NL9100270A

NL9100270A - High velocity heat exchanger with spiral wound tubing layers vertically stacked - has alternate tube coils counter wound to reduce size and provide blockage-free performance

Info

Publication number: NL9100270A
Application number: NL9100270A
Authority: NL
Original assignee: Geert Pieter Froma
Priority date: 1991-02-15
Filing date: 1991-02-15
Publication date: 1992-09-01
Also published as: NL192963C; NL192963B

Abstract

In a heat exchanger six horizontally spiral wound exchanger tube packs (1 to 6) are stacked vertically. Alternate tube packs in the stack are wound clockwise and counter clockwise, and are connected in series with the fluid flow. Fluid supply is connected to the bottom tube pack with discharge taken from the top pack. Due to the contra rotation of the tube packs overall stack height is reduced and the length of tubing allows for high fluid velocities whilst maintaining adequate residence time for efficient heat transfer. This avoids sludge formation and consequent blockage. The stack is intended to be installed with an enclosed vessel.

Description

Korte aanduiding: Warmtewisselaar met een spiraalvormig . omlopend kanaal alsmede ketel met een dergelijke warmtewisselaarShort designation: Heat exchanger with a spiral. circulating channel as well as boiler with such a heat exchanger

De uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar met een kanaal, dat ten minste twee in hoofdzaak spiraalvormig om een gemeenschappelijke as verlopende elementen met in de richting van die as onderling verschoven posities vormt, waarbij het ene spiraalvormige element in een bepaalde draairichting, d.w.z. linksom of rechtsom, buitenwaarts verloopt.The invention relates to a heat exchanger with a channel, which forms at least two elements which are substantially spiral-shaped about a common axis with positions mutually displaced in the direction of that axis, the one spiral element in a certain direction of rotation, ie counterclockwise or clockwise , goes outwards.

Een dergelijke warmtewisselaar is bekend uit FR-A-2 377 013. Bij deze warmtewisselaar zijn de spiraalvormige elementen parallel aangesloten tussen een toevoer- en een afvoer-leiding en vormen deze in axiale richting opeenvolgend lagen, zodat een groot oppervlak voor warmtetransport van een medium binnen een beperkte ruimte naar een door de kanalen gevoerd medium wordt verkregen. Een voordelige eigenschap van deze warmtewisselaar is, dat de stromingsweerstand.relatief laag is als gevolg van de bij een bepaald fluidumdebiet relatief lage stroomsnelheid van het fluïdum door de kanaalgedeeltes die de spiraalvormige elementen vormen.Such a heat exchanger is known from FR-A-2 377 013. In this heat exchanger, the spiral elements are connected in parallel between a supply and a discharge pipe and form successively layers in axial direction, so that a large surface for heat transport of a medium is obtained within a limited space to a medium passed through the channels. An advantageous property of this heat exchanger is that the flow resistance is relatively low due to the relatively low flow velocity of the fluid at a given fluid flow rate through the channel sections which form the spiral elements.

Anderzijds zijn de elementen door de lage stroomsnelheid relatief gevoelig voor dichtslibben en andere verstoppingen. Voorts wordt de werking van de bekende warmtewisselaar nadelig beïnvloedt, doordat in geval van gehele of gedeeltelijke verstopping van één of meer van de elementen het fluïdum in de andere elementen sneller zal gaan stromen en slechter gekoeld of verwarmd wordt. Voorts kan door convectie en door verschil in stromingsweerstand tussen verschillende mogelijke stromings-routes van het fluïdum een verschil in stromingssnelheid van fluïdum in de verschillende elementen ontstaan, waardoor de effectiviteit van de warmtewisselaar negatief wordt beïnvloed.On the other hand, due to the low flow rate, the elements are relatively sensitive to silting up and other blockages. Furthermore, the operation of the known heat exchanger is adversely affected, because in the event of total or partial blockage of one or more of the elements, the fluid in the other elements will flow faster and will be poorly cooled or heated. Furthermore, due to convection and due to difference in flow resistance between different possible flow routes of the fluid, a difference in flow velocity of fluid in the different elements can arise, whereby the effectiveness of the heat exchanger is negatively influenced.

