SE441303B

SE441303B - HEAD EXCHANGER WITH PARALLEL ROWS WITH RECTANGULATED SECTION WITH SPRING SPACES AT CERTAIN SPACES, WHICH USE AS DISTANCE ELEMENTS

Info

Publication number: SE441303B
Application number: SE8101767A
Authority: SE
Inventors: E Granryd; E Andersson
Original assignee: Thermia Verken Ab
Priority date: 1981-03-20
Filing date: 1981-03-20
Publication date: 1985-09-23
Also published as: DE3209760A1; DE3209760C2; SE8101767L; DK114482A; DK151158B; CA1178268A; DK151158C

Description

8191767-5 är här mindre intressanta. En annan typ av värmeväxlargeometri, där 2 ytförstoring inte utnyttjas, kan väljas i stället. 8191767-5 are less interesting here. Another type of heat exchanger geometry, where 2 surface enlargements are not used, can be selected instead.

Föreliggande uppfinning avser ett värmeväxlarelement, som byg- ger på laminär strömning i korta kanaler med liten hydraulisk dia- meter på värmemediesidan. Medelst detta element kan man åstadkomma värmeväxlare som tillgodoser de uppställda önskemålen. Värmeväxlar- elementet kännetecknas därvid i huvudsak av att rören är anordnade i en stapel och utgöres av ursprungligen cirkulära rör som hoppres- sats så att rören fått en i huvudsak rektangulär tvärsektion med en bestämd höjd och bredd, varvid på bestämda avsnitt utefter röret hoppressningen gjorts något mindre, så att på dessa avsnitt höjden är större än på övriga delar av röret, varvid avsnitten med högre höjd utgör distansstycken mellan de staplade rören, så att passage mellan stapelns rör möjliggöres för det värmebärande mediet, d v s köldbärare vid förångare och värmebärare vid kondensor, varvid för respektive medium erhålles i huvudsak rektangulära strömningskana- ler och varvid graden av hoppressning för respektive avsnitt är så vald, att en liten hydraulisk diameter erhålles också för det värme- bärande mediet.The present invention relates to a heat exchanger element, which is based on laminar flow in short channels with a small hydraulic diameter on the heating medium side. By means of this element, heat exchangers can be provided which satisfy the set requirements. The heat exchanger element is then characterized mainly in that the tubes are arranged in a stack and consist of originally circular tubes as a jump assembly so that the tubes have a substantially rectangular cross section with a certain height and width, whereby on certain sections along the tube the compression is made somewhat smaller, so that in these sections the height is greater than in other parts of the pipe, the sections with higher height forming spacers between the stacked pipes, so that passage between the stack pipes is made possible for the heat-carrying medium, ie refrigerant at evaporator and heat-carrier at condenser, whereby for each medium substantially rectangular flow channels are obtained and wherein the degree of compression for each section is chosen so that a small hydraulic diameter is also obtained for the heat-carrying medium.

På köldmediesidan sker alltså strömningen inuti rören, som hoppressats till kanaler med i huvudsak rektangulärt strömnings- tvärsnitt. Genom att avpassa den hydrauliska diametern på köldmedie- sidan till använd rörlängd och dimentionerande effekt kan tryckfal- let på köldmediesidan väljas så att det får en optimal storlek. En stor hoppressning av röret ger nämligen vid en given ytbelastning en hög strömningshastighet, vilket medför ett högt värmeövergångs- tal men också ett högt tryckfall. En liten hoppressning av röret ger en omvänd effekt, d v s lägre värmeövergångstal och lägre tryck- falls Med optimal storlek på tryckfallet avses här en sådan hoppress- ning av röret att en lämplig kompromiss erhålles. Den hydrauliska diametern för värmemediesidan bestäms av spaltvidden, vilket kan ges önskad dimension genom att anpassa graden av hoppressning av röret. Spaltvidden mellan rören för värmemediesidan blir därvid definierad av de distansstycken som de mindre hoppressade avsnitten på rören utgör.On the refrigerant side, the flow thus takes place inside the pipes, which are compressed into channels with a substantially rectangular flow cross-section. By adjusting the hydraulic diameter on the refrigerant side to the pipe length used and dimensioning effect, the pressure drop on the refrigerant side can be selected so that it has an optimal size. A large compression of the pipe gives a high flow rate at a given surface load, which results in a high heat transfer number but also a high pressure drop. A small compression of the pipe gives a reverse effect, ie lower heat transfer coefficient and lower pressure drop By optimal size of the pressure drop is meant here such a compression of the pipe that a suitable compromise is obtained. The hydraulic diameter of the heating medium side is determined by the gap width, which can be given the desired dimension by adjusting the degree of compression of the pipe. The gap width between the pipes for the heating medium side is then defined by the spacers which the less compressed sections on the pipes constitute.

