EP0770845A2 - Heat exchanger tube with vortex generating turbulating means - Google Patents

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EP0770845A2
EP0770845A2 EP96115774A EP96115774A EP0770845A2 EP 0770845 A2 EP0770845 A2 EP 0770845A2 EP 96115774 A EP96115774 A EP 96115774A EP 96115774 A EP96115774 A EP 96115774A EP 0770845 A2 EP0770845 A2 EP 0770845A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tube
strand
tubes
pipes
heat exchanger
Prior art date
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Granted
Application number
EP96115774A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0770845A3 (en
EP0770845B1 (en
Inventor
Joachim Dipl.-Ing. Hederich
Jürgen Dr.-Ing. Künzel
Manfred Dipl.-Ing. Nedoschill
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SGL Carbon SE
Original Assignee
SGL Technik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SGL Technik GmbH filed Critical SGL Technik GmbH
Publication of EP0770845A2 publication Critical patent/EP0770845A2/en
Publication of EP0770845A3 publication Critical patent/EP0770845A3/en
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Publication of EP0770845B1 publication Critical patent/EP0770845B1/en
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/12Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation

Definitions

  • the invention relates to a tube for tube bundles of heat exchangers with elements located inside the tube and generating turbulence in the flow in the tube.
  • DE-OS 35 21 914 discloses arranging webs in the individual tube which do not completely penetrate the tube and are shaped in a wave shape. Such a shape is only conceivable in the extrusion process for light metal, in particular aluminum, where it is possible to produce such corrugated webs by suitable design of the recipient.
  • the invention has for its object to design tubes for use in the tube bundles of tube bundle heat exchangers in such a way that they have vortex-generating elements and / or flow rate-increasing elements which disturb the fluid flow, without the ductility of the tube material being important.
  • the invention is intended to provide access to pipes made of materials which are difficult to deform, in particular pipes made of graphite, which have improved heat transfer performance.
  • the inner wall of the tube is free from elevations and depressions influencing the fluid flow in the tube and in the interior of the tube there is a tubular or rod-shaped strand, the outer surface of which is in the form a) a thread lying essentially transversely to the direction of flow in the tube or b) has shafts arranged in the same way or c) is studded or studded so that the strand, with the exception of a linear contact with the inner surface of the heat exchanger tube at a distance of this inner surface is positioned so that there is a space between the strand and the inner surface of the heat exchanger tube for the fluid to flow through the heat exchanger tube.
  • This claim is characterized in that the inner wall of the tubes is free from elevations and depressions influencing the fluid flow in the tubes, that there is a tubular or rod-shaped strand in the interior of the tubes, the outer surface of which is in the shape a) of a substantially transverse to Flow direction in the thread lying in the tubes or b) has shafts arranged in the same way or c) is studded or spiked so that the strand is positioned apart from these inner surfaces with the exception of at most linear contact with the inner surfaces of the heat exchanger tubes, so that between the strand and the inner surface of the heat exchanger tubes there is a space for the fluid to flow through the heat exchanger tubes, that the strand has a U-shape, that the legs of the U of the strand are located in two adjacent tubes of a heat exchanger, and the connecting the thighs e bend of the U is arranged outside the tubes.
  • the invention now makes it possible to advance into the field of the use of such pipes which are difficult to manufacture and which are practically unusable by using larger, mechanically more stable pipes which can be produced at a reasonable cost and which are thus modified by using strands according to the invention that they fully correspond to the technical scope of the smaller pipes.
  • the invention is applicable to all types of tubes for heat exchangers which allow the introduction of strands according to the invention.
  • the invention is of particular importance for those heat exchangers through which liquid, gaseous or vapor-like materials have to be passed, which presuppose chemically resistant material for the pipes.
  • Tubes made of special, difficult-to-process metallic materials such as titanium, titanium-palladium alloys, high-alloy steels or nickel-based alloys or of ceramic such as silicon carbide and in particular of graphite are suitable for such heat exchangers.
  • a special feature of these materials and here especially of graphite is that they cannot be provided with vortex-generating current disturbance elements in the extrusion manufacturing process. Rather, pipes made of these materials are essentially smooth pipes on the inside. If the strands according to the invention, which have profiles of the outer circumference, are used in such pipes, the advantage of the resistant material becomes with the improvement of the heat transfer performance combined.
  • the profiles with which the strands inserted into the pipes are provided can take a variety of forms. They only have to cause laminar flows to be converted into turbulent and slightly turbulent flows into more turbulent flows.
  • the following surface configurations of the strands are given as examples: various thread-like shapes, ribs, knobs, spikes and, as a preferred shape, waves.
  • the strands can be hollow on the inside or made of solid material. If hollow strands are used, they are preferably closed on at least one side in order to prevent the formation of a second flow line in the tube and to avoid the accumulation or retention of fluid from the heat exchanger in the strand. Where this makes sense, both ends of the hollow strand can also be closed. However, if this has advantages, it is also possible to leave the ends open. Commercially available, relatively inexpensive corrugated pipes are preferably used as hollow strands.
  • the hollow strands can either be partially or completely filled with a suitable material.
  • the part of the strand pointing downward in the heat exchanger may contain only a filling that weighs down, in order to tighten the hanging strand and to prevent excessive back and forth movements, or the interior of the strand is completely foamed with a specifically light material around the strand to give good longitudinal stability with overall low weight.
  • a particularly preferred solution to the problem consists of U-shaped strands, for example in a U-shape to use curved corrugated pipes.
  • the legs of such a U-shaped strand are inserted into two adjacent tubes of the heat exchanger and the part connecting the legs naturally remains outside the exchanger tubes.
  • the ends can also not be closed if the U-shaped strands are arranged in such a way that their openings point in the direction of gravity, so that any process medium that has entered the interior of the strands can flow out again.
  • a heat exchanger can be equipped with the strands according to the invention with the simplest of means and with little effort.
  • the strands are fastened in the heat exchanger tubes using simple means known per se, such as suspensions or webs attached to the tube ends or pins guided through the strand ends, which are supported on the tube ends.
  • the heat exchanger tubes or the flow channels aligned with the tube ends of these tubes in the upper and lower tube plates of the tube bundle, in which these pipes are installed have conical or wedge-shaped extensions at the inflow end. This measure is particularly recommended when using U-shaped strands on the side of the U-shaped connection of the legs. But it is not a condition. Where this seems advantageous, such extensions can also be fitted on the outflow side of the tube bundle.
  • the material from which the strands according to the invention are made depends on the conditions of use, especially on the medium to which the strands are exposed and on the intended operating temperature.
  • the specialist selects the most suitable material based on his knowledge. Some, without limitation, some of the materials in question are mentioned as examples: metal, plastic, rubber, wood, ceramic, carbon.
  • plastics polypropylene (PP) or polyvinyl chloride (PVC) are preferably used for media that are less aggressive.
  • strands of fluorine-containing polymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), tetrafluoroethylene-perfluoropropylene copolymer (FEP) or copolymers of tetrafluoroethylene with perfluoroalkyl vinyl ether (PFA) are preferably used.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • FEP tetrafluoroethylene-perfluoropropylene copolymer
  • PFA perfluoroalkyl vinyl ether
  • the range of carbon materials is not limited to non-graphitic and graphitized carbon. Parts made from carbon fiber reinforced carbon or from plastic reinforced with carbon fibers can also be used.
  • the outer diameter of the strand is preferably one third to eight tenths of the inner diameter of the heat exchanger tube surrounding it. These proportions have proven themselves in heat exchangers for aggressive chemical media in which the exchanger tubes are made of graphite and the strands are made of plastic. However, the invention is not limited to these dimensions. You can deviate from this if necessary.
  • the strand For cases in which the strand must be arranged in a stable position within the tube, it is recommended that Support the strand in places on the smooth inner wall of the pipe. In general, this can be achieved in that the strand is supported on the inner wall of the exchanger tube using known means, such as webs. When choosing and arranging the support elements, care should only be taken that the flow in the annular gap is not significantly impaired. According to a preferred procedure, support is achieved when the strand passes through the tube in a spiral shape.
  • This spiral shape is created with flexible material by twisting the strand, which is designed as a corrugated tube, for example, when inserted into the tube, or locking it after insertion at the opposite end of the tube or tube plate, then twisting it, compressing it a little, and twisting it then also at the other end of the tube or tube sheet. In this way, the strand is supported on the inner surface of the tube.
  • a tube 1 of the tube bundle of a tube bundle heat exchanger is shown, the parts of which in contact with the product, with the exception of the strand inserted into the tubes 1, consist of tantalum.
  • the surface of the smooth tantalum tube 1 is welded into the upper tube sheet 2 and the lower tube sheet 3 of the tube bundle, which are only hinted at.
  • the strand body 4 is in the form of a tube made of FEP, which is closed at its upper end 5 by squeezing and / or welding, and is provided on its outer surface with a thread-like profile 6.
  • the strand body 4 is open at its lower end 9.
  • the strand body 4, which causes the turbulence and reduces the fluid-accessible inner cross section 7 of the heat exchanger tube 1, is attached to both the upper tube sheet 2 and the lower tube sheet 3 of the tube bundle by means of a pin 8, 8 'guided through the strand 4, which is located on the upper 2 and supports the lower tube sheet 3, held.
  • FIG. 1 a which shows a view of the upper part of FIG. 1 rotated by 90 °, makes it clear that the locking of the strand 4 is effected by a pin 8.
  • the fluid passing through the heat exchanger flows, as the arrows in FIGS. 1 and 1a indicate, from bottom to top through the heat exchanger.
  • the largest outside diameter a of the strand is 4 1/3 to 8/10 of the inside diameter b of the heat exchanger tube 1.
  • FIG. 2 shows a variant of the invention in which the legs 10, 10 'of a U-shaped corrugated tube 11 are located in adjacent tubes 1, 1' of a heat exchanger.
  • the threaded tubes forming the extruded bodies 4 consist of polypropylene.
  • the product flow runs from top to bottom through the pipes 1, 1 '.
  • the strands 4 are always closed in this arrangement in the heat exchanger tubes 1, 1 'on their upper, the inflow side 15, 15' in the exchanger tubes 1, 1 '. No product can enter them. At its lower end, which is not visible here, the strands 4 can either be open or closed. You can also e.g. be fixed to the lower tube plate or not. It is not difficult to see that the U-shaped embodiment also offers considerable advantages during assembly.
  • Fig. 4 the upper 2 and the lower tube sheet 3 of a tube bundle are indicated, in which (2, 3) an exchanger tube 1 is glued (16).
  • the tubular strand body 4, closed at its upper 5 and lower 9 end, consists of a rubber-like copolymer of vinylidene fluoride with hexafluoropropylene, which is commercially available under the R Viton brand. Its surface has a plurality of knobs 13 in order to cause the desired turbulence in the flow in the tube 1.
  • the strand body 4 is suspended at its upper end 5 by a welded-in PTFE pin 8 penetrating it at the top of the upper tube sheet 2 of the tube bundle.
  • the strand body 4 contains a specifically heavy mass 17, for example silicon dioxide bonded with a synthetic resin, heavy spar or chips of a corrosion-resistant alloy, in order to tighten it and to secure it against undesired and uncontrollable movements in the flow.
  • the interior of the strand 4 could also be foamed with a plastic 19 in addition or while omitting the weighting filling in order to give the strand longitudinal rigidity.
  • Fig. 5 shows a section of a heat exchanger tube 1, which contains a hollow strand 4 in the form of a corrugated tube, on the surface of which elevations 12 and depressions 12 'are arranged, which run concentrically around the longitudinal axis of the tube.
  • FIGS. 6a, 6b and 6c show in connection with FIGS. 6a, 6b and 6c a possibility of a strand 4 made of a sufficiently flexible material in the heat exchanger tube surrounding it 1 keep stable.
  • the support is achieved here in that the strand 4 is rotated about its longitudinal axis after being inserted into the exchanger tube 1 and, if necessary, after the strand 4 has been fixed at the lower end of the tube 1, with slight compression, in such a way that it has the shape of a helix assumes and rests along a helical line of contact on the inner wall 18 of the exchanger tube 1 and is thus supported against movements possibly caused by the flow.
  • the strand 4 twisted in this way must be secured at its (not shown) upper and lower ends in the exchanger tube 1 or on the upper and lower tube sheets of the tube bundle, which are also not shown, against turning back.