De uitvinding heeft als doel een warmtewisselaar met een lage stromingsweerstand te verschaffen, waarbij de genoemde bezwaren zijn ondervangen.The object of the invention is to provide a heat exchanger with a low flow resistance, wherein the said drawbacks are obviated.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat een ander spiraalvormige element in de genoemde draairichting binnenwaarts verloopt en een binnenste of een buitenste winding van het ene spiraalvormige element in hoofdzaak volgens een schroeflijn om de genoemde gemeenschappelijke as overgaat in een binnenste resp. een buitenste winding van het andere spiraalvormige element, zodanig dat, het kanaal volgend, de draairichting om de gemeenschappelijke as bij het overgaan van het ene spiraalvormige element naar het andere spiraalvormige element gelijk blijft.This object is achieved according to the invention in that another spiral element extends inwardly in the said direction of rotation and an inner or an outer winding of the one spiral element changes substantially in an inner and / or outer direction along said common axis. an outer turn of the other spiral element such that, following the channel, the direction of rotation about the common axis remains the same as the one spiral element changes to the other spiral element.

Bij de warmtewisselaar volgens de uitvinding zijn de spiraalvormige elementen in serie achter elkaar aangesloten, maar blijft de stromingsweerstand beperkt, doordat het kanaal van de ene spiraal naar de andere spiraal nagenoeg zonder extra buiging verloopt. Hierdoor wordt bovendien de gevoeligheid voor dichtslibben beperkt. Door de aansluiting in serie wordt de stroomsnelheid verhoogd, waardoor de gevoeligheid voor dichtslibben of op andere wijze verstopt raken verder wordt beperkt en is bij een bepaald fluidumdebiet de stroomsnelheid van het fluïdum in elk gedeelte van het kanaal bepaald door het dwarsdoorsnede -oppervlak van dat gedeelte het kanaal. Aldus kan een hoge effectiviteit van de warmtewisselaar worden gewaarborgd.In the heat exchanger according to the invention, the spiral elements are connected in series one behind the other, but the flow resistance remains limited, because the channel runs from one spiral to another spiral almost without additional bending. This also limits the sensitivity to silting up. The connection in series increases the flow rate, further reducing susceptibility to silting or otherwise clogging, and at a given fluid flow rate, the flow rate of the fluid in each section of the channel is determined by the cross-sectional area of that section the canal. Thus, a high effectiveness of the heat exchanger can be ensured.

Navolgend wordt de uitvinding nader geïllustreerd en toegelicht aan de hand van twee uitvoeringsvoorbeelden waarbij wordt verwezen naar de tekening. Daarbij toont: fig. 1 een zijaanzicht van een warmtewisselaar volgens een eerste uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding, fig. 2 een bovenaanzicht van een warmtewisselaar volgens fig. 1, fign. 3 en 4 bovenaanzichten van twee elementen van een warmtewisselaar volgens fig. 1 of 2, en fig. 5 een zijaanzicht in doorsnede van een ketel, met een warmtewisselaar volgens de uitvinding.The invention is further illustrated and elucidated hereinbelow on the basis of two exemplary embodiments, with reference to the drawing. In the drawing: Fig. 1 shows a side view of a heat exchanger according to a first exemplary embodiment of the invention, Fig. 2 shows a top view of a heat exchanger according to Fig. 1, fig. 3 and 4 are top views of two elements of a heat exchanger according to fig. 1 or 2, and fig. 5 is a side view in cross section of a boiler, with a heat exchanger according to the invention.

