PL190383B1 - Konwekcyjny wymiennik ciepła - Google Patents

Abstract

1 Konwekcyjny wymiennik ciepla, znamienny tym, ze zbudowany je st z profilu rury (1) przeznaczonego do medium wewnetrz- nego, którego przekrój poprzeczny w plaszczyznie prostopadlej do jej osi w zdluznej ma dowolny ksztalt, korzystnie zam kniety z przeciwleglymi czesciami (11a) i (11b), zwlaszcza nieco splasz- czonymi, posiadajacego opcjonalnie wlot ( 1a) i wylot (1b) dla tego medium i wkladu zebro- wego (2), wykonanego z metalu bedacego prze- wodnikiem ciepla, utworzonego z przynajmniej dwóch pasków falistych (3) i (4) ulozonych swoimi falami wzdluz tej rury na wym ienionych, korzyst- nie splaszczonych czesciach (11a) i (11b) odpo- wiednio i przynajm niej jednego paska plaskiego (5), lezacego w plaszczyznie równoleglej do osi wzdluznej tej rury 1 oddzielajacego wspomniane paski faliste, stycznego w liniach biegnacych w poprzek tasmy z w ierzcholkami (6) wspomnia- nych fal oraz ciaglej opaski (7) posiadajacej swój jeden wolny koniec scisle przynajmniej jednokrot- nie opasujacy w spom niana rute z jej wkladem zebiowym i ograniczajaca obszar przeplywu ze- wnetrznego medium przez wymiennik Fig 2 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest konwekcyjny wymiennik do wymiany ciepła pomiędzy medium znajdującym się, bądź przepływającym wewnątrz rury. a przepływającym od zewnątrz gazem, zwłaszcza powietrzem

Wymiennik posiada po stionie przepływającego gazu uzebiowanie w postaci taśm płaskich i falistych naprzemian, stanowiących wkład usytuowany pomiędzy zwojami spiralnymi tury i opaski zewnętrznej zapewniającej stały docisk wzajemny wspomnianych elementów Otrzymany wymiennik charakteryzuje się rozwiniętą po wierzchnią zewnętrzną, zwartą budową. zmniejszoną wagą. przy lepszych parametrach wymiany ciepła

Znane są dotychczas konwekcyjne wymienniki ciepła, wytwarzane z okrągłej rury złożonej z odcinków prostych, połączonych na swoich końcach łukami i kolektorami wlotowym i wylotowym oraz wkładu żebrowego w postaci równoległych, bardzo licznych lamel z otworami, przez które przechodzą te odcinki rury i posiadających kontakt cieplny wykonany poprzez rozpęczanie odcinków prostych tych rur. Lamele wykonywane są na prasach z tak zwaną ruchomą matrycą i zbierane w stosy z przekładkami zapewniającymi ich wzajemny odstęp

Wymienniki w postaci rurek z lamelami o rozstawie określonym poprzez warunki technologiczne przy ich wykonywaniu jak i stosowaniu uniemożliwiają zwiększenie powierzchni wymiany ciepła poprzez dodanie powierzchni lezących równolegle do osi tych rurek i zachowanie podobnych oporów przepływu zewnętrznego Tworzenie kontaktu lamel i lurek poprzez rozpęczanie tych ostatnich wymaga stosunkowo dużej grubości taśm stosowanych do wykonania samych lamel dla uzyskania skutecznego połączenia. Nie jest możliwe tez stopniowanie grubości lamel w kierunku promieniowym od rury, celem uniknięcia spadku wielkości strumienia ciepła z lameli Z racji mniejszej sprawności wymiany ciepła na całej powierzchni lamel i mniniejszej samej powierzchni tej wymiany w porównywalnej objętości geometrycznej wymiennika opisywanego i według wynalazku, dotychczasowe wymienniki są mniej zwarte, a więc cięższe, a przez to więcej kosztują Także układ lamel i odcinków prostych niemal czyni niemożliwym uzyskanie wymiennika o kształcie pola przekroju poprzecznego przepływu zewnętrznego zbliżonym do kołowego, przez co posiadają one zasadniczo przekrój prostokątny, mniej korzystny z punktu widzenia równomierności tego przepływu Duzy ciężar grubszych lamel i proste odcinki rur wymagają wewnętrznej konstrukcji podpielającej. dodatkowo zwiększającej ogólną masę, a zatem i koszt takiego wymiennika i tworzą dodatkowe problemy z jego instalacją

