RS20200036A1 - Uređaj za razmenu energije između medijuma sa poboljšanom strukturom i performansama - Google Patents

Abstract

Uređaj za razmenu energije između medijuma sa poboljšanom strukturom i performansama je karakterističan po konstrukciji razmenjivača toplote suprotnog i unakrsnog toka fluida, izrađen zavrtanjem helikoidnih cevi zavojnica (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208, 289, 290), sukcesivno, preko strukturalnih ojačanja (300, 301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308, 389, 390) koja su sastavni deo razmenjivačkog jezgra (200) i koja omogućavaju stepenasti raspored zavojnica, te raspored cevi svake zavojnice tačno u srednjoj poziciji i istom razmaku (320) između cevi susednih zavojnica i zajedno su razmenjivačka površina. Strukturalna ojačanja (300,301,302,303,304,305,306,307,308,389,390) su izrađena da im unutrašnja ivica (291) i spoljašnja ivica (292) odgovara zahtevanom koraku (600) zavojnica, te da im unutrašnja ivica (291) dodatno prati ugao navoja zavojnice na koju se postavljaju, a spoljašnja ivica (292) da prati ugao navoja naredne zavojnice.

Description

strukturom i performansama

Oblast tehnike na koju se pronalazak odnosi

Pronalazak uopšteno spada u oblast razmenjivača toplote. Prema Međunarodnoj klasifikaciji patenata( MKP Intcl), predmet pronalaska je razvrstan i označen sa F28, šira klasifikacija, koja se odnosi na razmenu toplote uopšte.

Kako je pronalazak karakterističan po svojoj konstrukciji, može biti označen i sa F28F - konstrukcijski elementi uređaja za razmenu i prenos toplote opšte primene .

Tehnički problem

Pronalazači su imali cilj poboljšati toplotne performanse razmenjivačkog jezgra toplote, prvenstveno na način da se mogu lako kontrolisati bitni parametri radnih fluida. Nadalje, korištenjem tako poboljšanog razmenjivačkog jezgra toplote pronalazači su osmislili razmnjivač toplote koji je jednostavan za izradu, upotrebu i održavanje, podesan za primenu u različitim komercijalni i rezidencijalnim prostorima, te različitim granama industrije. Također, pronalazači su imali za cilj osmisliti razmenjivač toplote koji ima manju masu u odnosu na postojeće razmenjivače iste snage od istog materijala izrade.

Stanje tehnike

Pronalazači su izvršili uvid u baze patenata, te su ustanovili da postoj pronalasci razmenjivača toplote koji obuhvaćaju strukturu koja ima helikoidne cevi te je između cevi ostvaren stepenasti razmak i prisutan je unakrsni tok fluida kao na primer EP0351247 (A2) -Recovery of heat from flue gases ili US20100096115A1 - Multiple concentric cylindrical cocoiled heat exchanger ili pak US3403727A - Crossflow countercurrent heat exchanger with inner and outer-tube sections made up of closely packed coaxially nested layers of helicoidally wound tubes

Neki drugi slični pronalasci kao na primer US4893672A - Counter-flow heat exchanger with helical tube bundle ili GB685848 (A) - Improvements relating to the construction of tubular heat exchangers ne obuhvata unakrsni tok fluida ili pak stepenasti razmak između cevi.

Niti jedan od izloženih patenata ne sadržava razmenjivač toplote suprotnog i unakrsnog toka fluida, izradjen zavrtanjem helikoidnih cevi(zavojnica) jedne u drugu preko strukturalnih ojačanja koja su sastavni deo razmenjivačkog jezgra i koja omogućavaju stepenasti/cik -cak raspored zavojnica, te raspored cevi svake zavojnice tačno u srednjem položaju i istom razmaku izmedju cevi susednih zavojnica u celom razmenjivackom jezgru i zajedno su razmenjivačka površina. Isto tako niti jedan od tih patenata ne otkriva sturkturalna ojačanja koja bi bila izradjena tako da im unutrašnja i spoljašnja ivica odgovara zahtevanom koraku zavojnica te da im unutrašnja ivica dodatno prati ugao zavojnice na koju se postavljaju a spoljašnja ivica da prati ugao naredne zavojnice.

Izlaganje suštine pronalaska

Suština predmetnog pronalaska je konstrukciono rešenje razmenjivača toplote suprotnog i unakrsnog toka fluida, izradjenog zavrtanjem helikoidnih cevi(zavojnica) sukcesivno preko strukturalnih ojačanja koja su sastavni deo razmenjivačkog jezgra i koja omogućavaju stepenasti/cik-cak raspored zavojnica, te raspored cevi svake zavojnice tačno u srednjoj poziciji i istom razmaku izmedju cevi susednih zavojnica u celom razmenjivackom jezgru i zajedno su razmenjivačka površina.

Sturkturalna ojačanja su izradjena tako da im unutrašnja i spoljšnja ivica odgovara zahtevanom koraku zavojnica te da im unutrašnja ivica dodatno prati ugao zavojnice na koju se postavljaju a spoljašnja ivica da prati ugao naredne zavojnice.