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Abstract

The characteristic features of a tube for use in tubular-bundle heat exchangers are that: (i) the inner wall of the tube (1) is free of projections of depressions affecting fluid flow; (ii) a tubular- or rod-shaped turbulence- producing string (4) is present in the tube (1), the outer surface of the string (4) being provided with (a) flow-transverse windings (6), (b) flow-transverse structures (12,12') or (c) burls (13) or prongs; and (iii) the string (4) is distanced from the inner surface (18) of the tube (1), except at point contacts, such that there is space left for fluid flows. Also claimed is an embodiment in which a U-shaped string (4) runs through a pair of side-by-side tubes.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rohr für Rohrbündel von Wärmeaustauschern mit im Inneren des Rohres befindlichen, in der Strömung im Rohr Turbulenzen erzeugenden Elementen.The invention relates to a tube for tube bundles of heat exchangers with elements located inside the tube and generating turbulence in the flow in the tube.

Es ist bekannt, den Wärmeübergang zwischen Fluiden und diese begrenzenden Wänden durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit oder durch Erzeugung von Turbulenzen in der Strömung zu verbessern. Solche Turbulenzen werden durch wirbelerzeugende Stromstörungselemente erreicht. Vorbekannte Rohre dieser Art weisen im Prinzip Profilierungen der Rohrinnenfläche im Sinne von Wellungen, Vorsprüngen, Rippen oder dergleichen auf.It is known to improve the heat transfer between fluids and these bounding walls by increasing the flow velocity or by creating turbulence in the flow. Such turbulence is achieved through vortex-generating current disturbance elements. Known pipes of this type in principle have profiles on the inside of the pipe in the sense of corrugations, projections, ribs or the like.

Die Anordnung wirbelerzeugender Stromstörungselemente auf der Innenfläche der Rohre wird dann problematisch, wenn das einzelne Rohr des Wärmeaustauschers aus einem Material besteht, dessen Wand nicht in der herkömmlichen Art verformt werden kann. Dies trifft insbesondere auf Rohre zu, die im Strangpreßverfahren hergestellt werden müssen. Hierzu offenbart die DE-OS 35 21 914, im einzelnen Rohr Stege anzuordnen, die das Rohr nicht völlig durchsetzen und wellenförmig geformt sind. Eine solche Formgebung ist aber nur im Strangpreßverfahren für Leichtmetall, insbesondere Aluminium denkbar, wo es durch geeignete Ausbildung des Rezipienten möglich ist, solche gewellten Stege herzustellen.The arrangement of vortex generating current disturbance elements on the inner surface of the tubes becomes problematic when the single tube of the heat exchanger is made of a material whose wall cannot be deformed in the conventional way. This applies in particular to pipes that have to be manufactured using the extrusion process. For this purpose, DE-OS 35 21 914 discloses arranging webs in the individual tube which do not completely penetrate the tube and are shaped in a wave shape. Such a shape is only conceivable in the extrusion process for light metal, in particular aluminum, where it is possible to produce such corrugated webs by suitable design of the recipient.

Dieses bekannte Verfahren ist aber dort nicht anwendbar, wo sich das Material des Rohres nicht in der bekannten Weise beim Strangpressen oder einem anderen Verfahren verformen läßt. Dies ist insbesondere bei Rohren aus metallischen Werkstoffen wie Titan, hochlegierten Stählen, Nickelbasislegierungen oder Rohren aus Siliciumcarbid und aus Graphit der Fall. Wärmeaustauscher mit Graphitrohren werden bevorzugt zum Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeiten, Dämpfen oder Gasen verwendet, die ein chemisch resistentes Rohrmaterial voraussetzen.However, this known method cannot be used where the material of the tube cannot be deformed in the known manner during extrusion or another method. This is particularly the case with pipes made of metallic materials such as titanium, high-alloy Steels, nickel-based alloys or pipes made of silicon carbide and graphite. Heat exchangers with graphite tubes are preferred for heat exchange between liquids, vapors or gases, which require a chemically resistant tube material.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Rohre für die Verwendung in den Rohrbündeln von Rohrbündelwärmeaustauschern so auszubilden, daß sie in ihrem Inneren wirbelerzeugende und/oder die Strömungsgeschwindigkeit steigernde, die Fluidströmung störende Elemente aufweisen, ohne daß es auf die Verformbarkeit des Rohrmaterials ankommt. Im speziellen sollen durch die Erfindung Rohre aus Materialien, die schwer verformbar sind, insbesondere Rohre aus Graphit zugänglich sein, die eine verbesserte Wärmeübertragungsleistung aufweisen.The invention has for its object to design tubes for use in the tube bundles of tube bundle heat exchangers in such a way that they have vortex-generating elements and / or flow rate-increasing elements which disturb the fluid flow, without the ductility of the tube material being important. In particular, the invention is intended to provide access to pipes made of materials which are difficult to deform, in particular pipes made of graphite, which have improved heat transfer performance.