De in de figuren 1, 2 en 5 getoonde warmetewisselaars volgens de uitvinding zijn elk voorzien van zes door het kanaal 8 gevormde spiraalvormige elementen 1-6, die elk zijn gevormd door een spiraalvormig om een gemeenschappelijke as 7 verlopend gedeelte van het kanaal 8. Het element van het eerste spiraal-vormige deel 1 verloopt in bovenaanzicht linksom buitenwaarts, het element van het daarop volgende, tweede spiraalvormige deel 2 verloopt in die draairichting binnenwaarts. Het kanaal 8 gaat van een buitenste winding 9 van het eerste spiraalvormige element 1 in hoofdzaak volgens een schroeflijn om de genoemde gemeenschappelijke as 7 over in een buitenste winding 10 van het tweede spiraalvormige element 2. Het kanaal 8 volgend, blijft daarbij de draairichting om de gemeenschappelijke as 7 bij het overgaan van het eerste spiraalvormige element 1 naar het tweede spiraalvormige element 2 gelijk.The heat exchangers according to the invention shown in Figures 1, 2 and 5 each comprise six spiral elements 1-6 formed by the channel 8, each of which is formed by a portion of the channel 8 spiraling about a common axis 7. element of the first spiral-shaped part 1 extends in a counterclockwise direction outwards, the element of the subsequent, second spiral-shaped part 2 extends in that direction of rotation. The channel 8 changes from an outer winding 9 of the first spiral element 1 substantially along a helix about said common axis 7 into an outer winding 10 of the second spiral element 2. Following the channel 8, the direction of rotation around the common axis 7 is equal when passing from the first spiral element 1 to the second spiral element 2.

Het kanaal 8 van de warmtewisselaar volgens de uitvinding heeft een vloeiend verloop, zodat een lage stromings-weerstand van een daardoor gevoerd fluïdum wordt verkregen. Doordat de spiraalvormige elementen 1-6 in serie achter elkaar zijn aangesloten wordt daarbij een relatief hoge stroomsnelheid verkregen, zodat verstopping van het kanaal 8 wordt tegengegaan.The channel 8 of the heat exchanger according to the invention has a smooth course, so that a low flow resistance of a fluid passed through it is obtained. Because the spiral-shaped elements 1-6 are connected in series one behind the other, a relatively high flow speed is obtained, so that blockage of the channel 8 is prevented.

De stroomsnelheid in elk gedeelte van het kanaal 8 is bij een bepaald fluïdumdebiet bepaald door het dwarsdoorsnede-oppervlak van dat gedeelte van het kanaal 8, zodat de stroomsnelheid door de gehele warmtewisselaar nauwkeurig beheerst kan worden. Voorts is, doordat slechts één kanaalroute door de warmtewisselaar mogelijk is, bij een bepaald fluïdumdebiet, de verblijftijd in de warmtewisselaar van elk deel van het fluïdum binnen nauwe grenzen bepaald door het volume van het kanaal 8. De'uitvinding verschaft aldus een warmtewisselaar met een hoge, zeer constante effectiviteit.The flow rate in each portion of the channel 8 is determined at a given fluid flow rate by the cross-sectional area of that portion of the channel 8, so that the flow rate through the entire heat exchanger can be accurately controlled. Furthermore, because only one channel path through the heat exchanger is possible, at a given fluid flow rate, the residence time in the heat exchanger of each part of the fluid is determined within narrow limits by the volume of the channel 8. The invention thus provides a heat exchanger having a high, very constant effectiveness.

Opgemerkt wordt, dat hoewel de warmtewisselaars volgens de getoonde uitvoeringsvoorbeelden elk zijn uitgerust met zes spiraalvormige elementen, de uitvinding reeds kan worden toegepast met twee spiraalvormige elementen. Uiteraard is ook elk ander aantal spiraalvormige elementen groter dan twee in principe mogelijk.It is noted that although the heat exchangers according to the exemplary embodiments shown are each equipped with six spiral elements, the invention can already be applied with two spiral elements. Any other number of spiral elements larger than two is of course also possible in principle.

De binnenste winding 12 van een middelste spiraalvormig element 3 gaat over in een binnenste winding 11 van een naburig spiraalvormig element 2 aan één zijde van dat middelste spiraalvormige element 3 en een buitenste winding 13 van het middelste spiraalvormige element 3 gaat over in een buitenste winding 14 van een naburig spiraalvormig element 4 aan de tegenovergestelde zijde van dat middelste spiraalvormige element 3.The inner winding 12 of a middle spiral element 3 merges into an inner winding 11 of an adjacent spiral element 2 on one side of that middle spiral element 3 and an outer winding 13 of the middle spiral element 3 merges into an outer winding 14 of an adjacent spiral element 4 on the opposite side of that middle spiral element 3.

