NL9002251A

NL9002251A - Spiralen-warmtewisselaar.

Info

Publication number: NL9002251A
Application number: NL9002251A
Authority: NL
Original assignee: Tno
Priority date: 1990-10-16
Filing date: 1990-10-16
Publication date: 1992-05-18
Also published as: WO1992007226A1; ATE148219T1; EP0553238B1; JPH06502479A; DE69124391T2; DK0553238T3; JP3122464B2; EP0553238A1; DE69124391D1

Description

Spiralen-warmtewisselaar.

De uitvinding heeft betrekking op een spiralen-warmtewisselaar voorzien van een cilindrische omhulling waarbinnen een eerste medium door kan stromen en een rond de cilinderas spiraalvormig verlopend kanaal waar een tweede medium door kan stromen. Een dergelijke spiralen-warmtewisselaar is bekend uit het Offenlegungsschrift DE-3519315 Al.

Bij de uit deze publikatie bekende warmtewisselaar is binnen de, door een eerste medium doorstroomde, cilindrische omhulling een spiraalvormig verlopend door een tweede medium doorstroomd kanaal aangebracht. Deze warmtewisselaar wordt veelal bij een centraal-verwarmingscircuit toegepast waarin de afvoergassen uit de verbrandingsketel door de omhulling stromen en daarbij voor een deel warmte afgeven aan het door het spiraalvormige kanaal stromende terugloopwater hetgeen een besparing aan brandstofverbruik oplevert. Het spiraalvormige kanaal is dubbel gewikkeld zodat inlaat en uitlaat zich aan een zijde bevinden van de cilindrische omhulling. Een probleem bij deze warmtewisselaar is de relatief matige warmteoverdracht.

In de huishoudelijke omgeving en in de procesindustrie zijn nu compacte warmtewisselaars van groot belang gebleken enerzijds in verband met het gebrek aan ruimte onder bepaalde procesomstandigheden en anderzijds in verband met het gunstig specifieke vermogen (kW/m^) van zulk een warmtewisselaar bij een bepaald temperatuurverschil tussen de media en de hierdoor mogelijke lage specifieke kostprijs per m^ warmtewisse-lend oppervlak. Tevens zijn in de industrie toepassingen naar voren gekomen waarvoor het noodzakelijk bleek een warmtewisselaar van kleine afmetingen te hebben waarin meerdere media-stromen met elkaar warmte kunnen wisselen.

De uitvinding beoogt bovengenoemde problemen te ondervangen en een compacte warmtewisselaar aan te geven, waarin de warmteoverdracht bijzonder hoog is en waarmede als gevolg van de afmetingen een modulaire opbouw van meerdere van deze warmtewisselaars eenvoudig is te realiseren.

Dit wordt bij een warmtewisselaar van de in de aanhef genoemde soort aldus bereikt dat naast het ene spiraalvormige kanaal en telkens afwisselend daarmede tenminste een ander spiraalvormig kanaal is aangebracht waar een derde medium door kan stromen, en dat centraal binnen de beide spiraalvormige kanalen een recht kanaal voor doorstroming van het eerste medium is gevormd.

Door deze compacte uitvoering volgens de uitvinding met de overeenkomstig kleine kromtestraal van de spiraalvormige kanalen ontstaat een sterke turbulentie in de media in deze kanalen waardoor een uitstekende warmteoverdracht wordt verkregen. Tevens is aan de algemene eis voor warmtewisselaars van een zo groot mogelijk oppervlak bij zo weinig mogelijk doorstroomruimte voldaan. Door deze uitvoering met drie of meer kanalen kunnen meerdere stromen op verschillende wijzen met elkaar in warmtewisseling treden. Door omsluiting van het rechte kanaal met de twee of meer spiraalvormige kanalen kan het warmste medium door het rechte kanaal en kunnen de koudere en op te warmen media door de twee of meer spiralen worden geleid. Hierdoor blijft het grotere buitenoppervlak relatief koud en kan eventueel zonder of met beperkte isolatie aan de cilindrische buitenzijde worden gewerkt.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een matrixvormige warmte-wisseleenheid opgebouwd uit modules die elk worden gevormd door een warmtewisselaar zoals boven genoemd.

