NO146511B

NO146511B - HEAT EXCHANGERS, SPECIAL WATER HEATER FOR USED WATER

Info

Publication number: NO146511B
Application number: NO780248A
Authority: NO
Inventors: Claus Fabricius
Original assignee: Kaehler & Breum Beholder Og Ma
Priority date: 1977-02-02
Filing date: 1978-01-24
Publication date: 1982-07-05
Also published as: CH626983A5; DE2803664A1; FR2379785A1; NL7800936A; GB1578505A; FR2379785B3; NO780248L; SE7801135L; NO146511C

Description

Oppfinnelsen vedrører en varmeveksler, særlig en varmtvannp-beholder for oppvarming av bruksvann, nærmere bestemt en behold- The invention relates to a heat exchanger, in particular a hot water tank for heating service water, more specifically a tank

er av den art som er angitt i innledningen til patentkrav 1. is of the type specified in the introduction to patent claim 1.

Slike varmevekslere kan brukes til oppvarming av bruksvann Such heat exchangers can be used for heating domestic water

og andre væsker ikke bare ved hjelp av fjernvarme-vann eller and other liquids not only with the help of district heating water or

-damp, men også ved utnyttelse av solvarme, jordvarme eller -steam, but also by utilizing solar heat, geothermal heat or

i varmen i spillvann (prosessvann) av enhver art. For å oppnå enj økonomisk utnyttelse, er det viktig, at det brukte varmemediumj (i regelen avkjølt vann eller kondensat) forlater varmeveksleren med lavest mulig temperatur, og at temperaturen i vannmassen i: forrådsbeholderen ikke på noe sted er høyere enn nødvendig, for at det avtappete bruksvann kan ha den ønskete temperatur. I in the heat in waste water (process water) of any kind. In order to achieve economic utilization, it is important that the used heating medium (usually cooled water or condensate) leaves the heat exchanger at the lowest possible temperature, and that the temperature of the water mass in: the storage tank is not higher than necessary at any point, so that tapped service water can have the desired temperature. IN

andre typer varmevekslere enn den det her er tale om, har man i Other types of heat exchangers than the one in question here are available

forsøkt å oppnå dette ved å dele opp beholderen i to rom ved ! hjelp av en mellombunn, slik at man får et kaldere nederste | rom for kjøling og varmemottak fra varmemediet, umiddelbart før tried to achieve this by dividing the container into two compartments by ! with the help of an intermediate bottom, so that you get a colder bottom | room for cooling and receiving heat from the heating medium, immediately before

det forlater varmeveksleren, og en øverste varmere del til supplerende oppvarming av bruksvannet gjennom varmevekslerens ' overdel. it leaves the heat exchanger, and an upper warmer part for supplementary heating of the service water through the heat exchanger's upper part.

Ved den foreliggende oppfinnelse tilstrebes det a oppnå en liknende hensiktsmessig temperaturfordeling i vannet i en forråds beholder, som er en enkel beholder med et enkelt indre rom, hvori det er plass til en hensiktsmessig elektrolytisk beskyttelse av rørsystemet og katodisk beskyttelse av beholderen, samtidig med at man unngår problemer med å skulle plassere en mellombunn og rørforbindelser mellom de rom som adskilles av denne. With the present invention, the aim is to achieve a similar appropriate temperature distribution in the water in a storage container, which is a simple container with a single internal space, in which there is room for an appropriate electrolytic protection of the pipe system and cathodic protection of the container, at the same time that you avoid problems with having to place an intermediate floor and pipe connections between the rooms that are separated by this.

Varmeveksleren ifølge oppfinnelsen er karakterisert ved at: det mellom innløps-fordelerrøret og utløps-samlerøret er an- i The heat exchanger according to the invention is characterized in that: the one between the inlet distributor pipe and the outlet collector pipe is

bragt et antall rørspiralelementer som er slik utformet, at brought a number of tube spiral elements which are designed in such a way that

hvert element har en øvre del, hvis totale overflate er vesentlig 'mind re enn den samlete varmeflate av elemente ts nedre del. each element has an upper part, the total surface of which is substantially less than the total heating surface of the element's lower part.