Hierdoor wordt een zeer compacte opbouw van de warmtewisselaar verkregen bij een zeer vloeiend verloop van het kanaal 8, terwijl bovendien een eenvoudig te vervaardigen kanaalverloop wordt verkregen.As a result, a very compact construction of the heat exchanger is obtained with a very smooth course of the channel 8, while, moreover, an easily manufactured channel course is obtained.

Het is ook mogelijk, bij een warmtewisselaar uitgerust met ten minste drie spiraalvormige elementen, het kanaal een zodanig verloop te geven, dat dit van een eerste spiraal-vormig element overgaat naar een derde spiraalvormig element en van een laatste spiraalvormig element met een oneven rang over-gaat naar een laatste spiraalvormig element met een even rang. Dit biedt het voordeel, dat de ingang en de uitgang van de warmtewisselaar aansluiten op eerste spiraalvormige elementen met een even en en oneven rang, die aan eenzelfde zijde van de warmtewisselaar zijn gelegen. Voorts biedt dit verloop van het kanaal het voordeel, dat een verbeterde axiale verdeling van de warmteoverdracht kan worden verkregen.It is also possible, in the case of a heat exchanger equipped with at least three spiral elements, to make the channel so that it changes from a first spiral element to a third spiral element and from a last spiral element with an odd rank over -go to a final spiral element with an even rank. This offers the advantage that the inlet and the outlet of the heat exchanger connect to first spiral elements with an even and odd rank, which are located on the same side of the heat exchanger. This course of the channel also offers the advantage that an improved axial distribution of the heat transfer can be obtained.

De warmtewisselaars volgens de getoonde uitvoerings-voorbeelden zijn uitgerust met een even aantal spiraalvormige elementen 1-6, waarbij een toevoerkanaal 15 en een afvoerkanaal 16 elk aansluiten op een binnenste winding 17 resp. 18 van een van de spiraalvormige elementen 1-6. Bij toepassing van een even aantal spiraalvormige elementen sluiten de toevoer- en afvoerkanalen steeds beide aan op binnen- of buitengelegen windingen van de desbetreffende spiraalvormige elementen. Voor een compacte bouw van de warmtewisselaar is het daarbij van voordeel indien de toevoer en afvoerkanalen elk aansluiten op een binnengelegen winding van één van de spiraalvormige elementen. De warmtewisselaar kan dan worden ondergebracht in een ruimte, die nauw aansluit op de buitengelegen windingen van de spiraal- vormige elementen, terwijl de toevoer- en afvoerkanalen zijn ondergebracht in een gebied, waar het aanbrengen van verdere windingen niet voordelig is, omdat de radius daarvan noodgedwongen te klein zou zijn.The heat exchangers according to the exemplary embodiments shown are equipped with an even number of spiral elements 1-6, wherein a supply channel 15 and a discharge channel 16 each connect to an inner winding 17 and 16, respectively. 18 of one of the spiral elements 1-6. When an even number of spiral elements are used, the supply and discharge channels always connect both to inner or outer windings of the relevant spiral elements. It is advantageous for a compact construction of the heat exchanger if the supply and discharge channels each connect to an inner winding of one of the spiral elements. The heat exchanger can then be housed in a space closely connected to the outer windings of the helical elements, while the supply and exhaust channels are located in an area where the provision of further windings is not advantageous because the radius thereof would necessarily be too small.

