NO20110247A1 - Bellows heat exchanger by heating machine, heat pump, expander or compressor - Google Patents
Bellows heat exchanger by heating machine, heat pump, expander or compressor Download PDFInfo
- Publication number
- NO20110247A1 NO20110247A1 NO20110247A NO20110247A NO20110247A1 NO 20110247 A1 NO20110247 A1 NO 20110247A1 NO 20110247 A NO20110247 A NO 20110247A NO 20110247 A NO20110247 A NO 20110247A NO 20110247 A1 NO20110247 A1 NO 20110247A1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- heat exchanger
- bellows
- heat
- volume change
- change chamber
- Prior art date
Links
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title description 15
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 43
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 24
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 19
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 17
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 12
- 239000003351 stiffener Substances 0.000 claims description 9
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 5
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000005476 soldering Methods 0.000 claims description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 2
- 238000005323 electroforming Methods 0.000 claims description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 2
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
- F02G1/053—Component parts or details
- F02G1/055—Heaters or coolers
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
- F28D7/106—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
- F28F1/08—Tubular elements crimped or corrugated in longitudinal section
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Geometry (AREA)
- Reciprocating Pumps (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
Belgvarmeveksler ved varmemaskin, varmepumpe, ekspander eller kompressor Det beskrives en anordning for varmeveksling i en varmemaskin, ei varmepumpe, en ekspander eller en kompressor som benytter et arbeidsfluid for energikonvertering og et termofluid for varmetransmisjon, hvor varmemaskinen, varmepumpa, ekspanderen eller kompressoren har minst en arbeidsmekanisme (1) som omfatter i det minste ett volumendringskammerhus (100), og volumendringskammerhuset (100) danner i det minste ett volumendringskammer (150), hvor den minst ene arbeidsmekanismen (1) omfatter minst en fortrengningsmekanisme (200), og hvor minst en intern varmeveksler (300) står i termisk kontakt med minst ett av det minst ene volumendringskammeret (150), hvor varmeveksleren (300) omslutter og/eller er omsluttet av volumendringskammeret (150), og er utformet som en belg.Heat exchanger heat exchanger by heat engine, heat pump, expander or compressor A device for heat exchange is described in a heat engine, a heat pump, an expander or a compressor which uses a work conversion fluid energy and a heat transmission thermofluid, where the heat engine, heat pump, expander or at least one a working mechanism (1) comprising at least one volume change chamber (100), and the volume change chamber housing (100) forming at least one volume change chamber (150), wherein the at least one working mechanism (1) comprises at least one displacement mechanism (200), and wherein at least one internal heat exchanger (300) is in thermal contact with at least one of the at least one volume change chamber (150), wherein the heat exchanger (300) encloses and / or is enclosed by the volume change chamber (150), and is formed as a bellows.
Description
BELGVARMEVEKSLER VED VARMEMASKIN, VARMEPUMPE, EKSPANDER ELLER KOMPRESSOR BELOW HEAT EXCHANGER WITH HEAT MACHINE, HEAT PUMP, EXPANDER OR COMPRESSOR
Det beskrives en anordning for varmeveksling i en varmemaskin, ei varmepumpe, en It describes a device for heat exchange in a heating machine, a heat pump, a
ekspander eller en kompressor som benytter et arbeidsfluid for energikonvertering og et termofluid for varmetransmisjon, hvor varmemaskinen, varmepumpa, ekspanderen eller kompressoren har minst én arbeidsmekanisme som omfatter i det minste ett volumendringskammerhus, og volumendringskammerhuset danner i det minste ett volumendringskammer, hvor den minst ene arbeidsmekanismen omfatter minst én fortrengningsmekanisme, og hvor minst én intern varmeveksler står i termisk kontakt med minst ett av det minst ene volumendringskammeret. expander or a compressor that uses a working fluid for energy conversion and a thermofluid for heat transmission, where the heater, heat pump, expander or compressor has at least one working mechanism comprising at least one volume change chamber housing, and the volume change chamber housing forms at least one volume change chamber, where the at least one working mechanism comprises at least one displacement mechanism, and where at least one internal heat exchanger is in thermal contact with at least one of the at least one volume change chamber.
Det fins mange varmemaskinteknologier som benytter varme tilført fra en ekstern varmekilde, såkalte eksternvarmemaskiner, i motsetning til internforbrenningsmaski-ner, hvor varme tilføres som følge av intern forbrenning av et drivstoff. Alle varmemaskiner benytter et arbeidsfluid, og i en eksternvarmemaskin blir varmen tilført arbeidsfluidet gjennom en varmeveksler. Et eksempel på en eksternvarmemaskin er Stirling-motoren. There are many heating machine technologies that use heat supplied from an external heat source, so-called external heating machines, in contrast to internal combustion machines, where heat is supplied as a result of the internal combustion of a fuel. All heating machines use a working fluid, and in an external heating machine the heat is supplied to the working fluid through a heat exchanger. An example of an external heat engine is the Stirling engine.
