SE426739B

SE426739B - Heat exchanger device

Info

Publication number: SE426739B
Application number: SE8004470A
Authority: SE
Inventors: Jr G W Wadkinson
Original assignee: Grumman Allied Industries
Priority date: 1980-06-17
Filing date: 1980-06-17
Publication date: 1983-02-07
Also published as: SE8004470L

Abstract

A heat exchanger device has a heat exchanger 12 of the tube-inside-tube type which has three tubular parts 20, 22, 24 placed coaxially one inside another having distributors 26, 28 on each longitudinal end of the heat exchanger for the circulation of a fluid through the outer tube 20 in counter-current relative to the fluid flowing through the inner part 24, such that heat exchange may occur between the two. In the intermediate tubular part 22, a fluid is present so that a leak in the outer 20 or inner 24 part may be detected. Each tubular part 20, 22, 24 has fins 100, 106, 112 directed radially inwards in its bore, whereby the fins 100 of the outer part 20 is in good thermal contact with the intermediate part 22, the fins 106 of which in turn being in good thermal contact with the inner part 24, such that an effective heat flow path is obtained therebetween. <IMAGE>

Description

i 8004470-4 10 15 -20 25 30 35 2 flöde, som strömmar genom den rörfcrmiga innerdelen, så att värmeövergång sker däremellan. Den rörformiga mellandelen innehåller ett fluidum, och organ är an- ordnade på sådant sätt, att ett fluidumläckage från ytterdelen eller innerdelen kan detekteras. Ytterdelens radiellt inåt utskjutande åsar står i metall-metall- -kontakt med den yttre ytan hos mellandelen, vars åsar i sin tur står i god värmekontakt med innerdelen, så att en effektiv metall-metall-värmeflödesbana erhålles däremellan. Innerrörets åsar, vilka sträcker sig ra- diellt inåt i flödet i innerröret, förbättrar värme- överföringsförmågan genom att öka den röryta, som vätes av fluidet i röret. in 8004470-4 10 15 -20 25 30 35 2 flow, which flows through the tubular inner part, so that heat transfer takes place therebetween. The tubular intermediate part contains a fluid, and means are arranged in such a way that a fluid leakage from the outer part or the inner part can be detected. The radially inwardly projecting ridges of the outer part are in metal-metal contact with the outer surface of the intermediate part, whose ridges in turn are in good thermal contact with the inner part, so that an efficient metal-metal heat flow path is obtained therebetween. The ridges of the inner tube, which extend radially inwards into the flow in the inner tube, improve the heat transfer capacity by increasing the tube surface which is wetted by the fluid in the tube.

Värmeväxlaranordningen enligt uppfinningen förbätt- rar sålunda värmeöverföringsprocessen väsentligt. Hu- vudändamålet med uppfinningen är därför att åstadkomma en värmeväxlaranordning av rör-i-rör-typ, vid vilken 'värmebanan mellan rören åstadkommes av i ett stycke med rören och i dessa utformade åsar, varvid hög värme- överföringsförmåga åstadkommes i en kompakt och robust konstruktion med reducerad diameter.The heat exchanger device according to the invention thus significantly improves the heat transfer process. The main object of the invention is therefore to provide a heat exchanger device of the pipe-in-pipe type, in which the heat path between the pipes is provided in one piece with the pipes and in these ridges formed, whereby high heat transfer capacity is provided in a compact and robust reduced diameter construction.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstad- komma en värmeväxlaranordning av rör-i-rör-typ, vid vilken risken för att ett fluidum i värmeväxlaren skall läcka ut och förorena det andra genom värmeväxlaren strömmande fluidet är avsevärt reducerad eller elimine- rad och vid vilken organ är anordnade att detektera varje läckage, så att detta kan åtgärdas.Another object of the invention is to provide a tube-in-tube-type heat exchanger device in which the risk of one fluid in the heat exchanger leaking out and contaminating the other fluid flowing through the heat exchanger is considerably reduced or eliminated and at which means are arranged to detect any leakage, so that this can be remedied.

Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en värmeväxlaranordning av rör-i~rör-typ, vid vilken_värmeöverföringsbanan mellan fluiderna i anordningen principiellt åstadkommes genom en metall- -metall-kontakt, som åstadkommes med hjälp av i ett stycke med och i själva rören utformade åsar, varvid anordningens diameter reduceras och dess verkningsgrad ökas. I .A further object of the invention is to provide a tube-in-tube-type heat exchanger device, in which the heat transfer path between the fluids in the device is in principle provided by a metal-to-metal contact, which is provided by means of integrally formed with and in the tubes themselves ridges, thereby reducing the diameter of the device and increasing its efficiency. I.

Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är 'att 10 15 20 25 30 35 9004470-4 3 åstadkomma en värmeväxlaranordning av rör-i-rör-typ, vid vilken värmeöverföringsåsarna är utformade i ett stycke med rören i dessas borrningar för att därigenom förbättra anordningens termiska verkningsgrad, varvid åsarna vidare fungerar som distanselement mellan de koncentriska rören för att därigenom minimera antalet erforderliga delar, så att materialkostnaden reduceras och tillverkningen förenklas.A further object of the invention is to provide a tube-in-tube-type heat exchanger device in which the heat transfer ridges are formed integrally with the tubes in their bores to thereby improve the thermal efficiency of the device. , the ridges further acting as spacers between the concentric tubes to thereby minimize the number of required parts, so that the material cost is reduced and the manufacture is simplified.

Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en värmeväxlaranordning av rör-i-rör-typ, vid vilken yttre anslutningar till inre kanaler är di- rekta utan att sträcka sig genom något mellanliggande utrymme, varvid anordningen förenklas och konstruk- tionens tillförlitlighet förbättras.A further object of the invention is to provide a tube-in-tube-type heat exchanger device in which external connections to internal channels are direct without extending through any intermediate space, thereby simplifying the device and improving the reliability of the construction.

En föredragen utföríngsform av uppfinningen skall nu beskrivas närmare under hänvisning till bifogade ritning.A preferred embodiment of the invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawing.

Fig l är en schematisk vy och visar en värmeväxlar- anordning enligt uppfinningen, varvid en värmeväxlare visas i sektion.Fig. 1 is a schematic view showing a heat exchanger device according to the invention, a heat exchanger being shown in section.

Fig 2 är en fragmentarisk tvärsektionsvy och visar värmeväxlarens koaxiella rörformiga delar.Fig. 2 is a fragmentary cross-sectional view showing the coaxial tubular parts of the heat exchanger.

I fig l visas en värmeväxlaranordning 10 enligt uppfinningen. En värmeväxlare 12 är anordnad att över- föra värme, som tillförts ett första fluidum medelst en solfångare 14 eller annan värmekälla, till ett andra fluidum, som strömmar genom värmeväxlaren, varvid det uppvärmda fluidet cirkuleras medelst ett lämpligt organ, såsom en pump 16, till en plats, där det utnyttjas, eller till en förrådstank 18 för efterföljande uttag- ning och användning. Värmeväxlaren 12 har en rörformig ytterdel 20, en rörformig mellandel 22 och en rörformig innerdel 24, vilka är anordnade i varandra, företrädes- vis koaxiellt. Vid varje ände av ytterdelen 20 är an- ordnat ett fluidumtätt samlingsrör 26, 28, vilket bil- das av en skivliknande ändvägg 30, 32, som sträcker sig tvärs värmeväxlaren från mellandelens 22 ytteryta 34 8004470- 4 10 15 20 25 30 35 4 till ett parti 36, 38 med större diameter av ytter- delens 20 yttervägg 40. Ändväggar 42, 44 sträcker sig tvärs värmeväxlaren från innerdelens 24 ytteryta 46 till förlängningar 48, 50 av partierna 36, 38 för att bilda samlingsrör 52, 54 för mellandelen 22. Ändväggar- na är förbundna med respektive ytor hos de rörformiga delarna på lämpligt sätt, såsom genom hårdlödning, för att bilda fluidumtäta fogar.Fig. 1 shows a heat exchanger device 10 according to the invention. A heat exchanger 12 is arranged to transfer heat supplied to a first fluid by means of a solar collector 14 or other heat source to a second fluid flowing through the heat exchanger, the heated fluid being circulated by means of a suitable means, such as a pump 16, to a place where it is used, or to a storage tank 18 for subsequent extraction and use. The heat exchanger 12 has a tubular outer part 20, a tubular intermediate part 22 and a tubular inner part 24, which are arranged in each other, preferably coaxially. Arranged at each end of the outer part 20 is a fluid-tight manifold 26, 28, which is formed by a disc-like end wall 30, 32, which extends across the heat exchanger from the outer surface 22 of the intermediate part 22. a portion 36, 38 of larger diameter of the outer wall 40 of the outer portion 20. End walls 42, 44 extend transversely of the heat exchanger from the outer surface 46 of the inner portion 24 to extensions 48, 50 of the portions 36, 38 to form manifolds 52, 54 for the intermediate portion 22. The end walls are connected to the respective surfaces of the tubular parts in a suitable manner, such as by brazing, to form fluid-tight joints.