Uppfinningen kommer närmare att beskrivas i anslutning till bifogade ritningar, där fig. la och lb visar det rör som ingår i värmeväxlarelementet, fig. 2a, 2b och 2c visar två parallella stap- lar av rör_förenade med ändkammare och som tillsammans bildar ett värmeväxlarelement, fig. 3a och 3b visar två sådana parallellkopp- 3 8101767-5 lade element anordande i ett ytterhölje som förångare eller konden- sor, fig. 4 och fig..§ visar hur škíïjeväggar för styrning av flö- det arrangerats, fig. 6a och 6b visar en utföringsform där en del av elementen avskilts för att utgöra underkylare eller överhettare och där fig. 7 visar en värmepumpanläggning, i vilken växlarelemen- tet ingår.The invention will be described in more detail in connection with the accompanying drawings, in which Figs. 1a and 1b show the pipe included in the heat exchanger element, Figs. 2a, 2b and 2c show two parallel stacks of pipes connected with end chambers and which together form a heat exchanger element, fig. Figs. 3a and 3b show two such parallel-connected elements arranged in an outer casing as evaporator or condenser, Figs. 4 and Figs. 1 show how bulkheads for flow control are arranged, Figs. 6a and 6b shows an embodiment where a part of the elements is separated to form a subcooler or superheater and where Fig. 7 shows a heat pump system, in which the exchanger element is included.

Fig. la och lb visar uppifrån respektive från sidan det rör so användes i värmeväxlarelementet. Detta rör har i huvudsak rektangu- lär tvärsektion, vilket åstadkommits genom hoppressning av ett från början cirkulärt rön. Utefter vissa avsnitt 3 av röret har hoppress ningen gjorts något mindre än utefter övriga avsnitt 2. I avsnitten 3 är därför som framgår av fig. Zb rörets höjd större än i avsnit- ten 2. I vissa av avsnitten 3 kan dessutom i samband med hoppress- ningen åstadkommas urtag 4 i respektive sidoyta på röret. De så framställda rören placeras i ett bestämt antal på varandra så att de kommer att bilda en stapel. Röravsnitten 3 kommer därvid att utgöra distansstycken mellan rören, så att en viss fri passage mellan de olika rören âstadkommes.Figs. 1a and 1b show from above and from the side the pipe so used in the heat exchanger element. This pipe has mainly a rectangular cross-section, which has been achieved by compressing an initially circular findings. Along some sections 3 of the pipe, the compression has been made somewhat smaller than along other sections 2. In sections 3, therefore, as can be seen from Fig. Zb, the height of the pipe is greater than in sections 2. In some of sections 3, in addition, in connection with compression recess 4 is provided in the respective side surface of the pipe. The tubes so produced are placed in a certain number on top of each other so that they will form a stack. The pipe sections 3 will then form spacers between the pipes, so that a certain free passage between the different pipes is achieved.