Bij de warmtewisselaars volgens de getoonde uitvoe-ringsvoorbeelden verlopen de spiraalvormige elementen 1-6 elk in hoofdzaak in een vlak dwars op de gemeenschappelijke as 7. Het is echter ook mogelijk het kanaalverloop zodanig uit te voeren, dat het gehele kanaal van elk spiraalvormige element in hoofdzaak volgens een conische schroeflijn verloopt.In the heat exchangers according to the embodiments shown, the spiral elements 1-6 each run substantially in a plane transverse to the common axis 7. However, it is also possible to design the channel course in such a way that the entire channel of each spiral element is essentially follows a conical helix.

Volgens het getoonde uitvoeringsvoorbeeld is zijn de spiraalvormige elementen, behalve het eerste en het zesde spiraalvormige element 1 resp. 6 modulair uitgevoerd. Elk een modulair, spiraalvormig element 2-4 vormende kanaalgedeelte vormt een geheel aantal windingen om de gemeenschappelijke as 7. De onderlinge afstand tussen de uiteinden 19 en 20 (fig. 3) resp. 21 en 22 (fig. 4) van elk een modulair, spiraalvormig element 2, 3 vormende kanaalgedeelte is telkens gelijk.According to the exemplary embodiment shown, the spiral elements, except for the first and sixth spiral elements, are 1 and 2, respectively. 6 modular. Each channel section forming a modular, spiral element 2-4 forms an integer number of turns about the common axis 7. The mutual distance between the ends 19 and 20 (fig. 3), respectively. 21 and 22 (fig. 4) of each channel section forming a modular, spiral-shaped element 2, 3 are the same in each case.

Hierdoor kan de warmtewisselaar worden opgebouwd met een aantal onderlinge gelijke spiraalvormige elementen, die bijvoorbeeld middels aansluitmoffen 23 met elkaar kunnen worden verbonden.The heat exchanger can hereby be built up with a number of mutually equal spiral-shaped elements, which can for instance be connected to each other by means of connecting sleeves 23.

Een dergelijk modulair spiraalvormig element is weergegeven in de figuren 3 en 4. In figuur 3 is het element weergegeven in een frontaal aanzicht van één zijde; in figuur 4 is hetzelfde element weergegeven in een frontaal aanzicht van de tegenovergestelde zijde. Het aanzicht volgens figuur 3 komt overeen met een bovenaanzicht van het derde of vijfde spiraal-vormige element 3 of 5. Het aanzicht volgens figuur 4 van hetzelfde spiraalvormige element komt overeen met het bovenaanzicht van het spiraalvormige element 2 of 4. Zoals uit de figuren 3 en 4 blijkt kunnen de getoonde, onderlinge gelijke elementen op elkaar worden aangesloten voor het vormen van opeenvolgende elementen van een warmtewisselaar volgens de uitvinding . Uit de modulaire elementen kunnen warmtewisselaars met verschillende capaciteiten worden samengesteld.Such a modular spiral element is shown in Figures 3 and 4. In Figure 3, the element is shown in a frontal view from one side; in Figure 4, the same element is shown in a frontal view from the opposite side. The view according to Figure 3 corresponds to a top view of the third or fifth spiral element 3 or 5. The view according to Figure 4 of the same spiral element corresponds to the top view of the spiral element 2 or 4. As shown in Figures 3 and 4 it appears that the mutually identical elements shown can be connected to each other to form successive elements of a heat exchanger according to the invention. Heat exchangers with different capacities can be assembled from the modular elements.

Het eerste en het laatste spiraalvormige element 1 en 6 van de getoonde warmtewisselaars zijn niet uitgevoerd als modulair element, maar als aansluitelement. Dit biedt het voordeel, dat geen extra bochtstukken nodig zijn om de warmtewisselaar te verbinden met een toevoer en een afvoerkanaal 15 en 16. Het is uiteraard ook mogelijk alle spiraalvormige elementen uit te voeren als modulair element en de desbetreffende elementen via een bochtstuk te verbinden met een toevoer- en een afvoerkanaal.The first and the last spiral elements 1 and 6 of the heat exchangers shown are not designed as a modular element, but as a connecting element. This offers the advantage that no additional elbows are required to connect the heat exchanger to an inlet and an exhaust duct 15 and 16. It is of course also possible to design all spiral elements as a modular element and to connect the relevant elements via an elbow a supply and a discharge channel.