Samlingsröret 26 har ett utloppsanslutningsstycke 56, som är anslutet till en ledning 58, som sträcker sig till ett inloppsanslutningsstycke 60 för en värmekälla, såsom solfångaren 14. Solfångaren har i sin tur ett utloppsanslutningsstycke 62, som är anslutet till en ledning 64, som sträcker sig till ett inloppsanslut- ningsstycke 66 hos ytterdelens 20 samlingsrör 28. En pump 68 kan, om så erfordras, installeras på lämplig plats i fluidumkretsen, exempelvis i ledningen 58, för att cirkulera fluidum mellan solfångaren l4 och värmeväxlarens ytterdel 20.The manifold 26 has an outlet connection piece 56 which is connected to a conduit 58 which extends to an inlet connection piece 60 for a heat source, such as the solar collector 14. The solar collector in turn has an outlet connection piece 62 which is connected to a conduit 64 which extends to an inlet connection piece 66 of the manifold 28 of the outer member 20. A pump 68 may, if required, be installed at a suitable location in the fluid circuit, for example in line 58, to circulate fluid between the solar collector 14 and the outer member 20 of the heat exchanger.

Mellandelens 22 samlingsrör 52 har ett utloppsan- slutningsstycke 70, som är anslutet till en ledning 72, som är ansluten till ett lämpligt detekteringsorgan, såsom en tryckströmställare 74, ett inspektionsglas 76 eller liknande. En returledning 78 från detekterings- organet är ansluten till ett inloppsanslutningsstycke 80 hos mellandelens 22 samlingsrör 54. Vid denna kon- struktion detekterar mellandelens 22 kanaler 82 läckage från ytterdelen 20 eller innerdelen 24. Ett lämpligt, icke giftigt fluidum, såsom luft eller vatten, fyller kanalerna 82 och detekteringssystemets övriga volym.The manifold 52 of the intermediate member 22 has an outlet connection piece 70 which is connected to a conduit 72 which is connected to a suitable detection means, such as a pressure switch 74, an inspection glass 76 or the like. A return line 78 from the detecting means is connected to an inlet connection piece 80 of the manifold 54 of the intermediate portion 22. In this construction, the channels 82 of the intermediate portion 22 detect leakage from the outer portion 20 or the inner portion 24. A suitable non-toxic fluid, such as air or water, fills channels 82 and the other volume of the detection system.

Införing av fluidum från innerdelen eller ytterdelen i fluidet i detekteringssystemet, vilket tyder på läckage i dessa delar, detekteras på känt sätt vid inspektions- glaset 76 eller medelst tryckströmställaren 74, så att lämpliga åtgärder kan vidtagas. Utöver verksamgöringen av en strömställare genom tryck eller den synliga fluidumstigningen i ett inspektionsglas kan olika_larm- 10 15 20 25 30 35 alook4k4vot-b 4 5 system innefatta överflödning vid en ventil, en fluidum- stigning mellan elektriska kontakter för verksamgöring av ett elektriskt alarm eller avstängning av lämpliga ventiler eller avkänníng av en tryckökning i rör med tillslutna ändar. Dessa detekteringsmöjligheter är väl- kända, varför de och till dem hörande biutrustning, så- som elektriska eller elektroniska kretsar eller detek- torkretsar och liknande, icke beskrives närmare här.Insertion of fluid from the inner or outer part of the fluid into the detection system, which indicates leakage in these parts, is detected in a known manner at the inspection glass 76 or by means of the pressure switch 74, so that appropriate measures can be taken. In addition to actuating a switch by pressure or the visible fluid rise in an inspection glass, various alarm systems may include overflow at a valve, a fluid rise between electrical contacts to actuate an electrical alarm, or shutdown. by suitable valves or sensing a pressure increase in pipes with closed ends. These detection possibilities are well known, which is why they and their associated ancillary equipment, such as electrical or electronic circuits or detector circuits and the like, are not described in more detail here.