I den nedre del av hvert rørspiralelement kan det oppnås en vesentlig større avkjøling av varmemediet og ved oppdeling av varmelegemet i to etasjer eller trinn, oppnås dessuten en gunstig lagdeling av vannet i forrådsbeholderen etter temperatur, som følge av dempningen av den termosifoniske virkning. Med andre ord får man uten å bruke noen mellombunn og uten å skape hindringer for den elektrolytiske beskyttelse av beholderen og rørsystem en oppdeling, slik at forrådsbeholderens øverste del inneholder varmt vann, f.eks. med temperaturer på ca. 50-60°C klar til avtapping, mens den nederste del inneholder kaldere vann som oppvarmes etter hvert som det blir bruk for det. In the lower part of each tube spiral element, a significantly greater cooling of the heating medium can be achieved and by dividing the heater into two floors or steps, a favorable stratification of the water in the storage tank according to temperature is also achieved, as a result of the attenuation of the thermosiphon effect. In other words, without using any intermediate base and without creating obstacles for the electrolytic protection of the container and pipe system, a division is obtained, so that the upper part of the storage container contains hot water, e.g. with temperatures of approx. 50-60°C ready for bottling, while the lower part contains colder water that is heated as it is used.

Prinsippet ifølge oppfinnelsen kan kanskje uttrykkes på den måte, at man har kombinert et termisk effektivt virkende varmelegeme bestående av elementenes øvre del, med et termisk bremsende varmelegeme, bestående av elementenes nedre del i en og samme beholder, idet varmelegemenes innbyrdes volum eller varmeoverførings-kapasitet er tilpasset de aktuelledrrVésforhold. The principle according to the invention can perhaps be expressed in the way that one has combined a thermally effective heating element consisting of the upper part of the elements, with a thermally braking heating element, consisting of the lower part of the elements in one and the same container, since the mutual volume or heat transfer capacity of the heating elements is adapted to the current conditions.

Rørspiralelementene som inngår i de to varmelegemer, kan hensiktsmessig være standardelementer, og en varmeveksler kan da ifølge oppfinnelsen på enkel måte bygges opp ved at det mellom innløps-fordelerrøret og utløps-samlerøret er anbragt et mellomste fordeler-rør som er forbundet med den nedre ende av hvert rørspiralelements øvre del og med den øvre ende av hvert rørspiralelements nedre del, idet eksempelvis det nedre varmelegeme består av et større antall - f.eks. dobbelt så mange - rørspiralelementer som det øverste. The tube spiral elements that are part of the two heating elements can conveniently be standard elements, and a heat exchanger can then be constructed in a simple way according to the invention by placing a middle distributor pipe between the inlet distributor pipe and the outlet collector pipe which is connected to the lower end of each pipe spiral element's upper part and with the upper end of each pipe spiral element's lower part, as for example the lower heater consists of a larger number - e.g. twice as many - tube spiral elements as the top one.

Det kan også ved en utførelsesform for varmeveksleren ifølge oppfinnelsen brukes forskjellig formete rørspiralelementer i de to varmelegemer, f.eks. kan rørspiralelementenes nedre del ha større diameter enn den øvre del. På denne måten oppnås ikke bare en ønsket stor varmeflate på den nedre del, men det er også større mulighet for at kalk, som har avleiret seg på den øvre del av elementene, og som løsner ved temperaturendring i disse, fritt kan synke ned til bunnen av beholderen, hvorfra den kan skilles ut gjennom en tappe-kran . In an embodiment of the heat exchanger according to the invention, differently shaped tube spiral elements can also be used in the two heating elements, e.g. can the lower part of the tube spiral elements have a larger diameter than the upper part. In this way, not only is a desired large heating surface achieved on the lower part, but there is also a greater possibility that lime, which has deposited on the upper part of the elements, and which loosens when the temperature changes in these, can freely sink down to the bottom of the container, from which it can be separated through a tap.

Strømningshastigheten for varmemediet gjennom den nedre del av elementene kan oppnås ved at rørspiralene har større tverrsnitt enn den øvre del. The flow rate for the heating medium through the lower part of the elements can be achieved by the tube spirals having a larger cross-section than the upper part.

Oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser skjematisk et loddrett snitt gjennom en utførelses-form av varmeveksleren ifølge oppfinnelsen, The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing, where fig. 1 schematically shows a vertical section through an embodiment of the heat exchanger according to the invention,

fig. 2 viser et vannrett snitt etter linjen II-II i fig. 1, og fig. 3 viser et loddrett snitt gjennom en annen utførelsesform for varmeveksleren. fig. 2 shows a horizontal section along the line II-II in fig. 1, and fig. 3 shows a vertical section through another embodiment of the heat exchanger.

Varmeveksleren som i tegningen er vist som eksempel, er en varmtvannsbeholder for oppbevaring og oppvarming av bruksvann ved hjelp av et varmemedium, så som damp eller varmt vann som strømmer gjennom et rørsystem i beholderen, og som f.eks. kan leveres fra et fjernvarmeanlegg eller en sentralvarmekjel. The heat exchanger shown in the drawing as an example is a hot water tank for storing and heating service water using a heating medium, such as steam or hot water that flows through a pipe system in the tank, and which e.g. can be supplied from a district heating system or a central heating boiler.

Varmeveksleren består av en forrådsbeholder 1, som i bunnen The heat exchanger consists of a storage container 1, as in the bottom

har en stuss 2 for tilkobling til en kaldtvannsledning og i toppen en stuss 3 for tilkobling til en ledning som fører til tappesteder for varmt bruksvann. Varmemediet i form av varmtvann eller damp føres inn i beholderen gjennom en utvendig stuss på et i beholderens øverste del anbragt ringformet innløps-fordelerrør 4, og etter at det er blitt avkjølt strømmer varmemediet ut gjennom en utvendig stuss på et utløps-samlerør 5 som er anbragt i beholderrommets nedre del. Innløps-fordelerrøret kan hensiktsmessig være anbragt i en avstand fra beholdertoppen, som omtrent svarer til 1/4 av beholderens volum. has a connection 2 for connection to a cold water line and at the top a connection 3 for connection to a line that leads to taps for hot domestic water. The heating medium in the form of hot water or steam is fed into the container through an external connection on an annular inlet distribution pipe 4 placed in the upper part of the container, and after it has cooled, the heating medium flows out through an external connection on an outlet collecting pipe 5 which is placed in the lower part of the container compartment. The inlet distributor pipe can conveniently be placed at a distance from the container top, which roughly corresponds to 1/4 of the container's volume.

Varmeoverføringsflaten, gjennom hvilken varmemediet avgir varme til vannet i forådsbeholderen 1, dannes av veggene i et antall skrue-linjeformet rørslanger, som i det følgende kalles rørspiralelementer. The heat transfer surface, through which the heating medium emits heat to the water in the supply container 1, is formed by the walls of a number of helical linear tubes, which are called tube spiral elements in the following.

Ved den varmeveksler ifølge oppfinnelsen som er vist i fig. 1 In the heat exchanger according to the invention shown in fig. 1

og 2 er varmeoverføringsflaten fordelt på 2 varmelegemer, nemlig et første varmelegeme, som er innskutt mellom utløps-samlerøret 5 and 2, the heat transfer surface is distributed over 2 heating elements, namely a first heating element, which is inserted between the outlet collector pipe 5

og et ringformet -mellomste fordelerrør 6 for en første^Dppvarming av det kalde vann som strømmer inn gjennom stussen 2 og et andre varmelegeme som er innskutt mellom det mellomste fordelerrør 6 og innløps-fordelerrøret 4 for supplerende oppvarming av det varme bruksvann som tappes av gjennom stussen 3. I den viste utførelses-form består det nevnte andre varmelegeme av tre rørspiralelementer 7, mens det nevnte første varmelegeme består av seks varmespiralele-menter 8 med litt større diameter enn diameteren på rørspiralele-mentene 7. and an annular middle distribution pipe 6 for a first heating of the cold water that flows in through the connection 2 and a second heater which is inserted between the middle distribution pipe 6 and the inlet distribution pipe 4 for supplementary heating of the hot service water that is drawn off through the spigot 3. In the embodiment shown, said second heating element consists of three pipe spiral elements 7, while said first heating element consists of six heating spiral elements 8 with a slightly larger diameter than the diameter of the pipe spiral elements 7.