Nettopp fordi all varme som omsettes i en eksternvarmemaskin, skal overføres ved hjelp av en eller flere varmevekslere, er utformingen av disse en viktig faktor for å oppnå et effektivt design. For å oppnå god varmeveksling i en varmemaskin er det viktig å oppnå en høy varmetransmisjonskoeffisient mellom arbeidsfluidet og varmeveksleren. Likedan er det viktig å oppnå en høy varmetransmisjonskoeffisient mellom varmetransmisjonsfluidet, heretter kalt termofluidet, og varmeveksleren, slik at den totale varmetransmisjonskoeffisienten mellom termofluidet og arbeidsfluidet blir høy. Termofluidet er det fluidet som transporterer varmen mellom varmemaskinen og et eksternt varme- eller kuldereservoar, og kan i enkleste fall være luft, vann eller eksosgass. Varmeveksleren vil som regel skille de to fluidene fra hverandre, idet varmeveksleren som oftest utgjør en mekanisk barriere mellom de to. Precisely because all heat converted in an external heating machine must be transferred using one or more heat exchangers, the design of these is an important factor in achieving an efficient design. In order to achieve good heat exchange in a heating machine, it is important to achieve a high heat transmission coefficient between the working fluid and the heat exchanger. Likewise, it is important to achieve a high heat transmission coefficient between the heat transmission fluid, hereafter called the thermofluid, and the heat exchanger, so that the total heat transmission coefficient between the thermofluid and the working fluid is high. The thermofluid is the fluid that transports the heat between the heater and an external heat or cold reservoir, and can in the simplest case be air, water or exhaust gas. The heat exchanger will usually separate the two fluids from each other, as the heat exchanger most often forms a mechanical barrier between the two.
En varmeveksler kan i enkleste fall være ei metallplate som fungerer som grensesnitt mellom to ulike fluider som er i kontakt med hver sin side av metallplata, slik at var me kan overføres mellom dem gjennom godset til metallplata. For å oppnå en høy varmetransmisjonskoeffisient er det bl.a. viktig at varmeveksleren har liten godstykkelse (tynne vegger) i grensesnittet mellom de to fluidene. Hvis ikke vil den termiske resistansen mellom de to fluidene være relativt stor, og varmeledningsevnen til varmeveksleren tilsvarende lav. In the simplest case, a heat exchanger can be a metal plate that functions as an interface between two different fluids that are in contact with each side of the metal plate, so that heat can be transferred between them through the material to the metal plate. In order to achieve a high heat transmission coefficient, it is, among other things, important that the heat exchanger has a small material thickness (thin walls) at the interface between the two fluids. Otherwise, the thermal resistance between the two fluids will be relatively large, and the thermal conductivity of the heat exchanger correspondingly low.
I tradisjonelle eksternvarmemaskiner basert på stempelprinsippet er det vanlig at sylinderveggen også fungerer som varmeveksler. Da en ren sylinder kun har en begrenset overflate, gitt av sylinderens lengde og diameter, kan det være fordelaktig å benytte seg av tiltak for å øke denne overflaten. Et vanlig tiltak er å lage interne varmevekslerfinner på sylinderveggen, men dette fører til at dødvolumet, dvs. det volumet som ikke kan fortrenges av stempelet, øker. Da unødig dødvolum som oftest har en negativ effekt på virkningsgraden, er det grenser for hvor mye dødvolum det kan tillates. Men i noen tilfeller vil det likevel lønne seg å øke varmevekslerflatene på bekostning av øket dødvolum. In traditional external heating machines based on the piston principle, it is common for the cylinder wall to also act as a heat exchanger. As a pure cylinder only has a limited surface, given the cylinder's length and diameter, it can be advantageous to use measures to increase this surface. A common measure is to create internal heat exchanger fins on the cylinder wall, but this causes the dead volume, i.e. the volume that cannot be displaced by the piston, to increase. Since unnecessary dead volume most often has a negative effect on efficiency, there are limits to how much dead volume can be allowed. But in some cases it will still be worthwhile to increase the heat exchanger surfaces at the expense of increased dead volume.
Moderne teknologi muliggjør en stor variasjon av hvordan varmevekslere kan utformes, og da spesielt med tanke på bruk i varmemaskiner eller varmepumper. En inter-essant, rimelig og lett tilgjengelig teknisk løsning ligger innenfor området metallbelger som kan utformes på mange forskjellige måter. Fordelen med metallbelger er at de oppviser stor styrke, samtidig som godstykkelsen er minimal over hele overflaten. I f.eks. en sylinder som har funksjon som varmeveksler, hvor det er laget kjøleribber for å øke overflaten, vil det være en betydelig termisk resistans mellom sylinderens utside og innside, da varmen må transporteres gjennom godset til både sylinderen og ribbene før den kan overføres til mediet på den ene eller den andre siden. Modern technology enables a great variety of how heat exchangers can be designed, and especially with regard to use in heating machines or heat pumps. An interesting, affordable and easily accessible technical solution lies in the area of metal bellows, which can be designed in many different ways. The advantage of metal bellows is that they exhibit great strength, while the material thickness is minimal over the entire surface. In e.g. a cylinder that functions as a heat exchanger, where cooling fins have been made to increase the surface area, there will be a significant thermal resistance between the outside and the inside of the cylinder, as the heat must be transported through the material to both the cylinder and the fins before it can be transferred to the medium on it one side or the other.