Voor het vervaardigen van grote aantallen identieke warmtewisselaars volgens de uitvinding kan het voordelig zijn, de elementen gezamenlijk uit een enkele eendelige leiding te vormen. Een verder voordeel van een dergelijke uitvoering is, dat de kans op lekkage zeer gering is, doordat de warmtewisselaar geen kanaalverbindingen heeft.For the production of large numbers of identical heat exchangers according to the invention, it can be advantageous to form the elements together from a single one-piece pipe. A further advantage of such an embodiment is that the chance of leakage is very small, because the heat exchanger has no duct connections.

In fig. 5 is een ketel 27 met een warmtewisselaar volgens de uitvinding weergegeven. De ketel omvat voorst een vat 28, dat is omhuld in een ruimte 29 en is opgehangen in een .isolerende behuizing 30 en is afgesloten door een isolerende deksel 31. De warmtewisselaar is in een thermische vloeistof 24 ondergedompeld, in die vloeistof 24 is voorts een verwarmingselement 25 ondergedompeld. Een afvoerkanaal 16 sluit aan op een binnenste winding 18 van het onderste spiraalvormige element 6 en is voorzien van een in de thermische vloeistof 24 ondergedompeld reservoir 26.Fig. 5 shows a boiler 27 with a heat exchanger according to the invention. The boiler also comprises a vessel 28, which is enclosed in a space 29 and is suspended in an insulating housing 30 and is closed by an insulating cover 31. The heat exchanger is immersed in a thermal liquid 24, in which liquid 24 is also a immersion heater 25. A discharge channel 16 connects to an inner winding 18 of the lower spiral element 6 and is provided with a reservoir 26 immersed in the thermal liquid 24.

Het reservoir 26 verschaft bij niet-continue afname een voorraad medium op temperatuur en verlengt de gemiddelde verblijftijd van te verwarmen of te koelen fluïdum in de ketel. Voorts beperkt het reservoir 26 de hoeveelheid in de ketel te vullen thermische vloeistof 24, zoals thermische olie.The reservoir 26 provides a stock of medium at temperature upon continuous withdrawal and extends the average residence time of fluid to be heated or cooled in the kettle. Furthermore, the reservoir 26 limits the amount of thermal fluid 24 to be filled in the kettle, such as thermal oil.

Claims

Heat exchanger with a channel, which forms at least two elements which are substantially spirally arranged about a common axis with positions mutually displaced in the direction of that axis, the one helical element extending outwards in a certain direction of rotation, characterized in that a another spiral element extends inwardly in the said direction of rotation and an inner or an outer winding of the one spiral element changes substantially into an inner and / or outer axis according to a helix about said common axis. an outer turn of the other spiral element such that, following the channel, the direction of rotation about the common axis remains the same as the one spiral element changes to the other spiral element.

Heat exchanger according to claim 1, equipped with at least three spiral elements, characterized in that the inner winding of a middle spiral element changes into an inner winding of an adjacent spiral element on one side of said middle spiral element and an outer winding of the center spiral element merges into an outer coil of an adjacent spiral element on the opposite side of that center spiral element.

Heat exchanger according to claim 1, equipped with at least three spiral elements, characterized in that the channel changes from a first spiral element to a third spiral element and from a last spiral element with an odd rank to a last spiral element with an even rank.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, equipped with an even number of spiral elements, characterized in that a supply channel and a discharge channel each connect to an inner winding of one of the spiral elements.

Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that at least a number of the spiral elements have a modular design, each channel section forming a modular spiral element forming an integer number of turns about the common axis and the mutual distance between the ends of each channel section, which form a modular, spiral-shaped element, are always the same.

Heat exchanger according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the elements are jointly formed from a one-piece pipe.

Boiler comprising a heat exchanger according to any one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger is immersed in a thermal liquid, a heating element is further immersed in that liquid, and a supply or discharge channel connects to an inner winding of one of the spiral elements and is provided with a reservoir, at least partly, immersed in the thermal liquid.