CS254058B1

CS254058B1 - Heat exchanger

Info

Publication number: CS254058B1
Application number: CS852678A
Authority: CS
Inventors: Miroslav Preucil
Original assignee: Miroslav Preucil
Priority date: 1985-04-11
Filing date: 1985-04-11
Publication date: 1988-01-15
Also published as: CS267885A1

Abstract

Výměník tepla je určený pro akumulační kotle a podobné tepelná zařízení a sestává ze soustavy tepelně vodivých trubek svinutých do plochého útvaru, například ploché spirály, a ponořených do tepelně akumulačního média-tekutiny. Je-li odlišný materiál trubek od materiálu nádoby kotle, je soustava odvodných trubek umístěna ve stěně a na podporách v kotli prostřednictvím elektrické průchodné izolace. Plochý útvar soustavy odvodných trubek je umístěn do horní části akumulačního kotle. Soustavu trubek plochého útvaru tvoří s výhodou dvě trubky paralelně vinuté pro případ poruchy těsnosti jedné z trubek, přičemž obě takto vzniklé větve výměníku jsou na vstupu i výstupu z tepelně akumulačního kotle opatřeny šoupaty pro jednotlivé nebo společné paralelní použití. Výměník tepla takto vytvořený je využitelný zejména v energetickém hospodářství.The heat exchanger is designed for accumulation boilers and similar heat appliances and consists of a thermally conductive system tubes rolled into a flat shape for example flat spirals, and submerged into a heat storage medium-fluid. If the material of the pipes is different from the material the boiler vessel is a drainage system pipes placed in the wall and on supports in the boiler through the open air insulation. Flat system set drain pipes is placed in the top part of the storage boiler. Tube system preferably the flat form is two tubes coil wound in case of failure the tightness of one of the tubes, taking both exchanger branches thus formed are at the inlet and outlet of the heat storage boilers are equipped with valves for individual or co-parallel use. The heat exchanger thus created is usable particularly in the energy economy.

Description

(54) Výměník tepla(54) Heat exchanger

Výměník tepla je určený pro akumulační kotle a podobné tepelná zařízení a sestává ze soustavy tepelně vodivých trubek svinutých do plochého útvaru, například ploché spirály, a ponořených do tepelně akumulačního média-tekutiny. Je-li odlišný materiál trubek od materiálu nádoby kotle, je soustava odvodných trubek umístěna ve stěně a na podporách v kotli prostřednictvím elektrické průchodné izolace. Plochý útvar soustavy odvodných trubek je umístěn do horní části akumulačního kotle. Soustavu trubek plochého útvaru tvoří s výhodou dvě trubky paralelně vinuté pro případ poruchy těsnosti jedné z trubek, přičemž obě takto vzniklé větve výměníku jsou na vstupu i výstupu z tepelně akumulačního kotle opatřeny šoupaty pro jednotlivé nebo společné paralelní použití. Výměník tepla takto vytvořený je využitelný zejména v energetickém hospodářství.The heat exchanger is intended for storage boilers and similar heating devices and consists of a set of thermally conductive tubes coiled into a flat formation, for example a flat coil, and immersed in a heat-storage fluid medium. If the pipe material is different from that of the boiler vessel, the drain pipe system is located in the wall and on the supports in the boiler by means of electrical through insulation. The flat formation of the exhaust pipe system is placed in the upper part of the storage boiler. Preferably, the flat tube assembly comprises two tubes wound in parallel in the event of a leak failure of one of the tubes, and the two exchanger branches thus formed are provided at the inlet and outlet of the heat storage boiler with valves for single or common parallel use. The heat exchanger created in this way can be used especially in energy management.

254 058254 058

- 1 254 058- 1 254 058

Vynález se týká výměníku tepla, který umožňuje přestup tepla mezi tepelně akumulačním kotlem a vnějším tepelným okruhem.The present invention relates to a heat exchanger which allows heat transfer between a heat storage boiler and an external heat circuit.