På fig. Za och 2b visas hur rören l ordnats i två parallella staplar med rören i respektive stapel i samma plan. Av fig. 2b fram går hur avsnitten 3 på rören utgör distansrör och hur mellan av- snitten 3 passage finns mellan rören. De båda staplarna är i var- dera änden försedda med en kammare 6. Denna är försedd med ett ytterhölje 7 och röranslutning 8. Staplarna är medelst lödning för- bundna med kammaren, varvid mellan rören anordnats en fyrkantsstav 9 som tätande organ. Mellan urtagen 4 i intill varandra liggande rö: bildas i huvudsak cirkulära hål i vilka ett stavformat organ 5 kan anordnas. Pâ detta sätt åstadkommas en tvärvägg i det värmeväxlar- element som dessa staplar och kammare tillsammans utgörs Rören 8 är anslutna till värmeväxlarens köldmedium, vilket sålunda passerar igenom de hoppressade rören. Rören l kommer vidare att utvändigt omslutas av värmeväxlarens värmemedium.Figs. Za and 2b show how the pipes 1 are arranged in two parallel stacks with the pipes in each stack in the same plane. Fig. 2b shows how the sections 3 on the pipes form spacer pipes and how there is a passage between the sections 3 between the pipes. The two stacks are provided at each end with a chamber 6. This is provided with an outer casing 7 and a pipe connection 8. The stacks are connected to the chamber by soldering, a square rod 9 being arranged between the pipes as a sealing member. Between the recesses 4 in adjacent tubes: substantially circular holes are formed in which a rod-shaped member 5 can be arranged. In this way a transverse wall is provided in the heat exchanger element which these stacks and chambers together constitute. The pipes 8 are connected to the refrigerant of the heat exchanger, which thus passes through the compressed pipes. The pipes 1 will further be externally enclosed by the heat medium of the heat exchanger.

Fig. 3a och 3b visar en värmeväxlare sedd uppifrån respektive från sidan. I denna förekommer två värmeväxlarelement av beskrivet slag, var och en omfattande två staplar med hoppressade rör. Väx- larelementen är parallellkopplade och försedda med ett gemensamt tilloppsrör respektive avloppsrör 8 för köldmediet. Elementen är anordnade i ett yttre hölje ll som är försett med en isolering 12.Figs. 3a and 3b show a heat exchanger seen from above and from the side, respectively. In this there are two heat exchanger elements of the type described, each comprising two stacks of compressed pipes. The exchanger elements are connected in parallel and provided with a common inlet pipe and drain pipe 8 for the refrigerant, respectively. The elements are arranged in an outer casing 11 which is provided with an insulation 12.