Kroz ovaj uređaj za razmenu energije mogu prolaziti dva fluida, prvi fluid i drugi fluid. Nadalje, ovaj uređaj može sadržavati centralni usmerivač s kupastim nastavcima i nosač strukturalnih ojačanja, pri čemu je na centralni usmerivač koji ima kupaste nastavke sa obe strane postavljeno osnovno strukturalno ojačanje na koja je zavrnuta prva helikoidna zavojnica i pri čemu je zadatak centralnog usmerivača da vrši usmeravanje toka prvog fluida prema zavojnicama i da spreči prolaz prvog fluida kroz centralni deo razmenjivačkog jezgra i pri čemu kupasti nastavci tok prvog fluida usmeravaju što bliže spoljašnjim zidovima zavojnica kroz koje se kreće drugi fluid. Sve neparne zavojnice (prva, treća,peta, ...) su međusobno paralelne i u transverzalnim i u longitudinalnim ravnima razmenjivačkog jezgra, dok su isto tako sve parne zavojnice (druga, četvrta, šesta,...) međusobno paralelne i u transverzalnim i u longitudinalnim ravnima razmenjivačkog jezgra. Prečnici d cevi od kojih se izradjuju sve zavojnice su isti. Svaka zavojnica u razmenjivačkom jezgru ima drugačiji prečnik pri čemu sve zavojnice imaju isti korak zavojnice, i pri čemu svaka zavojnica ima drugačiji ugao navoja. Stukturalna ojačanja imaju sinusoidan ili talasast ili valovit-cik-cak oblik, pri čemu oblik strukturalnih ojačanja čini ležišta kojim se kreću zavojnice pri zavrtanju u razmenjivačko jezgro.

Stukturalna ojačanja sadržavaju unutrašnju ivicu i spoljašnju ivicu pri čemu iste odgovaraju zahtevanom koraku zavojnica i pri čemu unutrašnja ivica dodatno prati ugao navoja zavojnice na koju se postavljaju, a spoljašnja ivica prati ugao naredne zavojnice, pri čemu prva zavojnica, ima prečnik prve zavojnice, korak i ugao navoja prve zavojnice. Prvo strukturalno ojačanje koje se postavlja na prvu zavojnicu i prati korak, dodatno prati ugao prve zavojnice unutrašnjom ivicom , a spoljašnjom ivicom ugao naredne druge zavojnice i tako redom do poslednje zavrnute zavojnice.

Na svaku zavojnicu redom postavlja se najmanje dva stukturalna ojačanja, a najpoželjnije tri ili više, rasporedjenih na jednakim razmacima po prečnicima zavojnica, pri čemu se na svaku sledeću zavojnicu stukturalna ojačanja postavljaju tako da nisu u istoj ravni sa strukturalnim ojačanjima prethodne zavojnice.

Osnovna stukturalna ojačanja se vezuju varenjem na centralni usmerivač, a svaka naredna strukturalna ojačanja na sledeću zavrnutu zavojnicu redom u razmenjivačko jezgro pri čemu sturkuralna ojačanja ujedno omogućavaju stepenasti ili cik-cak raspored zavojnica, te raspored cevi svake zavojnice tačno u srednjoj poziciji i istom razmaku izmedju cevi, transverzalno na drugi fluid, susednih zavojnica u celom razmenjivačkom jezgru. Ovaj uređaj za razmenu energije može nadalje sadržavati nosače strukturalnih ojačanja na kojima su izbušene rupe, tako da se u pojedinu rupu umeće jedan kraj strukturalnog ojačanja, pri čemu svaki od nosača strukturalnih ojačanja ima onoliko probušenih rupa i vertikalno i horizontalno, koliko je neophodno da se na svaku zavojnicu postavi najmanje dva struktutralna ojačanja.

Prednost ovog pronalaska ogleda se u jednostavnoj izradi, poboljšanim toplotnim performansama, jednostavnoj kontroli bitnih parametara radnih fluida, lakoj modularnosti za primenu u komercijalnim, rezidencijalnim prostorima i u raznim granama industrije, te lakoj modularnosti za manje/ veće snage.

Opis slika nacrta

Pronalazak je detaljno opisan na primeru nacrta gde:

Slika 1. - ilustruje konstrukciono rešenje razmenjivača toplote u trimetriji

Slika 2. - predstavlja ortogonalni crtež predmetnog pronalaska -pogled odozgo Slika 3. - predstavlja ortogonalni crtež predmetnog pronalaska- pogled s preda Slika 4. - ilustruje- jedan poprečni presek s prikazanim predposlednjim strukturalnim ojačanjem

Slika 5. - ilustruje skraćen poprečni presek u trimetriji

Slika 6. - ilustruje skraćen poprečni presek s prikazanim poslednjim strukturalnim ojačanjem

Slika 7. - ilustruje detalj položaja prve i druge zavojnice u odnosu na prvo strukturalno ojačanje s naznačenim uglom zavojnice

Slika 8. - ilustruje jedno izabrano strukturalno ojačanje

Slika 9. - predstavlja ortogonoalni crtež - poprecni presek prvog primera sa 8 zavojnica

Slika 10. - predstavlja ortogonalni crtež - pogled s preda prvog primera sa 8 zavojnica

Slika 11. - predstavlja ortogonalni crtež - poprecni presek prvog primera sa 8 zavojnica

Slika 12. - ilustruje pogled sa strane prvog primera sa 8 zavojnica

Slika 13. - ilustruje nosač strukturalnih ojacanja - sa poprečnim presekom prvog primera sa 8 zavojnica u trimetriji

