CH648404A5 - Gerippte vorrichtung aus blechelementen zum einbau im rohre von waermeaustauschern zwecks verbesserung der waermeuebertragung. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung wird mit Hilfe der erfindungsgemässen, gerippten Vorrichtung in erster Linie dadurch erhöht, dass die Geschwindigkeit des in der Mitte des Rohres strömenden Mediums abgebremst wird und dass durch metallische Leitung sowie Vermengung die Temperaturverteilung des strömenden Mediums im Querschnitt des Rohres möglichst ausgeglichen wird. Da die Vorrichtung sich innerhalb des Rohres leicht verschieben lässt, liegen die Zahnenden mehrheitlich auf der inneren Wandung des Rohres leicht auf, wodurch die Wärmeübertragung ebenfalls erhöht wird.

In Wärmeaustauschern kommt zwischen den im Rohr strömenden Medien hoher Viskosität und schlechter Wärmeleitfähigkeit und den Rohren des Wärmeaustauschers eine ungenügende Wärmeübertragung zustande. Dies ist darauf zurückzuführen, dass derartige Medien in den Rohren als Laminarströmung fliessen, d.h. in der unmittelbaren Nähe der Wandung bildet sich keine bzw. nur eine unbedeutende Strömung aus, und mit der Entfernung von der Wandung zur Mitte des Rohres nimmt die Strömungsgeschwindigkeit zu. Da es im Querschnitt keine Vermengung gibt, ist die Wärmeübertragung zwischen der im Zentrum des Rohrquerschnittes 5 in grosser Menge strömenden Flüssigkeit und der Rohrwandung nur dann möglich, wenn sie durch die nahe der Wandung vorhandenen Schichten hindurchgeht. Bei Medien niedriger Wärmeleitfähigkeit bilden aber diese Schichten eine tatsächliche Wärmeisolierung an der inneren Wand des Rohres lound beeinflussen die Wärmeübertragung sehr nachteilig.

Um die Verhältnisse der Wärmeübertragung zu verbessern, wird die innere Oberfläche des Rohres mit Rippen ausgestattet, womit einesteils die Wärmeübertragungsfläche ver-grössert wird, des anderen aber ragen diese Rippen in den 15 Kern des Rohrquerschnittes hinein, wo diese Rippen unmittelbare Kühlwirkung ausüben.

Es werden im Rohr innere Rippen angebracht, die entweder selbst aus dem Rohrwerkstoff ausgebildet sind, oder an die innere Oberfläche des Rohres gelötet bzw. geschweisst 2o werden. Es sind auch solche innere Rippen bekannt, die aus dem Rohre herausziehbar sind und dort nur durch Reibungskraft befestigt werden, und die die Rohrwandung berühren bzw. dort aufliegen, was zwischen der Rippenoberfläche und dem Rohre metallischen Kontakt herstellt.

25 Mit der ersten Lösung wird die hervorragende Kühlwirkung der Rippe erreicht, denn sie übergibt die Wärme über eine metallische Verbindung der Rohrwandung auch dann, wenn sie gelötet ist. Ziemlich kostspielig ist aber die Fertigung eines derart gerippten Rohres, und auch die Reinigung des In-3o nenraumes ist dabei unmöglich bzw. umständlich.

Bei der zweiten Lösung ist die Reinigung möglich, da die gerippte Vorrichtimg aus dem Rohre herausziehbar ist, diese kann jedoch deswegen nicht zu dicht auf der inneren Wandung des Rohres aufliegen; so verschlechtert sich-insbeson-35 dere nach mehrmaligem Ein- bzw. Ausfügen - die metallische Verbindung zwischen der Vorrichtung und dem Rohre.

Der vorliegenden Erfindung wurde eine gerippte Vorrichtung aus Blechelementen zur Förderung der Wärmeübertragung zum Ziele gesetzt, wobei die Weise der Verrippung nicht 40 wie bei den herkömmlichen Lösungen die Wärmeübertragung dadurch verbessern soll, dass die Vorrichtung dem der Rohrwandung weit entfernten Querschnitt der Flüssigkeitsströmung Wärme entnimmt und diese Wärme durch metallische Verbindung unmittelbar der Rohrwandung weitergibt, 45 sondern dadurch, dass sie die Strömungs- und Wärmeverteilungsverhältnisse innerhalb des Rohres verbessert.