Dosud se pro účel vytápění obytných a jiných objektů užívaly tepelně akumulační kotle, kupříkladu elektrické, které spolu s vnějším tepelným okruhem, to je kupříkladu s otopnou soustavou tvořenou trubkami a.radiátory, vytvářely jediný tepelný okruh se společným akumulačním a teplo transportujícím médiem-tekutinou. Akumulační kotel byl přetlakový a byl přímo propojen trubkami na radiátory ve vytápěném objektu. Pohyb akumulačního média nesoucího teplo byl buď založen na termosifonovém principu, nebo bylo použito oběhového čerpadla. Obdobně pro účely zachycení a uchování tepla ze zdrojů tepla, jako jsou například solární panely, obvody teplých odpadových v,od, kotle na tuhá paliva a podobně, byly tepelně akumulační kotle na tyto zdroje napojovány přímo nebo prostřednictvím výměníku tepla ve zdroji a tvořily s nimi nebo s takovým výměníkem, jeden propojený tepelný okruh. Pohyb média-tekutiny přinášející do akumulačního kotle teplo byl opět založen buď na termosifonovém principu, nebo byl zprostředkován oběhovým čerpadlem.Until now, heat storage boilers, for example electric, have been used for heating residential and other buildings, which together with an external thermal circuit, e.g. a heating system consisting of pipes and radiators, have formed a single thermal circuit with a common storage and heat transporting medium-fluid. The storage boiler was pressurized and was connected directly to the radiator pipes in the heated building. The movement of the heat-carrying storage medium was either based on the thermosiphon principle or a circulation pump was used. Similarly, for the purpose of capturing and storing heat from heat sources such as solar panels, hot waste water circuits, solid fuel boilers, and the like, heat storage boilers were connected to these sources directly or via a heat exchanger in the source and formed with them or with such an exchanger, one interconnected heat circuit. The movement of the medium-liquid bringing heat to the storage boiler was again based either on the thermosiphon principle or was mediated by a circulation pump.

Oba vyjmenované způsoby pro odvod a přívod tepla jsou konstrukčně zdánlivě jednoduché právě prostotou propojení vnějších tepelných okruhů s tepelně akumulačním kotlem. Hlavní nevýhodou je společné médium-tekutina, kterým je nejčastěji voda a kterého se užívá jednak pro akumulaci, jednak pro transport tepla buď do radiátorů,nebo naopak ze zdrojů tepla. V obou případech zmíněný jediný tepelný okruh tvořený akumulačním kotlem a vnějšími okruhy bývá přetlakový. Tepelné médium, kterým bývá nejčástěji voda, musí být zpravidla z důvodu koroze vnitřku sou2Both of the above-mentioned methods for heat dissipation and supply are structurally simple due to the simplicity of interconnection of the external thermal circuits with the heat storage boiler. The main disadvantage is the common medium-liquid, which is most often water and which is used both for accumulation and for transport of heat either to radiators or vice versa from heat sources. In both cases, the only thermal circuit formed by the storage boiler and the external circuits is overpressure. As a rule, the heat medium, which is most often water, must be a part of the material due to corrosion of the interior

254 058 částí tepelných okruhů chemicky upraveno. To činí potíže, protože mé-li toto médium i tepelně akumulační funkci, musí ho být značný objem. Vede to na relativně velký objem chemikálií, kterých je pro tuto chemickou antikorozní úpravu nutno užívat<, Přetlakový tepelný okruh je vždy opatřen expansní nádobou. Ve zmíněných případech je vzhledem k velkému objemu média v jediném propojeném tepelném okruhu potřeba použít expansní nádobu rovněž o relativně velkém obsahu. Velká expansní nádoba je konstrukčně, výrobně i investičně náročná., Při běžné údržbě a opravách tepelného zařízení tvořeného jediným tepelným okruhem jak bylo vysvětleno, činí rovněž potíže vypouštění a uchování značného objemu tepelného média-tekutiny, nadto chemicky upravené. Další potíže jsou s odvzdušněním média o značném objemu.254 058 parts of thermal circuits chemically modified. This makes it difficult, since if the medium also has a heat storage function, it has to be a considerable volume. This results in a relatively large volume of chemicals that need to be used for this chemical corrosion treatment. The overpressure heat circuit is always provided with an expansion vessel. In these cases, because of the large volume of medium in a single interconnected thermal circuit, it is also necessary to use an expansion vessel of relatively large content. The large expansion vessel is demanding in terms of construction, manufacture and investment. In the routine maintenance and repair of a single-circuit heating system, as explained above, it is also difficult to discharge and retain a large volume of heat-liquid medium, moreover chemically treated. Another problem is the venting of a large volume medium.