En metallbelg har fordelen av å kunne utformes med sylindrisk omriss, samtidig som godstykkelsen i det vesentlige vil være liten over hele det aktive varmevekslerarealet, da det bare er foldingen av platematerialet som øker overflaten, og ikke selve godset, som i en sylinder med perifere varmevekslerribber. A metal bellows has the advantage of being able to be designed with a cylindrical outline, while the material thickness will essentially be small over the entire active heat exchanger area, as it is only the folding of the plate material that increases the surface, and not the material itself, as in a cylinder with peripheral heat exchanger ribs .
En metallbelg, og særlig en metallbelg hvor de ulike foldene er sirkulære, vil også oppvise høy mekanisk styrke som følger av formgivningen, noe som er svært gunstig i applikasjoner hvor ulike fluider tidvis står under høyt trykk, slik som i en varmemaskin eller ei varmepumpe. US Patent 5,638,898 (Gu) viser dette prinsippet utnyttet i en kappe-og-rør-varmeveksler, hvor rørenes bølgeutbredelse følger aksialretningen, slik at overflaten økes. A metal bellows, and in particular a metal bellows where the various folds are circular, will also exhibit high mechanical strength as a result of the design, which is very beneficial in applications where various fluids are occasionally under high pressure, such as in a heating machine or a heat pump. US Patent 5,638,898 (Gu) shows this principle utilized in a shell-and-tube heat exchanger, where the wave propagation of the tubes follows the axial direction, so that the surface area is increased.
En radiell metallbelg i en varmemaskin vil også gi noe økt dødvolum, men i motsetning til en sylinder med tilføyde varmevekslerribber, vil varmetransmisjonskoeffisienten være svært høy over hele dens overflate, da godstykkelsen er liten og varierer lite. Dette gir en netto positiv effekt, og selv ved en liten sylinderdiameter, dersom det er snakk om en stempelmaskin, er det i prinsippet ingen grenser for hvor store varmevekslerflatene kan lages. A radial metal bellows in a heater will also give some increased dead volume, but unlike a cylinder with added heat exchanger fins, the heat transmission coefficient will be very high over its entire surface, as the wall thickness is small and varies little. This gives a net positive effect, and even with a small cylinder diameter, if it is a piston machine, there are in principle no limits to how large the heat exchanger surfaces can be made.
Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk. The purpose of the invention is to remedy or to reduce at least one of the disadvantages of known technology, or at least to provide a useful alternative to known technology.
Formålet oppnås ved trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i etterfølgende patentkrav. The purpose is achieved by features that are stated in the description below and in subsequent patent claims.
Oppfinnelsen vedrører en anordning for varmeveksling i en varmemaskin, ei varmepumpe, en ekspander eller en kompressor som benytter et arbeidsfluid for energikonvertering og et termofluid for varmetransmisjon, hvor varmemaskinen, varmepumpa, ekspanderen eller kompressoren har minst én arbeidsmekanisme som omfatter i det minste ett volumendringskammerhus, idet volumendringskammerhuset danner i det minste ett volumendringskammer, hvor den minst ene arbeidsmekanismen omfatter minst én fortrengningsmekanisme, og hvor minst én intern varmeveksler står i termisk kontakt med minst ett av det minst ene volumendringskammeret, kjennetegnet ved at varmeveksleren omslutter og/eller er omsluttet av volumendringskammeret, og er utformet som en belg. The invention relates to a device for heat exchange in a heater, a heat pump, an expander or a compressor that uses a working fluid for energy conversion and a thermofluid for heat transmission, where the heater, heat pump, expander or compressor has at least one working mechanism that includes at least one volume change chamber housing, in that the volume change chamber housing forms at least one volume change chamber, where the at least one working mechanism comprises at least one displacement mechanism, and where at least one internal heat exchanger is in thermal contact with at least one of the at least one volume change chamber, characterized in that the heat exchanger encloses and/or is enclosed by the volume change chamber , and is designed like a bellows.
Varmeveksleren kan omfatte en første og en andre varmevekslerflate som er termisk forbundet ved at en varmevekslervegg har høy termisk ledeevne. The heat exchanger can comprise a first and a second heat exchanger surface which are thermally connected by a heat exchanger wall having high thermal conductivity.