Im Sinne der Erfindung wird der gestellten Aufgabe eine im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 beschriebenen Vorrichtung gerecht, wobei weitere Ausführungsarten in den Anso Sprüchen 2 bis 11 beschrieben sind.

Es wurde nämlich festgestellt, dass das Gerippe das sonst laminare, d.h. ausdrücklich inhomogene Wärme- bzw. Geschwindigkeitsprofil ausgleicht, da es aus dem mittleren Teil der Flüssigkeitsströmung Wärme in die Nähe der Rohrwan-55 dung überträgt, und da die Bremswirkung der ausgedehnten Rippenoberfläche in der Strömungsmitte die hohe Geschwindigkeit der mittleren Flüssigkeitsmengen durch das Rohr verhindert.

Dies verursacht die Verringerung der Bedeutung des me-60 tallischen Kontaktes zwischen Rippe und Rohrwandung auf die Wärmeübertragung, so dass die enge Anpassung des Gerippes an die Rohrwandung nicht erforderlich ist. Die locker sitzende Vorrichtung kann aus dem Rohr leicht herausgezogen und dahin zurückgeschoben werden, wodurch die Reini-6s gung des Wärmeaustauschers leicht durchzuführen ist. Trotz des Verschleisses während des Aus- und Einbaus des Gerippes ändern sich deshalb die Wärmeübertragungsverhältnisse nach mehrmaligem Putzen des Wärmeaustauschers nicht. Ein wei

terer Vorteil einer derartigen Verrippung besteht darin, dass ein solches Gerippe in flache Blechelemente zerlegt werden kann, die ebenfalls leicht gereinigt und einfach gefertigt werden können.

Nachstehend wird die auf der gegenwärtigen Erfindung beruhende Vorrichtung mit Bezug auf günstige Ausführungsbeispiele, anhand der beiliegenden Zeichnungen eingehend beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 : ein Blechelement mit senkrechter Verzahnung;

Fig. 2: perspektivische Ansicht der Vorrichtung mit drei Blechelementen;

Fig. 3: perspektivische Ansicht der Vorrichtung mit vier Blechelementen;

Fig. 4: Querschnitt der Vorrichtung nach Fig. 2;

Fig. 5: Querschnitt der Vorrichtung nach Fig. 3;

Fig. 6a u. 6b: zwei, voneinander um eine halbe Rippenbzw. Zahnteilung verschobene Schnitte der in Fig. 3 gezeigten Anordnung;

Fig. 7: mit Schrägverzahnung versehene Blechelemente;

Fig. 8: Vorrichtung nach Fig. 7;

Fig. 9: ein Schrägverzahntes Blechelement mit verbreiterten Enden;

Fig. 10: ein geradeverzahntes Blechelement mit verbreiterten Enden;

Fig. 1 la: ein Blechelement mit Leitlappen;

Fig. 1 lb: Seitenansicht von Fig. la;

Fig. 12a: Längsschnitt einer ins Rohr eingeführten, aus mit Leitlappen ausgerüsteten Blechelementen zusammengesteckten Vorrichtung;

Fig. 12b: Querschnitt der Vorrichtung nach Fig. 12a;

Fig. 13a u. 13b: eine ans Rohrinnere durch abgebogene Verzahnung angepresste Vorrichtung.

Auf den Figuren ist eine räumliche Konstruktion aus Blechelementen in Form einer gerippten Vorrichtung ersichtlich. Auf den Blechelementen entsprechender Länge wurden beidseitig die Zähne 6 ausgearbeitet, und zwar so, dass die Lücke zwischen den genannten Zähnen grösser ist, als die Breite der Zähne 6.

Die einfachste Form des zusammensteckbaren Blechelementes 2 ist im Fig. 1 ersichtlich. Drei oder vier Stücke der verzahnten Blechelemente 2 wurden wie auf Fig. 2 bzw. 3 gezeigt ineinander gefügt, so dass ihre Zähne 6 ineinander greifen. So kommt eine Vorrichtung zustande, in deren Mitte ein Kanal 3 entsteht, aus dessen Ecken abwechselnd in zwei Richtungen deutend Zähne herausstehen. Diese Vorrichtung wird in die Rohre 1 eines Wärmeaustauschers hineingeschoben. Die Breite der Blechelemente bzw. die Länge der Verzahnung wird so gewählt, dass das aus ineinander gefügten Blechelementen 2 gebildete Gerippe im Rohre 1 leicht verschoben werden kann, und dass dabei das Rohr 1 das Auseinanderkommen der Blechelemente verhindert.

