Helical coil in shell warmtewisselaar: een oud concept in een nieuw jasje
De ‘helical coil’ warmtewisselaar is in feite een gewikkelde (gespiraliseerde) lange buis. Deze buis wordt in een rond gesloten vat geplaatst. Op het vat worden aansluitingen aangebracht. Hierdoor ontstaat een warmtewisselaar waarbij het primaire medium door de buis stroomt en het secundaire medium door het vat om de buis (zie onderstaande abeelding).
Harm Slump
De auteur is verbonden aan Geurts International B.V. te Wassenaar
Artikel uit RVS5 2000
Relatief weinig toegepast
De ‘helical in shell’ warmtewisselaar is reeds uitgevonden (gepatenteerd) in 1895, en later in 1934 in een verbeterde versie door Air Liquide. Het apparaat is met name geschikt voor eenzijdig (pijpkant) hoge druk klein volume tegen (shell kant) lage druk groot volume. Vanwege de grote elasticiteit van de gespiraliseerde buis is de ‘helical coil’ met name geschikt voor toepassingen met hoge temperatuur en toepassingen waarin plotselinge temperatuurveranderingen optreden. In de afgelopen jaren is het apparaat voornamelijk toegepast in kleine warmwaterketels, toestellen onder hoge druk zoals autoclaven, reactoren en in zijn algemeenheid laboratoriumtoepassingen. Het apparaat is eenvoudig te fabriceren en is daardoor relatief goedkoop. Het aantal toepassingen is desalniettemin zeer gering gebleven. De reden hiervoor is meervoudig.
1. Het warmtewisselend oppervlak in verhouding tot het volume is ongunstig ten opzicht van platenwarmtewisselaars en ‘shell & tube’.
2. Het oppervlak dat uit een spiraal gemaakt kan worden (technisch en economisch) is beperkt: < 10 m2.
3. Het apparaat is procestechnisch zeer moeilijk te ontwerpen. Laatstgenoemde reden is het belangrijkste argument voor het achterblijven van het aantal toepassingen van de ‘helical coil in shell’. Het bepalen van de warmteoverdrachtcoëfficiënt om de spiraal is zeer moeilijk (behalve voor stoom of hete gassen) en in de literatuur is zeer weinig bekend over deze correlaties. Omdat het apparaat niet de potentie heeft van platenwarmtewisselaars of shell & tube warmtewisselaars (in verkoopvolume) hebben wetenschappers
nooit de motivatie gehad om deze correlaties te zoeken. Indien men een ‘helical coil’ eenvoudigweg in een vat (shell) zou plaatsen, zal om de spiraal een moeilijk te voorspellen stroming plaatsvinden. Het is dus zaak deze stroom een voorkeursrichting te geven. Dit wordt via een binnenbuis gerealiseerd die in het centrum van de spiraal geplaatst wordt, waardoor tussen de buiten-shell en binnenbuis een gecontroleerd complexe stroom ontstaat. Afhankelijk van de afstand tussen buitenbuis spiraaldiameter en binnen buis en spiraal spoed ontstaat een stroom loodrecht op de buis en een stroom in de richting van de buis. De stroom in de richting van de buis (langs de buis) is in feite net als in de buis een ‘helical’ stroom. Echter, deze ‘helical’ stroom om de buis is in tegenstelling tot de ‘helicol’ stroom in de buis niet effectief en daarom niet wenselijk.
Nieuwe mogelijkheden
Na vele proeven en met behulp van modellen en moderne computertechnologie (Computer Fluid Dynamics CFD) is het thans mogelijk de prestatie van een ‘helical coil in shell’ te voorspellen, waardoor het mogelijk wordt het apparaat met concurrerende typen zoals platen- en shell & tube warmtewisselaars te vergelijken. Dan blijkt dat deze warmtewisselaar vergelijkbaar presteert met een platenwarmtewisselaar en (technisch en economisch) voor kleine temperatuurverschillen is in te zetten. De hoge efficiency wordt verklaard door de perfecte tegenstroom (bij meer dan 10 windingen) en in vele gevallen lange lengte (vaak langer dan 60 m buis).
Na het voorgaande is het interessant om te weten waar deze warmtewisselaars zijn toegepast en met welke materialen. Zie nevenstaande tabel. Voor vragen kan men contact opnemen met Geurts International B.V.