CZ201777A3 - Prstencový výměník tepla - Google Patents

Abstract

Prstencový výměník tepla zahrnující alespoň dva obvodově uzavřené a v sobě uspořádané trubkovité profily (1, 2) pro průtok médií, ve kterých je uspořádána teplovodivá struktura (3). Teplovodivá struktura (3) zahrnuje spirálovitě těsně svinutou dvojici na sobě ležících pásů (4, 5), přičemž první pás (4) je hladký, zatímco druhý pás (5) je zvlněný napříč ke směru svinutí pro vytvoření průtokových kanálků (6).

Description

f|/ ??

X Vynález se týká prstencového výměníku tepla, zahrnujícího alespoň dva obvodově uzavřené a v sobě uspořádané trubkovité profily pro průtok médií, ve kterých je uspořádána teplovodivá struktura.

Dosavadní stav techniky

Výměníky tepla, zahrnující alespoň dvě v sobě uspořádané trubky pro průtok médií, se někdy označují jako výměníky „trubka v trubce“. Trubka ve výměnících „trubka v trubce“ má dvě hlavní funkce - odděluje média a zároveň slouží jako teplosměnná plocha. Pro výměnu tepla je rozhodující přestup tepla z média do materiálu výměníku, vedení tepla se uplatňuje minimálně, pouze stěnou trubky.

Zvětšením teplosměnné plochy dojde ke zvýšení výkonu výměníku. U výměníků „trubka v trubce“ je zapotřebí pro zvětšení teplosměnné plochy zvětšit délku trubek. Vzhledem ktomu, že trubka zároveň odděluje média, musí mít celá teplosměnná plocha tloušťku stěny takovou, aby snesla tlaky médií a jejich tlakový rozdíl. Tím vychází hmotnost (a rozměry) takových výměníků velmi velká.

Zvětšení teplosměnné plochy se dá dosáhnout žebrováním. Žebra jsou součástí trubky a mají tloušťku v řádu mm. V tomto případě se částečně uplatňuje jak přestup tepla, tak vedení tepla, stále je však rozhodující přestup tepla.

Žebrování (zvětšení teplosměnné plochy) se používá jednostranně - uvnitř nebo venku.

Aby se dosáhlo maximálního výkonu s minimální hmotností výměníku, je snaha zmenšovat tloušťku stěny oddělující média, což naráží na technologické limity, zejména pokud se jedná o média o rozdílných nebo vysokých tlacích. Navíc je potřeba tyto tenké stěny nějakým způsobem spojit - u deskových výměníků např.

pájením nebo svařováním. To též naráží na určité technologické limity.

Trubka pro výměníky, vyplněná teplosměnnou plochou ve tvaru žeber, je znána například z patentu US^533)o3O.

Dále jsou známy tepelné výměníky vyplněné strukturou ve tvaru včelí plástve.

Jako příklad lze uvést japonské dokumenty JPHD2150691

62288495.

Dále jsou známy rotační regenerační výměníky tepla, například společnosti KASTT, které fungují na principu kondenzátoru, to znamená, že se cyklicky nabíjí a po otočení nabité části teplosměnné plochy do místa s nižší teplotou se zase vybíjí. Jedná se technicky o zcela odlišný způsob fungování výměníku, než jak fungují výměníky „trubka v trubce“.

Cílem vynálezu je upravit známé výměníky „trubka v trubce“ tak, aby se dosáhlo významného snížení hmotnosti a zvýšení výkonu výměníku.

Podstata vynálezu ^5 Uvedeného cíle se dosahuje prstencovým výměníkem tepla, zahrnujícím alespoň dva obvodově uzavřené a v sobě uspořádané trubkovité profily pro průtok médií, ve kterých je uspořádána teplovodivá struktura, podle vynálezu, jehož podstata spočívá vtom, že teplovodivá struktura zahrnuje spirálovitě těsně svinutou dvojici na sobě ležících pásů, přičemž první pás je hladký, zatímco druhý pás je zvlněný napříč ke směru svinutí pro vytvoření průtokových kanálků.