Problémem konstrukce akumulačních kotlů je požadavek na tvar nádoby kotle. Podle výpočtů i praktických zkušeností je nejúčinnější z hlediska vnitřního termosifonového jevu v akumulačním médiu kotel ve tvaru válce postaveného na základně. Vytápěcí elektrické patrony, jsou-li použity, jsou nejvhodněji umístěny v dolní části pláště válce nad základnou, to je v nejchladnějším místě. Méně účinný je tvar kotle ve formě ležatého válce. Ostatní tvary, zejména ty, které jsou výhodné z hlediska jednoduchosti výroby, jako je kupříkladu tvar kvádru či krychle, jsou z hlediska termosifonového jevu značně nevýhodné. Při odběru tepla do vnějšího okruhu, například do sekundárního okruhu, dochází k promíchání teplé a studené vody, která se vrací do kotle ze sekundárního topného okruhu. V tepelně akumulačním kotly takového neúčinného tvaru bez vnitřního opatření, jako jsou přepážky a podobně, nelze docílit dostatečně vyjádřeného oddělení teplé a studené složky akumulačního média-tekutiny. Tepelný obsah akumulátoru při promíchání teplé i studené složky zůstává sice zachován, ale se snížením teploty, která je k dispozici v promíchaném médiu pro sekundární topný okruh, klesá zároveň značně účinnost předávky tepla z tohoto sekundárního topného okruhu do vytápěných prostor. Z hlediska snížení této účinnosti je promíchání teplé i studené složky akumulačního média-tekutiny nežádoucí.The problem with the design of storage boilers is the requirement for the shape of the boiler vessel. According to both calculations and practical experience, the most efficient in terms of the internal thermosiphon effect in the storage medium is a cylinder-shaped boiler built on the base. Heating electric cartridges, when used, are most conveniently located in the lower part of the cylinder shell above the base, i.e. in the coldest place. The shape of the boiler in the form of a horizontal cylinder is less effective. Other shapes, especially those which are advantageous in terms of ease of manufacture, such as a cuboid shape, are considerably disadvantageous in terms of the thermosiphon effect. When heat is extracted to an external circuit, such as a secondary circuit, the hot and cold water is mixed and returned to the boiler from the secondary heating circuit. In heat storage boilers of such an inefficient shape without internal measures such as partitions and the like, it is not possible to achieve a sufficiently expressed separation of the hot and cold components of the storage medium-fluid. Although the thermal content of the accumulator is maintained when the hot and cold components are mixed, the decrease in the temperature available in the mixed medium for the secondary heating circuit reduces the efficiency of the heat transfer from the secondary heating circuit to the heated spaces. In order to reduce this efficiency, mixing of the hot and cold components of the storage medium-fluid is undesirable.

- 3 254 058- 3 254 058

Uvedené nedostatky odstraňuje výměník tepla, určený pro akumulační kotle a podobná tepelná zařízení, sestávající ze soustavy tepelně vodivých trubek svinutých do plochého útvaru, například ploché spirály, ponořených do tepelně akumulačního media-tekutiny, podle vynálezu. Jeho podstata spočívá v tom, že materiál trubek je odlišný od materiálu nádoby kotle a soustava trubek je uložena ve stěně a na podporách v kotli prostřednictvím elektrické průchodné izolace a plochý útvar soustavy odvodných trubek je umístěn do horní části akumulačního kotle. Soustavu trubek plochého útvaru mohou s výhodou tvořit dvě trubky paralelně vinuté pro případ poruchy těsnosti jedné z trubek, přičemž obě takto vzniklé větve výměníku jsou na vstupu i výstupu z tepelně akumulačního kotle opatřeny šoupaty pro jednotlivé nebo společné paralelní použití.These drawbacks are overcome by a heat exchanger intended for storage boilers and the like, consisting of a set of thermally conductive tubes coiled into a flat formation, for example a flat spiral, immersed in a heat storage fluid medium according to the invention. Its essence is that the pipe material is different from that of the boiler vessel, and the pipe assembly is embedded in the wall and on the supports in the boiler by means of electrical through insulation and the flat formation of the pipe assembly is placed in the upper part of the storage boiler. Advantageously, the flat tube assembly may consist of two tubes wound in parallel in case of leakage failure of one of the tubes, the two exchanger branches thus formed having slots for single or common parallel use at the inlet and outlet of the heat storage boiler.