Innerdelen 24 har en inloppsände 84 med ett lämp- ligt anslutningsstycke 86 för anslutning av en ledning 88, genom vilken vatten, som skall uppvärmas av värme- växlaren, strömmar från en källa, såsom förrâdstanken 18. Tanken l8 kan ha ett inlopp 90 från en huvudled- ning och ett utlopp 92 till en kran eller liknande.The inner part 24 has an inlet end 84 with a suitable connecting piece 86 for connecting a line 88, through which water, which is to be heated by the heat exchanger, flows from a source, such as the storage tank 18. The tank 18 may have an inlet 90 from a main line and an outlet 92 to a faucet or the like.

Ett lämpligt anslutningsstycke 94 vid innerdelens ut- loppsände 96 är anslutet till en ledning 98, genom vil- ken utflödet från värmeväxlaren strömmar till tanken 18 eller till något annat lämpligt utlopp för använd- ning.A suitable connection piece 94 at the outlet end 96 of the inner part is connected to a line 98, through which the outflow from the heat exchanger flows to the tank 18 or to some other suitable outlet for use.

Hög termisk verkningsgrad uppnås vid värmeväxlaren enligt uppfinningen, eftersom värmebanan åstadkommes genom metall-metall-kontakt, som åstadkommes av åsarna i varje rörformig dels borrning. Såsom bäst visas i fig 2, har ytterdelen 20 radiellt inåt utskjutande âsar 100, som är utformade i ett stycke med ytterdelen i dennas borrning 102 och sträcker sig längs ytterdelen från samlingsröret 26 till samlingsröret 28. Åsarna 100 är så fördelade kring ytterdelens omkrets, att fluidumkanaler 104 bildas. Mellandelen 22 har radiellt inåt utskjutande åsar 106, som är utformade i ett stycke med mellandelen i dennas borrning 108 och sträcker sig längs mellandelen från samlingsröret 52 till samlingsröret 54. Åsarna 106 är så fördelade kring mellandelens omkrets, att ovannämnda fluidumkanaler 82 bildas. Innerdelen 24 har radiellt'inåt utskjutande åsar ll2, som är utformade i ett stycke med innerdelen i dennas borrning 114 och sträcker sig längs innerdelen 10 l5 20 25 30 35 8004470-4 6 från anslutningsstycket 86 till anslutningsstycket 94.High thermal efficiency is achieved with the heat exchanger according to the invention, since the heat path is provided by metal-metal contact, which is provided by the ridges in each tubular part of the bore. As best shown in Fig. 2, the outer portion 20 has radially inwardly projecting axes 100 formed integrally with the outer portion of its bore 102 and extending along the outer portion from the manifold 26 to the manifold 28. The ridges 100 are so distributed around the circumference of the outer portion that fluid channels 104 are formed. The intermediate portion 22 has radially inwardly projecting ridges 106 which are formed integrally with the intermediate portion in its bore 108 and extend along the intermediate portion from the manifold 52 to the manifold 54. The ridges 106 are so distributed around the circumference of the intermediate portion that the above-mentioned fluid channels 82 are formed. The inner part 24 has radially inwardly projecting ridges 122, which are formed integrally with the inner part of its bore 114 and extend along the inner part 10 from the connecting piece 86 to the connecting piece 94.