Výhodou řešení podle vynálezu je, že jednotlivé teplovodivé struktury jsou u výměníku podle vynálezu od sebe oddělené příslušnými trubkovitými profily, které ve standardních výměnících fungují jako teplosměnná plocha, ale ve výměníku '3£p podle vynálezu mají převážně funkci oddělovače médií. Trubkovité profily primárně netvoří teplosměnnou plochu, ale člen výměníku, který odděluje média, takže trubkovité profily mohou být dimenzovány na příslušný tlakový rozdíl a výměník podle vynálezu pak lze použít pro téměř libovolný tlakový rozdíl médií.

Vzhledem k tomu, že teplovodivá struktura může mít bez ohledu na tlaky médií tloušťku v desítkách mikrometrů, Uttfežtel tloušťka stěny i případných žeber v žebrovaných trubkách známých výměníků je v řádech milimetrů, tedy o 2 řády silnější, je i hmotnost výměníku podle vynálezu při stejném výkonu řádově nižší.

X

Trubkovité profily mohou mít v podstatě libovolný příčný průřez, zejména kruhový, oválný nebo hranatý.

Je výhodné, když teplovodivá struktura zcela vyplňuje trubkovité profily.

ObjasnŽnr £ (Ptehted-obrázků nálvvkreseeh»

Na obr. 1 je schematicky zobrazen příčný řez prvním příkladem provedení prstencového výměníku tepla podle vynálezu. Na obr. 2 je detail provedení Jq teplovodivé struktury v oblasti vnitřního profilu. Na obr. 3, 4, 5 a 6 jsou další příklady provedení prstencového výměníku tepla podle vynálezu.

Příklady provedeni ⁴ v

Příklad provedení prstencového výměníku tepla podle obr. 1 zahrnuje tři soustředně uspořádané trubkovité profily pro průtok mědila to vnější profil 1, vnitřní profil 2 a středový profil 7. V tomto provedení jsou trubkovité profily 1_, 2, 7 tvořeny trubkami s kruhovým průřezem. Meziprostory mezi těmito profily 1, 2, 7 jsou zcela vyplněny teplovodivou strukturou 3, která je tvořena spirálovitě těsně 2^ svinutou dvojici na sobě ležících pásů 4, 5 z hliníkového plechu o tloušťce 0,05 mm. První pás 4 je hladký, zatímco druhý pás 5 je zvlněný napříč ke směru svinutí pro vytvoření průtokových kanálků 6 (viz obr. 2).

Příklad provedení prstencového výměníku tepla podle obr. 3 se od provedení -X podle obr. 1 liší pouze tím, že nemá středový profil 7 a celý vnitřní profil 2 je v podstatě zcela vyplněn teplovodivou strukturou 3.

Naopak příklad provedení prstencového výměníku tepla podle obr. 4 zahrnuje několik středových profilů 7. V takovém případě mohou být média dvě nebo může být výměník konstruován na výměnu tepla mezi více médii.

Na obr. 5 a 6 jsou zobrazeny příklady výměníků, jejichž trubkovité profily 1, 2 mají hranatý příčný průřez. Odborníkům je zřejmé, že profily 1, 2, 7 mohou mít v podstatě libovolný obvodově uzavřený průřez.

Prstencový výměník tepla podle vynálezu může být zapojen jako protiproudý nebo souproudý s libovolným počtem vložených profilů 1, 2, 7. Výměník může být použit i pro média kapalina/kapalina, jeho přednosti se však nejvíce projeví při použití pro média plyn/plyn a plyn/kapalina a při aplikacích s velkým rozdílem tlaků na teplé a studené straně (parní generátory, rekuperátory spalovacích turbín, kondenzátory, výparníky).

X.

Funkce prstencového výměníku tepla podle vynálezu bude popsána na příkladu provedení podle obr. 1 a 2. Ostatní provedení fungují analogicky.

Teplé médium se přivádí do prostoru mezi vnitřním profilem 2 a středovým profilem 7, kde médium předává teplo teplovodivé struktuře 3. Teplovodivá struktura 3 toto teplo vede k trubce, která tvoří vnitřní profil 2 a následně je teplo vedeno do teplovodivé struktury 3, která vyplňuje prostor mezi vnitřním profilem 2 a vnějším profilem 1. V tomto prostoru pak teplovodivá struktura 3 předává teplo chladnějšímu mediu, které v tomto prostoru proudí. Pohyb tepla je na obr. 2 vyznačen šipkami.

