CH623128A5

CH623128A5 -

Info

Publication number: CH623128A5
Application number: CH809077A
Authority: CH
Inventors: Laszlo Forgo; Laszlo Heller; Istvan Papp; Janos Bodas; Gyula Kovacs; Karoly Laszlo
Original assignee: Transelektro Magyar Villamossa
Priority date: 1976-06-30
Filing date: 1977-06-28
Publication date: 1981-05-15
Also published as: HU173583B; PL199242A1; DE2728971B2; UA5938A1; DE2728971A1; US4265275A; SU1222207A3; CS192486B2; DE2728971C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung in einem Wärme-tauscher-Rohr zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen dem Wärmetauscher-Rohr und einem darin strömenden Medium mittels an der Rohrinnenwand anliegender Rippen.

Es ist bekannt, bei aus Rohrbündeln bestehenden Wärme-tauscher-Konstruktionen die Aussen- oder Innenfläche der Rohre oder beide Flächen mit Wärmeübertragungsrippen zu versehen, um in Abhängigkeit von den Wärmeübertragungsei-genschaften der am Wärmeaustausch beteiligten Medien die Rohre besser ausnutzen zu können. Diese Rippen übermitteln die ihrerseits übergebenen oder übernommenen Wärmemengen durch Wärmeleitung zwischen den Wärmeträgermedien und der Aussen- bzw. Innenfläche der Rohre. Selbstverständlich wird zwischen den Rippen und den Rohrflächen eine gute Wärmeleitverbindung angestrebt.

In der Praxis sind zahlreiche Wärmetauscherkonstruktionen bekannt, bei denen die Rohre an ihrer Aussen- oder Innenfläche mit wärmezuführenden Rippen versehen sind. Beispielsweise werden Rohre hergestellt, die an der Innenfläche mit zur 5 Rohr-Längsachse parallel verlaufenden Rippen versehen sind, so dass der innere Querschnitt in mehrere Teilbereiche unterteilt wird. Die derart ausgestalteten Rippen stehen mit der Rohrwand in inniger Verbindung, damit zwischen den Rippen und der Rohrwand eine gute Wärmeleitung entsteht.

111 Der Nachteil dieser bekannten Konstruktionen besteht darin, dass der Reibungswiderstand der strömenden Medien beträchtlich erhöht wird, der Materialbedarf sehr zunimmt und ausserdem in denjenigen Fällen, wo im Laufe der Herstellung der Rohrdurchmesser durch Ausweiten erhöht wird, dieses Vor-15 gehen nicht oder nur schwer angewendet werden kann.

Ausserdem sind Lösungen bekannt, wo die Innenrippen aus Draht hergestellt werden, der im Rohrinneren in Form von Borsten oder Spiralfedern angelötet ist. Schliesslich sind auch Innenrippen bekannt, die aus den vorerwähnten Drähten oder 20 aus schmalen Metallbändern bestehen und die in voller Länge in das Innere des Rohres eingesetzt sich dank ihrer Elastizität und Gestaltung an die Innenfläche des Rohres anlegen. Die wichtigste Voraussetzung für die Wirksamkeit liegt hier darin, dass zwischen den Rippen und der Rohrinnenfläche eine gute Wär-"" meleitung sichergestellt ist. Dies kann durch das Zusammenlöten der Berührungspunkte der Rippen mit den Rohren erreicht werden, aber nur dann, wenn zwecks Reinigung des Rohrinneren die Rippen nicht aus dem Rohr entfernt werden müssen. Besteht die Notwendigkeit einer mechanischen Reinigung im 3(1 Rohrinneren, so kann die vorerwähnte Lötverbindung nicht verwendet werden.