Såsom visas, är åsarna 112 fördelade kring innerdelens omkrets. Åsarnas 100, 106 och 112 tjocklek och inbördes av- stånd samt de rörformiga delarnas tjocklek och radiella avstånd från varandra, som bestämmer storleken av flui- dumkanalerna i värmeväxlaren, styres liksom anordningens konstruktionsmaterial av välkända termodynamiska och hydrodynamiska överväganden. Själva åsarna kan vara raka eller vara skruvlinjeformigt vridna. Vid tillverk- ning av värmeväxlaren kan vilken som helst lämplig till- verkningsteknik utnyttjas för framställning av de rör- formiga delarna och sådan efterföljande införing av dessa i varandra, att de två yttre delarnas åsar står i god värmekontakt med ytterväggen hos respektive ra- diellt innanför belägna del.As shown, the ridges 112 are distributed around the circumference of the inner part. The thickness and mutual distances of the ridges 100, 106 and 112, as well as the thickness and radial distances of the tubular parts from each other, which determine the size of the fluid channels in the heat exchanger, are controlled as well as the construction material of the device by well-known thermodynamic and hydrodynamic considerations. The ridges themselves may be straight or helically twisted. In the manufacture of the heat exchanger, any suitable manufacturing technique can be used for the production of the tubular parts and such subsequent insertion of these into each other that the ridges of the two outer parts are in good thermal contact with the outer wall of the respective radius inside located part.

Det torde inses, att innerdelen 24 inte bara kan ut- formas med i ett stycke därmed utformade radiella åsar i borrningen utan också kan utformas med radiellt utåt utskjutande åsar vid ytterytan. Vid en sådan konstruk- tion har mellandelen 22 sålunda i ett stycke därmed utformade, radiellt utåt utskjutande åsar och är ytter- delen endast ett slätväggigt rör. Så är också fallet vid en konstruktion, där mellandelen är utformad inte bara med i ett stycke därmed utformade radiella åsar i borrningen utan också med radiellt utåt utskjutande åsar vid ytterytan. Det torde inses, att innerdelen vid en sådan konstruktion endast har åsar i borrningen, såsom visas i fig 2. Andra sådana kombinationer är möj- liga inom ramen för uppfinningen.It will be appreciated that the inner portion 24 may not only be formed with integral radial ridges formed therein in the bore but may also be formed with radially outwardly projecting ridges at the outer surface. In such a construction, the intermediate part 22 thus has integrally formed, radially outwardly projecting ridges and the outer part is only a smooth-walled pipe. This is also the case with a construction, where the intermediate part is formed not only with radially formed radial ridges in the bore in one piece but also with radially outwardly projecting ridges at the outer surface. It will be appreciated that in such a construction the inner part has only ridges in the bore, as shown in Fig. 2. Other such combinations are possible within the scope of the invention.

Vid drift är mellandelens 22 kanaler 82 och övriga utrymme och den därtill hörande läckagedetekteringskret- sen fyllda med ett lämpligt, icke toxiskt fluidum, så- som vatten, och kretsen nollställes i beroende av vilken typ av detektor som utnyttjas. Cirkulation av fluidum från solfångaren l4 och förrâdstanken 18 startas genom öppning av lämpliga ventiler (icke visade) och/eller 10 15 20 25 30 801041-170- 4 7 genom verksamgöring av pumparna 68 och 16. Fluidum (som anges med-pilar ll6), som uppvärmts av solenergi i solfångaren strömmar genom ledningen 64 in i samlings- röret 28 och genom ytterdelens 20 kanaler 104 och avger värme. Detta fluidum strömmar därefter in i samlings- röret 26 och återledes via ledningen 58 för ning. Det fluidum, som uppvärmes (och anges âteruppvärm- med pilar ll8), avges till värmeväxlaren via ledningen 88 och strömmar genom borrningen 120 och upptar värme genom värmeöverföring från fluidet 116 från solfångaren. Detta uppvärmda fluidum strömmar genom ledningen 98 till förrådstanken 18 för efterföljande användning. Om läckage föreligger i innerdelens eller mellandelens vägg, detekteras läckage in i fluidet i läckagedetekte- ringskretsen på känt sätt, exempelvis genom en flui- dumnivåstigning i inspektionsglaset 76 eller genom en av läckaget förorsakad tryckförändring, som verksamgör tryckströmställaren 74, så att lämpliga åtgärder kan vidtagas.In operation, the channels 82 and other spaces of the intermediate member 22 and the associated leakage detection circuit are filled with a suitable, non-toxic fluid, such as water, and the circuit is reset depending on the type of detector used. Circulation of fluid from the solar collector 14 and the storage tank 18 is started by opening suitable valves (not shown) and / or by activating the pumps 68 and 16. Fluid (indicated by arrows 16) , which is heated by solar energy in the solar collector, flows through the line 64 into the manifold 28 and through the channels 104 of the outer part 20 and emits heat. This fluid then flows into the manifold 26 and is returned via line 58 for discharge. The fluid that is heated (and indicated by reheating by arrows 18) is delivered to the heat exchanger via line 88 and flows through the bore 120 and absorbs heat by heat transfer from the fluid 116 from the solar collector. This heated fluid flows through line 98 to the storage tank 18 for subsequent use. If leakage is present in the wall of the inner part or intermediate part, leakage into the fluid in the leakage detection circuit is detected in a known manner, for example by a fluid level rise in the inspection glass 76 or by a pressure change caused by the leakage, which actuates the pressure switch 74. .