De uitvinding zal aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin: fig. 1 een voor een deel perspectivisch en voor een deel dwarsdoor-snedeaanzicht geeft van de warmtewisselaar volgens de uitvinding; fig. 2 een grafiek geeft van de invloed van de spiraaldiameter en de watersnelheid op de warmteovergangscoëfficient; en fig. 3 een grafiek geeft van de mediumtemperatuur in de kanalen als functie van de spiraallengte.

Figuur 1 geeft een aanzicht van de compacte wisselaar 1 volgens de uitvinding met twee spiraalvormige kanalen of buizen 3» ^ die elk afwisselend direct om het rechte cilindrische kanaal 2 zijn gewikkeld. Door de zeer compacte opbouw met een buitendiameter van ca. 19 mm en een diameter van elk kanaal van bij benadering 6 mm is door de zeer kleine kromtestraal van de spiraalkanalen een sterke turbulentie van de media en daardoor een uitstekende warmteoverdracht verkregen mede als gevolg van de zeer goed warmtegeleidende wanden. De cilindrische omhulling van de warmtewisselaar 6 kan van isolerend materiaal zijn. Bij een uitvoeringsvorm heeft elke spiraalvormige buis 16 windingen rond de rechte buis waardoor de totale warmtewisselaar een lengte van ca. 235 mm heeft.

De warmtewisselaar volgens de uitvinding kan op voordelige wijze worden vervaardigd b.v. door twee roodkoperen uitgegloeide buizen, gevuld met zand, met een geleider rond een stalen pen te wikkelen tot een samenstel. Na verwijdering van de pen wordt op dezelfde plaats een rechte roodkoperen leiding met dezelfde uitwendige diameter ingevoerd. Vervolgens wordt het gehele samenstel in vloeibare tin of ander goed warmtegeleidend vloeibaar materiaal 5 gedompeld. Teneinde het contact tussen het tin en de koperen buizen optimaal te doen zijn en alle ruimten tussen de buiswanden te doen vullen wordt met een brandervlam het tin nog eenmaal nagesmolten. Hierdoor worden door dichtvloeiing eventueel nog aanwezige holle ruimten tussen de drie buizen geheel gevuld.

Het spreekt vanzelf dat andere wijzen van vervaardiging en ook andere materialen kunnen worden toegepast in afhankelijkheid van de doorstromende media en van de toepassingen. Het is daarbij mogelijk om zodanig te werk te gaan dat door de vervaardiging van de twee spiraalvormige met eigen wand voorziene kanalen en het hierbij aangebrachte vulmateriaal gelijktijdig het rechte centrale kanaal wordt gevormd zonder een eigen specifieke wand. Het rechte kanaal krijgt een door de spiraalwanden en vulmateriaal gevormde, geribbelde wand.

Het is verder van bijzonder voordeel om de intree- en uittree-einden van de spiralen om te buigen zodanig dat zij evenwijdig lopen aan het intree- en uittree-einde van het rechte kanaal. Op deze wijze kan een aantal van deze warmtewisselaars in modulaire opbouw worden samengevoegd tot een grotere matrixvormige warmtewisseleenheid die verderop zal worden toegelicht.

Uiteindelijk kan rond het gehele samenstel als leidingisolatie 6 polyethyleen worden aangebracht.

Hiernavolgend zullen enkele proefnemingen en de meetresultaten daarvan worden toegelicht aan de hand waarvan kan worden afgeleid dat met deze warmtewisselaar, met water/water als media, een specifiek vermogen van ten minste 21000 kW/m3 bereikt kan worden bij een gemiddeld temperatuurverschil tussen de media van 43,4°C. Hierbij worden een k-waarde van 9200 W/m^.K en een warmteovergangscoëfficient van ca.

23000 W/m^.K bereikt. Deze waarden zijn hoog ten opzichte van die van de warmtewisselaars uit de huidige stand van de techniek.