Höljet är också försett med röranslutningar 13 och 14 för värme- mediet. I växlarelementen är i urtagen i rörens sidoytor anordnade stavformiga organ 5 så att tvärväggar erhålles i det rörpaket som ffﬁ PQOR Oïlfﬁšïl; a1 wav-s 4 elementen tillsamansïutgër, varigenpm paketet blir uppdelat i sek- tioner. Mellan deníénà änden avfdëšsaftvärväggar och ytterhöljet ll är dessutom anordnade styrplåtar 10. Dessa plåtar är växelvis g anordnade i förhållande till tvärväggarna, vilket innebär att ettf inkommande värmemedieflöde kommer att styras först genom den när-D mast inloppet belägna sektionen av rörpaketet, därefter den därin- till belägna sektionen o s v tills samtliga sektioner passerats ' och flödet nått utloppet. På figuren visas hur värmemediet passerar in genom anslutningen l3 och därefter passerar den första sektionen från ett håll, varefter flödet tvingas vända och passera den andra sektionen från motsatt håll. Därefter ändras värmemedieflödets rikt- ning igen vid passagen genom den tredje och den fjärde sektionen innan det slutligen passerar ut genom anslutningen 14. Genom detta -arrangemang erhålles i huvudsak tvärströms- och motströmsflöden mellan köldmediet och det värmebärande mediet. 7 N Eäivärmeväxlare av den typ som visas i fig. 3a och 3b kan i 7 princip användas både som kondensor och som förångare. Då växlaren används som kondensor är elementen företrädesvis placerade horison- tellt och då den används som förângare är det lämpligt att anordna elementen vertikalt. g Fig. 4 visar en värmeväxlare, i vilken inom ytterhöljet ll är anordnade tre parallellkopplade värmeväxlarelement, här betecknade l5. Röranslutningarna 8 är sammanförda till en i respektive element- ände gemensam anslutning för köldmediet. För värmemediet finns i ytterhöljet anordnade anslutningar 13 och 14. I respektive växlar- element och mellan växlarelementen är i rörens urtag 4 anordnade I stavformiga organ 5 så att tvärväggar i och mellan elementen erhål- les. Mellan tvärväggen och ytterhöljet.är dessutom styrplåtar 10 anordnade på sådant sätt, att det genom anslutningen 13 inkommande värmemediet styrs att i tur och ordning passera växlarens sektio- ner innan det passerar ut genom anslutningen 14. 'dyl I fig. 5 har placerats ytterligare ett värmeväxlarelement inom, ytterhöljet vid jämförelse med växlaren enligt figur 4. Detta ytter- ligare element 15 nederst i växlaren enligt fig. 5 är till största delen avskärmat från den övriga delen av växlaren genom en skilje- vägg 16. Denna utgöres av en plåt anordnad mellan ytterhöljet och den bortersta tvärväggen i de parallellkopplade elementen 15 sett från inmatningsanslutningen 13. Härigenom kommer det avdelade väx- larelementet att som första del i växlaren exponeras för det inkom- mande värmemedieflödet. Därefter kommer flödet att styras växelvis 5 a1ø1767-5 genom de olika sektionerna i de parallellkopplade elementen tills det passerar ut genom anslutningen 14. Den avdelade delen av värme- växlaren kommer därvid att utgöra underkylare eller överhettare, vil- ket är bestämt av vilken funktion värmeväxlaren i övrigt avses ha.The housing is also provided with pipe connections 13 and 14 for the heating medium. In the exchanger elements, rod-shaped members 5 are arranged in the recesses in the side surfaces of the pipes so that transverse walls are obtained in the pipe package which ff ﬁ PQOR Oïlf ﬁ šïl; a1 wav-s 4 elements together, whereby the packet is divided into sections. In addition, guide plates 10 are arranged between the lower end of the soft walls and the outer casing 11. These plates are arranged alternately in relation to the transverse walls, which means that an incoming heat medium flow will be controlled first by the nearest inlet section of the pipe package. to the located section, etc. until all the sections have been passed and the flow has reached the outlet. The figure shows how the heating medium passes in through the connection 13 and then the first section passes from one direction, after which the flow is forced to turn and pass the second section from the opposite direction. Thereafter, the direction of the heat medium flow changes again at the passage through the third and fourth sections before it finally passes out through the connection 14. This arrangement mainly obtains cross-flow and counter-current flows between the refrigerant and the heat-carrying medium. 7 N A heat exchanger of the type shown in Figs. 3a and 3b can in principle be used both as a condenser and as an evaporator. When the exchanger is used as a condenser, the elements are preferably placed horizontally and when it is used as an evaporator, it is suitable to arrange the elements vertically. Fig. 4 shows a heat exchanger, in which three parallel heat exchanger elements are arranged within the outer casing 11, here designated 15. The pipe connections 8 are connected to a connection for the refrigerant common at each element end. For the heating medium, connections 13 and 14 are arranged in the outer casing. In the respective exchanger elements and between the exchanger elements, rod-shaped members 5 are arranged in the recesses 4 of the pipes so that transverse walls in and between the elements are obtained. In addition, guide plates 10 are arranged between the transverse wall and the outer casing in such a way that the heating medium entering through the connection 13 is controlled to pass the sections of the exchanger in turn before it passes out through the connection 14. In Fig. 5 another heat exchanger element within, the outer casing in comparison with the exchanger according to Fig. 4. This further element 15 at the bottom of the exchanger according to Fig. 5 is for the most part shielded from the rest of the exchanger by a partition wall 16. This consists of a plate arranged between the outer casing and the outermost transverse wall of the parallel-connected elements 15 seen from the input connection 13. As a result, the divided exchanger element will be exposed as the first part of the exchanger to the incoming heat medium flow. Thereafter, the flow will be controlled alternately through the various sections of the parallel connected elements until it passes out through the connection 14. The divided part of the heat exchanger will then constitute a subcooler or superheater, which is determined by which function the heat exchanger otherwise intended to have.