Den første varmevekslerflaten kan stå i termisk kontakt med volumendringskammeret. The first heat exchanger surface can be in thermal contact with the volume change chamber.
Varmeveksleren og et omsluttende eller omsluttet varmevekslerhus kan tildanne en fluidstrømningspassasje som står i fluidkommunikasjon med et termofluidinnløp og et termofluidutløp. The heat exchanger and an enclosing or enclosed heat exchanger housing may form a fluid flow passage in fluid communication with a thermofluid inlet and a thermofluid outlet.
Den andre varmevekslerflaten kan stå i termisk kontakt med fluidstrømningspassa-sjen. The second heat exchanger surface may be in thermal contact with the fluid flow passage.
Varmeveksleren kan i det vesentlige oppta et ringformet volum. The heat exchanger can essentially occupy an annular volume.
Varmeveksleren kan i det vesentlige ha en lik godstykkelse over det partiet av varme- The heat exchanger can essentially have an equal thickness over the part of the heat
vekslerveggen som grenser opp til fluidstrømningspassasjen. the exchanger wall bordering the fluid flow passage.
Det kan være anordnet avstivningselementer i varmevekslerens folder. Stiffening elements may be arranged in the folds of the heat exchanger.
Det kan være anordnet avstivere mellom belgvarmevekslerens periferi og omkransen-de elementer. Stiffeners can be arranged between the periphery of the bellows heat exchanger and the surrounding elements.
Avstiverne kan være tilveiebrakt som forhøyninger tildannet som profiler presset ut fra varmevekslerveggens nøytralakse. Alternativt kan avstiverne være tildannet som separate avstivingselementer. Alternativt kan avstiverne være tilveiebrakt som en kombinasjon av forhøyninger tildannet som profiler presset ut fra varmevekslerveggens nøytralakse, og separate avstivingselementer. The stiffeners can be provided as elevations formed as profiles pushed out from the neutral axis of the heat exchanger wall. Alternatively, the braces can be formed as separate bracing elements. Alternatively, the braces can be provided as a combination of elevations formed as profiles pushed out from the heat exchanger wall's neutral axis, and separate bracing elements.
De separate avstivingselementene kan være forbundet med varmevekslerveggen ved hjelp av festemidler hentet fra gruppen bestående av klebemiddel, sveise- eller loddeforbindelse, skrue og nagle. The separate bracing elements can be connected to the heat exchanger wall by means of fastening means taken from the group consisting of adhesive, welding or soldering connection, screw and rivet.
Belgvarmeveksleren kan i det vesentlige være tildannet av et metall eller en metalle-gering. The bellows heat exchanger can essentially be made of a metal or a metal alloy.
Belgvarmeveksleren kan være tildannet av flere varmevekslerseksjoner som er sam-menføyd ved hjelp av et festemiddel. The bellows heat exchanger can be made of several heat exchanger sections which are joined together by means of a fastening means.
Belgvarmevekslerseksjonene kan være sammenføyd ved sveising. The bellows heat exchanger sections can be joined by welding.
Belgvarmeveksleren kan være utformet ved elektroforming. The bellows heat exchanger can be designed by electroforming.
Belgvarmeveksleren kan være tildannet av ett materialstykke. The bellows heat exchanger can be made from one piece of material.
Belgvarmeveksleren kan være utformet ved hydroforming. The bellows heat exchanger can be designed by hydroforming.
Termofluidet kan inngå i en lukket krets. The thermofluid can form part of a closed circuit.
Arbeidsmekanismen kan være innrettet til å kunne la arbeidsfluidet veksle mellom væske- og gassfase. The working mechanism can be designed to allow the working fluid to alternate between liquid and gas phase.
Arbeidsfluidet kan ha normalkokepunkt lavere enn 100 °C. The working fluid can have a normal boiling point lower than 100 °C.