Davon ausgehend liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Wärmleitrippen vorzuschlagen, die auch bei solchen Rohren verwendbar sind, deren Inneres von Zeit zu Zeit me-35 chanisch gereinigt werden muss. Weiterhin soll eine gute wärmeleitende Verbindung zwischen den Rippen und der Rohrwandung sichergestellt sein und schliesslich sollen die Rippen auch bei einer eventuellen Verstopfung keinesfalls durch den erhöhten Druck des Fördermediums aus den Rohren herausge-40 drückt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Rippen mehrere in Achsrichtung des Rohres aufeinanderfolgend angeordnete und sich vom Rohrzentrum nach aussen erstreckende Zähne aufweisen, die elastisch mit der Rohrwand 45 verspannt sind, derart, dass eine axiale Belastung der Vorrichtung in der einen Richtung zu einer Verringerung und eine axiale Belastung derselben in der anderen Richtung zu einer Erhöhung der radialen Verspannung der Zähne führt. Dadurch können die Rippen durch elastische Deformation in die Rohre 50 eingezogen werden und zugleich wird die Verschiebung der Rippen in einer der Einziehrichtung entgegengesetzten Richtung aufgrund ihrer selbstschliessenden Gestaltung (Selbsthemmung) verhindert. Werden die Rippen in einer, der Strömungsrichtung des strömenden Mediums entgegengesetzten Richtung in das Rohr eingezogen, so können die Rippen nicht mehr durch das Strömungsmedium verschoben werden, sondern werden viel mehr verstärkt gegen die Rohrwandung gepresst. Hierdurch wird nicht nur die Verschiebung der Rippen blockiert, sondern vor allem auch ihr Kontakt mit der Rohrwand erhöht, so dass 6(1 sich ein besonders guter Wärmeübergang einstellt.

Die erwünschte Verschiebbarkeit der Rippen in der einen Richtung und die Selbsthemmung in der anderen Richtung kann auf verschiedene Weise herbeigeführt werden. So können die 65 Rippen beispielsweise zunächst annähernd radial nach aussen zur Rohrwnad laufen und dort mit einem einseitig etwa axial laufenden Steg anliegen. Werden zwei derartige Rippen einander gegenüberliegend angeordnet, so dass sie sich radial mit der

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Rohrwand verspannen, so führt eine Krafteinwirkung entgegen der Abzweigrichtung der Stege im gesamten Aussenbereich der Rippen zu einer Verringerung ihrer radialen Erstreckung. Die Rippen können also in dieser Richtung in das Rohr eingeschoben werden. Bei entgegengesetzter Krafteinwirkung werden hingegen die Enden der Stege gespreizt, wodurch sich deren Anpressung im Sinne der erwünschten Selbsthemmung erhöht.

Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn die nach aussen laufenden Zähne mit der Rohrachse einen spitzen Winkel einschliessen. Die beim Einziehen der Zähne in das Rohr stattfindende radiale Pressung führt zu einer Verringerung des Winkels zwischen den Zähnen und der Rohrachse und/oder zu einer elastischen Verformung der Zähne derart, dass diese nicht mehr längs einer Radialebene nach aussen laufen, sondern aus einer solchen Radialebene herausgewölbt sind.

Die äusseren Enden der Zähne weisen Fussteile auf, die der Form der Innenwand des Rohres angepasst sind, um ihre Kontaktfläche und damit den Wärmeübergang zu erhöhen.

Im Sinn einer kostengünstigen Serienproduktion der Rippen ist es zweckmässig, wenn sie von einem parallel zu Rohrachse laufenden Streifen oder Draht ausgehen. So können sie insbesondere durch beidseitige Querschlitzung eines Metallstreifens hergestellt werden.

Auf beiliegender Zeichnung sind Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht eines aufgeschnittenen Rohres mit den vorgeschlagenen Rippen;

Fig. la eine Draufsicht auf den Rohrquerschnitt bei der Anordnung gemäss Figur 1 ;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Rohrquerschnitt bei Verwendung von Rippen mit abgewinkelten Fussteilen ;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Rohrquerschnitt bei Verwendung zweier identischer Rippenstreifen ;

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Rohrquerschnitt, dessen Rippen unter Bildung einer Wölbung nach aussen laufen;

Fig. 5 eine Seitenansicht eines aufgeschnittenen Rohres, dessen axialaufeinanderfolgende Zähne schraubengangartig verdreht sind und

Fig. 6 eine Seitenansicht eines aufgeschnittenen Rohres, dessen Rippen durch Drähte gebildet sind.

Die Rohre der Wärmetauscher, in welche bei Verwendung bestimmter Strömungmedien Innenrippen zur Verbesserung des Wärmeübergangs einzusetzen sind, weisen infolge unvermeidlicher Fertigungstoleranzen nicht immer eine exakte Kreisform auf und sind auch nicht vollkommen gerade. Im Sinne einer leichten Herstellbarkeit werden die Rippen aus schmalen Streifen hergestellt, deren Geradheit, Breite usw., ebenfalls infolge unvermeidlicher Produktionsungenauigkeiten, nicht vollkommen sind. Wird nun in ein nicht absolut genaues Rohr eine nicht vollkommen genaue Innenrippe eingesetzt, so wird die Rippe nur an einzelnen Punkten mit der Rohrinnenfläche in Berührung kommen, wodurch die vom Standpunkt der Wärmeübertragung her äusserst wichtige wärmeleitende Verbindung ebenfalls sehr unvollkommen wird.