Wynalazek dotyczy konwekcyjnego wymiennika o podwyższonych parametrach wymiany ciepła dzięki zwiększeniu powierzchni tej wymiany poprzez dodanie powierzchni równoległych do osi wzdłużnej rury tego wymiennika jak i zwiększenie turbulencji, a zatem i współczynników przejmowania ciepła od strony przepływającego w kierunku przekroju poprzecznego tego wymiennika, czynnika zewnętrznego jak i od strony czynnika wewnątrz rury. jeżeli na tym czynniku wymuszono przepływ

Zagęszczenie pola przekroju poprzecznego wymiennika w kierunku wzdłuż osi rury elementami dodatkowej wymiany ciepła wpływa nieznacznie na wzrost oporów przepływu zewnętrznego medium.

Innym celem wynalazku jest nadanie wymiennikowi kształtu zewnętrznego z zaokrąglonymi narożami, korzystnie zblizonego do walca, ponieważ przepływ medium zewnętrznego w tych narożach bliższych prostokątnym jest mniej intensywny, a więc i wymiana ciepła w tych fragmentach jest słabsza

Kolejnym zamierzeniem jest otrzymanie wymiennika ciepła o stopniowanej w kierunku od powierzchni rury grubości jego elementów w celu uzyskania w przybliżeniu jednakowego strumienia ciepła wymienianego w każdym miejscu przekroju poprzecznego wymiennika, w celu bardziej racjonalnego wykorzystania materiałów tworzących go.

Wreszcie celem wynalazku jest osiągnięcie prostej budowy wymiennika możliwej do wykonania bez pras, wykrojników, procesu lutowania łuków, z elementów ciągłych jak rurka bez złącz, czy wkładu zebiowego tworzonego z kształtowanej taśmy

Innym celem tegoż wynalazku jest wytworzenie wymiennika o sztywnej budowie z możliwie cienkich materiałów, me wymagającego wewnętrznej konstrukcji nośnej, z możliwie małej ilości elementów, gdzie styk pomiędzy tymi elementami, decydujący o wymianie ciepła jest zapewniony poprzez wzajemne dociśnięcie, uti walone opaską.

190 383

Kolejnym celem wynalazku jest ułatwienie precyzyjnego doboru wielkości wymiennika do parametrów projektowych wymiany ciepła, poprzez likwidację problemu typizacji wielkości ich powierzchni Powiększenie powierzchni zewnętrznej o kilka decymetrów- kwadratowych nie stanowi tu problemu.

Następnym celem wynalazku jest stwoizenie możliwości stosowania odmiennych materiałów konstrukcyjnych na rury i wkład żebrowy, a w tym materiałów ż rur plastikowych.

Następnym celem wynalazku jest umożliwienie budowy wymienników łączonych z kilku spiralnych sekcji, z zachowaniem korzystnych przepływów przeciwprądowych i dowolnym usytuowaniu końców rury, także i w środku konstrukcji

Innym celem wynalazku jest uniknięcie zjawiska „martwych” przepływów uzyskanych z załamania krawędzi zewnętrznych lamel wymiennika podczas jego eksploatacji Usztywnione brzegi zewnętrzne wkładu są mniej podatne na takie uszkodzenia.

Kolejnym celem wynalazku jest wytworzenie obudowy tego wymiennika z jednego z jego elementów biorących udział w wymianie ciepła.

Następnym celem wynalazku jest pełne wykorzystanie rury łącznic z jej łukami, które zazwyczaj są poza przepływem zewnętrznym i nie biorą udziału w wymianie ciepła, a także wielokrotnie zbędnie powiększają konstrukcję, w której są stosowane

Innym celem wynalazku jest dostarczenie wkładu grzejnika elektrycznego, bezpiecznego z punktu widzenie przeciwpożarowego z powodu obniżenia maksymalnej temperatury jego powierzchni poniżej temperatuiy zapłonu powszechnie stosowanych materiałów jak na przykład papier.

Powyzsze cele są osiągnięte dzięki konwekcyjnemu wymiennikowi ciepła zrealizowanemu według mniejszego wynalazku.