I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser i aksialsnitt ei prinsippskisse av en arbeidsmekanisme forsynt med et arbeidshus som sammen med en fortrengingsmekanisme (her vist i en nedre posisjon) tildanner et volumendringskammer omkranset av en ringformet belgvarmeveksler som utgjør en del av arbeidshuset; Fig. 2 viser tilsvarende figur 1, men med fortrengningsmekanismen i en øvre posisjon; Fig. 3 viser i større målestokk et aksialsnitt av et første utførelseseksempel av en belgvarmeveksler utformet av ett materialstykke; Fig. 4 viser et aksialsnitt av et andre utførelseseksempel av belgvarmeveksleren utformet i ett materialstykke; Fig. 5 viser et aksialsnitt av et andre utførelseseksempel av belgvarmeveksleren utformet av flere materiaIstykker, hvor de ulike stykkene er forbundet ved hjelp av et festemiddel, f.eks. en sveisesøm, en loddesøm, lim eller lig-nende; Fig. 6a viser et aksialsnitt av et ytterligere utførelseseksempel av belgvarmeveksleren med avstivningselementer anordnet mellom de ulike bølgesegmen-tene; Fig. 6b viser et radialsnitt av belgvarmeveksleren i figur 6a; Fig. 7a viser et aksialsnitt av en ringformet belgvarmeveksler med et varmevekslerhus, hvor bølgesegmentenes radielle utstrekning er relativt liten; Fig. 7b viser et grunnriss av belgvarmeveksleren i figur 7a; Fig. 8a viser et aksialsnitt av en ringformet belgvarmeveksler, hvor bølgesegmen-tenes radielle utstrekning er relativt stor; Fig. 8b viser et grunnriss av belgvarmeveksleren i figur 8a; Fig. 9a viser et aksialsnitt av en ringformet belgvarmeveksler, hvor det er tildannet radielle avstivningselementer for å bevirke avstivning hovedsaklig i aksial retning; Fig. 9b viser et radialsnitt av belgvarmeveksleren i figur 9a; Fig. 10a viser et aksialsnitt av en ringformet belgvarmeveksler, hvor det montert selvstendige, radielle avstivningselementer for å bevirke avstivning hovedsaklig i aksialretning; Fig. 10b viser et radialsnitt av varmeveksleren i figur 10a; Fig. 11 viser et radialsnitt av en ringformet belgvarmeveksler med skråstilte, radielle avstivningselementer, som i tillegg til å bevirke avstivning i aksialretning også kan fremme en roterende fluidstrøm; Fig. 12a viser et aksialsnitt av en ringformet belgvarmeveksler, hvor bølgesegmen-tenes lengdeakse er anordnet i volumendringskammers aksiale retning; In what follows, an example of a preferred embodiment is described which is visualized in the accompanying drawings, where: Fig. 1 shows in axial section a principle sketch of a working mechanism equipped with a working housing which together with a displacement mechanism (here shown in a lower position) forms a volume change chamber surrounded by an annular bellows heat exchanger which forms part of the working housing; Fig. 2 shows the same as Fig. 1, but with the displacement mechanism in an upper position; Fig. 3 shows on a larger scale an axial section of a first embodiment of a bellows heat exchanger formed from one piece of material; Fig. 4 shows an axial section of a second design example of the bellows heat exchanger formed in one piece of material; Fig. 5 shows an axial section of a second design example of the bellows heat exchanger formed from several pieces of material, where the various pieces are connected by means of a fastener, e.g. a welding seam, a soldering seam, glue or the like; Fig. 6a shows an axial section of a further design example of the bellows heat exchanger with stiffening elements arranged between the various wave segments; Fig. 6b shows a radial section of the bellows heat exchanger in Fig. 6a; Fig. 7a shows an axial section of an annular bellows heat exchanger with a heat exchanger housing, where the radial extent of the wave segments is relatively small; Fig. 7b shows a ground plan of the bellows heat exchanger in Fig. 7a; Fig. 8a shows an axial section of an annular bellows heat exchanger, where the radial extent of the wave segments is relatively large; Fig. 8b shows a plan of the bellows heat exchanger in Fig. 8a; Fig. 9a shows an axial section of an annular bellows heat exchanger, where radial stiffening elements have been formed to effect stiffening mainly in the axial direction; Fig. 9b shows a radial section of the bellows heat exchanger in Fig. 9a; Fig. 10a shows an axial section of an annular bellows heat exchanger, where independent, radial stiffening elements are mounted to effect stiffening mainly in the axial direction; Fig. 10b shows a radial section of the heat exchanger in Fig. 10a; Fig. 11 shows a radial section of an annular bellows heat exchanger with inclined, radial stiffening elements, which in addition to effecting stiffening in the axial direction can also promote a rotating fluid flow; Fig. 12a shows an axial section of an annular bellows heat exchanger, where the longitudinal axis of the wave segments is arranged in the axial direction of the volume change chamber;
og and
Fig. 12b viser et radialsnitt av varmeveksleren i figur 12a. Fig. 12b shows a radial section of the heat exchanger in Fig. 12a.
I beskrivelsen av oppfinnelsen henvises det til elementer i en anordning for varmeveksling i en varmemaskin, ei varmepumpe, en ekspander eller en kompressor slik den er vist på figurene 1 og 2, idet anordningselementene identifiseres med henvis-ningstall som er vist i én eller flere av figurene l-12b. In the description of the invention, reference is made to elements in a device for heat exchange in a heating machine, a heat pump, an expander or a compressor as shown in Figures 1 and 2, the device elements being identified by reference numbers that are shown in one or more of Figures 1-12b.