Uit de in de volgende tabellen 1 en 2 aangegeven waarden kunnen verder, voor doorstroming van twee of drie buizen met water/water (tabel 1) en met lucht/stikstofdamp (tabel 2), de volgende gegevens worden afgeleid: maximale k-waarde van 9200 W/m^.K (water/water) en 106 W/m^.K (gas/gas); - maximaal specifiek vermogen van ca. 21000 kW/m3 (water/water) en 28Ο kW/m3 (gas/gas); en maximale warmteovergangscoëfficient a van 22600 W/m^.K (water/water) en 210 W/m^.K (gas/gas).

Het is zeer wel denkbaar dat bij watersnelheden, die hoger zijn dan de voor bovengenoemde proefnemingen gebruikte snelheid van 2,5 m/s, in de kanalen nog hogere waarden worden bereikt.

Het spreekt vanzelf dat het bij de bovengenoemde warmtewisselaar volgens de uitvinding van groot belang is dat het contacterende materiaal, n.l. de tussengegoten substantie, b.v. tin, tussen de drie kanalen zeer goed warmtegeleidend is.

Het berekenen van warmteovergangscoëfficienten op grond van de meetresultaten werd bemoeilijkt doordat de wandtemperaturen van de doorstroomde kanalen niet gemeten zijn. Daar deze proefnemingen bedoeld waren om een globale evaluatie van dit type warmtewisselaar te verkrijgen is gekozen voor een berekening van de warmteovergangscoëfficienten met de volgende aannamen: de dikte van het tinlaagje tussen de diverse kanalen onderling bedraagt minimaal 1 mm, op die plaatsen waar de koperen kanaal-wanden het dichtst bij elkaar liggen; het tussengesmolten tin sluit overal voor 100# aan op de wand-oppervlakken van de spiralen en het rechte kanaal; voor de warmtegeleidingscoëfficient van koper werd 349 W/m.K aangehouden en voor die van tin 65 W/m.K; voor de temperatuur midden in het tinlaagje van 1 mm dik werd aangehouden de rekenkundig gemiddelde waarde tussen de gemeten aan- respectievelijk afvoertemperaturen van de beide warmte-wisselende media (zie ook fig. 3)· Daarbij werd uitgegaan van een lineair temperatuurverloop in de lengterichting van de diverse kanalen.

Met behulp van het overgedragen vermogen, volgend uit de warmteba-lans en het inwendige oppervlak van de diverse kanalen, is de warmte-stroomdichtheid door de kanaalwanden berekend. Uit de warmteweerstand van de halve materiaaldikte (= halve tinlaagdikte + 1. koperen kanaal-wanddikte), de berekende warmtestroomdichtheid en de gemiddelde binnen-wandtemperaturen van de kanalen volgt de warmteovergangscoëfficient. Verderop is een berekeningsvoorbeeld weergegeven, terwijl alle berekende warmteovergangscoëfficienten voor de media water/water (2130 tot 22624 W/m^.K) opgenomen zijn in tabel 1.

Het grote verschil in de berekende warmteovergangsweerstanden ontstaat doordat het inwendige oppervlak van de twee spiralen samen ruim zes maal zo groot is als dat van het rechte cilindrische inwendige kanaal. Bovendien verschillen waarschijnlijk ten gevolge van de gekozen bedrijfsvoering de warmtebelastingen tijdens de experimenten nr. 1 en 3 ongeveer een factor twee. De kleine warmteovergangscoëfficienten gelden voor de spiralen en de grote voor het rechte cilindrische kanaal. De meetresultaten zijn gebruikt als input voor een rekenmodel.

In tabel 1 zijn voor de media water/water en in tabel 2 voor de media lucht/stikstofdamp de meetresultaten weergegeven.

De proefnemingen zijn gedaan om een indruk te krijgen hoe de warmtewisselaar zich zowel met vloeibare media als met gasvormige media gedraagt. De resultaten waren, zoals eerder gesteld, uitstekend.

Uitgaande van warmteoverdracht bij een turbulente stroming in de spiralen met Reynoldsgetallen > 22000, zoals bij experimenten 1, 2 en 4 (zie tabel 1) volgt hieronder een berekening van twee warmteovergangscoëfficienten, zowel voor de media water als lucht.