Die Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß die Innenwand des Rohres von die Fluidströmung im Rohr beeinflussenden Erhebungen und Vertiefungen frei ist und sich im Innenraum des Rohres ein rohr- oder stabförmiger Strang befindet, dessen äußere Oberfläche die Form a) eines im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung im Rohr liegenden Gewindes oder b) von in gleicher Weise angeordneten Wellen hat oder c) mit Noppen oder Stacheln besetzt ist, daß der Strang, mit Ausnahme einer höchstens linienförmigen Berührung mit der inneren Oberfläche des Wärmeaustauscherrohres, im Abstand von dieser inneren Oberfläche positioniert ist, so daß zwischen dem Strang und der inneren Oberfläche des Wärmeaustauscherrohres ein Raum für das Durchströmen des Wärmeaustauscherrohres mit einem Fluid vorhanden ist.The object is achieved in accordance with the characterizing part of claim 1 in that the inner wall of the tube is free from elevations and depressions influencing the fluid flow in the tube and in the interior of the tube there is a tubular or rod-shaped strand, the outer surface of which is in the form a) a thread lying essentially transversely to the direction of flow in the tube or b) has shafts arranged in the same way or c) is studded or studded so that the strand, with the exception of a linear contact with the inner surface of the heat exchanger tube at a distance of this inner surface is positioned so that there is a space between the strand and the inner surface of the heat exchanger tube for the fluid to flow through the heat exchanger tube.

Eine auf paarweise nebeneinander liegende Rohre von Rohrbündelwärmeaustauschern beschränkte Lösung der Aufgabe ist in Anspruch 2 wiedergegeben. Dieser Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand der Rohre von die Fluidströmung in den Rohren beeinflussenden Erhebungen und Vertiefungen frei ist, daß sich im Innenraum der Rohre ein rohr- oder stabförmiger Strang befindet, dessen äußere Oberfläche die Form a) eines im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung in den Rohren liegenden Gewindes oder b) von in gleicher Weise angeordneten Wellen hat oder c) mit Noppen oder Stacheln besetzt ist, daß der Strang mit Ausnahme einer höchstens linienförmigen Berührung mit den inneren Oberflächen der Wärmeaustauscherrohre im Abstand von diesen inneren Oberflächen positioniert ist, so daß zwischen dem Strang und der inneren Oberfläche der Wärmeaustauscherrohre ein Raum für das Durchströmen der Wärmeaustauscherrohre mit einem Fluid vorhanden ist, daß der Strang U-Form hat, daß sich die Schenkel des U des Stranges in jeweils zwei benachbarten Rohren eines Wärmeaustauschers befinden und der die Schenkel verbindende Bogen des U außerhalb der Rohre angeordnet ist.A solution to the problem, which is limited to tubes of tube bundle heat exchangers lying side by side in pairs, is given in claim 2. This claim is characterized in that the inner wall of the tubes is free from elevations and depressions influencing the fluid flow in the tubes, that there is a tubular or rod-shaped strand in the interior of the tubes, the outer surface of which is in the shape a) of a substantially transverse to Flow direction in the thread lying in the tubes or b) has shafts arranged in the same way or c) is studded or spiked so that the strand is positioned apart from these inner surfaces with the exception of at most linear contact with the inner surfaces of the heat exchanger tubes, so that between the strand and the inner surface of the heat exchanger tubes there is a space for the fluid to flow through the heat exchanger tubes, that the strand has a U-shape, that the legs of the U of the strand are located in two adjacent tubes of a heat exchanger, and the connecting the thighs e bend of the U is arranged outside the tubes.

Die nachgeordneten Ansprüche stellen Ausgestaltungen der Erfindung und Anwendungen der erfindungsgemäßen Lösung dar. Sie werden hiermit in den beschreibenden Teil eingeführt.The subordinate claims represent refinements of the invention and applications of the solution according to the invention. They are hereby introduced into the descriptive part.

Durch die Maßnahmen gemäß den Ansprüchen 1 und 2 werden in der das Rohr durchsetzenden Strömung mit einfachsten Mitteln Turbulenzen erzeugt. Gleichzeitig kann die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr erhöht werden. Beide Maßnahmen, das Hervorrufen von Turbulenzen und die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren führen jede für sich allein zu einer Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung der Rohre. Werden beide Maßnahmen gleichzeitig angewandt, so ist die Wärmeübertragungsleistung entsprechend höher. Zur Erzielung der beschriebenen Effekte muß lediglich ein passend profilierter Strang in das Rohr eingesetzt werden. Da diese Maßnahme nicht an die Rohrherstellung gekoppelt ist, können Wärmeaustauscherrohre zu jeder Zeit ihrer betrieblichen Existenz mit den erfindungsgemäßen Strängen ausgerüstet werden. Es können sowohl Neuanlagen als auch bereits in Betrieb gewesene Anlagen damit bestückt werden. Letztere Möglichkeit ist besonders für die Anpassung bereits bestehender Wärmetauscher an geänderte Betriebsbedingungen von Vorteil. Aber auch bei der Auslegung von Neuanlagen sieht sich der Konstrukteur häufig mit Zwängen konfrontiert, bei deren Umgehung er von der Erfindung in vorteilhafter Weise Gebrauch machen kann. Wenn er beispielsweise aus räumlichen Gründen an eine bestimmte Wärmeaustauschfläche gebunden ist, mit der die verlangte oder erforderliche Austauschleistung mit normalen Rohren nicht erbracht werden kann, kann er nun auf die erfindungsgemäße Lösung zurückgreifen und die Leistung auf einfache Weise erhöhen. Bei Bedarf kann die Leistung zu einem späteren Zeitpunkt durch Entnahme aller oder eines Teils der Stränge wieder gesenkt und anderen Gegebenheiten angepaßt werden. Von diesem Beispiel ist leicht ableitbar, daß mit den Mitteln der Erfindung unter Konstanthalten der Wärmeaustauschleistung im Vergleich zu herkömmlichen Wärmeaustauschern auch die Abmessungen von Wärmeaustauschern verringert werden können, indem der durch die Anwendung der erfinderischen Maßnahme erzielte Leistungsgewinn zur Reduzierung der Länge der verwendeten Rohre oder zur Verringerung von deren Anzahl im Wärmeaustauscher eingesetzt wird. Im ersteren Fall wird der Austauscher kürzer, im anderen schlanker. In manchen Fällen ergibt die verfahrenstechnische Auslegung, daß Rohre mit sehr kleinen Innendurchmessern erforderlich sind. Derartige Rohre sind aus produktionstechnischen Gründen und/oder wegen ihrer großen Bruchempfindlichkeit, wenn sie z.B. aus Siliciumcarbid oder Kohlenstoff bzw. Graphit bestehen, mit wirtschaftlich tragbarem Aufwand nicht herstellbar. Durch die Erfindung ist es nunmehr möglich, auch in den Bereich der Anwendung derartiger, schwer herstellbarer und praktisch nicht anwendbarer Rohre vorzustoßen, indem größere, mechanisch stabilere und mit vertretbarem Aufwand hergestellte Rohre herangezogen werden und diese durch Einsatz von Strängen gemäß der Erfindung so abgewandelt werden, daß sie dem technischen Wirkungsbereich der kleineren Rohre voll entsprechen.Through the measures according to claims 1 and 2, turbulence is generated in the flow passing through the pipe with the simplest of means. At the same time, the flow velocity in the pipe can be increased. Both measures, the generation of turbulence and the increase in the flow velocity in the pipes each lead to an improvement in the heat transfer performance of the pipes. Do both measures at the same time applied, the heat transfer performance is correspondingly higher. To achieve the effects described, only a suitably profiled strand has to be inserted into the tube. Since this measure is not linked to the pipe production, heat exchanger pipes can be equipped with the strands according to the invention at any time in their operational existence. Both new systems and systems that have already been in operation can be equipped with it. The latter option is particularly advantageous for adapting existing heat exchangers to changing operating conditions. But even when designing new systems, the designer is often confronted with constraints, the circumvention of which he can use the invention in an advantageous manner. If, for example, for spatial reasons, it is bound to a specific heat exchange surface with which the required or required exchange service cannot be provided with normal pipes, it can now fall back on the solution according to the invention and increase the performance in a simple manner. If required, the performance can be reduced at a later point in time by removing all or part of the strands and adapted to other circumstances. From this example it can be easily deduced that the dimensions of heat exchangers can be reduced by keeping the heat exchange capacity constant in comparison with conventional heat exchangers by using the means of the invention to achieve a reduction in the length of the pipes used or to reduce the length of the pipes used Reduction of their number is used in the heat exchanger. In the former case, the exchanger becomes shorter, in the other, slimmer. In some cases, the process engineering design means that pipes with very small inner diameters are required. Such pipes are out Production-technical reasons and / or because of their high sensitivity to breakage, if they consist of silicon carbide or carbon or graphite, for example, cannot be produced with economically viable effort. The invention now makes it possible to advance into the field of the use of such pipes which are difficult to manufacture and which are practically unusable by using larger, mechanically more stable pipes which can be produced at a reasonable cost and which are thus modified by using strands according to the invention that they fully correspond to the technical scope of the smaller pipes.

Die Erfindung ist auf alle Arten von Rohren für Wärmeaustauscher anwendbar, die das Einführen von erfindungsgemäßen Strängen erlauben.The invention is applicable to all types of tubes for heat exchangers which allow the introduction of strands according to the invention.