Fig. 1 og 2 viser anordningen i en foretrukket utførelse, hvor en arbeidsmekanisme 1 er forsynt med et stempel 200 som oscillerer i et sylinderkammer 150, også kalt volumendringskammer, tildannet av en sylinder 100. Et veivstag 60 forbinder stempelet 200 med en veivaksel 50 og besørger overføring av stempelets 200 translatoriske be-vegelse til rotasjon av veivakselen 50, slik som i vanlige motorløsninger. Stempelet Figs 1 and 2 show the device in a preferred embodiment, where a working mechanism 1 is provided with a piston 200 which oscillates in a cylinder chamber 150, also called a volume change chamber, formed by a cylinder 100. A crank rod 60 connects the piston 200 to a crankshaft 50 and ensures the transfer of the translational movement of the piston 200 to the rotation of the crankshaft 50, as in normal engine solutions. The stamp
200 er forsynt med tetninger 210, for eksempel vanlige stempelfjaerer, som sørger for tilstrekkelig tetning under drift. Videre er det anordnet en belgvarmeveksler 300 som omslutter sylinderkammeret 150. Belgvarmeveksleren 300 er forsynt med en første 200 is provided with seals 210, for example ordinary piston springs, which ensure sufficient sealing during operation. Furthermore, a bellows heat exchanger 300 is arranged which encloses the cylinder chamber 150. The bellows heat exchanger 300 is provided with a first
varmevekslerflate 301 som står i termisk forbindelse med en andre varmevekslerflate 302, idet disse utgjør to motstående overflater til en varmevekslervegg 350 i varmeveksleren 300. Den første varmevekslerflaten 301 står videre i termisk kontakt med sylinderkammeret 150, idet denne utgjør en del av sylinderkammerets 150 omsluttende vegg. Den andre varmevekslerflaten 302 står på tilsvarende vis i termisk kontakt med en fluidstrømningspassasje 610 som er dannet ved at et varmevekslerhus 600 omslutter varmeveksleren 300 idet det er tilveiebrakt en klaring mellom varmeveksleren 300 og varmevekslerhuset 600. Varmeveksleren 300 besørger varmetilfør-sel til et arbeidsfluid under ekspansjon i sylinderkammeret 150 og varmefjerning fra arbeidsfluidet under kompresjon i sylinderkammeret 150, idet et termofluid som strømmer gjennom fluidstrømningspassasjen 610 tilfører eller mottar varme til/fra heat exchanger surface 301 which is in thermal contact with a second heat exchanger surface 302, as these form two opposing surfaces of a heat exchanger wall 350 in the heat exchanger 300. The first heat exchanger surface 301 is also in thermal contact with the cylinder chamber 150, as this forms part of the cylinder chamber 150's enclosing wall . The second heat exchanger surface 302 is similarly in thermal contact with a fluid flow passage 610 which is formed by a heat exchanger housing 600 surrounding the heat exchanger 300, as a clearance is provided between the heat exchanger 300 and the heat exchanger housing 600. The heat exchanger 300 provides heat supply to a working fluid during expansion in the cylinder chamber 150 and heat removal from the working fluid during compression in the cylinder chamber 150, a thermofluid flowing through the fluid flow passage 610 supplying or receiving heat to/from
arbeidsfluidet gjennom varmevekslerveggen 350. Termofluidet strømmer inn og ut av fluidstrømningspassasjen 610 mellom varmeveksleren 300 og varmevekslerhuset 600 ved at det er anordnet et termofluidinnløp 500 og et termofluidutløp 510 i varmeveks- the working fluid through the heat exchanger wall 350. The thermofluid flows in and out of the fluid flow passage 610 between the heat exchanger 300 and the heat exchanger housing 600 because a thermofluid inlet 500 and a thermofluid outlet 510 are arranged in the heat exchanger
lerhuset 600. Arbeidsfluidet strømmer inn og ut av sylinderkammeret 150 ved at det er anordnet et arbeidsfluidinnløp 400 og et arbeidsfluidutløp 410 i sylinderhuset 100. Arbeidsfluidets injeksjonstidspunkt, samt mengde, trykk etc. kan reguleres ved hjelp av kjente reguleringsprinsipper. Ved en varmemaskin eller ei varmepumpe vil det ut-veksles arbeid mellom arbeidsfluidet og arbeidsmekanismen 1 ved at termisk energi omvandles til mekanisk energi eller vice versa, idet varmeveksleren 300 utveksler varme mellom termofluidet og arbeidsfluidet. the clay housing 600. The working fluid flows in and out of the cylinder chamber 150 by the fact that a working fluid inlet 400 and a working fluid outlet 410 are arranged in the cylinder housing 100. The working fluid's injection time, as well as quantity, pressure etc. can be regulated using known regulation principles. In the case of a heating machine or a heat pump, work will be exchanged between the working fluid and the working mechanism 1 by thermal energy being converted into mechanical energy or vice versa, as the heat exchanger 300 exchanges heat between the thermofluid and the working fluid.