Daarvoor zijn de formules gebruikt zoals bekend uit de VDI-Waerme-atlas (1988) 5de editie. Deze formules luiden:

e= 0,3164/Re°’25 + 0,03.(d/D)°»5 Hierin is: d = inwendige pijpdiameter (di in fig. 1) in m; D = spiraaldiameter (Dw, in fig. 1) in m;

Re = kengetal van Reynolds;

Pr = Prandtl-getal van het betreffende medium;

Prw = Prandtl-getal van het betreffende medium bij de daar heersende wandtemperatuur.

Dit, toegepast op experiment no. 1, geeft het volgende: e= 0,3164/21616°*25+0,03.(0,0046/0,0128)°·5 = o,o44

of ct= Nu. /d=( 187,6.0,65)/0,0046= 26504 W/m2.K

Voor warme lucht, experiment no. 5« vinden we volgens bovenstaand berekeningsvoorbeeld α = 177 W/m%.

De invloed van de spiraaldiameter en van de watersnelheid op de berekende warmteovergangscoëfficient is in fig. 2 aangegeven.

Met betrekking tot experiment no. 1 volgt nu, op basis van de meetresultaten een vereenvoudigde berekening van de warmteovergangsco-efficient.

Bij dit experiment werden de twee spiralen in tegenstroom door-stroomd met water. Het rechte cilindrische kanaal werd niet benut. De beide einden daarvan waren niet afgesloten zodat er enige natuurlijke convectie van de omgevingslucht in dat kanaal opgetreden kan zijn. De in tabel 1 vermelde temperaturen zijn gemeten nadat de warmteuitwisseling duidelijk stationair was (met uitzonderling van experiment no. 5)· De buitenzijde van de twee spiralen was geïsoleerd met een stuk leidingiso-latie (polyethyleenschuim met een dikte van 13 mm).

Uit de diverse gemeten temperaturen aan het in- resp. uittree-einde van de spiralen volgt het logarithraisch temperatuurgemiddelde van 40,53°C. Wordt niet met het logarithmisch, maar met het rekenkundig gemiddelde temperatuurverschil gewerkt dan bedraagt dat: oT gemi.(rek.)= ((75,1-40,0)+(59,2-12,7))/2= 40,80°C.

Omdat de afwijking ten opzichte van het logarithmisch gemiddeld temperatuurverschil slechts 0,67% bedraagt wordt in deze berekening verder gewerkt met het rekenkundig gemiddelde temperatuurverschil. Het temperatuurverloop in de lengterichting van de warmtewisselaar is daarbij als lineair beschouwd zoals aangegeven in fig. 3* Dit is toelaatbaar als gevolg van de zeer kleine verblijftijd van het water in de spiralen (ca. 0,32 tot ca. 0,56 sec.). Bovendien kan er dan van worden uitgegaan dat het gemiddelde temperatuurverschil heerst op de halve lengte van de spiralen. Het gemiddelde temperatuurbeeld in de spiralen ziet er dan als volgt uit: warm medium: (75,1+59,2)/2 = 67,15°C; koud medium: (40,0+12,7)/2 = 26,35°C.

Uit deze twee temperaturen kan de gemiddelde "tinlaag"-temperatuur daar berekend worden als: (67,15+26,35)/2 = 46,75°C. Dit is een benadering van de werkelijkheid omdat de warmteovergangscoëfficienten in de beide kanalen niet overal dezelfde waarden behoeven te hebben. Ook de warmteweerstanden kunnen tengevolge daarvan lokaal verschillen.