Slika 14 - ilustruje razmenjivačko jezgro sa nosačima strukturalnih ojačanja - sa poprečnim presekom prvog primera sa 8 zavojnica u trimetriji

Slika 15. - ilustruje delimični poprečni presek razmenjivačkog jezgra sa nosačima strukturalnih ojačanja prvog primera sa 8 zavojnica u trimetriji

Slika 16. - ilustruje uvećani pogled preseka nekoliko zavojnica s rikazanim tokom prvog fluida i razmakom između zavojnica

Slika 17. - ilustruje primer redukcije ulaza i izlaza razmenjivača za standardne priključke radnih fluida i primenu

Slika 18. - ilustruje primer vezivanja više razmenjivača manjih snaga

POPIS POZIVNIH OZNAKA

101- centralni usmerivač

102- kupasti nastavak

103 - rupe na omataču za prolaz cevi sa proširenjima

104- omotač razmenjivačkog jezgra

105- nosač strukturalnih ojačanja

1050-rupa na nosaču strukturalnog ojačanja

-oklop

-prihvatnik (kolektor) cevi sa proširenjima

- otvori za odzraku razmenjivačkog jezgra

-cev sa proširenjima (na početku i kraju svake zavojnice isti za sve zavojnice) - uzdužna osa

- dužina razmenjivačkog jezgra

- prečnik razmenjivačkog jezgra

- razmjenjivačko jezgro

- prva zavojnica (helikoidna cev)

- druga zavojnica

- treća zavojnica

- četvrta zavojnica

- peta zavojnica

- šesta zavojnica

- sedma zavojnica

- osma zavojnica

- pretposlednja zavojnica

- poslednja zavojnica

- unutrašnja ivica strukturalnog ojačanja

- spoljašnja ivica strukturalnog ojačanja

- ispupčenje

- udubljenje

- prečnik cevi d od kojih su izradjene sve zavojnice

- osovno strukturalno ojačanje

- prvo strukturalno ojačanje

- drugo strukturalno ojačanje

- treće strukturalno ojačanje

- četvrto strukturalno ojačanje

- peto strukturalno ojačanje

- šesto strukturalno ojačanje

- sedmo strukturalno ojačanje

- osmo strukturalno ojačanje

- pretposlednje strukturalno ojačanje

- poslednje strukturalno ojačanje

320- razmak izmedju cevi zavojnica transverzalno na drugi fluid

310 - debljina meterijala od kog se izradjuju sva strukturalna ojačanja

311 - debljina zida cevi od koje su izradjene sve zavojnice

400-tok prvog fluida

402-tok drugog fluida

410 - ulaz prvog fluida

420 - ulaz drugog fluida

411 - izlaz prvog fluida

421 - izlaz drugog fluida

412 - prečnik prilagodjenih ulaza i izlaza prvog fluida za standarne priključke

422 - prečnik prilagodjenih ulaza i izlaza drugog fluidaza standarne priključke

430- prva tačka

431- druga tačka

501 - prečnik prve zavojnice

589- prečnik pretposlednje zavojnice

590- prečnik poslednje zavojnice

600 - korak zavojnica

601 - ugao navoja prve zavojnice

602-ugao navoja druge zavojnice

689- ugao navoja predposlednje zavojnice

690- ugao navoja poslednje zavojnice

Detaljan opis pronalaska

Uređaj za razmenu energije između medijuma sa poboljšanom strukturom i performansama u jednoj izvedbi sadržava sledeće delove: omotač 104, oklop 106, prihvatnik (kolektor) 107, zavojnice odnosno helikoidne cevi 201,202,203,204,205,206,207,208,289,290, cevi sa proširenjima 110, centralni usmerivač 101 s kupastim nastavcima 102, strukturalna ojačanja 300,301,302,303,304,305,306,307,308,389,390 i nosača strukturalnih ojačanja 105.

Uobičajeno, na centralni usmerivač 101 koji ima kupaste nastavke 102 sa obe strane se postavljaju osnovna strukturalna ojačanja 300 na koja će se zavrnuti prva helikoidna cev(zavojnica) 201. Zadatak centralnog usmerivača 101 je da vrši usmeravanje toka prvog fluida 400 prema zavojnicama 201,202,203,204,205,206,207,208,289,290, i da spreči prolaz prvog fluida 400 kroz centralni deo razmenjivačkog jezgra 200. Kupasti nastavci 102 tok prvog fluida 400 usmeravaju što bliže spoljašnjim zidovima zavojnica 201,202,203,204, 205,206,207,208,289,290 kroz koji se kreće drugi fluid 402. Centralni usmerivač 101 se izradjuje od cevi definisanog prečnika na koju su sa obe strane zavareni kupasti nastavci 102.