Wymiennik ten zbudowany jest z rury, wewnątrz której znajduje się, bądź przepływa medium wewnętrzne. Rura ta może mieć dowolny, korzystnie zamknięty kształt przekroju poprzecznego, zwłaszcza ze spłaszczonymi przeciwległymi powierzchniami i posiada dwa końce będące odpowiednio wlotem i wylotem wymienionego medium wewnętrznego, jeśli w sposób wymuszony nadano mu przepływ. Rura zwinięta jest korzystnie spiralnie, razem ze swoim uzebrowaniem w postaci taśm płaskich i falistych naprzemian, stanowiących wkład zwiększający zewnętrzną powierzchnię wymiany ciepła ze strony medium zewnętrznego, przepływającego w kierunku ogólnie prostopadłym do tej spirali. Wymiennik jest zakończony opaską zewnętrzną, zapewniającą stały docisk wzajemny wspomnianych elementów w punktach ich styków Służy to zapewnieniu z jednej strony dobrych kontaktów cieplnych, a sztywności konstrukcji z drugiej strony. Zastosowanie elementów płaskich, zasadniczo równoległych do osi wzdłuznej rury tego wymiennika zwiększa turbulencję przepływu i całkowitą powierzchnię wymiany ciepła

Stopniowanie długości elementów falistych pozwala nadać spirali obwód zewnętrzny zblizony do okręgu koła. Oczywiście inne atrakcyjne kształty są możliwe i realizowane w zalezności od potrzeb

Opaska zewnętrzna jest utworzona z elementów płaskich, zasadniczo dłuzszych od elementów falistych, bądź z jednego z tych elementów płaskich dłuzszego, korzystnie o długość dwóch obwodów zewnętrznych wymiennika. Koniec tego najdłuższego elementu płaskiego jest trwale zamocowany w miejscu jego zakończenia na wspomnianym obwodzie

Zastosowane elementy faliste są grubsze, gdy są bliżej rury i cieńsze gdy dalej W ten sposób racjonalizuje się dobór grubości tych elementów, uzyskując wyrównanie strumienia ciepła w przekroju poprzecznym wymiennika. Elementy płaskie i faliste wykonane są każdy z jednego odcinka taśmy, gdzie właściwe profilowanie i kształtowanie uzyskuje się poprzez zastosowane proste matryce obrotowe, napędzane ruchem oblotowym, wywołanym skręcaniem spirali W efekcie wymiennik jest zbudowany nie z setek pojedynczych części lecz z kilku bądź kilkunastu

Naciągnięte i obciśmęte elementy płaskie pozwalaj ą wykonać sztywną konstrukcję wymiennika, samonośną, bez usztywnień, łatwą do zainstalowania.

Oczywistym jest, iż rozwiązanie według wynalazku może być stosowane do rur wykonanych z dowolnego materiału, dostatecznie plastycznego

190 383

Wykonanie opaski zewnętrznej w postaci zwoju z jednego z elementów płaskich pozwala w ułatwiony sposób wykonać zamocowanie tego wymiennika poprzez jego owinięcie i obciśnięcie tym elementem płaskim.

Na powierzchni fali elementu falistego, pozostającej poza stykiem z mrą bądź elementem płaskim wykonane są wygniecema wewnętrzne i zewnętrzne w ramach tego samego wierzchołka fali Zwiększają one turbulencję przepływu medium zewnętrznego i usztywniają ten element. Umożliwia to zastosowanie duzo większej siły docisku wierzchołków tego elementu w miejscach jego styku z elementem płaskim l/lub rurą. W rezultacie wierzchołki te są nieco spłaszczone i doprofilowane do miejsc wspomnianych styków Na powierzchni elementu płaskiego, pozostającej poza stykiem ze wspomnianym elementem falistym wykonane są wytłoczenia wklęsłe i wypukłe na przemian w ilości przynajmniej po dwa. Zwiększają one turbulencję przepływu medium zewnętrznego. Umożliwiają zastosowanie zwiększonej siły docisku wspomnianych wierzchołków, we wspomnianych miejscach styków, które w ten sposób wypadają w tych samych punktach pozbawionych wytłoczeń po obu stronach elementu płaskiego

W przypadku gdy medium wewnętrznym jest prąd elektryczny, a rura jest od wewnątiz zaopatrzona w element oporowy, zastosowane rozwiązanie według wynalazku pozwala umknąć powstania wysokiej temperatury powierzchni zewnętrznej tej rury Ma to znaczenie z punktu widzenia bezpieczeństwa przeciwpożarowego. ‘

Pizedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym:

Figura 1 - przedstawia konwekcyjny wymiennik ciepła zwinięty na kształt spirali, której obwód zewnętrzny jest w przybliżeniu okręgiem, w widoku z kierunku przepływni medium zewnętrznego,

Figura 2 - przekrój wymiennika z fig 1 w kierunku równoległym do wspomnianego przepływu.