Fig. 4 bzw. 5 zeigen den Querschnitt des Rohres 1 mit einem Gerippe, das aus drei bzw. vier Blechelementen besteht. In diesem Querschnitt ist der ringförmige Raum 4 zwischen Rohr 1 und Kanal 3 wohl ersichtlich, der durch die Verzahnung der Rippen unterteilt ist. Das derart ausgestaltete Gerippe im Kanal 3, das sich in der Rohrmitte befindet, bremst die Strömungsgeschwindigkeit ab, wodurch das Entweichen beträchtlicher Flüssigkeitsmengen gegen die Mitte des Rohres unmöglich ist, ohne am Wärmeaustausch teilzunehmen; andererseits berührt das im schmalen Kanal strömende Medium eine verhältnismässig bedeutende Rippenoberfläche, was den Wärmeaustausch erleichtert.

Nur durch die Zähne des Gerippes wird die Strömung im Raum 4 zwischen dem Rohre 1 und dem Kanal 3 gebremst, so dass man hier eine höhere Geschwindigkeit als im Kanal 3 erhält. Eine sehr gute Wärmeübertragung tritt in diesem Raum zwischen den Rippen und dem Medium auf, da die Rippen 6

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schmale Verzahnung aufweisen, was die Ausbildung einer dichten Grenzschicht verhindert, und die radiale Wärmeströmung wird durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der metallischen Rippen gewährleistet. Ausser ihrer eigenen Wärmelei-s tung übt die Verrippung auch eine vermengende Wirkung aus, da durch ihre Zähne der Raum unterteilt wird. Im Falle der nach Fig. 3 aus vier Blechelementen 2 zusammengestellten Innenverrippung zeigen Fig. 6a und 6b diese Querschnittsänderung in zwei, voneinander um eine halbe Rippenteilung io entfernten Querschnitten. Es ist wohl ersichtlich, dass der Querschnitt 5 niedrigem Widerstandes sich auf Fig. 6a links und rechts, auf Fig. 6b unten und oben befindet. Diese Widerstandsveränderung zwingt das strömende Medium zu ständiger Richtungsänderung, was im Raum 4 eine Mischwirkung 15 auslöst, woraus sich die Verbesserung der Wärmeübertragung ergibt.

Noch weiter wird die Mischwirkung verbessert, wenn die Verzahnung 6, wie auf Fig. 7 gezeigt, schräg ausgebildet wird. Durch diese Lösung wird auch das Ein- und Ausschieben der 20 Verrippung erleichtert.

Die Mischwirkung verbessert sich auch dadurch, dass man die schräg verzahnten Blechelemente 2 so ineinander fügt, dass bei einem der Blechelementepaare die Verzahnung 6 in Strömungsrichtung, bei anderen aber in entgegengesetz-25 ter Richtung deutet (s. Fig. 8).

Sowohl bei senkrechten, als auch bei schrägen Verzahnungen werden die Enden der Verzahnung 6 zweckmässig -wie in Fig. bzw. 10 gezeigt - verbreitert, wodurch sich die der Rohrwandung nahe liegende Oberfläche des Gerippes verso grössert.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen kann auch der von Rippen umgebene Kanal 3 in die Mischung einbezogen bzw. zur Erhöhung der Mischintensität verwendet werden. Dies wird erreicht, indem im mittleren Teil des Blech-35 dementes 2 U-förmige Ausschnitte gebildet und diese schräg ausgebogen werden. So erhält man solche Leitlappen 8, die durch die Öffnung, welche man nach dem Herausbiegen erhält, das der Längsachse des Kanals entlang strömende Medium von der einen auf die andere Seite leiten. Wenn die so aus-*o gestalteten Blechelemente derart aneinander gefügt werden, dass die Leitlappen 8 abwechselnd bei dem einen heraus-,

beim anderen hineinstehen, dann bildet sich die Strömung, wie im Fig. 12 gezeigt, so aus, dass die herausstehenden Leitlappen die Flüssigkeit von aussen in das Innere des Kanals 3, « die hineinstehenden Leitlappen sie in den Raum zwischen dem Kanal und dem Rohr hinaus lenken.