Zavojnice razmenjivačkog jezgra 200 se formiraju na alatima. Alat moze biti valjak definisanog prečnika i dužine, napravljen od plastike ili metala sa izradjenim kanalima na sebi, koji odgovaraju zahtevanoj zavojnici i njenim karakteristikama, pri čemu se okretanjem alata dobijaju helikoidne cevi (zavojnice) zadatih parametara. Sve zavojnice sa neparnim brojem npr., 201,203 do 289, su paralelne i u transverzalnim i u longitudinalnim ravnima razmenjivačkog jezgra 200. Isto važi i za parne zavojnice 202, 204, itd. Prečnici d cevi 295 od kojih se izradjuju sve zavojnice su isti. Svaka zavojnica 201 do 289, 290 ima drugačiji prečnik, pa se tako definira prečnik prve zavojnice 501, prečnih pretposlednje zavojnice 589 i prečnik poslednje zavojnice 590. Sve zavojnice imaju isti korak 600 zavojnice, ali imaju drugačiji ugao navoja, pa tako prva zavojnica ima ugao navoja 601, ugao navoja pretposlednje zavojnice je 689, dok je ugao poslednje zavojnice 690, pa je radi toga alat za svaku zavojnicu drugačiji. Takodje zavojnice se mogu izradjivati i na modifikovanim alatima za savijanje cevi npr., tro-valjak, dobošasti alati i drugi alati poznati iz stanja tehnike. Cevi od kojih se izradjuju zavojnice mogu biti od bakra, aluminijuma, inoxa, dualnih metala itd. Razmenjivačko jezgro 200 može biti vezano u sisteme grejanja ili hladjenja uspravno ili horizontalno.

Strukturalna ojačanja 300,301,302,303,304,305,306,307,308,389,390 omogućavaju zavrtanje zavojnica u razmenjivacko jezgro 200. Stukturalna ojačanja 300,301,302,303, 304,305,306,307,308,389,390 imaju sinusoidan/talasast/valovit-cik-cak oblik. Ovakav oblik strukturalnih ojačanja omogućava ležišta kojim se kreću zavojnice 201,202,203,204, 205,206,207,208,289,290, pri zavrtanju u razmenjivačko jezgro 200. Postavljaju se paralelno sa uzdužnom osom 112, a unutrašnja ivica 291 i spoljašnja ivica 292 im je izradjena da odgovara zahtevanom koraku 600 zavojnica. Obzirom da je ugao navoja zavojnica 601,689,690 za svaku zavojnicu 201,202,203,204,205,206,207,208,289,290 drugačiji, ujedno su i sva strukturalna ojačanja drugačija, izradjena da im unutrašnja ivica 291 dodatno prati ugao navoja zavojnice na koju se postavljaju, a spoljašnja ivica 292 da prati ugao naredne zavojnice. Tako, prva zavojnica 201, ima prečnik 501, korak navoja 600, prečnik cevi d od koje je izradjena zavojnica 201, ugao navoja 601 i prvo strukturalno ojačanje 301, i tako redom za svaku narednu zavojnicu sukcesivno. Isto tako, prvo strukturalno ojačanje 301 koje se postavlja na zavojnicu 201 i prati korak 600, dodatno prati ugao zavojnice 601 za prvu zavojnicu 201 unutrašnjom ivicom 291, a spoljašnjom ivicom 292 ugao 602 naredne druge zavojnice 202 i tako redom do poslednje zavrnute zavojnice. Na svaku zavojnicu se redom postavlja najmanje dva stukturalna ojačanja 300,301,302,303,304,305,306,307, 308,389,390 a najpozeljnije tri ili više, rasporedjenih na jednakim razmacima po prečnicima zavojnica 201, 289,290. Na svaku sledeću zavojnicu, stukturalna ojačanja se postavljaju da nisu u istoj ravni sa ojačanjima prethodne zavojnice. Osnovno stukturalno ojačanje 300 se vezuju varenjem na centralni usmerivač 101, a svako naredno strukturalno ojačanje 301,302,303,304,305,306,307,308,389,390 na sledeću zavrnutu zavojnicu redom u razmenjivačko jezgro 200. Sturkuralna ojačanja ujedno omogućavaju stepenasti/cik-cak raspored zavojnica te raspored cevi svake zavojnice tačno u srednjoj poziciji i istom razmaku izmedju cevi 320 (transverzalno na drugi fluid 402) susednih zavojnica u celom razmenjivačkom jezgru 200. Nakon postavljanja stukturalnih ojačanja na poslednju zavrnutu zavojnicu 289 ili 290, na njih se postavlja cilindricni omotac 104 razmenjivača. Osnovna strukturalna ojačanja 300 i poslednja strukturalna ojačanja 390, dodatno, mogu biti i ravna, bez cik-cak talasa, i ostalih navedenih karakteristika, te biti u ravni sa strukturalnim ojačanjem naredne zavojnice, sto vazi za osnovna strukturalna ojačanja 300, ili prethodne sto važi za poslednja strukturalna ojačanja 390. Takodje zavojnice 201,289,290, sa svojim parom strukturalnih ojačanja 301, 389, 390 redom, se mogu zavariti pre zavrtanja u razmenjivačko jezgro 200, a potom pojedinačno zavrnuti u razmenjivačko jezgro, sukcesivno.

Srukturalna ojačanja obezbedjuju učvršćenje celokupnog razmenjivačkog jezgra 200, smanjenje vibracija, te uniformni razmak između cevi zavojnice 320. Dodatno povećavaju površinu za razmenu toplote i čine zajedno sa zavojnicama ukupnu razmenjivačku površinu. Takodje moguće su i druge modifikacije u načinu vezivanja stukturalnih ojačanja sem varenjem npr. lemljenjem, lepljenjam itd.