Uit het gemiddelde overgedragen vermogen (zie tabel 1, experiment no. 1) en het inwendige oppervlak van de spiralen (= 0,00923 m^) werd de warmtestroomdichtheid berekend: q = 2200/0,00923 = 238353 W/m^ Ook werd de warmteweerstand 6/ van de totale materiaaldikte (koper + tin) bere kend. Deze 6/ bedroeg 20,4.10“^ m2.K/W. Uit de gemiddelde warmtestroom-dichtheid q (238353 W/m2) en de warmteweerstand 6/ volgt dan het temperatuurverschil over de materiaaldikte 6: oT(mat.di.) = 238353.20,4.10“^ = 4,86eC. Uit dit temperatuurverschil en de gemiddelde "tinlaag"-temperatuur (tgt) kunnen dan bij benadering de gemiddelde inwendige opper-vlaktemperaturen van de twee spiralen worden berekend. Deze zijn dan: 46,75+4,86/2 = 49,l8eC (warme medium-zijde) en 46,75-4,86/2 = 44,32eC (koude mediumzijde). Tenslotte volgen dan de gezochte warmteovergangs-coëfficienten uit de gemiddelde warmtestroomdichtheid gedeeld door het temperatuurverschil (nl. q/oT) tussen medium en wand, te weten: aan de warme zijde: 238353/(67,15-^9,18) = 13264 W/m2.K aan de koude zijde: 238353/(44,32-26,35) = 13264 W/m2.K In dit geval zijn deze warmteovergangscoëfficienten gelijk. Tengevolge van verschil in inwendig oppervlak tussen het inwendige rechte kanaal en een spiraal in het geval dat deze kanalen door de media worden door-stroomd zijn de warmtestroomdichtheden echter niet gelijk! Daarom is het niet geheel juist om in die situatie op dezelfde wijze te rekenen. Toch is voor de berekening van de in tabel 1 vermelde warmteovergangscoëfficienten deze onnauwkeurigheid aanvaard, omdat de wandtemperatuurcorrec-ties hiervoor slechts gering van grootte zijn.

Met de tot zover berekende warmteovergangscoëfficienten kan nu als "proef op de som" nog een controleberekening worden gemaakt, namelijk met de bekende betrekking voor warmteverliesberekening van cilindrische leidingen. Voor dit geval luidt de betrekking:

waarin:

Qcyl.= het overgedragen vermogen in een kanaal (W/m);

Ti = gemiddelde temperatuur van het warme medium (°C); T2 = gemiddelde tussenwand (tinlaag)-temperatuur van het warme medium (°C); ct£ = de hierboven berekende warmteovergangscoëffi-cient (W/m2.K); cu en sn de warmtegeleidingscoëfficienten van resp. koper en tin bij de daar heersende temperaturen (in W/m.K) en Di, Dl en D2 de respectievelijke diameters behorende bij de hierboven genoemde symbolen (in m). Een en ander in getalwaarden ziet er als volgt uit:

De ontwikkelde lengte van een spiraal van de warmtewisselaar bedraagt ca. 0,643 m» hetgeen betekent dat door de ene spiraal naar de andere wordt afgestaan: Q = 0,643.35^5/1000 = 2,292 kW. Deze waarde stemt goed overeen met de gemeten waarden (zie tabel 1, experiment no. 1) van 2,21 en 2,19 kW. Voor de andere experimenten zijn dergelijke controleberekeningen uiteraard ook mogelijk.

Tabel 1 Experimenten met de media water

Tabel 2 Experiment met de media lucht/stikstofdamp

*) De beide spiralen werden bij deze experimenten gelijktijdig in dezelfde richting doorstroomd! **) Het eerste getal heeft betrekking op spiraal 1, het tweede op spiraal 2 of het rechte kanaal in de kern van de spiralen. Dat er twee waarden zijn opgegeven volgt uit het feit dat dezelfde warmtestroom door twee verschillende oppervlakken stroomt

Uit de hierboven toegelichte meet- en rekengegevens blijkt de uitstekende warmteoverdracht van de onderhavige spiralen-warmtewisse-laar. Bij deze warmtewisselaar volgens de uitvinding kunnen met voordeel meerdere media-stromen tegelijkertijd met elkaar warmte wisselen. Met het ene genoemde rechte kanaal en de twee of meer daar omheen gewikkelde spiraalvormige kanalen zijn meerdere combinaties mogelijk ten aanzien van de aan warmtewisseling onderworpen mediastromen. Hierdoor ontstaat een grote flexibiliteit met betrekking tot deze doorstromende media.