Výhodou zmíněného výměníku podle vynálezu je odděleni obou tepelných okruhů, to je okruhu akumulačního kotle a okruhu připojeného na výměník. Umožňuje to použití akumulačního kotle, který má odlišný tlak akumulačního media-tekutiny proti tepelnému okruhu výměníku. Akumulační kotel může být bučí otevřený, to je na atmosférickém tlaku, nebo uzavřený, to je s přetlakem proti atmosférickému tlaku. Výhodou výměníku je rovněž použití poměrně malé expanzní nádoby, aí již otevřené nebo přetlakové, na vyrovnání tlaku v připojeném tepelném okruhu. Je to proto, že objem média v okruhu připojeném na výměník je relativně malý· Malý objem média vyžaduje rovněž malé množství chemikálií pro jeho antikorozní úpravu. Oddělení akumulačního média a média v okruhu připojeném na výměník slouží spolu s.relativně malým objemem média v tomto okruhu k usnadnění oprav tepelného zařízení. V neposlední řadě je výhodou popsaného výměníku podle vynálezu účinný přenos tepla, protože výměník je umístěn v příhodných místech tepelně akumulačního kotle, to je při odvodu tepla v nejteplejších partiích akumulačního média v horní části kotle, v případě přívodu tepla v jeho nejchladnějších partiích, to je v dolní části kotle. V obou případech je rovina výměníku umístěna vodorovně. Je tak možno využívat z hlediska cirkulace akumulačního média akumulačních kotlů nevýhodných tvarů, jako jsou například hranaté tvary krychle, kvádr a podobně.The advantage of the exchanger according to the invention is the separation of the two heat circuits, that is, the storage boiler circuit and the circuit connected to the exchanger. This is made possible by the use of an accumulation boiler which has a different pressure of the accumulation medium fluid against the heat exchanger circuit. The storage boiler can be either open, that is, at atmospheric pressure, or closed, that is, at atmospheric pressure. An advantage of the exchanger is also the use of a relatively small expansion vessel, whether open or pressurized, to equalize the pressure in the connected heat circuit. This is because the volume of the medium in the circuit connected to the exchanger is relatively small. · The small volume of the medium also requires a small amount of chemicals for its anticorrosion treatment. The separation of the storage medium and the medium in the circuit connected to the heat exchanger, together with the relatively small volume of the medium in this circuit, facilitate the repair of the heating device. Last but not least, the heat exchanger according to the invention has the advantage of efficient heat transfer, since the heat exchanger is located at convenient locations of the heat storage boiler, i.e. heat removal in the hottest parts of the storage medium in the upper part of the boiler; at the bottom of the boiler. In both cases, the exchanger plane is placed horizontally. It is thus possible to use disadvantageous shapes such as square cubes, cuboids and the like in terms of circulation of the storage medium of the storage boilers.

254 058254 058

Vynález je blíže objasněn na popisu příkladu jeho provedení pomocí přiloženého výkresu, kde obr. 1 znázorňuje nárys a obr. 2 znázorňuje bokorys výměníku tepla podle vynálezu.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention is explained in more detail by way of example with reference to the accompanying drawing, in which: Figure 1 shows a front view and Figure 2 shows a side view of a heat exchanger according to the invention.

Výměník je tvořen buň několika závity plochého útvaru 1, například ploché spirály, vytvarované z tenkostěnné trubky.The exchanger consists of a cell of several turns of a flat formation 1, for example a flat spiral formed from a thin-walled tube.