Sturkturalna ojačanja se najpoželjnije izradjuju od iste vrste materijalima kao i zavojnice. Stukturalna ojačanja se izradjuju od materijala punog preseka, traka, zica itd., ili od kapilarnih cevčica(mikro- kanalne cevi). Izradjuju se u svojim kalupima ili se isecaju, npr laserskim sečenjem, kako bi se dobio specifican oblik koji obezbedjuje da se zavojnice lako zavrću, sukcesivno, u razmenjivačko jezgro. Debljina 310 materijala od kog se izradjuju strukturalna ojačanja su jedan od razloga koji utiče na veličinu (medjuprostor-gap) razmaka 320. Svako strukturalno ojačanje ima istu debljinu 310 materija od kog se izradjuje. Promenom debljine 310 materijala njihove izrade, se smanjuje ili povećava veličina razmaka 320, ali uvek obezbedjuje stepenasti/cik-cak raspored zavojnica, te raspored cevi svake zavojnice tačno u srednjoj poziciji i istom razmaku 320 izmedju cevi susednih zavojnica u celom razmenjivačkom jezgru 200.

Radi izbegavanje varenja ili lepljenja struktulnih ojačanja, sva strukturalna ojačanja se mogu umetnuti u simetrične nosače 105. Na slikama od broja 9. do broja 15. su dati primeri za razmenjivačko jezgro 200 sa nosačima 105 sa osam zavojnica 201 do 208. Sva strukturalna ojačanja koja se umeću u nosače 105 su izradjena po prethodno opisanom principu. Svaki od nosača 105 se izradjuju od dve identicne cevi, najpoželjnije, ili okruglih šipki punog preseka, koje se vare na svojim sredinama pod pravim uglom. Izmedju nosača 105 se umeću strukturalna ojačanja u na njima izbušenim rupama 1050 u navedenom primeru poslednje strukturalno ojačanje je osmo strukturalno ojačanje 308. Nosači 105 se izradjuje od iste vrste materijala kao i centralni usmerivač 101, te prečnika ne većeg od prečnika d cevi zavojnica 295. Svaki od nosaca 105 ima onoliko probušenih rupa i verikalno i horizontalno, koliko je neophodno da se na svaku zavojnicu postavi najmanje dva struktutralna ojačanja. Nosaci 105, se moge zavariti za centralni usmerivač 101 pre varenja njegovih kupastih nastavaka 102. Posle umetanja svih strukturalnih ojačanja u nosače 105, za dati primer na slikama od 9. do 11. zavojnice 201 do 208, se zavrću, redom, formirajući razmenjivačko jezgo 200. Takodje, strukturalna ojačanja se mogu umetati u nosače 105 i pojedinačno, nakon zavrnute svake zavojnice, redom.

Na osnovu zahtevane snage razmenjivačkog jezgra 200, vrste, brzina i temperatura radnih fluida 400 i 402, te zahtevanog pada pritiska radnih fluida, određuje se dužina 120 i prečnik 130 razmenjivačkog jezgra, prečnik cevi d 295 za izradu zavojnica, debljina zida 311 cevi od kojih se izradjuju zavojnice, prečnik prve zavojnice 501, do prečnika poslednje zavojnice 590, redom, broj zavojnica i definise neophodan razmak 320. Promenom koraka 600 zavojnica i strukturalnih ojačanja, uz zadržavanje prethodno navedenog principa i karakteristika njihove izrade, se jednostavno regulise razmak 320, što omogućava jednostavnu kontrolu željenog pada pritiska fluida 400. Dužina svake pojedine zavojnice zavisi od prečnika svake zavojnice, kao i dužine 120 samog jezgra.

Primer 2: Primer jednog optimizovanog razmenjivača prema predmetnom pronalasku za zahtevanu snagu od 1850W vazduh-voda:

Osnovni parametri za izradu razmenjivačkog

jezgra Prvi fluid 400: vazduh

0.0934 [kg/s] maseni protok prvog fluida 400

32.0000 [C] ulazna temperature prvog fuida 400

Drugi fluid 402:

voda

4.8300 [lt/min] protok drugog fluida 402

[C] Ulazna temperature fluida drugog

8.0000

fluida 402

Zahtevani pad pritiska prvog fluida je 80 Pa, a drugog fluida 6kPa Optimizovano razmenjivačko jezgo prema predmetnom pronalasku: tehničke karakteristike izrade

[m] spoljašnji prečnik d cevi od kojih su izradjene

d = 0.0050

zavojnice

[m] Debljna zida cevi 311 od kojih su izradjene

TW = 0.0005

zavojnice

D = 0.2255 [m]Prečnik 130 razmenjivačkog jezgra

L = 0.1150 [m]Dužina 120 razmenjivačkog jezgra

Cn = 22.00 Ukupan broj zavojnica

Tezina =4.7 [kg]

razmenjičkog izradjen od

jezgra bakra

Razmak 320 Lg = 0.003m

Pri čemu su dobijeni sledeci bitni parametri:

79.38 [Pa] Pad pritiska prvog fluida 400

5842.15 [Pa] Pad pritiska drugog fluida 402

[C] srednja temperaturna razlika kroz razmenjivačku jezgru 10.0884

200

169.1566 [W/m2*K] srednji koeficijent razmene toplote 1848.7731 [W] Toplotna snaga izvučena iz prvog fluida 400

Sve navedene konstrukcijske i funkcionalne karakteristike pronalaska i navedenog primera pronalazač je uspešno proverio na izrađenom prototipu. Promenom navedenih geometrijskih parametara-tehničkih karakteristika izrade razmenjivačkog jezgra omogućava se primena na rezidencijalne objekte( manje snage) kao i komercijalna postrojenja (veće snage) te i raznim granama industrije za hladjenje, grejanje ili rekuperaciju.