Varmemediets strømningshastighet i det. første varmelegemet, The flow rate of the heating medium in it. first heater,

som dannes av spiralene 8, vil - forutsatt at alle spiraler har samme gjennomstrømningstverrsnitt - være bare halvparten så stor som strømningshastigheten i spiralelementet 7, slik at det vil kunne skje en større avkjøling av varmemediet i det nederste varmelegemet enn i det øverste. Gjennomstrømningen av varmemediet styres ved hjelp av en termostat 9, avhengig av temperaturen på vannet i forrådsbeholderens øverste del. Ved tapping av vann gjennom stussen 3 vil kaldere vann fra beholderens nederste del strømme opp rundt termostaten som åpner for tilførsel av varmemedium gjennom innløps-fordelerrøret 4, slik at vannet i beholderens øverste del varmes opp til brukstemperatur av det varmemedium som strømmer forholdsvis hurtig gjennom rørspiralene 7, mens det tilførte kalde vann i bunnen av beholderen forvarmes av det varmemedium som strømmer forholdsvis langsomt gjennom spiralelementene 8, og som først ved en forholdsvis lav temperatur forlater beholderen gjennom utløps-samlerøret 5. Varmemediet kan f.eks. være varmtvann som strømmer inn i innløps-fordelerrøret 4 ved en temperatur på ca. 60°C,før det strømmer inn i det mellomste fordelerrøret 6, which is formed by the spirals 8, will - provided that all spirals have the same flow cross-section - be only half as great as the flow rate in the spiral element 7, so that a greater cooling of the heating medium can take place in the lower heating element than in the upper one. The flow of the heating medium is controlled by means of a thermostat 9, depending on the temperature of the water in the upper part of the storage container. When draining water through the connection 3, colder water from the lower part of the container will flow up around the thermostat, which opens for the supply of heating medium through the inlet distributor pipe 4, so that the water in the upper part of the container is heated to usable temperature by the heating medium that flows relatively quickly through the tube spirals 7, while the added cold water at the bottom of the container is preheated by the heating medium which flows relatively slowly through the spiral elements 8, and which only leaves the container through the outlet collecting pipe 5 at a relatively low temperature. The heating medium can e.g. be hot water that flows into the inlet distributor pipe 4 at a temperature of approx. 60°C, before it flows into the middle distribution pipe 6,

og som endelig avkjøles til en temperatur på f.eks. 25-30°C, idet det forlater beholderen gjennom utløps-samlerøret 5. Vannet i forrådsbeholderen 1 kan f.eks. strømme inn med en temperatur på and which is finally cooled to a temperature of e.g. 25-30°C, as it leaves the container through the outlet collection pipe 5. The water in the storage container 1 can e.g. flow in with a temperature of

ca. 10°C og strømme ut gjennom utløpsstussen 3 med en temperatur på ca. 60°C. about. 10°C and flow out through outlet nozzle 3 at a temperature of approx. 60°C.

Ved den varmeveksler ifølge oppfinnelsen som er vist i fig. 3, er varmeoverføringsflaten i., hvert rørspiralelement fordelt på en nedre del 8', som er forbundet til utløps-samlerøret 5, og en øvre del 7', som er forbundet til innløps-fordelerrøret 4. Ved den viste utførelsesform er den nedre del 8' av hvert rørspiralelement fram-stilt av et rør med større gjennomstrømningsdiameter og med større viklingsdiameter enn den øvre del 7'. In the heat exchanger according to the invention shown in fig. 3, the heat transfer surface i., each tube spiral element is divided into a lower part 8', which is connected to the outlet collector pipe 5, and an upper part 7', which is connected to the inlet distributor pipe 4. In the embodiment shown, the lower part is 8' of each pipe spiral element produced by a pipe with a larger flow diameter and with a larger winding diameter than the upper part 7'.