S výhodou je použita trubka z tepelně vodivého materiálu, který nekoroduje vlivem přítomnosti akumulačního média a média vnějšího tepelného okruhu. Tyto požadavky splňuje například měň, která se navíc dobře zpracovává, v tomto případě ohýbá a natvrdo pájí. Plochý útvar 1 je umístěn v horní části kotle. Je tak možno s úspěchem využívat i akumulačních kotlů shora zmíněných neefektivních tvarů z hlediska termosifonového jevu, jako je tvar krychle nebo kvádru. V takových případech je nutno zajistit ještě další podmínku,a to vhodné půdorysné umístění výměníku. Plochý útvar 1 by v hranatých akumulačních kotlech měl zaujímat méně než dvě třetiny půdorysné plochy, aby byla umožněna rotace akumulačního média vlivem termosifonového jevu. Úchyty výměníku by měly klást i z bočního směru akumulačnímu mediu-tekutině, která obtéká výměník, co nejmenší odpor. Rotační pohyb akumulačního média, kterým se k výměníku přináší naakumulované teplo, je z bočního pohledu vyznačen na obr. 2. Na výměníku ochlazené médium 2 klesá ke dnu akumulačního kotle a naopak, teplé médium 3 stoupá do horní části kotle. Soustava odvodpých trubek je uložena ve stěně a na podporách 7 v kotli prostřednictvím elektrické průchodné izolace 6.Preferably, a tube of thermally conductive material is used which does not corrode due to the presence of an accumulation medium and an external thermal circuit medium. These requirements are met, for example, by the currency, which is also well processed, in this case bending and brazing. The flat formation 1 is located in the upper part of the boiler. Thus, the accumulation boilers of the aforementioned ineffective shapes in terms of a thermosiphon phenomenon, such as a cube or a cuboid shape, can also be successfully used. In such cases, it is necessary to provide a further condition, namely the suitable ground plan location of the exchanger. The flat formation 1 in square storage boilers should occupy less than two-thirds of the floor area to allow rotation of the storage medium due to the thermosiphon effect. The heat exchanger mounts should also provide as little resistance as possible from the lateral direction to the fluid storage medium that flows around the heat exchanger. The rotational movement of the storage medium, which brings the accumulated heat to the exchanger, is indicated from the side view in Fig. 2. On the exchanger, the cooled medium 2 drops to the bottom of the storage boiler and vice versa, the hot medium 3 rises to the upper part of the boiler. The drain pipe system is mounted in the wall and on the supports 7 in the boiler by means of an electrical insulation 6.

Tepelně akumulační kotel je tepelně izolován obvykle minerální vatou, skelnou vatou, perlitem či křemelinovou drtí. Demontáž takové tepelné izolace komplikuje případné opravy kotle nebo výměníku. S výhodou je proto tepelný výměník vyroben jako dvojitý, například ve formě plochého útvaru 1, například spirály, ve kterou jsou stočeny dvě trubky paralelně. Tvoří-li výměník jiný plochý útvar z trubek, je možno vyrobit takové výměníky dva a umístit je vedle sebe v jedné rovině. Vývody 4 obou trubek jsou mimo kotel jak na jejich vstupní, tak i na výstupní straně propojeny paralelně. Hydraulický odpor výměníku jako celku, který klade protékajícímu médiu vnějšího tepelného okruhu, je tedy za dané situace minimální. V obou paralelních větvíchThe heat storage boiler is thermally insulated by mineral wool, glass wool, perlite or diatomaceous earth. Dismantling such thermal insulation complicates any repairs to the boiler or exchanger. Preferably, therefore, the heat exchanger is made as a double heat exchanger, for example in the form of a flat formation 1, for example a spiral, in which two tubes are twisted in parallel. If the heat exchanger forms another flat formation of tubes, two such heat exchangers can be made and placed side by side in one plane. Outlets 4 of both pipes are connected in parallel to the boiler on both their inlet and outlet side. Thus, the hydraulic resistance of the exchanger as a whole, which places the flowing medium of the external thermal circuit, is minimal in the given situation. In both parallel branches