Prstencový výměník tepla podle vynálezu je tedy založený na kombinované výměně tepla, kde přestup tepla má stejnou váhu jako vedení tepla. Je u něj maximalizována teplosměnná plocha vložením shora popsané teplovodivé struktury 3. K výměně tepla se stejnou měrou využívá přestupu tepla do této teplovodivé struktury 3, poté vedení tepla touto teplovodivou strukturou 3 k oddělovací stěně příslušného profilu 1, 2, 7. V podstatně větší míře se tak uplatňuje vedení tepla teplovodivou strukturou 3, které je ve výměníku podle ·

« * vynálezu stejně důležité jako přestup tepla.

Jednotlivé teplovodivé struktury 3 jsou od sebe oddělené příslušnými trubkovitými profily 1, 2, 7, které ve standardních výměnících fungují jako teplosměnná plocha, ale ve výměníku podle vynálezu však mají převážně funkci oddělovače médií.

Tím, že média oddělují trubkovité profily 1, 2, 7, které jsou dimenzovány na příslušný tlakový rozdíl, může se výměník podle vynálezu použít pro téměř libovolný tlakový rozdíl médií. Trubkovité profily 1, 2, 7 tak primárně netvoří 2^ teplosměnnou plochu, ale člen výměníku oddělující média. Vzhledem ktomu, že teplovodivá struktura může mít bez ohledu na tlaky médií tloušťku v desítkách mikrometrů, |kdežte( tloušťka stěny i případných žeber v žebrovaných trubkách známých výměníků je v řádech milimetrů, tedy o 2 řády silnější, je i hmotnost výměníku podle vynálezu při stejném výkonu řádově nižší.

X

Porovnávacím výpočtem pomocí numerického modelu v programu ANSYS CFD byl porovnán tepelný výkon přenesený 50 mm hliníkovou trubkou o průměru 20 mm ve čtyřech provedeních, simulujících 4 různé druhy výměníků:

- hladká trubka

standardní žebrovaná trubka ^3^)30 trubka s žebry podle patentu U výměník podle vynálezu cí°C zahřívaná trubka, do

Výpočtové podmínky: zvnějšku na konstantní teplotu 10 Xs které vstupuje vzduch o teplotě 20fC a rychlostí proudění 31,87 m/s.

Ideální výměník o 100Í% účinnosti by měl výkon 604 W. Pomocí numerického modelu byly vypočteny následující hodnoty:

Hladká trubka - 32 W (5 % ideálního výměníku)

Standardní žebrovaná trubka - 146 W (24 % ideálního výměníku)

Trubka s žebry podle patentu U^53á|p30 - 252 W (42 % ideálního výměníku)

Výměník podle vynálezu - 375 W (62 % ideálního výměníku)

Z uvedeného je zřejmé, že výměník podle vynálezu má zcela jasně nejvyšší výkon.

X Seznam vztahových značek vnější profil vnitřní profil teplovodivá struktura první pás druhý pás průtokový kanálek středový profil

Claims (3)

1. Prstencový výměník tepla, zahrnující alespoň dva obvodově uzavřené a v sobě uspořádané trubkovité profily (1, 2) pro průtok médií, ve kterých je uspořádána teplovodivá struktura (3), vyznačující se tím, že teplovodivá struktura (3) zahrnuje spirálovitě těsně svinutou dvojici na sobě ležících pásů (4, 5), přičemž první pás (4) je hladký, zatímco druhý pás (5) je zvlněný napříč ke směru svinutí pro vytvoření průtokových kanálků (6).

2. Prstencový výměník tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že trubkovité profily (1, 2) mají příčný průřez kruhový, oválný nebo hranatý.

3. Prstencový výměník tepla podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že teplovodivá struktura (3) zcela vyplňuje trubkovité profily (1, 2)

TISK

1/3