Eine spezielle Bedeutung erlangt die Erfindung jedoch für solche Wärmeaustauscher, durch die flüssige, gasförmige oder dampfartige Materialien geleitet werden müssen, die chemisch widerstandsfähiges Material für die Rohre voraussetzen. Für solche Wärmeaustauscher sind Rohre aus speziellen, schwer verarbeitbaren metallischen Werkstoffen wie Titan, Titan-Palladium-Legierungen, hochlegierten Stählen oder Nickelbasislegierungen oder aus Keramik wie Siliciumcarbid und insbesondere aus Graphit geeignet. Ein besonderes Merkmal dieser Werkstoffe und hier speziell des Graphits ist, daß sie im Strangpreßherstellungsverfahren nicht mit wirbelerzeugenden Stromstörungselementen versehen werden können. Rohre aus diesen Werkstoffen liegen vielmehr als innenwandig im wesentlichen glatte Rohre vor. Wenn man in solche Rohre die erfindungsgemäßen, Profilierungen des Außenumfanges aufweisende Stränge einsetzt, wird der Vorteil des widerstandsfähigen Materials mit der Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung kombiniert.However, the invention is of particular importance for those heat exchangers through which liquid, gaseous or vapor-like materials have to be passed, which presuppose chemically resistant material for the pipes. Tubes made of special, difficult-to-process metallic materials such as titanium, titanium-palladium alloys, high-alloy steels or nickel-based alloys or of ceramic such as silicon carbide and in particular of graphite are suitable for such heat exchangers. A special feature of these materials and here especially of graphite is that they cannot be provided with vortex-generating current disturbance elements in the extrusion manufacturing process. Rather, pipes made of these materials are essentially smooth pipes on the inside. If the strands according to the invention, which have profiles of the outer circumference, are used in such pipes, the advantage of the resistant material becomes with the improvement of the heat transfer performance combined.

Die Profilierungen, mit denen die in die Rohre eingesetzten Stränge versehen sind, können mannigfaltige Formen haben. Sie müssen nur bewirken, daß laminare Strömungen in turbulente und leicht turbulente Strömungen in stärker turbulente Strömungen umgewandelt werden. Beispielhaft seien folgende Oberflächenausgestaltungen der Stränge angeführt: Verschiedene gewindeartige Formen, Rippen, Noppen, Stacheln und als bevorzugte Form, Wellen.The profiles with which the strands inserted into the pipes are provided can take a variety of forms. They only have to cause laminar flows to be converted into turbulent and slightly turbulent flows into more turbulent flows. The following surface configurations of the strands are given as examples: various thread-like shapes, ribs, knobs, spikes and, as a preferred shape, waves.

Die Stränge können innen hohl sein oder aus Vollmaterial bestehen. Wenn hohle Stränge verwendet werden, sind sie bevorzugt an mindestens einer Seite verschlossen, um die Ausbildung einer zweiten Strömungslinie im Rohr zu verhindern und eine Ansammlung oder ein Zurückbleiben von Fluid aus dem Wärmetauscher im Strang zu vermeiden. Wo dies sinnvoll ist, können auch beide Enden des Hohlstrangs verschlossen sein. Falls dies jedoch Vorteile bringt, ist es auch möglich, die Enden offen zu lassen. Vorzugsweise werden als hohle Stränge im Handel erhältliche, vergleichsweise preiswerte Wellrohre verwendet. Die hohlen Stränge können entweder teilweise oder ganz mit einem geeigneten Material gefüllt sein. Beispielsweise kann der im Wärmetauscher nach unten zeigende Teil des Stranges eine lediglich beschwerende Füllung enthalten, um den hängenden Strang zu straffen und an zu starken Hin- und Herbewegungen zu hindern oder der Innenraum des Stranges ist vollständig mit einem spezifisch leichten Material ausgeschäumt, um dem Strang eine gute Längsstabilität bei insgesamt geringem Gewicht zu geben.The strands can be hollow on the inside or made of solid material. If hollow strands are used, they are preferably closed on at least one side in order to prevent the formation of a second flow line in the tube and to avoid the accumulation or retention of fluid from the heat exchanger in the strand. Where this makes sense, both ends of the hollow strand can also be closed. However, if this has advantages, it is also possible to leave the ends open. Commercially available, relatively inexpensive corrugated pipes are preferably used as hollow strands. The hollow strands can either be partially or completely filled with a suitable material. For example, the part of the strand pointing downward in the heat exchanger may contain only a filling that weighs down, in order to tighten the hanging strand and to prevent excessive back and forth movements, or the interior of the strand is completely foamed with a specifically light material around the strand to give good longitudinal stability with overall low weight.

Eine besonders bevorzugte Lösung der Aufgabe besteht darin, u-förmige Stränge, beispielsweise in eine U-Form gebogene Wellrohre zu verwenden. Die Schenkel eines solchen u-förmigen Stranges werden in zwei benachbarte Rohre des Wärmetauschers eingesetzt und der die Schenkel verbindende Teil bleibt naturgemäß außerhalb der Austauscherrohre. Hier kann auch das Verschließen der Enden unterbleiben, wenn die u-förmigen Stränge so angeordnet sind, daß ihre Öffnungen in Richtung der Schwerkraft zeigen, daß also gegebenenfalls in die Innenräume der Stränge gelangtes Prozeßmedium wieder herausfließen kann. Auf diese Weise kann ein Wärmeaustauscher mit einfachsten Mitteln ohne größeren Aufwand mit den erfindungsgemäßen Strängen ausgerüstet werden.A particularly preferred solution to the problem consists of U-shaped strands, for example in a U-shape to use curved corrugated pipes. The legs of such a U-shaped strand are inserted into two adjacent tubes of the heat exchanger and the part connecting the legs naturally remains outside the exchanger tubes. Here, the ends can also not be closed if the U-shaped strands are arranged in such a way that their openings point in the direction of gravity, so that any process medium that has entered the interior of the strands can flow out again. In this way, a heat exchanger can be equipped with the strands according to the invention with the simplest of means and with little effort.

Das Befestigen der Stränge in den Wärmeaustauscherrohren geschieht mit einfachen, an sich bekannten Mitteln wie an den Rohrenden angebrachten Aufhängungen oder Stegen oder durch die Strangenden geführte Stifte, die sich auf den Rohrenden abstützen.The strands are fastened in the heat exchanger tubes using simple means known per se, such as suspensions or webs attached to the tube ends or pins guided through the strand ends, which are supported on the tube ends.

Um das Einströmen der jeweiligen, in den Wärmetauschern Wärme tauschenden Fluide in die mit den erfindungsgemäßen Strängen ausgerüsteten Wärmetauscherrohre zu erleichtern, können nach einer anderen vorteilhaften Variante die Wärmetauscherrohre bzw. die mit den Rohrenden dieser Rohre fluchtenden Strömungskanäle in den oberen und unteren Rohrböden der Rohrbündel, in die diese Rohre eingebaut sind, am Einströmende konische oder keilförmige Erweiterungen haben. Diese Maßnahme wird besonders bei der Anwendung von u-förmigen Strängen an der Seite der u-förmigen Verbindung der Schenkel empfohlen. Sie ist aber nicht Bedingung. Wo dies vorteilhaft erscheint, können derartige Erweiterungen auch auf der Ausströmseite der Rohrbündel angebracht sein.In order to facilitate the inflow of the respective fluids exchanging heat in the heat exchangers into the heat exchanger tubes equipped with the strands according to the invention, according to another advantageous variant, the heat exchanger tubes or the flow channels aligned with the tube ends of these tubes in the upper and lower tube plates of the tube bundle, in which these pipes are installed, have conical or wedge-shaped extensions at the inflow end. This measure is particularly recommended when using U-shaped strands on the side of the U-shaped connection of the legs. But it is not a condition. Where this seems advantageous, such extensions can also be fitted on the outflow side of the tube bundle.

Der Werkstoff, aus dem die erfindungsgemäßen Stränge bestehen, richtet sich nach den Einsatzbedingungen, speziell nach dem Medium, dem die Stränge ausgesetzt sind und nach der vorgesehenen Betriebstemperatur. Der Fachmann wählt aufgrund seiner Kenntnisse das jeweils geeignete Material aus. Beispielhaft seien, ohne daß damit eine Beschränkung vorgenommen wird, einige der in Frage kommenden Materialien genannt: Metall, Kunststoff, Gummi, Holz, Keramik, Kohlenstoff. Von den Kunststoffen werden für Medien, die weniger aggressiv sind, bevorzugt Polypropylen (PP) oder Polyvinylchlorid (PVC) verwendet. In aggressiveren Medien und bei höheren Anwendungstemperaturen werden bevorzugt Stränge aus fluorhaltigen Polymeren wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Tetrafluorethylen-Perfluorpropylen-Copolymer (FEP) oder Copolymere von Tetrafluorethylen mit Perfluoralkylvinylether (PFA) eingesetzt. Die Palette der Kohlenstoffmaterialien ist nicht auf nicht graphitischen und auf graphitierten Kohlenstoff beschränkt. Es können auch Teile aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kohlenstoff oder aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kunststoff Verwendung finden.The material from which the strands according to the invention are made depends on the conditions of use, especially on the medium to which the strands are exposed and on the intended operating temperature. The specialist selects the most suitable material based on his knowledge. Some, without limitation, some of the materials in question are mentioned as examples: metal, plastic, rubber, wood, ceramic, carbon. Of the plastics, polypropylene (PP) or polyvinyl chloride (PVC) are preferably used for media that are less aggressive. In more aggressive media and at higher application temperatures, strands of fluorine-containing polymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), tetrafluoroethylene-perfluoropropylene copolymer (FEP) or copolymers of tetrafluoroethylene with perfluoroalkyl vinyl ether (PFA) are preferably used. The range of carbon materials is not limited to non-graphitic and graphitized carbon. Parts made from carbon fiber reinforced carbon or from plastic reinforced with carbon fibers can also be used.