Da bei dem einen Blechelement 2 nur Auswärts-, beim anderen nur Einwärtsströmung auftritt, ist die Flüssigkeit im Raum 4 zwischen Kanal und Rohr auch zu seitlicher Strö-50 mung gezwungen. Im Falle von vier Elementen wird die Flüssigkeit also im Innenraum des Rohres wie in Fig. 12 gezeigt so strömen, dass vier spiralförmige Strömungen auftreten, so dass die im Inneren wie in der Nähe der Rohrwandung strömende Flüssigkeit sich besser vermischt, wodurch sich die 55 Wärmeübertragung bedeutend erhöht.

In Kombination mit jeder genannten Ausführungsform können diese Leitlappen verwendet werden. Auch dann ermöglicht die vorgeführte Verrippung aus verzahnten Blechelementen 2 eine günstige Wärmeübertragung, wenn sie im 60 Rohre nur locker aufliegt. Dies bedeutet jedoch nicht, dass man auf den Vorteil, der sich aus der engen Auflage der Enden der Verzahnung 6 auf die Rohrwandung ergibt, auch in solchen Fällen verzichten müsse, wo es um die Kühlung von Flüssigkeiten geht, die den Wärmeaustauscher nicht ver-65 schmutzen, weil dann dessen Reinigungsfreundlichkeit ja keine Voraussetzung ist. Die aus verzahnten Blechelementen 2 zusammengestellte Vorrichtung weist nämlich den Vorteil auf, dass nach dieser Methode sich auch eine Verrippung aus-

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bilden lässt, bei welcher die Zahnenden gleichmässig und satt laufen, müssen sie beim Einziehen nicht in eigener Ebene,

auf dem inneren Teil des Rohres 1 aufliegen. Ein derartiges sondern nur senkrecht dazu verformt werden, um im Rohr 1

Gerippe zeigen Fig. 13 bzw. 14 mit drei bzw. vier verzahnten nicht festzuklemmen. Da aber die Rippen in Querrichtung

Blechelementen 2. sehr elastisch sind, passen sie sich leicht an die inneren Un-

Diese Lösung hat das Merkmal, dass das aus dünnen Ble- 5 gleichmässigkeiten des Rohres an, und ohne eine bedeutende chen bestehende, beidseitig verzahnte Blechelement 2 in Quer- Einziehkraft auszuüben, erhält man gleichmässige und gün-

richtung elastisch ist und sich leicht verformt. Da die Verzah- stige Auflage zwischen der eingezogenen Vorrichtung und nungen 6 der Blechelemente nicht radial oder diagonal, son- dem Rohr 1.

dem exzentrisch, d.h. in Sehnenrichtung im Rohrquerschnitt

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

648 404 PATENTANSPRÜCHE

1. Aus Blechelementen zusammengesteckte, gerippte Vorrichtung zur Verbesserung der Wärmeübertragung zum Einbau in Rohre von Wärmeaustauschern, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Blechelement (2) eine Verzahnung (6) aufweist, die sich in die Verzahnung des benachbarten Blechelementes (2) einfügt, und dass die mittleren Teile (7) der Blechelemente (2) einen Kanal (3) bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittleren Teile (7) der Blechelemente (2) einen Kanal (3) der Form eines regulären Polygons mit einer der Zahl der Blechelemente (2) entsprechenden Seitenzahl bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus drei verzahnten Blechelementen (2) zusammengesteckt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus vier verzahnten Blechelementen (2) zusammengesteckt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechelemente (2) Verzahnungen (6) senkrecht zu ihrer Längsachse aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechelemente (2) schräg zu ihrer Längsachse ausgeführte Verzahnungen (6) aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechelemente (2) so zusammengesteckt sind, dass die Verzahnungen (6) bei benachbarten Blechelementen (2) in entgegengesetzter Richtung gerichtet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Verzahnungen (6) der Blechelemente (2) den breitesten Teil der Verzahnung (6) bilden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus den mittleren Teilen (7) der Blechelemente (2) Leitlappen (8) ausgebogen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechelemente (2) untereinander so angeordnet sind, dass die Leitlappen (8) auf mindestens einem der Blechelemente (2) gegen die Mitte der Vorrichtung gerichtet, auf mindestens einem weiteren Blechelement nach aussen gerichtet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnungen (6) der Blechelemente (2) zur Verbesserung der Einpassung ins Innere des Rohres (1) abgebogen sind.