Figura 3 - szczegół „C” z fig 1 w powiększeniu,

Figura 4 - element falisty i plaski w przekroju B - B z fig. 3

Figura 5 - szczegół z fig 4 w przekroju D-D.

Figura 1 przedstawia konwekcyjny wymiennik ciepła według wynalazku, gdzie rura 1 z medium wewnętrznym jest zwinięta na postać spirali, wspólnie ze swoim wkładem żebrowym 2. Wkład żebrowy jest wykonany w tym przykładzie z czterech elementów falistych 1, 3a i 4, 4b oraz trzech elementów płaskich 5, 51 i 52 Wspomniane elementy faliste mają stopniowo różną długość i tak element 3a jest nieco dłuższy od 3, element 3 dłuższy od 4b i 4b od 4. Również podobnie zmieniają swoje długości elementy płaskie 5, 51 i 52, przy czym element 52 jest dłuższy od pozostałych o dwa pełne obwody zewnętrzne wymiennika i jego koniec jest trwale zamocowany do tego obwodu. Zamocowanie odbywa się poprzez lutowanie, chociaż inne sposoby tego mocowania są tez możliwe Należy zaznaczyć, ze wybór kolejności zróżnicowania długości elementów płaskich jak i falistych może być odmienny, a podany przypadek służy jedynie ilustracji sposobu uzyskania lepszego przybliżenia zewnętrznego kształtu wymiennika do walca

W kierunku zasadniczo prostopadłym do powierzchni rysunku odbywa się przepływ medium zewnętrznego.

Figura 2 przedstawia wymiennik ciepła widziany w przekroju A - A z fig 1. Rura 1 posiada swoje końce la i lb zwane odpowiednio wlotem i wylotem medium wewnętrznego oraz powierzchnię spłaszczoną 1la i 11b przeciwległa w stosunku do niej po drugiej stronie swojej osi Elementy faliste stykają się z mrą w miejscach 14 i z elementami płaskimi w miejscach 10

Figura 3 przedstawia szczegół „C” z fig. 1 w powiększeniu. Element falisty 3, pierwszy w stosunku do rury jest wykonany z taśmy o większej grubości niż element dalszy w kierunku od tej rury Na boku fali wykonane są wgniecenia wewnętrzne 9a i zewnętrzne 9b. ciągnące się od punktu 11 do 12 tego boku, pozostającymi poza stykiem z elementem płaskim Wgniecenia te mają szerokość mierzoną w kierunku przepływu zewnętrznego zbliżoną do odległości pomiędzy wspomnianymi punktami 11 i 12. Wysokość tych wgnieceń jak przedstawiono na fig 4 zawiera się pomiędzy 0,25 mm a 5 mm

190 383

Element płaski posiada wytłoczenia wklęsłe 5a i wypukłe 5b usytuowane naprzemian w rzędzie w poprzek tej taśmy Wytłoczenia te mają swoją długość mierzoną w kierunku długości tej taśmy niewiększą niz odległość pomiędzy kolejnymi punktami 13a i 13b styku elementów Powierzchnie 10 styków elementów pozbawione są wytłoczeń i biegną zasadniczo w poprzek taśmy Wytłoczenia wklęśle i wypukłe w jednym rzędzie występują przynajmniej w liczbie po dwa i mająjak przedstawiono na fig 5 od 0,25 mm do 5'mm wysokości Szerokość wytłoczeń jest swym rozmiarem zbliżona do ich wcześniej określonej długości

Do zaprezentowanego rozwiązania według wynalazku mogą być wprowadzone lóżne modyfikacje kształtów, przepływów, konstrukcji mocujących, kierunków zwijania rury, poprawy jakości przewodnictwa cieplnego w punktach styków elementów między sobą i rurą poprzez wykonanie połączeń lutowanych w tych miejscach, lecz dla osób posiadających dostateczną wiedzę i/lub praktykę w dyscyplinie z zakresu tego wynalazku jest oczywistym, ze stale mieszczą się one w obszarze zastrzeżonym przez załączone zastrzeżenia patentowe