Der Außendurchmesser des Stranges beträgt vorzugsweise ein Drittel bis acht Zehntel des Innendurchmessers des ihn umgebenden Wärmeaustauscherrohres. Diese Maßverhältnisse haben sich bei Wärmeaustauschern für aggressive chemische Medien, bei denen die Austauscherrohre aus Graphit und die Stränge aus Kunststoff bestanden, bewährt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Maßverhältnisse beschränkt. Im Bedarfsfall kann davon abgewichen werden.The outer diameter of the strand is preferably one third to eight tenths of the inner diameter of the heat exchanger tube surrounding it. These proportions have proven themselves in heat exchangers for aggressive chemical media in which the exchanger tubes are made of graphite and the strands are made of plastic. However, the invention is not limited to these dimensions. You can deviate from this if necessary.

Für Fälle, bei denen der Strang innerhalb des Rohres lagestabil angeordnet sein muß, empfiehlt es sich, den Strang stellenweise an der glatten Rohrinnenwand abzustützen. Ganz allgemein kann dies dadurch erreicht werden, daß der Strang mit bekannten Mitteln wie beispielsweise Stegen, an der Innenwand des Austauscherrohres abgestützt wird. Bei der Wahl und der Anordnung der Abstützelemente sollte lediglich dafür Sorge getragen werden, daß die Strömung im Ringspalt nicht wesentlich beeinträchtlgt wird. Nach einer bevorzugten Vorgehensweise wird eine Abstützung erreicht, wenn der Strang das Rohr in einer Spiralform durchsetzt. Diese Spiralform entsteht bei biegsamem Material dadurch, daß man den, beispielsweise als Wellrohr ausgebildeten Strang beim Einsetzen in das Rohr um seine Achse verdreht oder ihn nach dem Einsetzen am entgegengesetzten Ende des Rohres, bzw. Rohrbodens arretiert, dann verdreht, dabei etwas staucht und ihn danach am anderen Ende des Rohres, bzw. Rohrbodens ebenfalls festlegt. Auf diese Weise kommt es zu Abstützungen des Stranges an der Innenfläche des Rohres.For cases in which the strand must be arranged in a stable position within the tube, it is recommended that Support the strand in places on the smooth inner wall of the pipe. In general, this can be achieved in that the strand is supported on the inner wall of the exchanger tube using known means, such as webs. When choosing and arranging the support elements, care should only be taken that the flow in the annular gap is not significantly impaired. According to a preferred procedure, support is achieved when the strand passes through the tube in a spiral shape. This spiral shape is created with flexible material by twisting the strand, which is designed as a corrugated tube, for example, when inserted into the tube, or locking it after insertion at the opposite end of the tube or tube plate, then twisting it, compressing it a little, and twisting it then also at the other end of the tube or tube sheet. In this way, the strand is supported on the inner surface of the tube.

Im folgenden wird die Wirksamkeit der Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel demonstriert:
Alle Wärmeaustauscherrohre eines mit fluiddichten Graphitrohren, 32 mm Außendurchmesser und 22 mm Innendurchmesser bestückten, industriell anwendbaren Partialdruckkondensators wurden mit käuflichen, in U-Form gemäß Fig. 2 gebogenen Wellrohren aus Polytetrafluorethylen, deren größter, an der Wellung gemessener Durchmesser 16 mm und deren kleinster, an der Außenwand des Rohres, also am Boden der Wellung gemessener Durchmesser 14 mm betrug, bestückt. Es wurde die Wärmeübertragungsleistung des Partialdruckkondensators unter Beaufschlagung mit dem gleichen Produkt und mit dem gleichen Kühlmittel (Wasser) einmal ohne eingebaute, Turbulenzen erzeugende Stränge und einmal mit derartigen Strängen gemessen:
The effectiveness of the invention is demonstrated below by means of an exemplary embodiment:
All heat exchanger tubes of an industrially applicable partial pressure condenser equipped with fluid-tight graphite tubes, 32 mm outer diameter and 22 mm inner diameter were equipped with commercially available corrugated tubes made of polytetrafluoroethylene bent in U-shape according to FIG. on the outer wall of the tube, that is to say at the bottom of the corrugation, the diameter measured was 14 mm. The heat transfer performance of the partial pressure condenser was applied to the same product and with the same coolant (water) once without built-in turbulence-generating strands and once measured with such strands:

Betriebsbedingungen/Meßergebnisse:

  • Versuch ohne Stränge in den Rohren,
    Massestrom Produkt: 6066 kg/h
    Temperatur des Produkts am Apparateeingang: 123,75 °C
    Temperatur des Produkts am Apparateausgang: 37,4 °C
    Massestrom Kühlwasser: 147 m3/h
    Temperatur des Kühlwassers am Apparateeingang: 21 °C
    Temperatur des Kühlwassers am Apparateausgang: 26 °C
  • Versuch mit Strängen in den Rohren:
    Massestrom Produkt: 11058 kg/h
    Temperatur des Produkts am Apparateeingang: 123,60 °C
    Temperatur des Produkts am Apparateausgang: 39 °C
    Massestrom Kühlwasser: 51 m3/h
    Temperatur des Kühlwassers am Apparateeingang: 20 °C
    Temperatur des Kühlwassers am Apparateausgang: 39 °C
Operating conditions / measurement results:
  • Trial with no strands in the tubes,
    Mass flow product: 6066 kg / h
    Temperature of the product at the inlet of the device: 123.75 ° C
    Temperature of the product at the device outlet: 37.4 ° C
    Mass flow cooling water: 147 m 3 / h
    Temperature of the cooling water at the device inlet: 21 ° C
    Temperature of the cooling water at the appliance outlet: 26 ° C
  • Experiment with strands in the tubes:
    Mass flow product: 11058 kg / h
    Temperature of the product at the inlet of the device: 123.60 ° C
    Temperature of the product at the device outlet: 39 ° C
    Mass flow cooling water: 51 m 3 / h
    Temperature of the cooling water at the device inlet: 20 ° C
    Temperature of the cooling water at the appliance outlet: 39 ° C

Ein Vergleich der bei den beiden Versuchen pro Zeiteinheit übertragenen Wärmemengen zeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Lösung 1,32 mal mehr Wärme übertragen worden ist wie bei dem Apparat ohne Stränge in den Wärmeaustauscherrohren. Die Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung wird dabei mit einer auf ca. 1/3 reduzierten Kühlwassermenge bei einer Steigerung des Produktdurchsatzes um fast das Doppelte erreicht.A comparison of the amounts of heat transferred per unit of time in the two tests shows that 1.32 times more heat was transferred in the solution according to the invention than in the apparatus without strands in the heat exchanger tubes. The increase in heat transfer capacity is achieved with a cooling water quantity reduced to approx. 1/3 and an increase in product throughput of almost double.

Durch die folgenden Figuren wird die Erfindung mittels schematischer Darstellungen beispielhaft weiter erläutert.The following figures further illustrate the invention by means of schematic representations.

Es zeigen:

Fig. 1:
Einen Teillängsschnitt durch einen Rohrbündelwärmeaustauscher der eine erfindungsgemäße Rohranordnung wiedergibt.
Fig. 2:
Einen Teillängsschnitt durch einen Rohrbündelwärmeaustauscher, mit einem in benachbarte Wärmeaustauscherrohre eingesetzten u-förmigen Strang.
Fig. 3:
Eine Draufsicht auf die Stirnseite einer Kopfplatte des Rohrbündels eines Wärmetauschers, dessen Austauscherrohre mit u-förmig gestalteten Strängen ausgerüstet sind.
Fig. 4:
Einen Teillängsschnitt durch das Rohrbündel eines Wärmetauschers am Ort eines Austauscherrohres mit einem gefüllten Hohlstrang.
Fig. 5:
Die Ausführung eines erfindungsgemäßen Stranges als Wellrohr.
Fig. 6, 6a, 6b, 6c:
Ein Wärmeaustauscherrohr, in dem ein Strang entlang einer wendelförmigen Linie an der Rohrwand anliegt und festgelegt ist.
Show it:
Fig. 1:
A partial longitudinal section through a tube bundle heat exchanger which represents a tube arrangement according to the invention.
Fig. 2:
A partial longitudinal section through a tube bundle heat exchanger, with a U-shaped strand inserted into adjacent heat exchanger tubes.
Fig. 3:
A top view of the end face of a head plate of the tube bundle of a heat exchanger, the exchanger tubes of which are equipped with U-shaped strands.
Fig. 4:
A partial longitudinal section through the tube bundle of a heat exchanger at the location of an exchanger tube with a filled hollow strand.
Fig. 5:
The execution of a strand according to the invention as a corrugated tube.
6, 6a, 6b, 6c:
A heat exchanger tube in which a strand lies and is fixed along a helical line on the tube wall.