Die befriedigende Berührung zwischen den Rippen und der Rohrwand wird unter Anwendung der Rippengestaltung gemäss Figur 1 derart gelöst, dass die aus dem schmalen Streifen aus Blech oder dergleichen hergestellte Rippe 1 von mit der Streifenlängsachse einen bestimmten Winkel einschliessenden Einschnitten unterbrochen wird, so dass die beiden Ränder der Rippe durch aufeinanderfolgende Zähne 3 gebildet werden. Mit Rücksicht darauf, dass diese Zähne elastisch ausgestaltet sind, werden die bei der Produktion entstehenden Ungenauigkeiten der Rohre 4 und der Rippen 1 überbrückt und ein sicheres Anliegen auf die Innenfläche der Rohre sichergestellt. Um die wärmeleitende Verbindung verbessern zu können, werden die Enden der Zähne 3 mit einem breiteren Fussteil 5 versehen, so

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dass die zur Wärmeleitung verfügbare Fläche auf das Mehrfache erhöht wird.

Die in Figur 1 dargestellte Rippe 1 kann in Richtung des Pfeiles 6 leicht in das Innere des Rohres hineingezogen werden. Durch die Gestaltung der Zähne mit einem steilen Winkel wird die Bewegung der Rippen in einer der Einziehrichtung entge-gengesetzen Richtung verhindert. Der Wärmetauscher ist in der Weise zu betreiben, dass das in dem Rohr strömende Medium dem Pfeil 6 entgegengesetzt strömt, wodurch die im Rohrinneren vorhandenen Rippen 1 nicht aufgrund der Strömung verrutschen können.

Es ist denkbar, dass infolge der bereits erwähnten Produktionsungenauigkeiten die Fussteile 5 der Zähne 3 nur in je einem Punkt mit der Rohrinnenfläche in Berührung kommen. Zwischen dem übrigen Teil der Fussteile 5 und der Rohrfläche entsteht eine schmale, etwa einige Hundertstel oder Tausendstel Millimeter breite Spalte, die von dem strömenden Medium ausgefüllt wird. In dieser schmalen Spalte findet daher die Wärmeleitung zwischen den Zähnen und dem Rohr durch Vermittlung des strömenden Mediums statt. Da nun die meisten der in der Praxis zur Anwendung kommenden Medien eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen und eben bei diesen die Notwendigkeit zum Einbau der beschriebenen Innenrippen besteht, müssen die Fussteile 5 der Zähne 3 verhältnismässig gross dimensioniert werden.

Um die Wärmeübertragung innerhalb der Rohre weiter zu erhöhen, wird zweckmässigerweise das zum Einziehen der Rippen dienende Werkzeug während des Einziehvorganges langsam gedreht, so dass die Rippen um die Rohrlängsachse herum wendeltreppenförmig versetzt werden. Sie liegen dann in Strömungsrichtung des Mediums nicht genau hintereinander, sondern unter einem gewissen Winkel gegeneinander verdreht, wie dies aus Figur 1 a ersichtlich ist.

In Figur 2 ist eine ebenfalls aus Streifen hergestellte Rippe gezeigt, bei der die Enden der Zähne 3 der Rohrinnenwand entsprechend gebogen sind, damit zur Sicherung der Wärmeleitung zwischen den Fussteilen 5 und dem Rohr 4 eine besonders grosse Kontaktfläche entsteht. Auch bei dieser Rippengestaltung wird durch das langsame Drehen des Einziehwerkzeuges während des Einziehens der Rippen ein wendeiförmiger Verlauf erzielt. Dieser Verlauf erhöht im übrigen auch den Turbulenzgrad der Strömung, dass heisst, der Austausch zwischen dem Kern und der Randschicht der Strömung wird intensiviert, was wiederum eine Erhöhung der Wärmeübertragung mit sich bringt.

Aus Figur 3 ist eine Gestaltung der Rippen ersichtlich, die durch Verbiegen der Rippen nach Figur 1 entsteht. Durch Pressen werden zwei identische Rippen nach Figur 1 hergestellt, wonach die eine der beiden Rippen in die Form 1, die andere in die Form la gebracht wird. Die solcher Art hergestellten, unterschiedlichen beiden Rippen werden, wie aus Figur 3 ersichtlich, zusammengepasst und in das Rohr eingezogen, wodurch nicht nur die Fläche der Innenrippen erhöht, sondern auch die Zahl der Fussteile 5 verdoppelt wird.