Det torde inses, att kapaciteten hos anordningen enligt uppfinningen kan ökas genom parallellkoppling av flera värmeväxlare 12. Verkningsgraden förbättras också generellt, då värmeväxlarna är lindade. Den be- skrivna utföringsformen av värmeväxlaranordningen en- ligt uppfinningen utnyttjar en solfångare eller en annan värmekälla för uppvärmning av ett fluidum, men det torde inses, att anordningen kan utnyttjas på ett lika effektivt sätt vid avkylning av ett arbetsmedium.It should be understood that the capacity of the device according to the invention can be increased by parallel connection of several heat exchangers 12. The efficiency is also generally improved when the heat exchangers are wound. The described embodiment of the heat exchanger device according to the invention uses a solar collector or another heat source for heating a fluid, but it should be understood that the device can be used in an equally efficient manner when cooling a working medium.

Som exempel På en sådan tillämpning kan nämnas ut- nyttjandet av anordningen i en konventionell kylmaskin för säker och effektiv kylning av drickbara fluider.An example of such an application is the use of the device in a conventional cooling machine for safe and efficient cooling of potable fluids.

Claims

Heat transfer is transferred between the fluids, 800-447 0- 4 CLAIMS 1. Heat exchanger device, which has a heat exchanger (12), which has at least one tubular outer part (20), a tubular intermediate part (22) and a tubular inner part (24), which are inserted into each other and of which the outer part and the middle part have substantially longitudinally extending, recessed portions in their bores, which portions form outer and intermediate fluid channels (104 and 82, respectively), the bore of the inner part forming a internal fluid passage (120), inlet means (66, 80, 84) and outlet means (56, 70, 96) communicating with the channels of the tubular members to allow fluid circulation therethrough, a detector means (74, 76), which is connected to the fluid in the intermediate channels to sense such a state of the fluid in the intermediate part, which indicates leakage in one of the tubular parts, and means (68, 16) for circulating fluid through the channel of the outer part and circulation of fluid through the bore of the inner part, characterized in that the end portions (36, 38) of the outer part (20) have a larger diameter than its portion (40) located between the end portions, that first coaxial end walls (30, 32 ) are attached to each end of the tubular intermediate part (22) and extend transversely therefrom to a sealing abutment against the inner surface of the outer parts (36, 38) of the outer part (20), that in the longitudinal direction seen outside the first coaxial end walls (30, 32) located second coaxial end walls (42, 44) are attached to the outer surface of the inner part (24) and extend transversely therefrom to a sealing abutment against the inner surface of the end portions (36, 38) of the outer part (20), said end walls connect the outer and intermediate fluid channels (104 and 82, respectively) in such a way that these fluid channels are insulated from each other and from the inner channel (120), and that heat conducting means are formed in one piece with 22, and in each pipe form part (20, 24) and consists of substantially longitudinally extending ridges (100, 106, 112) extending radially inwards, the ridges (100) of the outer part (20) being in contact with intermediate the outer wall of the part (22) and the ridges (106) of the intermediate part (22) are in contact with the outer wall of the inner part (24) in such a way that metal-metal heat exchange ratio exists between these parts, and each ridge of these parts is located on distance from its adjacent axis to form said outer and intermediate fluid channels (104 and 82, respectively).

Device according to Claim 1, characterized in that the tubular parts (20, 22, 24) are arranged concentrically in relation to one another.