarbij de afmetingen ongeveer 15 cm x 15 cm bedragen (zonder de aandrijfmotor). Daarbij kan een circulatiesnelheid van het medium worden toegepast, bijvoorbeeld een gebruikelijke verwarmingsolie van 10 - 15 m/sec (rotatiesnelheid van de eindloze schroef: ongeveer 3000 omw/min).

Wanneer men hierentegen een gebruikelijke warmtewisselaar met dezelfde afmetingen bekijkt, kan de toegepaste warmte- 2 .stroomdichtheid niet groter zijn dan ongeveer 1,8 W/cm aangezien anders het risico van een betrekkelijk snelle ontleding van de olie optreedt.

Bovendien zal in de verbruikskringloop volgens de uitvinding, zelfs in het geval van een al of niet bewust stoppen van de mediumcirculatie in de buitenste kringloop, het medium zonder onderbreking blijven circuleren langs het verwarmingsvlak 2, zolang de eindloze schroefdraadwinding 6 aangedreven blijft. Hierdoor wordt elk risico van ontleding van de olie door plaatselijke oververhitting vermeden.

Alle specifieke kenmerken van deze uitvinding zoals hiervoor aangegeven aan de hand van de bijzondere uitvoeringsvorm, maken het mogelijk de afmetingen van de warmtewisselaar t.o.v. de stand van de techniek te verminderen met een faktor van ongeveer 5.

Het spreekt vanzelf dat een soortgelijke inrichting als zojuist beschreven ook kan worden toegepast als warmtewisselaar voor het koelen van een medium. Daarvoor is het eenvoudig voldoende de uitwendige verwarmingsmiddelen I te vervangen door uitwendige koelmiddelen, bijvoorbeeld een kringloop van een koelmedium. Verder wordt dan een warm medium gecirculeerd in de kamer 9' volgens de pijlen IV en V om de temperatuurregeling beter te doen werken.

De warmtewisselaar volgens de uitvinding, toegepast als koelinrichting voor een medium vertoont enerzijds het voordeel zoals ook in het geval van een verwarmingsinrichting.

dat de afmetingen aanzienlijk kunnen worden verminderd met betrekking tot de bekende inrichtingen met een soortgelijke capaciteit (vermogen) en koelrendement. Anderzijds wordt dankzij de gedwongen voortdurende circulatie langs de koelvlakken, voorkomen dat ongewenste wijzigingen optreden in de 'viscositeit of dat zelfs een gedeeltelijke kristallisatie van het medium optreedt ten gevolge van een plaatselijke onderkoeling.

Claims (2)

1. Gesloten gebruikskringloop voor een calorisch medium omvattende een in deze kringloop opgenomen warmtewisselaar en een gebruiksapparaat waarin warmteoverdracht met dit medium kan plaatsvinden, waarbij de warmtewisselaar is voorzien van een ruimte met een uitwendige verwarmings-inrichting, verder voorzien van voortstuwingsmiddelen voor het met aanzienlijke snelheid ononderbroken door deze ruimte voeren van het medium in aanraking met het verwarmde mantel-oppervlak van de ruimte, terwijl voorts middelen aanwezig zijn voor het circuleren van het medium door de gebruikskringloop, met het kenmerk, dat - de uitwendige verwarmingsinrichting gevormd wordt door electrische weerstanden met een hoge warmtestroomdichtheid 2 (meer dan 1,8 W/cm ); - de voortstuwingsmiddelen voor het calorisch medium een trommel (3) omvatten die aan de buitenzijde is voorzien van uit één of meer gangen bestaande schroefdraad (6) of draadsegmenten; met rakelwerking, welke trommel concentrisch met de cilindrische mantel (2) van de vloeistofruimte (15) in rotatie wordt aangedreven, zodanig dat de schroefdraad en/of de draadsegmenten in de onmiddellijke nabijheid van de binnenzijde van de genoemde wand bewegen; - de circulatiemiddelen voor het medium in de gebruikskringloop gevormd worden door een pomp (12); - de kringloop een temperatuurvoeler (16) omvat die is aangebracht in de vloeistofstroom van de kringloop en middelen aanwezig zijn voor het regelen van de uitwendige verwarmingsinrichting met behulp van deze temperatuurvoeler, het een en ander zodanig dat zelfs bij stilstand van de circulatie van het medium binnen de kringloop, dit medium dank zij de rotatie van de trommel (3) en door de regeling van de verwarmingsinrichting, ononderbroken blijft bewegen langs de binnenzijde van de verwarmde mantel (2) zonder risico van ontleding door plaatselijke oververhitting.

2. Kringloop volgens conclusie 1, me t he t k e n m e r k, dat binnen de kringloop middelen voor het koelen van het medium aanwezig zijn en dat de regelmiddelen voor de temperatuur van het medium eveneens inwerken op deze koelmiddelen.