Varmeveksleren 300 er utformet som en belg, idet en belg gir den store fordelen at den kan gi en stor varmeveksleroverflate, samtidig som godstykkelsen kan holdes liten og lik ved nær hele den varmeledende overflaten. I tillegg er belger rimelige å produsere, og har svært god mekanisk styrke, slik at de også tåler operasjon under høyt trykk, selv om godstykkelsen er liten, noe som er essensielt i enhver varmemaskin eller varmepumpe. The heat exchanger 300 is designed as a bellows, as a bellows offers the great advantage that it can provide a large heat exchanger surface, while at the same time the material thickness can be kept small and the same for nearly the entire heat-conducting surface. In addition, bellows are inexpensive to produce, and have very good mechanical strength, so that they can also withstand operation under high pressure, even if the material thickness is small, which is essential in any heating machine or heat pump.
I utførelseseksempler vist i figurene 9a-ll er varmeveksleren 300 forsynt med flere avstivere 310, slik at høyt arbeidstrykk ikke medfører vesentlig deformasjon eller for-flytning av varmevekslerveggen 350 i aksialretning. Avstiverne 310 kan også ha en stabiliserende effekt i andre retninger, f.eks. i radiell retning. Avstiverne 310 kan være tildannet som langstrakte forhøyninger, også kalt ribber 311, som er presset ut i platematerialet i varmeveksleren 300 (se figur 6a-6b og 9a-9b). Avstiverne 310 kan også være separate avstivingselementer 312 som er satt inn i foldene i varmevekslerveggen 350, eventuelt også mellom varmevekslerveggen 350 og andre tilstøtende kom-ponenter, slik som varmevekslerhuset 600 (se figur lOa-11). Fordelen med å benytte separate avstivingselementer 312 er at de vil redusere dødvolumet i anordningen i og med at avstivingselementene 312 opptar noe volum, noe som kan være svært gunstig i for eksempel en varmemaskin eller ei varmepumpe. Det kan også benyttes en kombinasjon av utpressede ribber 311 og separate avstivingselementer 312. In the embodiments shown in Figures 9a-11, the heat exchanger 300 is provided with several stiffeners 310, so that high working pressure does not cause significant deformation or displacement of the heat exchanger wall 350 in the axial direction. The braces 310 can also have a stabilizing effect in other directions, e.g. in the radial direction. The stiffeners 310 can be formed as elongated elevations, also called ribs 311, which are pressed out of the plate material in the heat exchanger 300 (see Figures 6a-6b and 9a-9b). The stiffeners 310 can also be separate stiffening elements 312 which are inserted into the folds in the heat exchanger wall 350, possibly also between the heat exchanger wall 350 and other adjacent components, such as the heat exchanger housing 600 (see Figure 10a-11). The advantage of using separate bracing elements 312 is that they will reduce the dead volume in the device as the bracing elements 312 take up some volume, which can be very beneficial in, for example, a heating machine or a heat pump. A combination of extruded ribs 311 and separate bracing elements 312 can also be used.
Varmevekslerveggen 350 og/eller avstivningselementene 310 kan videre være laget med ytterligere utforminger, slik at videre regulering, styring eller fordeling av arbeidsfluid- eller termofluidstrømmen kan oppnås. Dette tiltaket kan også være med på å regulere og eventuelt fremme turbulens dersom ønskelig. Figur 11 viser videre hvordan avstivningselementenes 312 retning kan være med på å kunne styre en fluid-strøm i varmeveksleren 300 under drift, som her er illustrert ved avbøyning fra radial-retning, slik at et arbeidsfluid f.eks. kan oppnå en mer sirkulær strømningsretning dersom ønskelig. The heat exchanger wall 350 and/or the stiffening elements 310 can also be made with further designs, so that further regulation, control or distribution of the working fluid or thermofluid flow can be achieved. This measure can also help to regulate and possibly promote turbulence if desired. Figure 11 further shows how the direction of the stiffening elements 312 can contribute to being able to control a fluid flow in the heat exchanger 300 during operation, which is here illustrated by deflection from the radial direction, so that a working fluid e.g. can achieve a more circular flow direction if desired.
I en utførelse er belgvarmeveksleren 300 tildannet ved at ett metallstykke er utformet ved hjelp av hydroforming. Hydroforming gir den fordelen at store serier kan produse-res svært billig, uten behov for å måtte sette sammen flere selvstendige materialem-ner, noe som vil være fordyrende. Det antas likevel at det eksisterer flere gunstige produksjonsmetoder for varmevekslere av denne art. In one embodiment, the bellows heat exchanger 300 is formed by one piece of metal being formed by means of hydroforming. Hydroforming offers the advantage that large series can be produced very cheaply, without the need to assemble several independent material items, which would be expensive. It is nevertheless assumed that there are several favorable production methods for heat exchangers of this type.