254 058254 058

- 5 výměníku jsou umístěna šoupata 2» kterými je možno libovolnou z obou větví uzavřít při případné poruše její těsnosti vzhledem ke kotli, to je k akumulačnímu mediu-tekutině. Situace je vyznačena na obrázku v příloze. Výměník pak pracuje jen svojí polovinou a klade dvojnásobný hydraulický odpor tepelnému mediu, které jím proudí. Poskytují-li rozměry výměníku dostatečnou rezervu pro prostup tepla, to je pro přenesení dostatečného tepelného výkonu, postačí to pro nouzový provoz tepelného zařízení a není třeba je úplně odstavovat z provozu.5 of the exchanger are provided with sliders 2 which can be closed by either of the two branches in the event of a failure of its tightness to the boiler, that is to the storage medium-liquid. The situation is shown in the figure in the Annex. The exchanger then only works by its half and places double hydraulic resistance to the thermal medium flowing through it. If the dimensions of the exchanger provide a sufficient margin for heat transfer, that is to transfer sufficient heat output, this is sufficient for emergency operation of the heating device and does not need to be completely shut down.

Při přímém napojení průchodů výměníku, kupříkladu přírubami, ocelovou stěnou tepelného akumulačního kotle nebo při přímém upevnění výměníku do kotle, nastává koroze zařízení vlivem styku materiálu výměníku a kotle, které jsou zpravidla různé.When the exchanger passages are directly connected, for example by flanges, the steel wall of the heat storage boiler or when the exchanger is directly attached to the boiler, corrosion of the equipment occurs due to the contact between the exchanger material and the boiler, which are generally different.

Na výměníku to může být například měčl, na kotli ocel. Elektrický potenciál vznikající na jejich styku korozi podporuje. Problém omezení koroze je vyřešen provedením zmíněného styku tak, že kovové materiály obou součástí jsou spojeny pomocí elektrické průchodné izolace 6. Tato elektrická průchodná izolace 6 je namáhána nejen elektricky, ale i případným přetlakem akumulačního média-tekutiny v tepelně akumulačním kotli a dále poměrně vysokou teplotou až 110 °C, které se v kotli špičkově může dosahovat. Vliv teploty na výměník se dále projevuje rozměrovou dila- . tací celého výměníku. Touto dilatací je mechanicky namáháno zejména elektricky izolované uchycení výměníku na akumulační kotel. Úchyt výměníku je proto výhodně proveden tak, že tepelnou dilatací výměníku neomezuje.On the exchanger it can be, for example, dipped, on the boiler steel. The electrical potential arising from their contact promotes corrosion. The problem of corrosion reduction is solved by making said contact so that the metal materials of the two components are joined by means of an electrical insulation 6. This electrical insulation 6 is stressed not only electrically but also by possible overpressure of the storage medium-liquid in the heat storage boiler and up to 110 ° C, which can be achieved in the boiler. The influence of temperature on the exchanger is also manifested by dimensional dimension. the entire heat exchanger. In particular, the electrically insulated attachment of the exchanger to the storage boiler is mechanically stressed by this dilatation. The exchanger grip is therefore preferably designed so that it does not restrict the heat expansion of the exchanger.

Tepelné dimenzování výměníku je navrženo tak, aby výměník s dostatečnou rezervou přenesl potřebné množství tepla, to je tepelný výkon, zejména s ohledem na potenciální možnost užívání jen poloviny výměníku při jeho poruše.The heat dimensioning of the heat exchanger is designed so that the heat exchanger with sufficient reserve transfers the required amount of heat, that is heat output, especially considering the potential possibility of using only half of the heat exchanger in case of its failure.

Výměník tepla podle vynálezu je využitelný zejména v energetickém hospodářství.The heat exchanger according to the invention is particularly useful in power engineering.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

254 058

A heat exchanger for storage boilers and the like, consisting of a set of thermally conductive tubes coiled into a flat formation, for example a flat coil, immersed in a heat storage fluid medium, characterized in that the tube material is different from the material the boiler vessel and the exhaust pipe system is mounted in the wall and on the supports (7) in the boiler by means of electrical continuity insulation (6) and the flat formation (1) of the drain pipe system is placed in the upper part of the storage boiler.

Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the pipe system of the flat unit (1) is formed by two tubes coiled in parallel in case of leakage failure of one of the tubes, both branches of the exchanger being provided with sliders at the inlet and outlet of the heat storage boiler. (5) for single or common parallel use.