U navedenom primeru optimizovanog razmenjivačkog jezgra malih dimenzija i male težine, ostvaren je visok kapacitet toplote (1850 W) što omogućava jednostavnu i fleksibilnu instalaciju na malom prostoru.

Radi dodatno lakšeg zavrtanja zavojnica u razmenjivacko jezgro 200, svaka se na svom početku i kraju, preseca na način da sve zavojnice razmenjivackog jezgra dodju u istu ravan normalnu na osu 112. Na početku i kraju svake zavojnice se zatim postavljaju/namiču cevi 110 sa proširenjima, istih dužina, na svaku zavojnicu pojedinačno. Na omotaču 104 su izbušene rupe 103 za prolaze cevi 110 sa proširenjima koje dalje ulaze ravno u prihvatnik ( kolektor) 107. Cevi sa proširenjima 110 se mogu variti, lepiti itd., za zavojnice. Izmedju omotača 104 jezgra i cevi sa proširenjima 110 se postavlja oklop 106 kojim se sprečava prolaz prvog fluida 400 van razmenjivačkog jezgra 200. Cevi sa proširenjima 110 se najpoželjnije izradjuju od istog materijala i prečnika d cevi 295 kao i za zavojnice, te proširuju na jednom kraju gde ce se navući na zavojnice, standardnim alatima za širenje cevi. Na prihvatniku (kolektoru) 107 dodatno se nalaze otvori 108 za odzraku razmenjivačkog jezgra 200.

Prvi fluid 400 se kreće oko zavojnica, a drugi fluid 402 kroz zavojnice. Ulaz 410 prvog fluida 400 u odnosu na ulaz 420 drugog fluida 402, se nalazi sa suprotne strane razmenjivačkog jezgra, pri čemu se ostvaruje da se fluidi kreću u suprotnim smerovima. Time je temperaturna razlika u celom razmenjivačkom jezgru 200 velika te je i razmena toplote na celom uređaju visoka. Prvi fluid 400 se dodatno kreće priblizno perpedikularno (unakrsno/normalno) u odnosu na osu cevi zavojnica. U ovom rasporedu zavojnice u velikoj meri ometaju protok prvog fluida 400, tako da postoji neprekidno vrtloženje( turbulentnost) prvog fluida 400 oko zavojnica. Ovo pospešuje razmenu toplote, ali takođe povećava pad pritiska prvog fluida 400. Obzirom da su zavojnice rasporedjene stepenosto (stepenasti poredak zavojnica) u razmenjivačko jezgro smeštanjem u svoja ležista na strukturalnim ojačanjima, cevi svake zavojnice su tačno u srednjoj poziciji i istom razmaku 320 (transverzalno na drugi fluid 402) izmedju cevi susednih zavojnica, prvi fluid 400 je nateran da se kreće blizu zidova cevi zavojnica.

U stepenastom poretku, cev npr., pete zavojnice 205, upućuje slika 16., se nalazi tačno u srednjoj poziciji između susednih cevi četvrte zavojnice 204 i šeste zavojnice 206. Tok prvog fluida 400 koji prolazi između četvrte zavojnice 204 i šeste zavojnice 206 direktno udara u cev pete zavojnice 205. Tok prvog fluida 400 koji prolazi između četvrte zavojnice 204 i šeste zavojnice 206 ne oslobađa ili ne prima dovoljno toplote, jer se nalazi na sredini prolaza izmedju četvrte zavojnice 204 i šeste zavojnice 206, u prvoj tački 430. Ali

dalje prolazi blizu zida cevi pete zavojnice 205 u drugoj tački 431, gde se oslobađa ili prima mnogo toplote.

Prenos toplote može se poboljšati smanjenjem udaljenosti od zidova cevi do prvog fluida 400, tj., smanjenjem razmaka 320. Ako je razmak 320 vrlo mali, tok prvog fluida 400 je prisiljen da prolazi vrlo blizu zidova cevi, te je i prenos toplote veći. U osnovi, toplotni otpor toka prvog fluida 400 je proporcionalan razmaku 320 pa je stopa prenosa toplote

proporcionalna obrnutoj dužini razmaka 320 izmedju cevi zavojnica: Q ∞Lg-1 .

Medjutim, ukoliko je razmak 320 izmedju zavojnica previše mali, prvi fluid 400 je nateran da prolazi kroz uske prolaze pa je više mahaničkog rada neophodno da bi se otpor savladao, odnosno dolazi do povećanja pada pritiska prvog fluida 400 kroz razmenjvačko jezgro 200.. To je nepoželjan efekat jer se deo pritiska gubi. Pad pritiska prvog fluida 400 se povećava proporcionalno inverznom kubiku razmaka 320 tj., ΔPfluida S∞ Lg<- 3>.