190 383

190 383

Α-Α

Fig 2 0

Departament Wydawnictw UP RP Nakład 50 egz Cena 2,00 zł

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1 Konwekcyjny wymiennik ciepła, znamienny tym, ze zbudowany jest z profilu rury (1) przeznaczonego do medium wewnętrznego, którego przekrój poprzeczny w płaszczyźnie prostopadłej do jej osi wzdłuznej ma dowolny kształt, korzystnie zamknięty z przeciwległymi częściami (11a) i (11b), zwłaszcza nieco spłaszczonymi, posiadającego opcjonalnie wlot (la) i wylot (lb) dla tego medium i wkładu żebrowego (2). wykonanego z metalu będącego przewodnikiem ciepła, utworzonego z przynajmniej dwóch pasków falistych (3) i (4) ułożonych swoimi falami wzdłuż tej rury na wymienionych, korzystnie spłaszczonych częściach (11a) i (11b) odpowiednio i przynajmniej jednego paska płaskiego (5). lezącego w płaszczyźnie równoległej do osi wzdłużnej tej rury i oddzielającego wspomniane paski faliste, stycznego w liniach biegnących w poprzek taśmy z wierzchołkami (6) wspomnianych fal oraz ciągłej opaski (7) posiadającej swój jeden wolny koniec ściśle, przynajmniej jednokrotnie opasujący wspomnianą rurę z jej wkładem żebrowym i ograniczającą obszar przepływu zewnętrznego medium przez wymiennik
2. 2 Wymiennik ciepła według zastrz 1, znamienny tym, ze rura (1) razem ze swoim wkładem żebrowym (2) ze swoimi paskami falistymi o różnej długości jest zwinięta w spiralę (8). przyjmującą kształty przybliżone do podstawowych brył geometrycznych z zaokrąglonymi narożami, zwłaszcza walca, zaś opaska (7) przyjmuje kształt zewnętrzny tej spirali.
3. 3. Wymiennik ciepła według zastrz 1, znamienny tym, ze pasek falisty (3) oraz (4) jest ukształtowany z taśmy w postaci fali, na której bokach (9) nie stykających się bezpośrednio z paskiem płaskim (5) wytłoczone jest przynajmniej po jednym wgnieceniu wewnętrznym (9a) i jednym wgnieceniu zewnętrznym (9b), patrząc z jednego wierzchołka (6) fali.
4. 4 Wymiennik ciepła według zastrz 3, znamienny tym, ze kolejne wgniecenia (9a) i (9b) występują na tym samym boku (9) fali przemiennie w odstępach w przybliżeniu równych swojej szerokości i mają głębokość przynajmniej 0,25 mm, a wysokość ich nie przekracza odległości punktów (11) i (12) tego samego boku fali
5. 5. Wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, ze pasek plaski (5) posiada przynajmniej po dwa wytłoczenia wklęsłe (5a) i wypukłe (5b), o podobnej wysokości i szerokości, występujące przemiennie w rzędach poprzecznych do taśmy w dowolnych odstępach, przy czym wspomniana wysokość nie jest mniejsza niz 0,25 mm, a szerokość nie jest większa niz odległość pomiędzy kolejnymi punktami (13a) i (13b) pozostającymi poza stykiem paska płaskiego i falistego, przy czym powierzchnie (10) styku tych pasków pozbawione są wgnieceń i biegną zasadniczo w poprzek paska płaskiego.
6. 6 Wymiennik ciepła według zastrz 1, znamienny tym, ze kolejne elementy faliste (3, 4) i dalsze licząc w kierunku od rury (1) są wykonane z materiału o coraz niniejszej grubości, przy czym ta różnica grubości jest proporcjonalna do strumienia cieplnego przepływającego przez taki pasek
7. 7. Wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, ze opaska (7) jest wykonana przynajmniej z jednego ciągłego paska płaskiego posiadającego swoją długość przekraczającą długość najdłuższego elementu falistego o wielkość obwodu zewnętrznego wymiennika mierzonego po tej opasce, a koniec najdłuższego z pasków płaskich jest trwale przytwierdzony do jego zewnętrznej powierzchni tworzącej ten obwód
8. 8 Wymiennik ciepła według zastrz. 7, znamienny tym, ze różnica wspomnianych długości jest większa od długości dwóch wspomnianych obwodów k 1 *

   190 383