Også denne utforming medfører, at varmemediets strømnings-hastighet'i den nedre del 8' av rørspiralelementene er vesentlig mindre, f.eks. halvparten så stor, som strømningshastigheten i den øvre del 7', slik at det vil kunne skje en større avkjøling av varmemediet i den nedre del enn i den øvre del. Vannet i beholderens øverste del oppvarmes således til brukstemperatur av det varmemedium som strømmer forholdsvis hurtig gjennom den øvre del 7' av rør-spiralene, mens det tilførte kalde vann i bunnen av beholderen forvarmes av det varmemedium som strømmer langsommere i rør-spiralelementenes nedre del 8' og som først ved en forholdsvis lav temperatur forlater beholderen gjennom utløps-samlerøret 5. This design also means that the flow rate of the heating medium in the lower part 8 of the tube spiral elements is significantly smaller, e.g. half as large as the flow rate in the upper part 7', so that a greater cooling of the heating medium can take place in the lower part than in the upper part. The water in the upper part of the container is thus heated to operating temperature by the heating medium which flows relatively quickly through the upper part 7' of the pipe spirals, while the supplied cold water in the bottom of the container is preheated by the heating medium which flows more slowly in the lower part 8 of the pipe spiral elements ' and which only leaves the container through the outlet collection pipe 5 at a relatively low temperature.

Det skulle være klart, at tilpasningen av de to deleor av rørspiralelementene, slik at temperaturfallet i varmemediet i hver del tilpasses til de foreliggende driftsforhold, kan foretas på andre måter enn vist på tegningen. F.eks. kan varmeoverførings-flaten i den nedre del 8' økes ved bruk av mindre stigning, altså tettere plasserte spiralviklinger. It should be clear that the adaptation of the two parts of the tube spiral elements, so that the temperature drop in the heating medium in each part is adapted to the present operating conditions, can be carried out in other ways than shown in the drawing. E.g. the heat transfer surface in the lower part 8' can be increased by using a smaller pitch, i.e. more closely spaced spiral windings.

Foruten å oppnå en effektiv utnyttelse av varmen i varmemediet ved størst mulig nedkjøling av dette, er det med varmeveksleren ifølge oppfinnelsen gjort mulig å bevare fordelene ved oppvarming av bruksvannet ved hjelp av rørspiralelementer, samtidig med at man ved lagdelingen av forrådsvannet har oppnådd fordelene ved todelt beholdere, samtidig med at man har bibeholdt et sammen-hengende rom med plass til organer for elektrolytisk beskyttelse av beholder og rørsystem. In addition to achieving an efficient utilization of the heat in the heating medium by cooling it down as much as possible, with the heat exchanger according to the invention it is possible to preserve the advantages of heating the service water by means of pipe spiral elements, while at the same time achieving the advantages of two-part containers, while maintaining a coherent space with room for organs for electrolytic protection of the container and pipe system.

Claims

1. Heat exchanger, in particular a hot water tank for heating service water and consisting of a storage tank with a bottom-mounted supply connection for water or other liquid to be heated and an upper-vent outlet connection for the heated liquid, as well as a pipe system designed for flow with a heat-dissipating medium, such as steam or hot water, and having an upper inlet manifold and a lower outlet header, each having an external connection spigot and interconnected by means of a number of vertically placed spiral tube elements, i.e. helical tube hoses, which together form the heating body of the storage container, characterized in that between the inlet distributor pipe (4) and the outlet collector pipe (5) a number of pipe spiral elements are arranged, which are designed in such a way that each element has an upper part (7.7' ) whose total heating surface is significantly smaller than the total heating surface of the element's lower part (8, 8').

2. Heat exchanger in accordance with claim 1, characterized in that an intermediate distributor pipe (6) is placed between the inlet distributor pipe (4) and the outlet collector pipe (5) which is

connected with the lower end of each tube spiral element's upper part (7') and with the upper end of each tube spiral element's lower part (8').

3. Heat exchanger in accordance with claim 2, characterized in that the middle distribution pipe (6) is connected to the outlet collector pipe (5) through a number of pipe spiral elements (8) which is significantly greater than - preferably twice as large as - the number of pipe spiral elements (7) with which it is connected to the inlet distributor pipe (4).

4. Heat exchanger in accordance with claims 1-3, characterized in that the diameter of the lower part (8) of the spiral pipe elements is greater than the diameter of the upper part (7') of the spiral pipe elements.

5. Heat exchanger in accordance with claims 1-4, characterized in that a lower part (8<1>) of the pipe spiral elements has a flow cross-section that is larger than the flow cross-section of the pipe spiral elements' upper part (7').