In dem Teillängsschnitt gemäß Fig. 1 ist ein Rohr 1 des Rohrbündels eines Rohrbündelwärmeaustauschers dargestellt, dessen produktberührten Teile mit Ausnahme des in die Rohre 1 eingesetzten Strangs aus Tantal bestehen.In the partial longitudinal section according to FIG. 1, a tube 1 of the tube bundle of a tube bundle heat exchanger is shown, the parts of which in contact with the product, with the exception of the strand inserted into the tubes 1, consist of tantalum.

Das an seiner Oberfläche herstellungsbedingt glatte Tantalrohr 1 ist in den nur andeutungsweise wiedergegebenen oberen Rohrboden 2 und unteren Rohrboden 3 des Rohrbündels eingeschweißt. Der Strangkörper 4 ist ein in Form eines an seinem oberen Ende 5 durch Abquetschen und/oder Verschweißen verschlossenes, an seiner äußeren Oberfläche mit einem gewindeartigen Profil 6 versehenes Rohr aus FEP. An seinem unteren Ende 9 ist der Strangkörper 4 offen. Der die Turbulenzen hervorrufende und den fluidzugänglichen Innenquerschnitt 7 des Wärmeaustauscherrohres 1 verringernde Strangkörper 4 ist sowohl am oberen Rohrboden 2 als auch am unteren Rohrboden 3 des Rohrbündels mittels je eines durch den Strang 4 geführten Stiftes 8, 8', der sich auf dem oberen 2 und dem unteren Rohrboden 3 abstützt, gehalten. Es ist möglich, den Strang 4 mittels dieser Arretierungen 8, 8' unter einer bestimmten Längsspannung zu halten, um ihn im Betrieb an die Strömung störenden Hin- und Herbewegungen zu hindern. Durch Fig. 1a, die eine um 90° gedrehte Ansicht des oberen Teils der Fig. 1 wiedergibt, wird verdeutlicht, daß die Arretierung des Stranges 4 durch einen Stift 8 bewirkt wird. Das den Wärmeaustauscher durchsetzende Fluid strömt, wie die Pfeile in den Fig. 1 und 1a andeuten, von unten nach oben durch den Wärmeaustauscher. Nach einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der größte Außendurchmesser a des Stranges 4 1/3 bis 8/10 des Innendurchmessers b des Wärmeaustauscherrohres 1.The surface of the smooth tantalum tube 1 is welded into the upper tube sheet 2 and the lower tube sheet 3 of the tube bundle, which are only hinted at. The strand body 4 is in the form of a tube made of FEP, which is closed at its upper end 5 by squeezing and / or welding, and is provided on its outer surface with a thread-like profile 6. The strand body 4 is open at its lower end 9. The strand body 4, which causes the turbulence and reduces the fluid-accessible inner cross section 7 of the heat exchanger tube 1, is attached to both the upper tube sheet 2 and the lower tube sheet 3 of the tube bundle by means of a pin 8, 8 'guided through the strand 4, which is located on the upper 2 and supports the lower tube sheet 3, held. It is possible to keep the strand 4 under a certain longitudinal tension by means of these detents 8, 8 ', in order to prevent it from moving back and forth which disturbs the flow during operation. FIG. 1 a, which shows a view of the upper part of FIG. 1 rotated by 90 °, makes it clear that the locking of the strand 4 is effected by a pin 8. The fluid passing through the heat exchanger flows, as the arrows in FIGS. 1 and 1a indicate, from bottom to top through the heat exchanger. According to a preferred embodiment, the largest outside diameter a of the strand is 4 1/3 to 8/10 of the inside diameter b of the heat exchanger tube 1.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsvariante der Erfindung wiedergegeben, bei der sich die Schenkel 10, 10' eines u-förmig gebogenen Wellrohres 11 in jeweils benachbarten Rohren 1, 1' eines Wärmeaustauschers befinden. Die Erhebungen 12 und Vertiefungen 12' auf der Oberfläche des Stranges 4, die die Turbulenzen in der in den Rohren 1, 1' vorhandenen Strömung hervorrufen, verlaufen in Wendelform.2 shows a variant of the invention in which the legs 10, 10 'of a U-shaped corrugated tube 11 are located in adjacent tubes 1, 1' of a heat exchanger. The elevations 12 and depressions 12 'on the surface of the strand 4, which cause the turbulence in the flow present in the tubes 1, 1', run in a spiral shape.

Die produktberührten Teile des Wärmeaustauschers, von dem hier lediglich der obere Rohrboden 2 und zwei Rohre 1, 1' des Rohrbündels ausschnittweise wiedergegeben sind, bestehen mit Ausnahme der Strangkörper 4 aus mit einem Kunstharz imprägnierten Graphit. Die Graphitrohre 1, 1' sind in den oberen Rohrboden 2 und in den nicht dargestellten unteren Rohrboden des Rohrbündels eingeklebt 16. Die die Strangkörper 4 bildenden Gewinderohre bestehen aus Polypropylen. In dem hier nur zum Teil abgebildeten Wärmetauscher verläuft, wie die Pfeile andeuten, der Produktstrom von oben nach unten durch die Rohre 1, 1'. An der Eintrittsseite 15, 15' des Produktstroms in die Rohre 1, 1' befindet sich ein sich entgegen der Strömungsrichtung beispielsweise konisch erweiternder Querschnitt 14, 14' um das Einströmen des Produktfluids in die Rohre 1, 1' zu erleichtern. Die Figur zeigt, daß die Stränge 4 bei dieser Anordnung in den Wärmeaustauscherrohren 1, 1' an ihrer oberen, der Einströmseite 15, 15' in die Austauscherrohre 1, 1', stets verschlossen sind. Es kann kein Produkt in sie eintreten. An ihrem, hier nicht sichtbaren, unteren Ende können die Stränge 4 entweder offen oder geschlossen sein. Sie können auch z.B. am unteren Rohrboden festgelegt sein oder nicht. Daß die u-förmige Ausführungsform auch erhebliche Vorteile bei der Montage bietet, ist unschwer einzusehen.The parts of the heat exchanger which come into contact with the product, of which only the upper tube sheet 2 and two tubes 1, 1 'of the tube bundle are shown in sections, consist, with the exception of the extruded bodies 4, of graphite impregnated with a synthetic resin. The graphite tubes 1, 1 'are glued into the upper tube sheet 2 and into the lower tube sheet (not shown) of the tube bundle 16. The threaded tubes forming the extruded bodies 4 consist of polypropylene. In the heat exchanger only partially shown here, as the arrows indicate, the product flow runs from top to bottom through the pipes 1, 1 '. On the inlet side 15, 15 'of the product flow into the pipes 1, 1' there is a cross section 14, 14 ', for example conically widening counter to the direction of flow, in order to facilitate the inflow of the product fluid into the pipes 1, 1'. The figure shows that the strands 4 are always closed in this arrangement in the heat exchanger tubes 1, 1 'on their upper, the inflow side 15, 15' in the exchanger tubes 1, 1 '. No product can enter them. At its lower end, which is not visible here, the strands 4 can either be open or closed. You can also e.g. be fixed to the lower tube plate or not. It is not difficult to see that the U-shaped embodiment also offers considerable advantages during assembly.

In der in Fig. 3 wiedergegebenen Draufsicht auf den oberen Rohrboden 2 eines Rohrbündels eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers, in dem die Rohre 1 mit u-förmigen Strängen 4 bestückt sind, sind die Einströmöffnungen 15, 15' der Wärmeaustauscherrohre 1 und die sich jeweils über zwei benachbarte Rohre 1, 1' erstreckenden u-förmigen Enden der Stränge 4 zu sehen. Das Rohr 1'' ist ein zugestöpseltes Blindrohr. Es könnte aber auch mit einem Wellrohr 4 gemäß Fig. 1 versehen sein.In the plan view shown in Fig. 3 on the upper tube sheet 2 of a tube bundle of a heat exchanger according to the invention, in which the tubes 1 are equipped with U-shaped strands 4, the inflow openings 15, 15 'of the heat exchanger tubes 1 and which are each over two adjacent Tubes 1, 1 'extending U-shaped ends of the strands 4 can be seen. The pipe 1 '' is a plugged blind pipe. However, it could also be provided with a corrugated tube 4 according to FIG. 1.