Varmeveksleren 300 er i en utførelse utformet slik at den i det vesentlige opptar et ringformet volum. På denne måten kan den omslutte sylinderkammeret 150, og såle-des oppta minst mulig plass i anordningen, fordi man da får en god volumutnyttelse. Varmeveksleren 300 ifølge oppfinnelsen er likevel ikke begrenset til ringform, idet det beskrevne prinsippet også kan benyttes til for eksempel plane varmevekslere, eksem-pelvis til bruk på en endeflate av sylinderkammeret 150. In one embodiment, the heat exchanger 300 is designed so that it essentially occupies an annular volume. In this way, it can enclose the cylinder chamber 150, and thus take up as little space as possible in the device, because good volume utilization is then obtained. The heat exchanger 300 according to the invention is nevertheless not limited to ring shape, as the described principle can also be used for, for example, planar heat exchangers, for example for use on an end surface of the cylinder chamber 150.
Claims (22)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20110247A NO20110247A1 (en) | 2011-02-14 | 2011-02-14 | Bellows heat exchanger by heating machine, heat pump, expander or compressor |
| PCT/NO2012/050022 WO2012112055A1 (en) | 2011-02-14 | 2012-02-14 | Bellows heat exchanger for a heating machine, heat pump, expander or compressor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20110247A NO20110247A1 (en) | 2011-02-14 | 2011-02-14 | Bellows heat exchanger by heating machine, heat pump, expander or compressor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO20110247A1 true NO20110247A1 (en) | 2012-08-15 |
Family
ID=46672805
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO20110247A NO20110247A1 (en) | 2011-02-14 | 2011-02-14 | Bellows heat exchanger by heating machine, heat pump, expander or compressor |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| NO (1) | NO20110247A1 (en) |
| WO (1) | WO2012112055A1 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10436522B2 (en) * | 2016-08-01 | 2019-10-08 | Raytheon Company | Thermal storage heat exchanger structures employing phase change materials |
| US10267569B2 (en) | 2016-08-01 | 2019-04-23 | Raytheon Company | Thermal storage heat exchanger structures employing phase change materials |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB694856A (en) * | 1948-12-20 | 1953-07-29 | Philips Nv | Improvements in or relating to hot-gas engines and refrigerating engines and heat pumps operating on the reversed hot gas engine principle |
| GB1484799A (en) * | 1975-03-06 | 1977-09-08 | Raetz K | Stirling cycle heat pump |
| US4490974A (en) * | 1981-09-14 | 1985-01-01 | Colgate Thermodynamics Co. | Isothermal positive displacement machinery |
| US4930314A (en) * | 1989-09-08 | 1990-06-05 | Cdc Partners | Stirling cycle machine |
-
2011
- 2011-02-14 NO NO20110247A patent/NO20110247A1/en not_active Application Discontinuation
-
2012
- 2012-02-14 WO PCT/NO2012/050022 patent/WO2012112055A1/en not_active Ceased
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2012112055A1 (en) | 2012-08-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103912405B (en) | A kind of parallel motion thermal power machine and work method thereof | |
| CN103321775B (en) | Liquid piston heat engine and boiler with the liquid piston heat engine | |
| UA97357C2 (en) | Dual-flow turbomachine | |
| NO20110250A1 (en) | Thermodynamic cycle and heating machine | |
| Chen et al. | Thermodynamic evaluation and optimization of supercritical CO2 Brayton cycle considering recuperator types and designs | |
| CN104697239B (en) | A kind of new Organic Rankine Cycle cold, heat and power triple supply system of biomass driving | |
| KR101393315B1 (en) | Cover of latent heat exchanger having cooling line | |
| CN102518530B (en) | Hydraulic transmission Stirling engine with heat accumulator as heat source | |
| CN1269465A (en) | Supercritical backheat-heated engine | |
| EP3665379B1 (en) | Efficient heat recovery engine | |
| CN102410747B (en) | Multi-level boost energy-saving heat exchanger | |
| NO20110247A1 (en) | Bellows heat exchanger by heating machine, heat pump, expander or compressor | |
| KR101183815B1 (en) | The structure of exhaust gas flow passage of engine in micro combined heat and power unit | |
| JP6494662B2 (en) | Variable volume transfer shuttle capsule and valve mechanism | |
| CN215983321U (en) | Heating and refrigerating system based on forward and reverse cycle coupling | |
| CN105715471A (en) | Tower type light-gathering solar thermo-acoustic power generation system | |
| JP5045602B2 (en) | External combustion engine | |
| JP5467462B2 (en) | Low temperature differential force transducer | |
| Zhang | Experimental study on the performance of single screw expander with 195 mm diameter screw | |
| CN210036371U (en) | A pulsating heat pipe with nozzle structure | |
| CN102562357A (en) | Stirling engine with center shaft elliptical rotor | |
| CN203980634U (en) | The heterogeneous height composite heat storage of a kind of directly-heated type heat pump water heater system | |
| Hirao et al. | Improvement in specific power of Stirling engine by using a new heat exchanger | |
| CN110671285B (en) | A working medium circulation system | |
| JP4929470B2 (en) | Stirling engine heat exchanger |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FC2A | Withdrawal, rejection or dismissal of laid open patent application |