I växlaren enligt såväl fig. 4 som fig. 5 är växlarelementen och därmed rören något snedställda i förhållande till ytterhöljet, vil- ket är gjort för att åstadkomma ett hölje av så små dimensioner som möjligt för att underlätta inbyggnaden av växlaren. I Pâ fig. 6a och 6b visas en praktisk utföringsform av den anord- ning som i princip visas på fig. 5. I höljet ll, som är omgivet av en isolering 12, finns två rum Zl och 22, vilka är åtskilda av mel- lanväggen 16. Denna utgöres av en plåt anordnad mellan kortsidorna i ytterhöljet. I plåten l6 är i dess bortre ände sett från värme- medieanslutningarna upptaget ett hål 23. I rummet Zl är anordnat det växlarelement 15 som skall utgöra del i underkylare eller över- hettare. Denna del är försedd med anslutningsrör 19 och 20. växlar- elementet 15 kan vad gäller hoppressningen av elementrören utfor- mas något annorlunda än övriga element i växlaren för att ge opti- mala driftförhållanden vid användningen som underkylare respektive överhettare. Värmemediet strömmar sålunda från anslutningen 13 ge- nom rummet 2l och därifrån genom hålet 23 in i rummet 22. Här är anordnade tre parallellkopplade växlarelement 15, vilkas röranslut- ningar utvändigt är förenade med ett anslutningsrör 17 i vardera änden på växlaren. Pâ fig. 6a visas hur i och mellan växlarelemen- ten är anordnade runda stavar 5 för att åstadkomma sektioner i ele- mentpaketet. Vidare visas på denna figur hur mellan en sålunda er- hållen tvärvägg och mellanväggen l6 är anordnad en styrplåt 10, vil- ken är anordnad för att styra det genom hålet 23 inkommande flödet genom den första sektionen i elementpaketet. Liknande styrplâtar är också anordnade vid övriga tvärväggar på det sätt som angivits i fig. 5. I växlarelementen i anordningen enligt fig. 6a och 6b är spaltvidden mellan rören ungefär ö,8 mm, vilket ger önskad liten hydraulisk diameter (det hoppressade rörets bredd ungefär lika med 9 mm) och en laminär strömning. Med hydraulisk diameter definieras sålunda en ekvivalent diameter på strömningskanalen som är lika med produkten av en konstant och kanalens tvärsnittsare d.dividerad med kanalens omkrets.In the exchanger according to both Fig. 4 and Fig. 5, the exchanger elements and thus the tubes are slightly inclined relative to the outer casing, which is made to provide a casing of as small dimensions as possible to facilitate the installation of the exchanger. Figs. 6a and 6b show a practical embodiment of the device which is shown in principle in Fig. 5. In the housing 11, which is surrounded by an insulation 12, there are two compartments Z1 and 22, which are separated by the lane wall 16. This consists of a plate arranged between the short sides of the outer casing. A hole 23 is accommodated in the plate 16 at its far end seen from the heating media connections. In the space Z1, the exchanger element 15 is arranged, which is to form part of a subcooler or superheater. This part is provided with connecting pipes 19 and 20. The exchange element 15 can be slightly different in terms of the compression of the element pipes than the other elements in the exchanger in order to provide optimal operating conditions when used as subcoolers and superheaters, respectively. The heating medium thus flows from the connection 13 through the space 21 and from there through the hole 23 into the space 22. Here are arranged three parallel-connected exchanger elements 15, the pipe connections of which are externally connected to a connecting pipe 17 at each end of the exchanger. Fig. 6a shows how round rods 5 are arranged in and between the exchanger elements to provide sections in the element package. Furthermore, this figure shows how a guide plate 10 is arranged between a cross wall thus obtained and the partition wall 16, which guide is arranged to guide the flow entering through the hole 23 through the first section in the element package. Similar guide plates are also arranged at the other transverse walls in the manner indicated in Fig. 5. In the exchanger elements of the device according to Figs. 6a and 6b, the gap width between the pipes is approximately δ, 8 mm, which gives the desired small hydraulic diameter (width of the compressed pipe approx. equal to 9 mm) and a laminar flow. By hydraulic diameter is thus defined an equivalent diameter of the flow channel which is equal to the product of a constant and the cross-section of the channel d.divided by the circumference of the channel.

De hoppressade rören kan vidare vara försedda med kryssmönster eller liknande för att öka omblandningen i medierna och därmed över- gângstalen. Dessutom blir det möjligt att använda högre tryck i rörer ï?c)cbïš!§;tI 8161767-5 Med hjälp av det beskrivna värmeväxlarelementet kan man sålunda 6 åstadkomma en värmeväxlare som är_enkel och billig att tillverka och som kräver litet utrymme och är lätt att installera. Den uppfyller även de tekniska kraven på att vid en liten temperaturdifferens kunna överföra en given effekt och att dessutom ge litet tryckfall på värmemediesidan.The compressed pipes can furthermore be provided with cross patterns or the like in order to increase the mixing in the media and thus the transition figures. In addition, it becomes possible to use higher pressures in pipes ï? C) cbïš! §; tI 8161767-5 With the help of the described heat exchanger element it is thus possible to provide a heat exchanger which is simple and inexpensive to manufacture and which requires little space and is easy to install. It also meets the technical requirements to be able to transmit a given power at a small temperature difference and also to give a small pressure drop on the heating medium side.

