-
Die Erfindung betrifft eine massenfähig nutzbare Lösung zur Vergrößerung der Übertragerfläche und zur Verbesserung der Strömung in Rohren verschiedener Materialarten und Dimensionen.
-
Mit der Lösung wird der Zweck verfolgt, eine Energieübertragung zwischen der Rohrwandung und den innen strömenden flüssigen oder gasförmigen Medien und in umgekehrter Richtung zu erhöhen.
-
Das Bauteil ist so eingerichtet und ausgeführt, dass die technischen Prozesse Heizen, Kühlen, Oberflächenkondensation und Verdampfung umgesetzt werden können.
-
Abhängig von dem Einsatzfall kommen verschiedene Strukturen zum Einsatz. Durch die Form des bürstenartigen Einschubes kann neben der vergrößerten Oberfläche massiv Einfluss auf die Strömung im Rohr genommen werden.
-
Die Form des Bauteils wird durch die folgenden Parameter definiert:
- • Gerichtete/ ungerichtete „Rippen“
- • Dicke der Seele der Struktur
- • Form (rund, quadratisch), mittlerer Durchmesser und Länge der „Borsten“
- • Hohlraumanteil im Rohr
- • Veränderung des freien Strömungsquerschnittes
- • Richtung der Strukturen (mit bzw. gegen die Schwerkraft und Fließrichtung)
-
Durch eine geeignete Struktur werden folgende Aspekte des Wärmedurchgangs beeinflusst:
- • Vergrößerung der Oberfläche
- • Erzeugung von Turbulenz im Rohr zur Reduzierung der Pfropfenströmung ins besondere bei laminaren Strömungsprofilen
- • Vergrößerung der Strömungs-geschwindigkeit des Mediums im Rohr
- • Erzeugung eines spiralförmigen Strömungsweges des Mediums mit hohen Geschwindigkeiten nahe der Rohrwand zur Reduzierung der laminaren Grenzschicht.
-
Stand der Technik
-
Rohre dienen zum einen dem Transport von Flüssigkeiten und Gasen. Zum anderen auch der Übertragung von Energie von einem außer halb liegendem Medium auf das darin fließende Medium und in umgekehrte Richtung. Es ist eine Vielzahl von Lösungen bekannt, welche die Innenoberfläche von Rohren vergrößern. In den Aktenzeichen
DE 000002244024A und Aktenzeichen
WO 2015/007645A17 werden nachträglich aufgetragene Siedekörper als nichtmetallische Schicht und eine innenliegende Oberflächenvergrößerung durch rundlich ausgeführte Flossen beschrieben. Am Markt werden auch Rohre mit einer inneren Struktur, hergestellt in Stangpressverfahren, angeboten. Allen Lösungen ist gleich, dass nur die innere Oberfläche erfasst wird, nicht aber der komplette Innenraum des Rohres.
-
Andere Lösungen betrachten zwar den gesamten Innenraum und bilden innen liegende Kammern. Damit wird aber über die entstehenden Wände eine gegenseitige Abschottung der innenliegen den Medien organisiert.
-
Für die großtechnische Herstellung von berippten Rohrregistern sind innenberippte Rohre sehr ungünstig, da die Strukturen das für die Herstellung von berippten Rohren typische Aufweiten der Rohre massiv erschweren. Auch die Herstellung von Haarnadeln (U-förmig gebogene Rohre) und die Verbindungen mit Sammlern und weiteren Rohrbögen ist mit innenberippten Rohren aufwendig, bzw. nur mit unberippten Übergangstücken möglich.
-
Aufgabenstellung
-
Aufgabe der Erfindung ist die Realisierung einer Wärmeabfuhr oder Wärmeaufnahme eines Mediums mit Phasenwechsel oder sehr hohen Dichteunterschieden auf eine effiziente, sichere und kostengünstige Weise bei gleichzeitiger Minderung physikalischer Effekte, welche den Prozess stören können. Da, besonders bei Wasser, aber auch bei anderen Medien mit hoher Verdampfungswärme, die Gefahr eines Dampf- oder Kondensat-Schlages besteht, werden diese Apparate oft mit durchgehenden langen Rohren ohne Umlenkungen und Einbauten gebaut. Da die Höhe der senkrechten Rohre durch die Möglichkeiten der Strömungsführung des äußeren Mediums beschränkt ist werden viele parallele Rohre mit entsprechend sehr geringer Strömungsgeschwindigkeit im Rohr verwendet.
-
Die sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten (<0,005 m/s im unteren Teil des Rohres) behindern den Wärmeübergang deutlich. Selbst bei der Überhitzung des Dampfes mit deutlich höheren Strömungsgeschwindigkeiten (z.B. bei Wasser mit 100°C bei 1 bar ist das Dampfvolumen mehr als 1600mal größer als das Flüssigvolumen) ist die Geschwindigkeit weit unter dem Optimum für eine effiziente Wärmeübertragung. In dem eigentlichen Bereich der Verdampfung sind auf Grund der beim Sieden einsetzenden Turbulenz und dem Zurückfließen durch die Schwerkraft die lokalen Geschwindigkeiten hoch genug für einen akzeptablen Wärmeübergang, wobei aber auch hier eine höhere Strömungsgeschwindigkeit vorteilhaft wäre.