Gore opisanim načinom izrade predmetnog pronalaska postiže se najveća razmena toplote za zadati pad pritiska prvog fluida 400. Ovim dizajnom se izradjuje aksijalno helikoidno razmenjivačko jezgro 200 toplote sa suprotno-strujnim (suprotno-smernim) i unakrsnim tokom fluida, te stepenastim rasporedom zavojnica, koji se jednostavno izrađuje zavrtanjem helikoidnih cevi (zavojnica) sukcesivno preko strukturalnih ojačanja, čime se postižu visoke toplotne performansi, te jednostavna kontrole najbitnijih parametara.

Dodatna prednost predmetnog razmenjivačkog jezgra 200 toplote je mehanizam “samočišćenja” unutrašnjosti zavojnica. Kamenac, drugi talozi i zaprljanja unutar zavojnica, izazivaju lokalizovano povećanje brzine drugog fluida 402 kojom se povećava “guranje” nečistoće, trenjem drugog fluida 402 o nečistoću, te se tako unutrašnja površina zavojnica “sama” održava čistom.

Prečnici 412 ulaza prvog fluida 410 i izlaza prvog fluida 411, kao i prečnik 422 ulaza drugog fluida 420 i izlaza drugog fluida 421 upućuje slika 17., razmenjivačkog jezgra 200 mogu se redukovati ili povećati za priključenje na standardne priključke.

Povećanje zahtevane snage predmetnog pronalaska može se izvesti i vezivanjem manjih snaga razmenjivačkog jezgra 200 izradjenih po istom principu.

Na slici 12., je dat primer vezivanja vise razmenjivačkih jezgara 200 manjih snaga izradjenih prema predmetnom pronalasku za ostvarenje jednog razmenjivača veće snage. Na slici 9. se vidi izvedba razmenjivačke jezgre 200 u preseku sa 8 zavojnica 201,202,203,204,205,06,207,208 tako da je vidljivo da prvo dolazi osovno strukturalno ojačanje 300, pa prva zavojnica 201, potom dolazi na nju prvo strukturalno ojačanje 301, a na njega druga zavojnica 202 koja se postavlja u udubljenja 294, pa na ispupčenja 293 tog prvog strukturalnog ojačanja 301 dolazi treća zavojnica 203 na koju dolazi treće strukturalno ojačanje 303 na koje dolazi četvrta zavojnica 204 koja se postavlja u udubljenje 294 tog trećeg strukturalnog ojačanja 303, pa na ispupčenja 293 tog trećeg strukturalnog ojačanja 303 dolazi peta zavojnica 205 na koju dolazi peto strukturalno ojačanje 305, a na njega šesta zavojnica 206 koja se postavlja u udubljenja 294, pa na ispupčenja 293 tog petog strukturalnog ojačanja 305 dolazi sedma zavojnica 207, na koju dolazi sedmo strukturalno ojačanje 307, a na njega osma zavojnica 208 koja se postavlja u udubljenja 294 tog sedmog strukturalnog ojačanje 307, te na osmu zavojnicu 208 dolazi poslednje osmo strukturalno ojačanje 308.

Način industrijske ili druge primene pronalaska

Predmetni pronalazak se može industrijski primeniti u komercijalnim, rezidencijalnim prostorima i raznim granama industrije. Slika 11. ilustruje jedan od načina primene pronalaska u automobilskoj industriji na kompletiranom razmenjivaču toplote za hladjenje (intercooler) visoko komprimovanog vrućeg vazduha gde mu je svrha da snizi temperaturu vazduha uz sto manji gubitak pritiska.

Iako je predmetni pronalazak opisan u najpoželjnijoj varijanti, da bi se omogućilo bolje razumevanje pronalaska, treba imati u vidu da su moguće različite modifikacije. Predmetnim pronalaskom, žele se zapravo obuhvatiti sve moguće modifikacije.

Takođe, bilo kakva konstrukcijska poboljšanja ili izmene koja bi bila u okviru prikazanog konstrukcionog rešenja i koja bi bila u cilju njegovog funkcionalnog poboljšanja, smatraju se da su obuhvaćena ovom prijavom.

Claims (11)

PATENTNI ZAHTEVI

1. Uređaj za razmenu energije između medijuma sa poboljšanom strukturom i performansama suprotnog i unakrsnog toka fluida naznačen time da sadržava zavojnice (201,202,203,204,205,206,207,208,289,290) izvedene iz cevi i strukturalna ojačanja (300,301,302,303,304,305,306,307,308,389,390), pri čemu zavojnice (201,202,203,204,205, 206,207,208,289,290) i strukturalna ojačanja (300,301,302,303,304,305,306,307,308,389, 390), formiraju razmenjivačko jezgro (200) i pri čemu su zavojnice (201,202,203,204,205, 206,207,208,289,290) sukcesivno zavrnute preko strukturalnih ojačanja (300,301,302,303, 304,305,306,307,308,389,390) i pri čemu strukturalna ojačanja omogućavaju stepenasti/cik-cak raspored zavojnica (201,202,203,204,205,206,207,208,289,290) i raspored cevi svake zavojnice tačno u srednjoj poziciji i istom razmaku izmedju cevi susednih zavojnica u celom razmenjivackom jezgru (200).