Ett applikationsområde, där det i det föregående beskrivna vär- meväxlarelementet med fördel kan användas, är värmepumpar, där det kan ingå i såväl förångare som kondensor. Samma byggelement utnytt~ jas här för olika funktioner. På fig. 7 visas en speciell utförings- form av en värmepumpanläggning. I anläggningen ingår en förångare 25 till vilken är ansluten slingan 26 med det köldbärande mediet.One application area where the heat exchanger element described above can be used to advantage is heat pumps, where it can be included in both the evaporator and the condenser. The same building element is used here for different functions. Fig. 7 shows a special embodiment of a heat pump system. The plant includes an evaporator 25 to which the loop 26 with the cold-carrying medium is connected.

Till förångaren 25 är också ansluten kompressorn 27, som i sin tur via en hetgaskylare 28 är kopplad till kondensorn 30. Till hetgas- kylaren 28 är ansluten varmvattenslingan 29 och till kondensorn 30 är ansluten radiatorslingan 31. Kondensorn 30 är sammankopplad med en underkylare 32, varvid mellan kondensor och underkylare är anslu- ten en s k receiver 33. Mellan underkylaren 32 och förångaren 25 är inkopplad en extra underkylare 34 via en expansionsventil 24.The compressor 27 is also connected to the evaporator 25, which in turn is connected to the condenser 30 via a hot gas cooler 28. The hot water coil 29 is connected to the hot gas cooler 28 and the radiator loop 31 is connected to the condenser 30. The condenser 30 is connected to a subcooler 32. a so-called receiver 33 is connected between the condenser and the subcooler. An additional subcooler 34 is connected between the subcooler 32 and the evaporator 25 via an expansion valve 24.

Till den extra underkylaren 34 är ansluten en separat lågtempera- turslinga 35, vilken kan användas t ex för uppvärmning av garage- utrymmen eller för värmning av tilluft, som utifrån införs i en lo- kal medelst en fläkt. I den här beskrivna värmepumpanläggningen kan värmeväxlarelement enligt uppfinningen utgöra byggelement inte bara i förångare och kondensor med underkylare utan också i hetgas- kylare och extra underkylare. ' Värmeväxlarelementets utformning och användning är inte begrän~ sad till vad som beskrivits i det föregående utan variationer ifråga om utföringsform och användningsområde är givetvis möjliga inom ra- men för uppfinningen.A separate low-temperature loop 35 is connected to the auxiliary subcooler 34, which can be used, for example, for heating garage spaces or for heating supply air, which is introduced from the outside into a room by means of a fan. In the heat pump system described here, heat exchanger elements according to the invention can constitute building elements not only in evaporators and condensers with subcoolers but also in hot gas coolers and extra subcoolers. The design and use of the heat exchanger element is not limited to what has been described above, but variations in embodiment and area of use are of course possible within the scope of the invention.

Claims

101 * 'r * 8 761 P a t e n t k r a v

1. Heat exchanger element, specially designed for an evaporator or condenser and comprising a plurality of parallel and mutually spaced pipes (l) of small hydraulic diameter, which at each end are connected to a chamber (6) provided with a pipe connection (8 ) for a first heat-exchanging medium, characterized in that the tubes are arranged in one or more parallel stacks and consist of originally circular tubes, which are compressed into a substantially rectangular cross-section with a fixed height and width, to on certain sections (3 ) along the tubes the compression is made slightly smaller, so that these sections have a greater height than other parts of the tubes and form spacers, which enable passage between the tubes of a second heat exchanging medium, that for both media substantially rectangular flow channels are obtained and that the degree of compression at the respective sections is so chosen that a small hydraulic diameter is obtained even for the other heat exchanging medium.

Heat exchanger element according to Claim 1, characterized in that the tubes (1) at at least some of the smaller collapsed sections (3) are provided on opposite sides with recesses (4), in which rod-shaped members ( 5), which together with the said pipe sections (3) form partitions, which extend through the element in the transverse direction of the pipes. ~ 1? C> (> ïš çzïllxxirïir