Zoals eerder vermeld kan een aantal van deze warmtewisselaars als gevolg van de relatief kleine afmetingen met voordeel in modulaire opbouw worden samengevoegd tot een grotere matrixvormige warmtewissel-eenheid. In een dergelijke matrixvormige warmtewisseleenheid is een aantal modules, die elk een warmtewisselaar volgens de uitvinding omvatten, in rijen en/of kolommen bij elkaar gevoegd en op elkaar aangesloten. Een dergelijke warmtewisseleenheid kan b.v. worden vervaardigd door loden draden in een blok van keramisch poeder te wikkelen overeenkomstig de genoemde kanalen van een enkelvoudige warmtewisselaar volgens de uitvinding. Het genoemde blok van keramisch poeder wordt vervolgens gebakken waarbij de loden draden in elke module wegsmelten. Na afkoeling blijft in elke module van de wisseleenheid de genoemde drie of meer kanalen in het keramische materiaal over. Een dergelijke warmtewisseleenheid kan met voordeel worden gebruikt voor toepassingen met doorstromende media voor hogere temperaturen, b.v. > 1000°C.

Claims

1. Spiralen-warmtewisselaar voorzien van een cilindrische omhulling waarbinnen een eerste medium door kan stromen en een rond de cilinderas spiraalvormig verlopend kanaal waar een tweede medium door kan stromen, met het kenmerk, dat naast het ene spiraalvormige kanaal en telkens afwisselend daarmede tenminste een ander spiraalvormig kanaal is aangebracht waar een derde medium door kan stromen, en dat centraal binnen de beide spiraalvormige kanalen een recht kanaal voor doorstroming van het eerste medium is gevormd.

2. Spiralen-warmtewisselaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het rechte kanaal en de beide spiraalvormige kanalen warmte-goedge-leidende wanden hebben en dat de ruimten tussen deze wanden van de genoemde kanalen via dichtvloeiing met warmte-goedgeleidend materiaal zijn gevuld.

3. Spiralen-warmtewisselaar volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de wand om het rechte kanaal wordt gevormd door de wanden van de spiraalvormige kanalen en het vulmateriaal daartussen.

4. Spiralen-warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de intree- resp. uittree-einden van de beide spiraalvormige kanalen aan de ene korte zijde resp. andere korte zijde van de warmtewisselaar omgebogen zijn zodat zij evenwijdig aan het rechte kanaal lopen.

5. Spiralen-warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de buitendiameter van elk kanaal bij benadering 6,4 mm bedraagt, dat de buitendiameter van de spiraalvorm bij benadering 19,2 mm bedraagt en dat de langsafmeting van de cilindrische omhulling bij benadering 235 mm bedraagt.

6. Spiralen-warmtewisselaar volgens conclusie 1 en 2, met het kenmerk, dat de genoemde kanalen van uitgegloeid rood koper zijn en dat het vulmateriaal tin is.

7· Werkwijze voor het vervaardigen van een spiralen-warmtewisselaar volgens een der voorgaande conclusies, waarin twee kanalen van uitgegloeid metaal, gevuld met zand, om een stalen pen worden gewikkeld tot een samenstel, welke pen vervolgens wordt vervangen door een recht metalen kanaal met dezelfde uitwendige diameter als de pen, en dat het samenstel in vloeibaar vulmateriaal wordt gedompeld, waarbij na wegneming daaruit afkoeling plaatsvindt.

8. Werkwijze volgens conclusie 7. met het kenmerk, dat het vloeibare vulmateriaal nogmaals met een brander wordt nagesmolten, waarna afkoeling plaats vindt.

9. Matrixvormige warmtewisseleenheid opgebouwd uit modules, die elk worden gevormd door een spiralen-warmtewisselaar volgens conclusie 1.

10. Matrixvormige warmtewisseleenheid volgens conclusie 9» bestaande uit een homogeen blok van keramisch materiaal, waarin ter plaatse van de modules, drie kanalen door het goed geleidende keramische materiaal lopen dat als tussenwand van de kanalen dienst doet.

11. Werkwijze voor het vervaardigen van de matrixvormige warmtewisseleenheid volgens conclusie 10, waarin loden draden in een blok van keramisch poeder worden gewikkeld overeenkomstig de genoemde kanalen, en het blok met de draden vervolgens wordt gebakken, waarbij na wegsmelting van het lood de drie kanalen in elke module in het keramische materiaal overblijven.