In Fig. 4 sind andeutungsweise der obere 2 und der untere Rohrboden 3 eines Rohrbündels abgebildet, in die (2, 3) ein Austauscherrohr 1 eingeklebt (16) ist. Die produktberührten Teile des Austauschers bestehen mit Ausnahme des Strangkörpers 4 wiederum aus fluiddichtem Graphit. Der rohrförmige, an seinem oberen 5 und seinem unteren 9 Ende verschlossene Strangkörper 4 besteht aus einem gummiartigen Copolymeren aus Vinylidenfluorid mit Hexafluorpropylen, das im Handel unter der Marke RViton erhältlich ist. Seine Oberfläche weist eine Vielzahl von Noppen 13 auf, um in der Strömung im Rohr 1 die gewünschten Turbulenzen hervorzurufen. Der Strangkörper 4 ist an seinem oberen Ende 5 mit einem ihn durchsetzenden, eingeschweißten Stift 8 aus PTFE an der Oberseite des oberen Rohrbodens 2 des Rohrbündels aufgehängt. In seinem unteren Teil enthält der Strangkörper 4 eine spezifisch schwere Masse 17, beispielsweise mit einem Kunstharz gebundenes Siliciumdioxid, Schwerspat oder Späne einer korrosionsfesten Legierung, um ihn zu straffen und gegen unerwünschte sowie unkontrollierbare Bewegungen in der Strömung zu sichern. Das Innere des Stranges 4 könnte auch zusätzlich oder unter Fortlassen der beschwerenden Füllung mit einem Kunststoff 19 ausgeschäumt sein, um dem Strang Längssteifigkeit zu verleihen.In Fig. 4 the upper 2 and the lower tube sheet 3 of a tube bundle are indicated, in which (2, 3) an exchanger tube 1 is glued (16). The parts of the exchanger in contact with the product, with the exception of the strand body 4, again consist of fluid-tight graphite. The tubular strand body 4, closed at its upper 5 and lower 9 end, consists of a rubber-like copolymer of vinylidene fluoride with hexafluoropropylene, which is commercially available under the R Viton brand. Its surface has a plurality of knobs 13 in order to cause the desired turbulence in the flow in the tube 1. The strand body 4 is suspended at its upper end 5 by a welded-in PTFE pin 8 penetrating it at the top of the upper tube sheet 2 of the tube bundle. In its lower part, the strand body 4 contains a specifically heavy mass 17, for example silicon dioxide bonded with a synthetic resin, heavy spar or chips of a corrosion-resistant alloy, in order to tighten it and to secure it against undesired and uncontrollable movements in the flow. The interior of the strand 4 could also be foamed with a plastic 19 in addition or while omitting the weighting filling in order to give the strand longitudinal rigidity.

Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt aus einem Wärmeaustauscherrohr 1, das einen Hohlstrang 4 in Form eines Wellrohres enthält, auf dessen Oberfläche in wechselnder Folge Erhebungen 12 und Vertiefungen 12', die konzentrisch um die Längsachse des Rohres verlaufen, angeordnet sind.Fig. 5 shows a section of a heat exchanger tube 1, which contains a hollow strand 4 in the form of a corrugated tube, on the surface of which elevations 12 and depressions 12 'are arranged, which run concentrically around the longitudinal axis of the tube.

Fig. 6 zeigt in Verbindung mit den Figuren 6a, 6b und 6c eine Möglichkeit, einen Strang 4 aus einem ausreichend flexiblen Material in dem ihn umgebenden Wärmeaustauscherrohr 1 ortsstabil zu halten. Die Abstützung wird hier dadurch erreicht, daß der Strang 4 nach dem Einführen in das Austauscherrohr 1 und falls nötig, nach dem Festlegen des Stranges 4 am unteren Ende des Rohres 1 unter leichtem Stauchen derart um seine Längsachse verdreht wird, daß er die Form einer Wendel annimmt und entlang einer wendelförmigen Berührungslinie an der Innenwand 18 des Austauscherrohres 1 anliegt und so gegen möglicherweise durch die Strömung verursachte Bewegungen abgestützt wird. Selbstverständlich muß der so verdrehte Strang 4 an seinem (nicht wiedergegebenen) oberen und unteren Ende im Austauscherrohr 1 oder an dem ebenfalls nicht dargestellten oberen und unteren Rohrboden des Rohrbündels gegen ein Zurückdrehen gesichert werden.6 shows in connection with FIGS. 6a, 6b and 6c a possibility of a strand 4 made of a sufficiently flexible material in the heat exchanger tube surrounding it 1 keep stable. The support is achieved here in that the strand 4 is rotated about its longitudinal axis after being inserted into the exchanger tube 1 and, if necessary, after the strand 4 has been fixed at the lower end of the tube 1, with slight compression, in such a way that it has the shape of a helix assumes and rests along a helical line of contact on the inner wall 18 of the exchanger tube 1 and is thus supported against movements possibly caused by the flow. Of course, the strand 4 twisted in this way must be secured at its (not shown) upper and lower ends in the exchanger tube 1 or on the upper and lower tube sheets of the tube bundle, which are also not shown, against turning back.

BezugszeichenlisteReference list

1, 1', 1''1, 1 ', 1' '
Rohre des Rohrbündels eines WärmeaustauschersTubes of the tube bundle of a heat exchanger
22nd
oberer Rohrboden/Kopfplatte des Rohrbündelsupper tube plate / top plate of the tube bundle
33rd
unterer Rohrboden des Rohrbündelslower tube sheet of the tube bundle
44th
Strangkörper/StrangStrand body / strand
55
oberes Ende des Strangkörpers (4)upper end of the strand body (4)
66
gewindeartiges Profil des Strangkörpers (4)thread-like profile of the strand body (4)
77
Innenquerschnitt des Rohres (1)Internal cross section of the pipe (1)
8, 8'8, 8 '
Stifte zum Halten des Stranges (4)Pins for holding the strand (4)
99
unteres Ende des Strangkörpers (4)lower end of the strand body (4)
10, 10'10, 10 '
Schenkel des u-förmig gebogenen WellrohresLeg of the U-shaped corrugated tube
1111
u-förmig gebogenes Wellrohr
Figure imgb0001
U-shaped corrugated tube
Figure imgb0001
1313
Noppen auf Strangkörper (4)Studs on strand body (4)
14, 14'14, 14 '
sich erweiternder Querschnittwidening cross section
15, 15'15, 15 '
Einströmseite der WärmetauscherrohreInflow side of the heat exchanger tubes
1616
Einklebung der Graphitrohre in einen Rohrboden des RohrbündelsGluing the graphite tubes into a tube sheet of the tube bundle
1717th
spezifisch schwere Füllung im Strangkörper (4)specifically heavy filling in the strand body (4)
1818th
Innenwand des Rohres (1)Inner wall of the tube (1)
1919th
Füllung in (4) aus geschäumtem KunststoffFilling in (4) made of foamed plastic

Claims (17)