Figur 4 stellt einen Rohrquerschnitt mit elastischer Rippe 1 dar, die aus Streifen verfertigt ist. Die Elastizität wurde durch das gewählte Profil erhöht. Bei dieser Rippengestaltung wird der Krümmungsradius Rb des Fussteils 5 so gewählt, dass dieser den Krümmungsradius R,, des Rohres überschreitet, so dass nach erfolgtem Einbringen in das Rohr der Fussteil 5 infolge der elastischen Deformation fest an die Rohrinnenfläche angepresst wird. Die übrige Krümmung unterstützt die radiale Spreizbewegung.

In Figur 5 ist eine Lösung dargestellt, bei der die Zähne 3 der inneren Rippe ohne Abfall hergestellt werden. Auch in diesem Fall ist das Anliegen der Fussteile 5 auf der Innenfläche des Rohres 4 durch die Elastizität der Zähne 3 sichergestellt.

3

5

Hl

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

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Diese Elastizität kann wie gesagt durch die Schrägstellung der Zähne und/oder durch ihren gewölbten Verlauf gemäss Figur 4 erzielt werden.

Figur 6 verdeutlicht Innenrippen, die aus Draht hergestellt sind. Bei dieser Lösung werden die aus dünnem Draht bestehenden Rippen 8 von den, in der Mittellinie des Rohres 4 entlanglaufenden Leitdrähten 7 getragen. Die miteinander zweckmässigerweise verseilten Leitdrähte 7 halten die Rippendrähte 8 in ihrer Position. Durch die Verseilung der Leitdrähte sind die Rippendrähte im Inneren des Rohres 4 nicht nacheinander, sondern wendeltreppenförmig gegeneinander verdreht.

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Da auch hier die gute Wärmeleitfähigkeit zwischen den Drahtenden und der Rohrwand von äusserster Wichtigkeit ist, können die Drahtenden 9 mit einer vergrösserten Berührungsfläche ausgestaltet werden.

5 Zusammenfassend besteht der Vorteil der Vorrichtung darin, dass man eine einfach herzustellende Rippe erhält, die in fertige Rohre nachträglich eingezogen und auch wieder entfernt werden kann und die bei Druckbeaufschlagung durch das Strömungsmedium eine erhöhte Anpressung auf die Rohrwand io ausübt, dadurch den Wärmeübergang verbessert und vom Strömungsmedium nicht verschoben werden kann.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Vorrichtung in einem Wärmetauscher-Rohr zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen dem Wärmetauscher-Rohr einem darin strömenden Medium mittels an der Rohrinnenwand anliegender Rippen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen mehrere in Achsrichtung des Rohres (4) aufeinanderfolgend angeordnete und sich vom Rohrzentrum nach aussen erstreckende Zähne (3, 8, 9) aufweisen, die elastisch mit der Rohrwand verspannt sind, derart, dass eine axiale Belastung derselben in der anderen Richtung zu einer Erhöhung der radialen Verspannung der Zähne führt.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (3) einen spitzen Winkel mit der Rohrachse einschliessen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (3) unter Spannung an der Rohrinnenwand anliegen.

4. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äusseren Enden der Zähne (3) Fussteile (5) aufweisen, die der Form der Innenwand des Rohres (4) angepasst sind.

5. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (3) von einem parallel zur Rohrachse laufenden Streifen (1) oder Draht (7) ausgehen.

6. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (3) durch beidseitige Querschlitzung eines Metallstreifens (1) hergestellt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (3) an zwei benachbarten Streifen (1, la) angeordnet sind, die längs der Rohrachse verlaufen und mittels der an der Innenwand des Rohres (4) anliegenden Zähne (3) gegeneinander verstemmt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (8,9) aus Draht bestehen, mit der Rohrachse einen spitzen Winkel einschliessen und unter Zuhilfenahme eines, aus demselben Draht verseilten Leitdrahtes (7) in ihrer Position gehalten sind.

9. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Erhöhung der Kontaktflächen beide Enden der einzelnen Zähne (9) gebogene, parallel zu der Innenfläche des Rohres (4) verlaufende Abschnitte aufweisen.

10. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in axialer Richtung des Rohres (4) aufeinanderfolgenden Zähne (3) in Rohrumfangsrich-tung gegeneinander versetzt angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die in axialer Richtung des Rohres (4) aufeinanderfolgenden Zähne derart gegeneinander versetzt sind, dass ihre Berührungspunkte mit der Innenwand des Rohres (4) auf schraubenlinienförmigen Kurven liegen.