2. Uređaj za razmenu energije prema 1. patentnom zahtevu naznačen time da kroz njega mogu prolaziti prvi fluid (400) i drugi fluid (402), s time da nadalje sadržava centralni usmerivač (101) s kupastim nastavcima (102), nosač strukturalnih ojačanja (105) i osnovno strukturalno ojačanje(300) pri čemu je na centralni usmerivač (101) koji ima kupaste nastavke (102) sa obe strane postavljeno osnovno strukturalno ojačanje (300) na koja je zavrnuta prva helikoidna zavojnica (201) i pri čemu je zadatak centralnog usmerivača (101) da vrši usmeravanje toka prvog fluida (400) prema zavojnicama (201,202,203,204,205,206,207,208,289,290) i da spreči prolaz prvog fluida (400) kroz centralni deo razmenjivačkog jezgra (200) i pri čemu kupasti nastavci (102) tok prvog fluida (400) usmeravaju što bliže spoljašnjim zidovima zavojnica (201,202,203,204, 205,206,207,208,289,290) kroz koje se kreće drugi fluid (402).

3. Uređaj za razmenu energije prema bilo kojem prethodnom zahtevu naznačen time da su sve zavojnice sa neparnim brojem (201,203,205,207,289) međusobno paralelne i u transverzalnim i u longitudinalnim ravnima razmenjivačkog jezgra (200), te su isto tako sve parne zavojnice (202, 204, 206, 208, 290) međusobno paralelne i u transverzalnim i u longitudinalnim ravnima razmenjivačkog jezgra (200).

4. Uređaj za razmenu energije prema bilo kojem prethodnom patentnom zahtjevu nznačen time da su prečnici d cevi (295) od kojih se izradjuju sve zavojnice isti.

5. Uređaj za razmenu energije prema bilo kojem prethodnom patentnom zahtjevu naznačen time da svaka zavojnica (201,202,203,204,205,206,207,208,289,290) u razmenjivačkom jezgru (200) ima drugačiji prečnik (501,589,590) pri čemu sve zavojnice imaju isti korak (600) zavojnice, i pri čemu svaka zavojnica (201,202,203,204,205,206,207,208,289,290) ima drugačiji ugao navoja (601,689,690).

6. Uređaj za razmenu energije prema bilo kojem prethodnom patentnom zahtjevu naznačen time da stukturalna ojačanja (300,301,302,303,304,305,306,307,308,389,390) imaju sinusoidan ili talasast ili valovit-cik-cak oblik, pri čemu oblik strukturalnih ojačanja čini ležišta kojim se kreću zavojnice (201,202,203,204,205,206,207,208,289,290) pri zavrtanju u razmenjivačko jezgro (200).

7. Uređaj za razmenu energije prema 6. patentnom zahtjevu naznačen time da stukturalna ojačanja (300,301,302,303,304,305,306,307,308,389,390) sadržavaju unutrašnju ivicu (291) i spoljašnju ivicu (292) pri čemu iste odgovaraju zahtevanom koraku (600) zavojnica i pri čemu unutrašnja ivica (291) dodatno prati ugao navoja zavojnice (201,202,203,204,205,206,207,208,289,290) na koju se postavljaju, a spoljašnja ivica (292) prati ugao naredne zavojnice, pri čemu prva zavojnica (201), ima prečnik prve zavojnice (501), korak navoja (600) i ugao navoja prve zavojnice (601).

8. Uređaj za razmenu energije prema 7. patentnom zahtjevu naznačen time da prvo strukturalno ojačanje (301) koje se postavlja na prvu zavojnicu (201) i prati korak (600), dodatno prati ugao prve zavojnice (601) unutrašnjom ivicom (291), a spoljašnjom ivicom (292) ugao naredne druge zavojnice (602) i tako redom do poslednje zavrnute zavojnice.

9. Uređaj za razmenu energije prema bilo kojem prethodnom patentnom zahtevu naznačen time da se na svaku zavojnicu (201,202,203,204,205,206,207,208,289,290) redom postavlja najmanje dva stukturalna ojačanja (300,301,302,303,304,305,306,307,308,389,390) a najpozeljnije tri ili više, rasporedjenih na jednakim razmacima po prečnicima zavojnica (201,202,203,204,205,206,207,208,289,290), pri čemu se na svaku sledeću zavojnicu stukturalna ojačanja postavljaju tako da nisu u istoj ravni sa strukturalnim ojačanjima prethodne zavojnice.

10. Uređaj za razmenu energije prema bilo kojem prethodnom patentnom zahtevu naznačen time da se osnovna stukturalna ojačanja (300) vezuju varenjem na centralni usmerivač (101), a svaka naredna strukturalna ojačanja (300,301,302,303,304, 305,306,307,308,389,390) na sledeću zavrnutu zavojnicu redom u razmenjivačko jezgro (200) pri čemu sturkuralna ojačanja ujedno omogućavaju stepenasti ili cik-cak raspored zavojnica, te raspored cevi svake zavojnice tačno u srednjoj poziciji i istom razmaku izmedju cevi (320), transverzalno na drugi fluid (402), susednih zavojnica u celom razmenjivačkom jezgru (200).

11. Uređaj za razmenu energije prema bilo kojem prethodnom patentnom zahtevu naznačen time da nadalje sadržava nosače strukturalnih ojačanja (105) na kojima su izbušene rupe (1050), tako da se u pojedinu rupu (1050) umeće jedan kraj strukturalnog ojačanja, pri čemu svaki od nosača strukturalnih ojačanja (105) ima onoliko probušenih rupa i vertikalno i horizontalno, koliko je neophodno da se na svaku zavojnicu postavi najmanje dva struktutralna ojačanja.