-
Erfinderische Lösung
-
Die erfinderische Lösung wurde darin gefunden, dass ein am Markt verfügbares, endlos herstellbares Ausgangsmaterial, welches eine bürsten oder igelartige metallische Struktur sein kann, in seiner Dimensionierung so ausgewählt wird, dass diese nach Einführung in das Rohr mit einer Anpresskraft an der Innenseite des Rohres anliegt. Die Enden der Borsten bzw. die an der Rohrwand anliegenden Bögen bilden damit eine kraftschlüssige Verbindung zur Innenseite des Rohres, ohne das Rohr zu verschließen. Das Medium kann unter einem geringen Druckverlust alle Borsten oder Stege umströmen. Damit wird die Fläche der Wärmeübertragung auf die Medien erhöht. Gleichzeitig wird das Bilden der sogenannten Strömungsseele vermindert und ein gezielt steuerbarer turbulenter Strömungsverlauf organisiert.
-
Um die Dampferzeugung kostengünstiger und effizienter zu realisieren ist es erforderlich, die Strömungsgeschwindigkeit zu beeinflussen und dabei die innere Wärmeübertragerfläche zu erhöhen. Beides kann die beschriebene Lösung leisten.
-
Zusammen gefasst ergeben sich aus der Erfindung folgende Vorteile:
- • die Lösung verbessert den Wärmeübergang und vergrößert die innere Wärmeübertragungsfläche. Damit verringert sich die Länge von Heizrohren, z.B. in Dampferzeugern. Das führt zu kleineren Bauräumen, Energie- und Materialeinsparungen
- • die Wärmeübertragerstruktur kann in einem
industriellen Verfahren „endlos“ hergestellt werden und damit preiswert erfolgen
- • durch Konfektionierung können individuelle und bedarfsgerechte Wärmeübertragerstrukturen gefertigt werden, bei denen die Parameter der wärmeleitenden Strukturen im Rohr wechseln können.
- • mit spiralförmigen Strukturen wird auf die Strömung des fließenden Mediums ein Drall aufgeprägt, der in 2 Phasen Gemischen die Flüssigkeitstropfen durch die Fliehkraft an die Rohrwand „drückt“
- • ein Mitreißen von Flüssigkeitstropfen im Gasstrom wird sicher unterbunden. Damit kann die Reservefläche zur Vermeidung von Flüssigkeitstropfen (die z.B. Turbinen zerstören können) deutlich reduziert werden
- • bei Verdampfern wird durch das Einbringen einer Feingliedrigen Struktur mit großer Oberfläche in Wandnähe die für die Verdampfung notwendige Überhitzung wesentlich reduziert
- • bei Kältemitteln kann nehmen der Reduzierung der Kältemittelmenge durch die gesteigerte Effizienz die Kältemittelmenge durch Verringerung des freien Volumens reduziert werden
- • bei Kondensation eines Mediums mit hoher Überhitzung bildet die durch zurückfließendes Kondensat benetzte Struktur eine riesige Wärmeübertragungsfläche zum Abbau der störenden Überhitzung
-
Figurenliste
-
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels 1 erläutert werden.
- 1 zeigt prinzipiell dargestellte
Querschnitte von Rohren mit innenliegender Struktur. Abhängig von der Art des Einschiebens liegen die Borsten mit dem Ende am Rohr, mit einer Biegung am Rohr (wie zwei einzelne Rippen) oder schmiegen sich in Rohrrichtung an eine Rohrwand, um ein Abfließen zu begünstigen
Gemäß 1 wird ein großtechnisch als Endlosware hergestellte metallische Struktur 3 in das Rohr 1 eingeführt. Die Borsten 2 bilden durch die Anpresskraft eine kraftschlüssige Verbindung zur Innenseite des Rohres und gewährleisten die zentrierte und nicht verschiebbare Lage der Struktur. Die metallische Struktur 3 füllt den Innenraum des Rohres aus ohne dieses zu verschließen. Das Restvolumen steht einer Flüssigkeit oder einem Gas zur Verfügung 4.
- In 2 sind prinzipiell verschiedene Anordnungen der Borsten dargestellt. Bei der chaotischen Anordnung 5 und der über den Querschnitt symmetrischen Anordnung 6 ist die vergrößerte Fläche und Turbulenz entscheidend, bei der spiralförmigen Anordnung 7 wird zusätzlich der Weg der Strömung im Rohr beeinflusst.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Rohr
- 2
- Borsten oder Stege
- 3
- metallische Struktur (Seele)
- 4
- inneres Medium (Flüssigkeit/Gas)
- 5.
- chaotische Borstenanordnung
- 6.
- querschnittsymmetrische Borstenanordnung
- 7.
- spiralförmige Borstenanordnung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 000002244024 A [0007]
- WO 2015/007645A17 [0007]