Rohr für Rohrbündel von Wärmeaustauschern mit im Inneren des Rohres befindlichen, in der Strömung im Rohr Turbulenzen erzeugenden Elementen
dadurch gekennzeichnet, daß
die Innenwand des Rohres (1) von die Fluidströmung im Rohr (1) beeinflussenden Erhebungen und Vertiefungen frei ist
und sich im Innenraum des Rohres (1) ein rohr- oder stabförmiger Strang (4) befindet, dessen äußere Oberfläche die Form a) eines im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung im Rohr (1) liegenden Gewindes (6) oder b) von in gleicher Weise angeordneten Wellen (12, 12') hat oder c) mit Noppen (13) oder Stacheln besetzt ist,
daß der Strang (4), mit Ausnahme einer höchstens linienförmigen Berührung mit der inneren Oberfläche (18) des Wärmeaustauscherrohres (1), im Abstand von dieser inneren Oberfläche (18) positioniert ist,
so daß zwischen dem Strang (4) und der inneren Oberfläche (18) des Wärmeaustauscherrohres (1) ein Raum für das Durchströmen des Wärmeaustauscherrohres (1) mit einem Fluid vorhanden ist.
Tube for tube bundle of heat exchangers with elements located inside the tube and generating turbulence in the flow in the tube
characterized in that
the inner wall of the tube (1) is free from elevations and depressions influencing the fluid flow in the tube (1)
and in the interior of the tube (1) there is a tubular or rod-shaped strand (4), the outer surface of which has the shape a) of a thread (6) or b) lying essentially transversely to the direction of flow in the tube (1) in the same way arranged shafts (12, 12 ') or c) is studded (13) or spikes,
that the strand (4), with the exception of at most linear contact with the inner surface (18) of the heat exchanger tube (1), is positioned at a distance from this inner surface (18),
so that there is a space between the strand (4) and the inner surface (18) of the heat exchanger tube (1) for the fluid to flow through the heat exchanger tube (1).
Paarweise angeordnete Rohre (1, 1') für Rohrbündel von Wärmeaustauschern mit im Inneren der Rohre (1, 1') befindlichen, in der Strömung in den Rohren Turbulenzen erzeugenden Elementen,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Innenwand der Rohre (1, 1') von die Fluidströmung in den Rohren (1, 1') beeinflussenden Erhebungen und Vertiefungen frei ist,
daß sich im Innenraum der Rohre (1, 1') ein rohr- oder stabförmiger Strang (4) befindet, dessen äußere Oberfläche die Form a) eines im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung in den Rohren (1, 1') liegenden Gewindes (6) oder b) von in gleicher Weise angeordneten Wellen (12, 12') hat oder c) mit Noppen (13) oder Stacheln besetzt ist,
daß der Strang (4) mit Ausnahme einer höchstens linienförmigen Berührung mit den inneren Oberflächen (18) der Wärmeaustauscherrohre (1, 1') im Abstand von diesen inneren Oberflächen (18) positioniert ist,
so daß zwischen dem Strang (4) und der inneren Oberfläche (18) der Wärmeaustauscherrohre (1, 1') ein Raum für das Durchströmen der Wärmeaustauscherrohre (1, 1') mit einem Fluid vorhanden ist,
daß der Strang (4) U-Form hat,
daß sich die Schenkel (10, 10') des U des Stranges (4) in jeweils zwei benachbarten Rohren (1, 1') eines Wärmeaustauschers befinden und der die Schenkel (10, 10') verbindende Bogen des U außerhalb der Rohre (1, 1') angeordnet ist.
Pipes (1, 1 ') arranged in pairs for tube bundles of heat exchangers with elements in the interior of the tubes (1, 1') which generate turbulence in the flow in the tubes,
characterized in that
the inner wall of the tubes (1, 1 ') is free of elevations and depressions which influence the fluid flow in the tubes (1, 1'),
that in the interior of the tubes (1, 1 ') there is a tubular or rod-shaped strand (4), the outer surface of which has the shape a) of a thread (6) lying essentially transversely to the direction of flow in the tubes (1, 1') or b) has shafts (12, 12 ') arranged in the same way or c) is equipped with knobs (13) or spikes,
that the strand (4) is positioned at a distance from these inner surfaces (18), with the exception of at most linear contact with the inner surfaces (18) of the heat exchanger tubes (1, 1 '),
so that there is a space between the strand (4) and the inner surface (18) of the heat exchanger tubes (1, 1 ') for a fluid to flow through the heat exchanger tubes (1, 1'),
that the strand (4) has a U-shape,
that the legs (10, 10 ') of the U of the strand (4) are located in two adjacent tubes (1, 1') of a heat exchanger and the bend of the U connecting the legs (10, 10 ') outside the tubes (1 , 1 ') is arranged.
Rohr (1) nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strang (4) als an mindestens einer Seite geschlossenes Wellrohr ausgebildet ist.
Pipe (1) according to claim 1,
characterized in that
the strand (4) is designed as a corrugated tube closed on at least one side.
Rohr (1) nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strang (4) aus einem Material aus der Gruppe Thermoplast, Duroplast, Elastomer, Kohlenstoff, kohlenstoffaserverstärkter Kunststoff, Keramik, Metall, Holz, besteht.
Pipe (1) according to claim 1,
characterized in that
the strand (4) consists of a material from the group consisting of thermoplastic, thermoset, elastomer, carbon, carbon fiber reinforced plastic, ceramic, metal, wood.
Rohre (1, 1') nach Patentanspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der U-förmige Strang (4) als Wellrohr ausgebildet ist.
Pipes (1, 1 ') according to claim 2,
characterized in that
the U-shaped strand (4) is designed as a corrugated tube.
Rohre (1, 1') nach Patentanspruch 2 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strang (4) aus einem Material aus der Gruppe Thermoplast, Duroplast, Elastomer, Metall besteht.
Pipes (1, 1 ') according to claim 2 or 5,
characterized in that
the strand (4) consists of a material from the group consisting of thermoplastic, thermoset, elastomer, metal.
Rohr (1) oder Rohre (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 3 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strang (4) aus einem Material aus der Gruppe Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polypropylen, Polyvinylchlorid besteht.
Pipe (1) or pipes (1, 1 ') according to one of the claims 1 to 3 or 5,
characterized in that
the strand (4) consists of a material from the group polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polypropylene, polyvinyl chloride.
Rohr (1) oder Rohre (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Rohr (1) oder die Rohre (1, 1') an mindestens einem seiner/ihrer Enden oder an den mit dem Rohr (1) oder den Rohren (1, 1') fluchtenden Bohrungen in dem oberen (2) oder/und dem unteren Rohrboden (3) des Rohrbündels einen sich nach außen erweiternden, den Strömungsquerschnitt vergrößernden Querschnitt (14, 14') hat/haben.
Pipe (1) or pipes (1, 1 ') according to one of the claims 1 to 7,
characterized in that
the tube (1) or the tubes (1, 1 ') at at least one of its ends or at the bores in the upper (2) or / and aligned with the tube (1) or the tubes (1, 1') the lower tube sheet (3) of the tube bundle has a cross-section (14, 14 ') which widens outwards and enlarges the flow cross-section.
Rohr (1) oder Rohre (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
der größte Außendurchmesser (a) des Stranges (4) 1/3 bis 8/10 des Innendurchmessers (b) des Wärmeaustauscherrohres (1) oder der Wärmeaustauscherrohre (1, 1') beträgt.
Pipe (1) or pipes (1, 1 ') according to one of the claims 1 to 8,
characterized in that
the largest outside diameter (a) of the strand (4) is 1/3 to 8/10 of the inside diameter (b) of the heat exchanger tube (1) or of the heat exchanger tubes (1, 1 ').
Rohr (1) oder Rohre (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strang (4) an der Rohrinnenwand (18) abgestützt ist.
Pipe (1) or pipes (1, 1 ') according to one of the claims 1 to 9,
characterized in that
the strand (4) is supported on the inner tube wall (18).
Rohr (1) oder Rohre (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strang (4) das Rohr (1) oder die Rohre (1, 1') in einer Spiralform durchsetzt.
Pipe (1) or pipes (1, 1 ') according to one of the claims 1 to 10,
characterized in that
the strand (4) passes through the tube (1) or the tubes (1, 1 ') in a spiral shape.
Rohr (1) oder Rohre (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
bei Verwendung eines hohlen Stranges (4) der Hohlraum des Stranges (4) mindestens zum Teil gefüllt ist.
Pipe (1) or pipes (1, 1 ') according to one of the claims 1 to 11,
characterized in that
when using a hollow strand (4) the cavity of the strand (4) is at least partially filled.
Rohr (1) oder Rohre (1, 1') nach Patentanspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Hohlraum des Stranges (4) mit mindestens einer verfestigten Masse gefüllt ist.
Pipe (1) or pipes (1, 1 ') according to claim 12,
characterized in that
the cavity of the strand (4) is filled with at least one solidified mass.
Rohr (1) oder Rohre (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Rohr (1) oder die Rohre (1, 1') aus fluiddichtem Graphit besteht/bestehen.
Pipe (1) or pipes (1, 1 ') according to one of the claims 1 to 13,
characterized in that
the tube (1) or the tubes (1, 1 ') consists of fluid-tight graphite.
Verwendung von Rohren (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 14 für die Reduzierung der Baugröße von Wärmeaustauschern nach Höhe/Länge oder/und Durchmesser durch Einbeziehung der größeren Wärmeaustauschleistung erfindungsgemäßer Rohre (1) bei der konstruktiven Auslegung und dem Bau von Wärmeaustauschern.Use of pipes (1, 1 ') according to one of claims 1 to 14 for reducing the size of heat exchangers according to height / length or / and diameter by including the greater heat exchange capacity of pipes (1) according to the invention in the constructive design and construction of heat exchangers . Verwendung von Rohren (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 14,
zur Steigerung der Wärmeübertragungsleistung von Wärmeaustauschern im Vergleich zu Wärmeaustauschern gleicher Konstruktion, deren wärmeaustauschende Rohre jedoch keine erfindungsgemäßen Stränge (4) enthalten.
Use of pipes (1, 1 ') according to one of the claims 1 to 14,
to increase the heat transfer capacity of heat exchangers compared to heat exchangers of the same construction, but the heat-exchanging tubes of which do not contain strands (4) according to the invention.
Verwendung von Rohren (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 14
an Stelle von Wärmeaustauscherrohren, die keins der Merkmale der hier beschriebenen Erfindung aufweisen und die einen kleineren Innendurchmesser als erfindungsgemäße Wärmeaustauscherrohre (1, 1') haben.
Use of pipes (1, 1 ') according to one of the claims 1 to 14
instead of heat exchanger tubes which do not have any of the features of the invention described here and which have a smaller inside diameter than the heat exchanger tubes (1, 1 ') according to the invention.
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